Mục tiêu và phạm vi
Mục tiêu nghiên cứu : Tính toán thiết kế bể lọc nhanh, ứng dụng của bể lọc trong đời sống và quá trình vận hành, bảo trì bể lọc
Phạm vi nghiên cứu : Bể lọc nhanh trọng lực.
Nội dung
Chuyên đề này tập trung vào việc phân loại và thiết kế bể lọc nhanh trọng lực, bao gồm các phương pháp tính toán, quy trình thau rửa và vận hành bể lọc Ngoài ra, bài viết cũng phân tích ưu nhược điểm của bể lọc nhanh trọng lực so với các loại bể lọc khác trong lĩnh vực xử lý nước.
Phương pháp nghiên cứu
- Hình thành ý tưởng dàn bài, các nội dụng cần thiết cho chuyên đề
Để xây dựng chuyên đề hiệu quả, cần sử dụng các bài báo quốc tế đã được công bố, chọn lọc thông tin mới và hữu ích Đồng thời, tham khảo tài liệu liên quan để bổ sung kiến thức trong quá trình thực hiện Việc kết hợp thông tin phù hợp, mới lạ và xác thực là rất quan trọng.
- Tham khảo tài liệu tiếng việt và giảng viên để nắm chắc thông tin
Tài nguyên nước là yếu tố thiết yếu cho môi trường sống và sự phát triển kinh tế - xã hội, nhưng hiện đang đối mặt với ô nhiễm và cạn kiệt Nguy cơ thiếu nước sạch là mối đe dọa lớn cho sự sống trên trái đất, do đó, cần có biện pháp bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên này Việc giữ cho nguồn nước sạch và tái chế nước bẩn là rất quan trọng Để đáp ứng nhu cầu sử dụng nước, xử lý nước cấp theo tiêu chuẩn của Bộ Y tế là cần thiết Hiện nay, nhiều phương pháp xử lý nước được áp dụng, từ các công nghệ hiện đại như tuyển nổi và phương pháp màng đến các phương pháp lọc truyền thống, trong đó có bể lọc nhanh trọng lực, vẫn mang lại hiệu quả cao cho các nhà máy xử lý nước.
TỔNG QUAN
Lịch sử lọc
Một thế kỷ trước, việc lọc nước gần như không cần thiết do các con sông thường sạch và không ô nhiễm Nước được lấy từ sông bằng tay hoặc máy bơm đơn giản mà không cần thanh lọc Tuy nhiên, với sự gia tăng dân số và phát triển công nghiệp, nước sông đã bị ô nhiễm, khiến việc lọc nước trở nên cần thiết Ban đầu, bộ lọc cát chậm được sử dụng, bao gồm một vỏ lớn chứa cát và đường ống thoát nước ở dưới Sự gia tăng nhu cầu xử lý một lượng nước khổng lồ đã thúc đẩy việc phát triển các kỹ thuật lọc nhanh và hiệu quả hơn.
Kỹ thuật lọc cát nhanh yêu cầu bề mặt lọc ít hơn nhưng cần nhiều người quản lý hơn do quá trình làm sạch bộ lọc phải thực hiện bằng cách rửa ngược, đòi hỏi máy bơm nước và không khí Hơn nữa, việc xây dựng các nhà máy lọc cũng cần điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu rửa ngược này.
Giới thiệu về quá trình lọc
Lọc là quá trình truyền nước qua các lớp vật liệu nhằm loại bỏ hạt và tạp chất từ nguồn nước, bao gồm bông keo tụ Tạp chất này có thể là hạt lơ lửng, vật chất sinh học và các bông keo tụ Các vật liệu lọc phổ biến trong hệ thống cung cấp nước công cộng bao gồm cát, than đá và các vật liệu khác Quá trình lọc được chia thành hai loại: lọc nhanh và lọc chậm Lọc chậm, được phát triển bởi John Gibb vào năm 1804, là hình thức lọc đầu tiên, sử dụng để xử lý nước cho các xưởng tẩy trắng tại Scotland Lọc cát chậm cũng được áp dụng để xử lý nước sông Thames ở London vào năm 1820 Tuy nhiên, từ những năm 1930, phương pháp xử lý nước bằng keo tụ và lọc nhanh đã dần thay thế lọc cát chậm trong nhiều nhà máy xử lý nước.
Lọc hoạt động giống như một cái rây hoặc vi lọc, giữ lại các tạp chất giữa các hạt của lớp vật liệu lọc Tuy nhiên, do hầu hết các hạt lơ lửng có thể dễ dàng đi qua không gian giữa các hạt, quá trình hấp phụ trở thành yếu tố quan trọng nhất trong quy trình lọc.
Lọc chủ yếu dựa vào sự kết hợp giữa các cơ chế vật lý và hóa học phức tạp, với sự hấp phụ là yếu tố quan trọng nhất Quá trình hấp phụ diễn ra khi các hạt bám vào bề mặt của các hạt lọc hoặc các vật liệu lắng đọng trước đó Lực hút và giữ các hạt này tương tự như cơ chế hoạt động trong quá trình keo tụ và kết bông.
Trong quá trình lọc, hiện tượng keo tụ và kết bông có thể xảy ra nếu không được kiểm soát đúng cách Việc keo tụ chưa hoàn thành có thể dẫn đến những vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của bộ lọc.
Phân loại lọc
- Vật liệu lọc đơn (cát hoặc than)
- Vật liệu lọc kép (than và cát)
- Đa vật liệu lọc (than, cát, garnet)
Bộ lọc đa lớp vật liệu lọc là loại lọc tốt hơn hết trong các loại lọc
Khối lượng lỗ rỗng có sẵn là tối đa ở đầu lọc và giảm dần đến mức tối thiểu tại dưới cùng của bộ lọc
1.3.2 Theo dòng chảy qua lớp vật liệu lọc
Bộ lọc trọng lực: Mở cửa cho không khí Dòng chảy qua lớp vật liệu lọc đạt được bằng trọng lực
Bộ lọc áp suất: Lớp vật liệu lọc được chứa trong bình chịu áp suất Nước được chuyển giao cho bể chứa dưới áp lực
1.3.4 Theo cơ chế điều khiển dòng chảy
- Tốc độ không đổi (áp suất liên tục hoặc áp suất thay đổi)
- Tỷ lệ giảm dần ( áp suất liên tục hay áp suất thay đổi)
Bể lọc nhanh trọng lực
1.4.1 Giới thiệu về bể lọc nhanh trọng lực
Bộ lọc nhanh trọng lực là thiết bị quan trọng trong xử lý bề mặt nguồn cung cấp nước, bao gồm cấu trúc chứa các đơn vị và lớp vật liệu lọc, cùng với hệ thống thoát nước, rửa lọc và xử lý chất thải Để đảm bảo hoạt động linh hoạt, diện tích lọc nên được chia thành ít nhất hai đơn vị riêng biệt Ngoài ra, các hình thức tiền xử lý nước thô như lắng đọng trầm tích thường là cần thiết.
Trong quá trình lọc, nước được dẫn lên trên cùng của các lớp vật liệu lọc và di chuyển nhờ trọng lực Khi nước chảy qua, nó đi qua những khoảng không hẹp giữa các hạt vật liệu.
Bộ lọc nước hoạt động bằng cách loại bỏ các tạp chất, cho phép nước tiếp tục chảy qua các sỏi hỗ trợ và vào hệ thống thoát nước, sau đó dẫn đến hồ chứa Lớp vật liệu lọc, bao gồm cát hoặc than antraxit, đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các tạp chất khỏi nước Để duy trì hiệu suất, các lớp vật liệu lọc cần được làm sạch thường xuyên thông qua quá trình rửa ngược.
1.4.2 Cơ chế của quá trình lọc:
- Hạt> không gian lỗ rỗng của lớp vật liệu lọc thì các tạp chất chèn ép ra khỏi lớp vật liệu lọc bằng phương pháp cơ học
- Hạt < không gian lỗ rỗng của lớp vật liệu lọc thì các tạp chất bị mắc kẹt lại trên lớp vật liệu lọc bởi sự tiếp xúc ngẫu nhiên
Hạt định cư trên các phương tiện lọc
Hạt nặng sẽ không tuân theo các dòng chảy
Các hạt di chuyển dọc theo dòng nước được loại bỏ khi chúng tiếp xúc với bề mặt của môi trường lọc Độ bám dính
Các hạt keo tụ gắn liền với lớp vật liệu lọc khi chúng đi qua lớp lớp vật liệu lọc
Sự hấp phụ (hóa học hoặc vật lý hoặc cả hai):
Khi một hạt đã được đưa vào tiếp xúc với bề mặt của lớp vật liệu lọc hoặc với các hạt khác
Hạt lớn vượt qua các hạt nhỏ hơn, gia nhập vào nhau, và hình thành những phần tử lớn hơn
Tăng trưởng sinh học trong bộ lọc dẫn đến việc giảm khối lượng lỗ rỗng, đồng thời có khả năng cải thiện hiệu quả loại bỏ các hạt thông qua nhiều cơ chế khác nhau.
Chất dinh dưỡng và chất tập trung trên bề mặt môi trường lọc tạo điều kiện cho sự phát triển của sinh vật Quá trình này dẫn đến việc hình thành một lớp thảm chứa chất nhớt gọi là "zoogleal", được biết đến với tên gọi "Schmutzdecke".
Bảng 1.1: Đặc điểm của các vật liệu lọc điển hình
Vật liệu Phạm vi kích thước (mm)
Hai yếu tố quan trọng để đánh giá và lựa chọn vật liệu lọc:
- Yêu cầu về thời gian để loại bỏ độ đục thông qua các bể lọc
- Thời gian cần thiết cho các bộ lọc để hạn chế được tổn thất ban đầu
Khi tổn thất áp lực được kiểm soát thường xuyên và độ đục tăng đột ngột hiếm khi xảy ra, kích thước vật liệu lọc lớn là lựa chọn hợp lý Ngược lại, nếu độ đục thường xuyên tăng đột ngột và tổn thất ban đầu hiếm gặp, kích thước vật liệu lọc nhỏ nên được xem xét.
LỌC CÁT NHANH TRỌNG LỰC
Vật liệu lọc
Các vật liệu lọc phổ biến trong hệ thống lọc nhanh trọng lực bao gồm cát, với lớp than hoặc vật liệu tương tự ở trên để tạo khoảng trống lưu trữ tạp chất Hỗn hợp vật liệu lọc được nâng cao với lớp granet hoặc vật liệu tương tự dày đặt dưới cát Ngoài ra, các vật liệu trơ như than hoạt tính và sỏi thường được sử dụng để hỗ trợ cho các phương tiện truyền bộ lọc, mang lại các đặc tính mong muốn cho quá trình lọc.
• Đặc điểm thủy lực tốt (thấm);
• Không phản ứng với các chất trong nước (trơ và dễ dàng để làm sạch);
• Cứng và độ bền cao;
Sỏi được sử dụng để hỗ trợ các bộ lọc cát, cần có những đặc điểm nhất định để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả Tiêu chuẩn Anh về các nguyên liệu lọc nhanh trọng lực đã được công bố bởi Hiệp hội nước và nước thải, bao gồm 6 tiêu chuẩn cho tất cả các vật liệu dạng hạt Những tiêu chuẩn này nhằm đảm bảo các thông số cần thiết cho hoạt động thành công của hệ thống lọc, bao gồm cả lọc ngược.
Bảng 2.1 Đặc điểm của vật liệu lọc
Mật độ tương đối Độ rỗng (%) Đường kính hiệu dụng (mm)
Than antraxit nghiền nát Góc cạnh 1.50-1.75 55 0.4-1.4
Nhựa Lựa chọn đặc điểm bất kì
Thông thường,vật liệu lọc cát nhanh chóng là cát Tuy nhiên, hình thức vật liệu lọc khác được sử dụng vì những lý do cụ thể
Cát được xác định bởi:
Khoáng chất - thường là silic (còn gọi là thạch anh)
Kích thước tối thiểu - tất cả các hạt được giữ lại trên một cái rây đặc biệt
Kích thước tối đa - tất cả các hạt lọt qua sàng kích thước khẩu độ đặc biệt
d60 - đường kính trong đó 60% (theo khối lượng) của các hạt nhỏ hơn
d10 - đường kính trong đó 10% (theo khối lượng) của các hạt nhỏ hơn
Tính đồng nhất – tỷ lệ d60 / d10
hình dạng hạt - thường là phụ góc hoặc tròn
Kích thước hạt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ lọc, tác động trực tiếp đến tổn thất áp suất trong quá trình làm sạch nước và sự tích tụ tổn thất áp suất khi bộ lọc hoạt động.
Hình 2.2 Lớp vật liệu lọc trong lọc nhanh trọng lực
Hình 2.3 Phân phối tần số tích lũy
Kích thước hiệu quả và hệ số đồng nhất thường bị bỏ qua, trong khi một tham số mới, kích thước thủy lực, đã được xác định Các tham số này có thể được áp dụng trong việc tính toán ngưỡng tầng sôi và các điểm rửa ngược, nơi áp lực thủy lực bị mất qua vật liệu lọc.
Tấm sàng được đặt trong thứ tự tăng dần với mở lớn nhất trên đầu và mở nhỏ về phía dưới
Vừa được đặt trên rây trên và các ngăn xếp chồng lên nhau rung chuyển trong 1 thời gian quy định
Vào cuối giai đoạn run khối vật liệu giữ lại trên mỗi sàng được xác định
Khối lượng tích lũy được ghi lại và chuyển đổi thành tỷ lệ phần trăm dựa trên khối lượng bằng hoặc nhỏ hơn kích thước chia tách của rây nằm phía trên Phân tích sàng sẽ cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về kết quả.
d10 (kích thước hiệu dụng): kích thước mở sàng trong cho phép 10% các hạt đi qua lớp vật liệu lọc
d60 (kích thước hiệu dụng): kích thước mở sàng trong cho phép 60% các hạt đi qua lớp vật liệu lọc
Vậy hệ số đồng nhất (d60 / d10)
Một thông số quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu lọc là mật độ vật chất và độ rỗng của nó Độ rỗng phụ thuộc vào hình dạng của các hạt, trong đó hạt tròn thường có độ rỗng thấp hơn và dễ dàng được rửa sạch với tốc độ rửa ngược thấp Than antraxit, một loại vật liệu nghiền nát, là ví dụ điển hình cho vật liệu lọc có độ xốp cao và đã được sử dụng từ lâu.
Trong quá trình lọc, rửa ngược đóng vai trò quan trọng hơn giai đoạn lọc phía trước, vì nếu tốc độ rửa ngược quá cao, vật liệu lọc sẽ bị mất nhanh chóng, còn nếu quá thấp, hiệu quả làm sạch sẽ giảm, dẫn đến hiệu suất lọc kém Trình tự rửa ngược cần được điều chỉnh phù hợp với loại vật liệu, nhiệt độ nước và các đặc điểm như kích thước, mật độ hay tỷ lệ lỗ rỗng Việc lựa chọn vật liệu lọc phù hợp cho lọc trọng lực nhanh chóng phụ thuộc vào nguồn nước, thiết kế bộ lọc và tốc độ dự đoán Vật liệu lọc đồng nhất thường tích tụ tổn thất ban đầu chậm hơn, với hệ số đồng nhất dưới 1.5 dễ dàng hơn để truyền bộ lọc, trong khi vật liệu có tính đồng nhất dưới 1.3 thường có chi phí cao hơn.
Hình 2.4 Lọc cát nhanh trọng lực
Thiết kế bể lọc cát nhanh trọng lực
Mặt cắt của bộ lọc trọng lực cho thấy nước vào từ trên qua máng, sau đó chảy xuống các lớp vật liệu lọc dày 24-30 inch và lớp sỏi hỗ trợ, được thu thập trong hệ thống rãnh ngầm Trong quá trình rửa ngược, nước được bơm lên để loại bỏ tạp chất tích lũy trong lớp vật liệu Sau khi vào ống rãnh ngầm, nước được phân phối trở lại bằng cách mở rộng lớp vật liệu, và cuối cùng được thu gom trong các máng rửa để xả ra ngoài Quá trình rửa ngược sử dụng tay khuấy xoay và phun nước để làm nới lỏng lớp vật liệu lọc.
Hệ thống lọc trọng lực trong nhà máy xử lý nước được thiết kế với các bộ lọc bố trí ở hai bên của hành lang ống, bao gồm đường ống đầu vào và đầu ra, cũng như hệ thống rửa nước Hành lang này có một tầng điều hành để kiểm soát bảng điều khiển gần bộ lọc Nước đã được xử lý và làm sạch sẽ được lưu trữ dưới một phần của khu vực lòng lọc.
Hình 2.5 Hệ thống lọc nhanh trọng lực điển hình trong xử lý nước
2.2.1 Ước tính độ sâu của cát Độ sâu của lớp cát nên được đảm bảo sao cho các bông keo tụ không vượt qua lớp cát lọc Thông thường, độ sâu của cát thay đổi từ 60 đến 90 cm
Hình 2.6 Lớp cát và sỏi trong bể lọc
Để ước tính thiết kế độ sâu của cát, cần đối chiếu độ sâu này với sự gia tăng của các bông keo tụ qua lớp cát lọc Việc tính toán độ sâu tối thiểu có thể được thực hiện theo công thức Hudson.
H = Tổn thất áp lực giai đoạn cuối, m
L = chiều sâu của lớp cát, m
Chỉ số Bi có khả năng phá vỡ giá trị dao động trong khoảng từ 0,00004 đến 0,006, tùy thuộc vào phản ứng của quá trình đông tụ và mức độ tiền xử lý trong bộ lọc chảy đến.
2.2.2 Kích thước lớp sỏi đỡ :
Vật liệu cát lọc cần được hỗ trợ bởi lớp sỏi đỡ bên dưới, với sỏi đỡ phải có hình dạng khối đa giác hoặc hình cầu Sỏi đỡ cần đạt đủ độ bền và độ cứng để đảm bảo không làm giảm chất lượng trong quá trình bốc xếp và sử dụng Ngoài ra, sỏi đỡ không được chứa lẫn đất sét hay diệp.
15 thạch hoặc các tạp chất hữu cơ Tổng chiều sâu của lớp sỏi đỡ thay đổi 45- 60 cm và thường được cấu tạo từ các lớp sau đây:
Bảng 2.2: Kích thước và chiều sâu của lớp sỏi đỡ
Lớp Độ sâu Cỡ hạt
Lớp trên cùng 15 cm 2mm – 6mm
Lớp giữa 15 cm 6mm – 12mm
Lớp trung gian 15 cm 12mm – 20mm
Để giảm thiểu sự xáo trộn của lớp sỏi trong quá trình rửa lọc với tốc độ cao, cần có một lớp đá dày từ 6cm đến 8cm được đặt trên lớp sỏi có độ dày từ 15 cm và kích thước hạt từ 20mm đến 50mm.
2.2.3 Ước tính phân phối kích thước cỡ hạt :
Kích thước giả thiết của hạt sỏi là 2mm cho lớp trên và 50mm cho lớp dưới Để xác định độ sâu cần thiết (l) tính bằng cm của một lớp sỏi với kích thước hạt (d) tính bằng mm, ta có thể sử dụng công thức thực nghiệm: l = 2.54 * k * (log d).
Trong đó k thay đổi từ 10 đến 14
2.2.4 Tính toán thiết kế máng nước rửa
Máng nước rửa được lắp đặt trên cùng của bộ lọc để thu hồi nước rửa sau khi nó nổi lên từ cát, dẫn vào cống hoặc rãnh nước rửa Các máng này, như máng RI hoặc máng RCC, có thể kéo dài theo chiều ngang hoặc chiều dài của bể chứa Đáy máng được giữ trên đỉnh cát đã mở rộng để ngăn mất mát cát trong quá trình rửa ngược, đồng thời mép trên của máng cần được đặt gần bề mặt cát để loại bỏ hiệu quả nước bẩn sau khi rửa Máng phải có kích thước đủ lớn để thu nhận toàn bộ nước, vì sự ngập nước của rãnh sẽ làm giảm hiệu quả rửa Đáy máng cần giữ ít nhất 5cm trên đỉnh cao nhất của cát, với khoảng cách giữa các máng nước rửa từ 1,5-2 cm.
Hình 2.7 Khoảng cách máng rửa
Khoảng cách giữa các máng = chiều rộng của máng / số máng
Xả mỗi máng = tổng lưu lượng / số lượng máng Độ sâu lớp nước ở phía trên được đưa ra bởi
y: độ sâu của lớp nước
b: Chiều rộng của máng Độ sâu của đáy = chiều cao tự do + độ sâu của nước
2.2.5 Thiết kế hệ thống thu nước lọc bên dưới:
Hệ thống thu nước lọc phía dưới có nhiệm vụ sau:
Thu và phân phối nước lọc trên toàn bộ diện tích bể
Cung cấp và phân phối nước cho quá trình rửa lọc mà không làm xáo trộn lớp vật liệu lọc và lớp sỏi đỡ
Trong thiết kế hệ thống phân phối nước lọc bằng ống đục lỗ, có nhiều loại máng thu khác nhau Hệ thống này bao gồm một ống chính và các ống nhánh hai bên Để giảm thiểu sự chênh lệch phần trên của bể, cần duy trì vận tốc trong ống và ống dẫn ở mức thích hợp Đồng thời, đường kính, số lượng và khoảng cách giữa các lỗ cũng phải được tính toán hợp lý.
Khoảng cách giữa các trục của ống nhánh dao động từ 15 đến 30 cm, với đường kính các lỗ từ 6 đến 12 mm Các ống nhánh được khoan hai hàng lỗ phân phối so le ở nửa bên dưới, tạo thành một góc 30 độ với phương thẳng đứng Hệ thống ống đục lỗ được đặt phía dưới lớp sỏi đỡ và trên khối bê tông, cách khoảng 4 cm so với đáy bể lọc.
Hệ thống này có tốc độ dòng chảy khoảng 700 l/ phút m 2 để rửa ngược
Hình 2.8 Hệ thống thu nước lọc phía dưới
Giá trị của các thông số trong hệ thống thoát nước phía dưới:
Tỷ lệ giữa chiều dài và đường kính của ống nhánh không được vượt quá 60 Khoảng cách giữa các ống nhánh lấy từ 150 đến 300mm
Đường kính lỗ phân phối lấy từ 5 đến 12mm
Khoảng cách giữa các lỗ thay đổi từ 80mm đến 200mm
Tỷ lệ tổng diện tích lỗ phân phối trong hệ thống thoát nước so với tổng diện tích mặt cắt ngang của ống nhánh không nên vượt quá 0.5 – 0.25
Tỷ lệ tổng diện tích lỗ trong hệ thống thoát nước trên toàn bộ diện tích bể lọc thấp từ 0.002 – 0.003
Diện tích ống phân phối tối ưu nên từ 1.5 đến 2 lần tổng diện tích ống nhánh, giúp giảm thiểu tổn thất ma sát và cải thiện hiệu quả phân phối nước.
2.2.6 Tính toán tổn thất áp suất trong bộ lọc
Tổn thất áp suất trong thau rửa bộ lọc được tính toán bằng cách sử dụng phương trình sau đây: h = 𝐿 𝑒 (1−𝜀 𝑒 )(𝜌 𝑠−𝜌 )
Le = Chiều sâu giãn nở lớp vật liệu lọc, m
εe =Giãn nở độ rỗng của lớp vật liệu lọc, không thứ nguyên
ρs = Tỷ trọng các hạt lọc; kg / m 3 [8]
Thau rửa bể lọc
2.3.1 Giới thiệu chung về thau rửa bể lọc
Khi bộ lọc bị tắc nghẽn do chất rắn tích lũy, lưu lượng nước qua bộ lọc sẽ giảm Để khôi phục hiệu suất, việc thau rửa bộ lọc cần được thực hiện sau khoảng thời gian từ vài giờ đến 2 ngày Quá trình làm sạch này được thực hiện bằng cách đảo ngược dòng chảy của nước, hay còn gọi là rửa ngược.
Hình 3.1 Qúa trình vận hành lọc và thau rửa lọc
Rửa ngược là yếu tố quan trọng không chỉ cho hiệu suất của bộ lọc mà còn đảm bảo chất lượng nước đầu ra Tất cả các bộ lọc đều cần được rửa ngược hoặc thay thế sau một thời gian sử dụng.
Hình 3.2 Quá trình thau rửa bể lọc trong lọc cát nhanh trọng lực
Hầu hết các hệ thống xử lý nước sử dụng bộ lọc để chọn lọc và giữ lại các hạt trong dòng chảy Khi lỗ rỗng của bộ lọc bị tắc, việc làm sạch hoặc thay thế là cần thiết để duy trì hiệu quả xử lý nước.
Một trong những phương pháp hiệu quả nhất để làm sạch bộ lọc hệ thống xử lý nước là rửa ngược, tức là đảo ngược dòng chảy và tăng tốc độ nước đi qua bộ lọc Mặc dù mỗi bộ lọc có những đặc điểm riêng, nhưng nguyên tắc rửa ngược vẫn giống nhau cho tất cả Để rửa ngược bộ lọc một cách hiệu quả, việc sử dụng nước sạch, thường là nước đã được lọc, là rất quan trọng Hình ảnh bên dưới minh họa quá trình rửa ngược.
Bể lọc nhanh trọng lực, bao gồm bể lọc cát với nhiều lớp vật liệu lọc, yêu cầu làm sạch định kỳ để loại bỏ chất rắn tích lũy Trong quá trình rửa ngược, dòng chảy được đảo ngược với tốc độ 13-20 gals/m²/phút để loại bỏ chất rắn Tốc độ rửa ngược thường dao động từ 15-17 gals/m²/phút và phụ thuộc vào thiết kế bể lọc cũng như nhiệt độ nước Các kỹ sư tư vấn thiết kế hoặc nhà cung cấp thiết bị lọc sẽ cung cấp đường cong xác định tốc độ rửa ngược phù hợp dựa trên thiết kế chi tiết của bể lọc.
Hình 3.3 Tốc độ rửa ngược với nhiệt độ nước
Hình 3.4 Quá trình thau rửa lọc
2.3.2 Kỹ thuật thau rửa bể lọc ( rửa ngược)
Rửa ngược bộ lọc cho đến khi nước sạch, đảm bảo có đủ nước sạch để thực hiện quá trình này Hầu hết các hệ thống có giới hạn về lượng nước sạch, vì vậy cần tránh để bộ lọc quá bẩn hoặc vượt quá thời gian quy định cho việc vận hành Một số hệ thống nhỏ có thể sử dụng ít nước hơn khi rửa ngược do hạn chế về lượng nước, hoặc phải tiết kiệm nước trong trường hợp hạn hán Tuy nhiên, hệ thống cần cung cấp đủ nước để làm sạch bộ lọc, nhằm đảm bảo chất lượng nước tốt cho khách hàng.
Có một số kỹ thuật có thể được sử dụng để nâng cao hoặc đẩy nhanh quá trình rửa ngược:
Hệ thống rửa trên bề mặt bao gồm các vòi phun nước cố định hoặc thiết bị quay vòng, hoạt động vào đầu chu kỳ rửa ngược và thường kết thúc trước giữa chu kỳ Ngoài ra, có thể sử dụng vòi phun nước trong lớp vật liệu lọc để thực hiện rửa dưới bề mặt, giúp hóa lỏng hoàn toàn lớp vật liệu lọc Dòng chảy cho vòi phun cố định cần đạt 2 lít mỗi phút mỗi foot vuông, trong khi hệ thống xoay yêu cầu 0,5 lít mỗi phút mỗi foot vuông.
Thêm một hệ thống xói khí là giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng nước Hệ thống này bao gồm các ống dẫn khí nhỏ, được lắp đặt dưới cống hoặc ở vị trí cao hơn, nhằm thổi không khí sạch vào trong nước Việc cung cấp không khí không bị ô nhiễm giúp bóng bùn bị phá vỡ, từ đó nâng cao khả năng xử lý nước thải.
Luôn luôn phun bên trong những bức tường lọc xuống với nước sạch sử dụng uống được trong quá trình rửa ngược trên tốc độ lọc nhanh trọng lực
Tăng hoặc thay đổi tỷ lệ rửa ngược, nhưng không quá nhiều khi đá sỏi hỗ trợ có thể bị dời chỗ và tạo ra một vấn đề lớn
2.3.3 Quy định đối với thau rửa bộ lọc
Các bộ lọc nên được rửa ngược khi có các điều kiện sau đây:
Tổn thất áp lực quá cao mà bộ lọc không còn sản xuất được nước theo tỷ lệ mong muốn;
Các bông keo tụ liên tục tăng vượt qua các bộ lọc và độ đục trong bộ lọc nước thải tăng;
Thời gian chạy bộ lọc đạt đến một giờ nhất định của hoạt động
Nếu một bộ lọc được lấy ra khỏi hệ thống cho một số lý do, nó phải luôn luôn được rửa ngược trước được đưa trở lại trực tiếp
Quy định đối với thau rửa lọc:
Tỷ lệ rửa ngược tối thiểu cần đạt là 15 gallon/phút/ft² để đảm bảo giãn nở 50% lớp vật liệu lọc Tuy nhiên, đối với bộ lọc than antraxit sâu hoặc bộ lọc than hoạt tính dạng hạt, tỷ lệ này có thể giảm xuống còn 10 gallon/phút/ft² mà vẫn chấp nhận được.
Nước đủ để rửa ngược 1 bộ lọc cho ít nhất 15 phút với tốc độ thiết kế rửa ngược
Điều chỉnh máy hoặc van điều khiển cho mỗi bộ lọc để có được tốc độ rửa lọc mong muốn
Tốc độ của mỗi dòng chảy trên đồng hồ của hệ thống rửa lọc được thiết kế để dễ dàng đọc bởi người vận hành trong quá trình rửa lọc trở lại.
Thiết kế để ngăn chặn những thay đổi nhanh chóng trong dòng nước rửa ngược
2.3.4 Chu trình rửa ngược( thau rửa lọc)
Rửa ngược là một bước quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động của bộ lọc Nếu không thực hiện rửa ngược đúng cách, bộ lọc sẽ gặp phải nhiều vấn đề trong quá trình vận hành Để bộ lọc hoạt động hiệu quả, cần phải làm sạch trước khi bắt đầu quá trình lọc Nước sử dụng cho chu trình rửa ngược phải là nước đã qua xử lý, thường được lấy từ bể chứa cao hoặc bơm từ nguồn nước đã được làm sạch.
Trong quá trình lọc, các lớp vật liệu của bộ lọc có thể bị phủ bởi bông keo tụ, làm khó khăn cho việc làm sạch Để khắc phục, các lớp vật liệu cần được mở rộng trong quá trình rửa ngược, gây ra sự chà xát giữa các hạt lọc để loại bỏ bông keo tụ Tỷ lệ thau rửa cần đủ lớn để khuấy động lớp vật liệu và giữ lại bông keo tụ trong nước, nhưng nếu vận tốc quá cao, lớp vật liệu có thể bị rửa sạch ra khỏi bộ lọc Tỷ lệ rửa ngược bình thường dao động từ 15-23 gpm mỗi ft² diện tích bề mặt lọc, và thường không phá vỡ các khối trên cùng của bộ lọc Các kỹ sư khuyên nên lắp đặt hệ thống rửa bề mặt, thường là cánh khuấy treo trên lớp vật liệu lọc Phương pháp rửa bề mặt mới hơn sử dụng xói khí trước khi rửa nước, rất hiệu quả nhưng cần một máy thổi khí lớn, với thiết kế bình thường cho không khí rửa là 2-5 feet khối khí mỗi ft² diện tích lọc.
2.3.5 Các phương pháp thau rửa lọc
Trong nhiều năm, người ta tin rằng việc rửa các bộ lọc nhanh chóng phải thực hiện nhẹ nhàng để bảo vệ các màng sinh học Tuy nhiên, vào những năm đầu thế kỷ 20, nghiên cứu cho thấy lớp vật liệu lọc sạch sẽ hoạt động hiệu quả hơn so với lớp vật liệu có màng sinh học Do đó, nhiều phương pháp đã được phát triển để cải thiện hiệu quả của quá trình rửa ngược, và các phương pháp phổ biến cùng ưu nhược điểm của chúng sẽ được trình bày dưới đây.
Rửa ngược bằng chất lỏng nếu không có phương pháp rửa bổ trợ khác
Phương pháp này chỉ yêu cầu rửa bộ lọc với tỷ lệ dòng rửa ngược đủ để đảm bảo nước rửa thoát ra từ bộ lọc hoàn toàn sạch sẽ.
Kinh nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng dòng nước rửa ngược đơn không thể ngăn chặn hiện tượng bóng bùn và nứt bộ lọc trong quá trình xử lý nước thô, bất kể vận tốc rửa ngược được áp dụng.
VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ BỂ LỌC
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình lọc
Trong thiết kế bộ lọc, các biến số quan trọng cần xem xét bao gồm tốc độ lọc, tính chất của các hạt trong dòng chảy, đặc điểm môi trường lọc, tổn thất áp suất cho phép, độ rỗng và chiều sâu của lớp vật liệu lọc, cũng như tính chất trước khi xử lý và kiểm soát quá trình thau rửa.
Kích thước hạt, diện tích bề mặt và đặc điểm bề mặt của lớp vật liệu lọc có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả loại bỏ tạp chất và vi sinh vật trong nước Cụ thể, kích thước hạt nhỏ thường giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước.
Các đặc tính chảy đến, bao gồm sự tập trung, kích thước và phân phối kích thước của các hạt, cũng như tải trọng và cường độ của các hạt rắn hoặc keo tụ, ảnh hưởng lớn đến quá trình lọc Sự phân bố kích thước và đặc điểm bề mặt, như điện tích bề mặt, của các hạt vật chất cũng tác động đến cơ chế xử lý của lớp vật liệu lọc Trong nước thải, dịch keo và các hạt vật chất thường mang điện tích âm, dẫn đến hiện tượng đẩy lùi nhau và tạo ra sự ổn định trong hệ thống.
Hóa chất keo tụ vô cơ và polyme hữu cơ thường được sử dụng trong lọc quá trình để nâng cao hiệu quả xử lý
Hóa chất keo tụ vô cơ và polyme hữu cơ được sử dụng phổ biến trong quá trình lọc để nâng cao hiệu quả xử lý nước Chúng giúp ổn định và đông tụ các hạt và chất dạng keo bằng cách giảm lực đẩy tĩnh điện, dẫn đến việc tập hợp và phân tách các hạt trong bể lọc Hóa chất làm đông vô cơ còn có khả năng kết tủa các chất hòa tan như phốt pho vô cơ Các chất kết bông cao phân tử hữu cơ hoạt động bằng cách tạo cầu nối giữa các vật liệu lơ lửng, làm tăng sức mạnh của cốt liệu và khả năng keo tụ Hiệu quả của quá trình keo tụ và kết bông phụ thuộc vào liều lượng chất làm đông tụ và độ pH của nước, với mỗi loại chất kết tủa có điều kiện tối ưu riêng Sử dụng chất làm đông tụ quá liều có thể gây ra các vấn đề như tắc nghẽn bộ lọc và tăng độ đục trong các lớp vật liệu lọc.
Vận hành và bảo trì bể lọc
Vận hành quá trình lọc
Làm sạch các bể lọc (rửa ngược) mỗi 24-72 giờ
Nước rửa ngược và bùn thường được yêu cầu xử lý độc
Cần người vận hành có tay nghề cao
Để duy trì tốc độ lọc ổn định, cần sử dụng thiết bị điều chỉnh tốc độ lọc Mỗi bể lọc đều phải được trang bị dụng cụ đo tốc độ lọc và tổn thất.
Bể lọc cần được trang bị thiết bị đo áp lực, có thể lắp trực tiếp trên bể hoặc trong tủ điều khiển Để đảm bảo hiệu suất, các dụng cụ đo lường phải được kiểm tra định kỳ ít nhất 6 tháng một lần.
Quá trình rửa bể lọc diễn ra khi tổn thất áp lực trong bể đạt giới hạn cho phép hoặc khi chất lượng nước lọc bắt đầu suy giảm Để xác định thời điểm rửa lọc, có thể sử dụng thiết bị đo tự động hoặc theo dõi sự chênh lệch mực nước trước và sau bể lọc trong quá trình quản lý vận hành thủ công.
Vận hành quá trình thau rửa bể lọc
Các bước tiến hành quá trình rửa ngược : Có 3 bước
Bước 1 : Rửa bề mặt bể lọc
Bước 2 : Rửa nước kết hợp với khí
Bước 3 : Rửa thuần túy bằng nước
Tùy vào từng nhà máy xử lý nước cấp mà chọn cách tiến hành rửa khác nhau :
Các van đầu vào được thiết lập ở chế độ điều khiển trực tiếp, giúp khép kín hiệu quả Bộ lọc cho phép nước rút xuống cho đến khi mực nước chỉ vừa đủ để bao phủ lớp vật liệu lọc, quá trình này thường mất khoảng một giờ để hoàn thành.
Khí nén cần được dẫn qua các bể lọc trong thời gian cố định để khuấy động và phá vỡ lớp bùn cặn trên bề mặt Để đảm bảo hiệu quả, luồng không khí dùng để cọ rửa bể lọc phải đạt từ 3-5 m³/phút/m².
Các van cửa xả nước rửa ngược được mở ra
Cửa nước rửa ngược mở ra, cho phép nước sạch được bơm vào qua lớp vật liệu lọc, giúp loại bỏ phù sa khỏi cát và lớp than antraxit Sau đó, nước này chảy qua một đập và được dẫn vào bể bùn lắng.
Sau khi hoàn thành việc rửa ngược, các van đầu vào đóng lại và bộ lọc cho phép nước rửa ngược chảy qua van đầu ra
Khi bộ lọc đã để ráo nước, van mở ra để rửa ngược được đóng lại, tiếp theo mở van nước đầu vào chính để vận hành bộ lọc
Khi nước đạt mức độ hoạt động ban đầu, quá trình rửa ngược bộ lọc sẽ kết thúc và van xả nước lọc được mở Nước lọc trong 10-15 phút đầu tiên sẽ được loại bỏ để đảm bảo chất lượng nước cấp, do đó, bể lọc cần vận hành ở chế độ điều khiển trực tiếp.
Các vấn đề trong vận hành bể lọc
Bộ lọc có ba vấn đề chính, bao gồm hóa chất xử lý trước bộ lọc, điều khiển tốc độ dòng chảy và quá trình rửa ngược.
3.3.1 Bổ sung hóa chất trước lọc Đông tụ và kết bông giai đoạn xử lý nước phải được theo dõi liên tục Điều chỉnh số lượng gia tăng đông tụ phải được thực hiện thường xuyên để tránh vật liệu bị giữ lại khi qua bộ lọc bị quá tải Tình trạng quá tải này có thể gây ra tổn thất áp lực ban đầu sớm đạt tối đa Nếu độ đục trong nước lọc tăng mạnh, chất làm đông có thể có được thêm vào quá trình đông tụ Có thể có một nhu cầu cho khuấy trộn tốt hơn trong quá trình đông tụ hoặc bổ sung vật liệu hỗ trợ thêm cho bộ lọc Nếu có một sự gia tăng nhanh chóng trongtổn thất áp lực, quá nhiều các bông keo tụ có thể làm tắc nghẽn bộ lọc Nên được sử dụng ít chất làm đông hoặc vật liệu hỗ trợ bộ lọc ít hơn Các nhà vận hành cần phải học cách nhận ra những vấn đề này và chọn chỉnh thích hợp
3.3.2 Kiểm soát lưu lượng lọc
Khi tốc độ dòng chảy thay đổi nhanh chóng, độ đục của nước thải có thể bị ảnh hưởng, dẫn đến việc các lớp vật liệu lọc trở nên bẩn hơn nhưng vẫn duy trì hiệu quả lọc cao.
Khi dòng chảy của nhà máy thay đổi, dòng chảy lọc cũng cần điều chỉnh để sản xuất nước cần thiết Nếu cần tăng tốc độ dòng chảy, nên tăng dần trong khoảng mười phút để giảm tác động lên bộ lọc Việc bổ sung hỗ trợ cho bộ lọc cũng có thể giúp giảm tác động lên quá trình lọc nước thải.
Trong quá trình rửa ngược, một ô bộ lọc sẽ được tạm thời loại bỏ khỏi hệ thống, dẫn đến việc các ô bộ lọc còn lại phải xử lý dòng chảy bổ sung, gây ra sự gia tăng đột ngột độ đục Để tránh vấn đề này, cần giữ một bộ lọc trong trạng thái dự trữ để tiếp nhận lưu lượng bổ sung Nếu nhà máy có lưu vực lưu trữ rửa ngược, điều này sẽ ngăn chặn tình trạng dâng lên ở các bộ lọc.
Nhiều nhà máy không hoạt động liên tục, dẫn đến việc khởi động vào đầu ngày gây ra áp lực tăng cho các bộ lọc Trước khi đưa vào vận hành trở lại, các bộ lọc này sẽ được rửa ngược hoặc sẽ lãng phí cho đến khi nước thải đạt tiêu chuẩn.
Rửa ngược bộ lọc là hoạt động thiết yếu để duy trì hiệu suất của chúng Nếu quá trình rửa ngược không được thực hiện đúng cách, bộ lọc có thể gặp phải vấn đề nghiêm trọng, dẫn đến khả năng lọc kém Những vấn đề này thường xuất phát từ quy trình rửa ngược không phù hợp.
Quả bóng bùn hình thành từ các lớp vật liệu lọc trong bộ lọc xi măng kết hợp với bông keo tụ Nếu bộ lọc được rửa ngược hiệu quả, các quả bóng bùn sẽ được tách ra và loại bỏ Khi quả bóng tăng trọng, chúng sẽ lắng xuống đáy bộ lọc, ảnh hưởng đến giá trị khối lượng lọc Ngoài ra, bộ lọc có thể gặp phải các vấn đề như nứt hoặc tách lớp vật liệu lọc do sự hình thành của bùn bóng.
Co rút lớp vật liệu lọc
Rửa ngược không hiệu quả có thể dẫn đến hiện tượng rút lớp vật liệu lọc hoặc nén chặt Hệ thống lọc thường sử dụng năm loại hạt xếp liền nhau, giúp giảm thiểu tình trạng nén chặt Trong bộ lọc bẩn, lớp vật liệu lọc được bao quanh bởi một lớp mềm, gây ra sự nhỏ gọn nhưng cũng làm tăng nguy cơ nứt và tách lớp khỏi bức tường bộ lọc Khi bộ lọc bị nứt, dòng chảy sẽ tìm kiếm vết nứt và đi thẳng qua, dẫn đến độ đục quá mức trong nước thải.
Tách sỏi xảy ra khi van rửa ngược mở quá nhanh, dẫn đến các sỏi hỗ trợ bị đẩy lên trên cùng của bộ lọc Nguyên nhân cũng có thể do hệ thống thu nước rửa phía dưới bị tắc nghẽn, gây ra sự phân phối nước rửa không đều Khi tình trạng này xảy ra, nhiệt độ trong bộ lọc tăng lên, dẫn đến hiện tượng đun sôi Các lớp vật liệu trong bộ lọc sẽ bị rửa trôi vào hệ thống thu nước rửa phía dưới và bị loại bỏ Nếu có sự dịch chuyển xảy ra, cần phải loại bỏ các lớp vật liệu lọc khỏi bộ lọc.
30 bộ lọc và các bộ lọc được xây dựng lại theo các vị trí của từng loại vật liệu lọc ở đúng chỗ của nó
Hình 3.7 Vật liệu lọc trong rửa ngược
Không khí liên kết trong bộ lọc không phổ biến nếu được rửa sạch thường xuyên Hiện tượng này xảy ra khi áp lực trong bộ lọc trở thành tiêu cực, khiến không khí hòa tan trong nước thoát ra và bị mắc kẹt, dẫn đến tăng sức đề kháng và giảm hiệu suất của bộ lọc Ngoài ra, nước lạnh và siêu bão hòa với không khí cũng có thể gây ra tình trạng này Khi nước ấm lên, không khí sẽ tạo thành bọt khí Các nhà điều hành không thể kiểm soát tình trạng này, vì vậy, nếu xảy ra, cần phải rửa ngược bộ lọc thường xuyên hơn để khắc phục hiện tượng không khí liên kết.
Tổn thất lớp vật liệu lọc
Tổn thất lớp vật liệu lọc là điều bình thường trong bất kỳ bộ lọc nào, đặc biệt là trong quá trình rửa ngược Nếu mất quá nhiều lớp vật liệu lọc, cần kiểm tra và sửa chữa phương pháp rửa Lớp vật liệu lọc không nên mở rộng quá 20% trong chu kỳ rửa ngược, và tắt rửa bề mặt khoảng hai phút trước khi kết thúc có thể giúp cải thiện tình hình Nếu vấn đề vẫn tiếp diễn, nâng máng lọc có thể ngăn chặn sự mất mát quá nhiều lớp vật liệu Sau khi bộ lọc rửa ngược hoạt động hiệu quả, bề mặt của bộ lọc cần phải phẳng, mịn và không có vết nứt hoặc bùn Lớp vật liệu tốt sẽ di chuyển linh hoạt sang hai bên.
Thời gian rửa ngược là 31 phút và sẽ không xuất hiện điểm sôi trên bề mặt Các bộ lọc cần được làm sạch một cách rõ ràng Nếu một số khu vực vẫn còn bẩn, có thể có vấn đề liên quan đến hệ thống cống.
Ưu và nhược điểm của bể lọc cát nhanh trọng lực
Rất hiệu quả trong việc loại bỏ độ đục / hạt lớn (