Sự cần thiết của đề tài
Theo báo cáo của Bộ NN&PTNT, chương trình mục tiêu nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn quốc gia giai đoạn 2006-2010 đã đạt được kết quả đáng kể Đến cuối năm 2010, hơn 52 triệu người dân nông thôn đã được sử dụng nước hợp vệ sinh, tăng 13,2 triệu người so với năm 2005 Tỷ lệ hộ dân nông thôn sử dụng nước hợp vệ sinh đạt 83%, tuy nhiên vẫn còn khoảng 17% hộ dân chưa tiếp cận được nguồn nước sạch.
Chương trình mục tiêu quốc gia về nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn giai đoạn 3 (2011-2015) đặt mục tiêu phấn đấu đến 95% dân số nông thôn được sử dụng nước sinh hoạt hợp vệ sinh, trong đó 60% dân số được sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn của Bộ Y tế với lượng nước tối thiểu là 60 lít/người/ngày.
Hiện nay, nhiều khu vực nông thôn ở Việt Nam vẫn chưa có khả năng tiếp cận nguồn nước sạch hợp vệ sinh Các hộ gia đình ở đây thường phải sử dụng nguồn nước chưa qua xử lý hoặc chỉ sử dụng thiết bị lọc nước quy mô nhỏ tại nhà.
Các thiết bị xử lý nước quy mô nhỏ thường gặp vấn đề về chất lượng nước do thiếu bảo dưỡng và vận hành không đúng cách, dẫn đến tắc nghẽn bể lọc và cần thay cát lọc thường xuyên Một số công trình đã áp dụng công nghệ lọc tự rửa và bể lọc không van, như dự án “Hoàn thiện công nghệ chế tạo và phát triển ứng dụng thiết bị lọc trọng lực tự rửa xử lý nước giếng khoan quy mô nhỏ” do Trung tâm Khoa học và Công nghệ Môi trường thực hiện Dự án này đã được triển khai tại một số địa phương cho cấp nước tập trung, cùng với các công trình lớn như nhà máy cấp nước Cẩm Giàng và nhà máy phân đạm DAP Hải Phòng, tuy nhiên, hầu hết các dự án vẫn chủ yếu tập trung vào quy mô lớn.
Đề tài “Nghiên cứu Ứng dụng mô hình lọc tự rửa cấp nước quy mô nhỏ” là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu cấp thiết của một bộ phận dân cư trong giai đoạn hiện nay.
Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Cơ sở khoa học
Hiện nay, nhiều địa phương vẫn sử dụng các công nghệ cấp nước quy mô nhỏ như hệ thống lọc chậm, lọc nhanh trọng lực truyền thống và lọc áp lực Tuy nhiên, việc vận hành và bảo trì bể lọc chưa được chú trọng, dẫn đến việc không thường xuyên rửa lọc Điều này làm giảm hiệu quả hoạt động của công trình xử lý và chất lượng nước đầu ra không đảm bảo.
Bể lọc tự rửa là hệ thống lọc tự động, tự điều chỉnh quá trình rửa mà không cần sự can thiệp của công nhân hay thiết bị phức tạp Điều này không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn nâng cao hiệu quả làm việc của trạm xử lý.
Những tồn tại của bể lọc chậm:
Quản lý và vận hành bể lọc chậm bằng phương pháp thủ công gặp nhiều khó khăn do thời gian giữa hai lần rửa bể kéo dài từ 1 đến 3 tháng Sau mỗi cơn mưa, chất lượng nước nguồn cần thời gian dài để phục hồi, dẫn đến việc bể lọc chậm không thể hoạt động hiệu quả Nếu tổ quản lý không thực hiện sửa chữa kịp thời, bể lọc sẽ ngừng hoạt động hoàn toàn.
Những tồn tại của bể lọc nhanh, bể lọc áp lực:
Việc sử dụng vật liệu lọc phù hợp và quản lý, vận hành, bảo dưỡng bể lọc nhanh, lọc áp lực là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước sau xử lý và tuổi thọ của bể lọc.
Dân cư nông thôn Việt Nam còn nghèo, dẫn đến xu hướng thiết kế và xây dựng các công trình cấp nước ngày càng đơn giản và tiết kiệm chi phí Do đó, hầu hết các công trình xử lý nước không tuân thủ các tiêu chuẩn ngành.
Vật liệu lọc là thành phần thiết yếu trong các bể lọc, quyết định hiệu quả và tính kinh tế của quá trình lọc Cát thạch anh tự nhiên hiện đang là vật liệu lọc phổ biến nhất, với đặc điểm đồng nhất, độ bền cơ học cao và tính ổn định hóa học Tuổi thọ và hiệu quả của bể lọc phụ thuộc vào chế độ vận hành và bảo trì, đặc biệt là quy trình rửa lọc Đối với các công trình cấp nước quy mô nhỏ và hộ gia đình, việc rửa lọc thường được thực hiện bằng nước thuần tuý.
Các công trình cấp nước quy mô nhỏ và hộ gia đình thường thiếu kiến thức kỹ thuật, dẫn đến việc bể lọc ít được bảo trì và nhanh chóng xuống cấp Để khắc phục tình trạng này, đặc biệt ở khu vực nông thôn, cần nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bể lọc tự rửa cho các trạm cấp nước quy mô nhỏ và cấp nước hộ gia đình.
Cơ sở thực tiễn
Nhu cầu sử dụng thiết bị xử lý nước quy mô nhỏ cho hộ gia đình tại Việt Nam đang gia tăng mạnh mẽ Hiện nay, chỉ một bộ phận dân cư có thể tiếp cận nguồn nước cấp tập trung, trong khi nhiều khu vực đô thị và nông thôn vẫn thiếu nguồn nước sạch Do đó, nhu cầu về các thiết bị lọc nước hợp vệ sinh, dễ sử dụng ngày càng trở nên cấp thiết.
Mục đích của đề tài
Phân tích và đánh giá các loại công trình xử lý nước quy mô nhỏ cho hộ gia đình giúp nhận diện những ưu điểm nổi bật của bể lọc nước ứng dụng công nghệ lọc tự rửa Công nghệ này không chỉ cải thiện hiệu suất lọc mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì, đảm bảo nguồn nước sạch và an toàn cho người sử dụng.
Thiết kế và đưa ra các dây chuyền và mô hình ứng dụng công nghệ lọc nước tự rửa trong quy mô nhỏ quy mô hộ gia đình
Bài viết này trình bày một thiết kế chi tiết cho mô hình ứng dụng lọc tự rửa, phù hợp với quy mô nhỏ và sử dụng trong hộ gia đình Mô hình này được xây dựng dựa trên các tính toán thiết thực, nhằm đáp ứng nhu cầu lọc nước trong điều kiện thực tế.
Giá trị khoa học và những đóng góp của đề tài
Xử lý nước sinh hoạt quy mô nhỏ cải thiện cuộc sống của các hộ dân trong khu vực chưa được cung cấp nước sạch tập trung
Xử lý nước cấp đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt của bộ y tế với chi phí thấp thuận tiện trong quá trình xử dụng
Khả năng áp dụng rộng dãi trong các khu vực chưa được cấp nước sạch.
Các phương pháp nghiên cứu
Phương pháp luận nghiên cứu
Phương pháp tổng hợp lý thuyết
Phương pháp phân tích thống kê
Thu thập tài liệu, số liệu
Tài liệu về xử lý nước cấp ứng dụng lọc tự rửa
Các giáo trình về xử lý nước cấp, công trình xử lý nước cấp ứng dụng lọc tự rửa
Các hồ sơ kỹ thuật áp dụng công nghệ lọc tự rửa.
TỔNG QUAN VỀ CẤP NƯỚC QUY MÔ NHỎ
Nguồn và tiêu chuẩn cấp nước quy mô nhỏ
Nước dùng trong cấp nước quy mô nhỏ có thể bao gồm các nguồn nước sau đây:
- Nguồn nước ngầm: nước mạch lộ giếng khơi, giếng thấm, giếng lọc dạng tia giếng khoan lấy nước ngầm mạch sâu
- Nguồn nước mặt: nước từ sông, suối, ao, hồ, từ các hệ thông kênh mương thủy lợi
Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể và phong tục tập quán của từng vùng, người dân có thể kết hợp sử dụng nhiều loại nguồn nước khác nhau để đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt và ăn uống ở quy mô nhỏ.
Nước dùng cho ăn uống phải đảm bảo không màu, không mùi, không vị và không chứa các chất độc hại, vi khuẩn hay tác nhân gây bệnh Hàm lượng các chất hóa tan trong nước không được vượt quá tiêu chuẩn cho phép Các tiêu chuẩn chất lượng nước sinh hoạt và ăn uống tuân theo Thông tư 05/2009/TT-BYT, ban hành ngày 16/6/2009, quy định về chất lượng nước sinh hoạt Quy chuẩn này xác định mức giới hạn các chỉ tiêu chất lượng đối với nước sử dụng cho sinh hoạt không trực tiếp dùng để ăn uống hoặc chế biến thực phẩm tại các cơ sở chế biến Quy chuẩn này áp dụng cho tất cả các đối tượng liên quan.
Các cơ quan, tổ chức, cá nhân và hộ gia đình có quyền khai thác và kinh doanh nước sinh hoạt, bao gồm cả các cơ sở cấp nước tập trung với công suất dưới 1.000 m3/ngày đêm phục vụ mục đích sinh hoạt.
- Cá nhân và hộ gia đình tự khai thác nước để sử dụng cho mục đích sinh hoạt
Bảng 2.1 Bảng giới hạn các chỉ tiêu chất lượng
TT Tên chỉ tiêu Đơn vị tính
Giới hạn tối đa cho phép Phương pháp thử
Khôn g có mùi vị lạ
Khôn g có mùi vị lạ
Cảm quan, hoặc SMEWW 2150 B và
Pecmangan at mg/l 4 4 TCVN 6186:1996 hoặc
TT Tên chỉ tiêu Đơn vị tính
Giới hạn tối đa cho phép Phương pháp thử
Asen tổng số mg/l 0,01 0,05 TCVN 6626:2000 hoặc
Nguồn Thông tư 05/2009/TT-BYT, trang 4-5
Tổng quan về cấp nước ứng dụng công nghệ lọc tự rửa
2.2.1 Giới thiệu về công nghệ lọc tự rửa
Thiết bị lọc tự rửa, hay còn gọi là thiết bị lọc không van, hoạt động hoàn toàn tự động trong quá trình lọc và rửa Nước sau khi được lọc sẽ được dẫn đến một bể lớn, và sau khi lọc qua lớp hạt nhỏ, nước sạch sẽ được chuyển vào bình chứa Khi bình chứa đầy, nước sẽ được cấp đến nơi sử dụng qua các máng dẫn Khi lớp lọc bị bẩn, áp lực trong buồng chứa và nhánh xi phông tăng cao, dẫn đến việc khí nén trong xi phông thoát ra và kích hoạt quá trình rửa Nước trong bể chứa sẽ chảy ngược qua lớp lọc để làm sạch vật liệu lọc.
Với kiểu lọc tự động, độ bẩn không bao giờ đạt giá trị bất thường nhờ vào quá trình rửa được điều chỉnh theo một giá trị tổn thất cố định Thiết bị này hoạt động hiệu quả ngay cả khi không có máy nén khí hoặc điện, phù hợp với nước có mức MES thấp hoặc trung bình Hơn nữa, nó cho phép dừng phân phối trong thời gian phục hồi bể chứa nước rửa.
Do cát mịn (0,55 hoặc 0,65mm) và chiều cao lớp lọc nhỏ lên khả năng giữ cặn nhỏ Tốc độ lọc nói chung từ 5-7,5 m/h, không vượt quá 10 m/h
Thiết bị lọc dược dùng để:
- Lọc trực tiếp không keo tụ, cũng không kết bông (trừ trường hợp đặc biệt) và với nước ít phù xa;
2.2.2 Ứng dụng công nghệ lọc tự rửa trên thế giới
Công nghệ lọc tự rửa đã được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu từ lâu, với thông tin được ghi nhận trong sách "Degremont - Water Treatment Handbook - Sixth Edition" xuất bản năm 1991 Sách này giới thiệu một trạm xử lý nước cấp sử dụng công nghệ lọc tự rửa, được sản xuất tại Ý, với công suất lên tới 300m3/h.
Hình 2.1 Thiết bị LA.CASELLA(Ý) cho trung tâm nhiệt điện ENEL-
Nguồn Degremont _ Water Treatment Handbook-Sixth Edition, trang 784
2.2.3 Ứng dụng công nghệ lọc tự rửa ở Việt Nam
Trong những năm gần đây, công nghệ lọc tự rửa đã được nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam, đặc biệt qua dự án “Hoàn thiện công nghệ chế tạo và phát triển ứng dụng thiết bị lọc trọng lực tự rửa xử lý nước giếng khoan quy mô nhỏ” do Trung tâm Khoa học và Công nghệ Môi trường thuộc Viện Khoa học kinh tế bảo hộ lao động thực hiện Dự án này đã được triển khai tại một số địa phương như Lào Cai, Phú Thọ, Thái Nguyên, phục vụ cho các đối tượng như trường học nội trú, cơ sở y tế và cụm dân cư.
Thiết bị lọc tự rửa được phát triển bởi Trung tâm Khoa học và Công nghệ Môi trường thuộc Viện Khoa học Kinh tế Bảo hộ Lao động, Tổng Liên đoàn Lao động.
Một số công ty trong nước đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị ứng dụng công nghệ lọc tự rửa kết hợp với bể lắng lamen để xử lý nguồn nước mặt Công nghệ này được áp dụng tại các trạm xử lý nước cấp quy mô tập trung, như trạm xử lý nước cấp Phú Thọ, với công suất 10.000 m³/ngày, bao gồm 5 mô-đun có công suất 2.000 m³/ngày.
Một số dự án mới trong chương trình mục tiêu quốc gia về cấp nước và môi trường nông thôn tại tỉnh Bắc Ninh đang áp dụng thiết bị chế tạo sẵn hợp khối với công nghệ lọc tự rửa Các hệ thống này có công suất lên đến 3.000m3/ngày, góp phần cải thiện chất lượng nước và môi trường sống cho người dân.
Hình 2.3 Thiết bị hợp khối lắng lamen lọc tự rửa công suất 2.000 m3/ngđ
Các loại công nghệ ứng dụng trong cấp nước quy mô nhỏ
2.3.1 Các mô hình cấp nước quy mô nhỏ xử dụng nguồn nước mưa
Việt Nam có lượng mưa bình quân cao, dao động từ 1.500 đến 2.500 mm/năm Mùa mưa chiếm tới 85-95% tổng lượng mưa, trong khi mùa đông thường chỉ có mưa phùn, không tạo thành dòng chảy Mặc dù lượng mưa trong mùa mưa phân phối khá đều, sự phân bố mưa lại khác nhau giữa các vùng lãnh thổ.
Dựa trên lượng mưa hàng năm và sự phân bố mưa, có thể đánh giá khả năng sử dụng nước mưa cho sinh hoạt và ăn uống Nước mưa dễ dàng thu gom và xử lý, với chi phí đầu tư thấp Tuy nhiên, việc sử dụng nước mưa phụ thuộc vào khả năng thu gom và điều kiện chứa nước của người dân trong khu vực Nước mưa thường thiếu một số khoáng chất cần thiết như i-ốt và flo, đồng thời có thể chứa hàm lượng cặn và vi khuẩn cao, đặc biệt là trong những trận mưa đầu tiên Hơn nữa, nước mưa thường có pH thấp, thường dưới 7,0, và ở nhiều vùng, ô nhiễm từ SO2, NO2 có thể làm tăng hàm lượng axit sunfuric và axit nitric, khiến pH xuống dưới 6,0.
Từ xa xưa, người dân nông thôn Việt Nam đã có thói quen thu hoạch và dự trữ nước mưa Mỗi gia đình thường trang bị các dụng cụ chứa nước như bể, lu, chum và vại Ở những vùng núi cao không có nguồn nước ngầm hay nước mặt, cũng như các khu vực ven biển thiếu nước ngọt, nước mưa trở thành nguồn cung cấp chính cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày.
Nước mưa có thể được thu hứng từ mái nhà, sân thượng và các cây lớn, sau đó dẫn vào bể chứa hoặc lu, chum vại Giải pháp cấp nước từ nguồn nước mưa có ưu điểm là sử dụng vật liệu địa phương, dễ dàng áp dụng cho từng hộ gia đình Đối với những nơi có diện tích mái nhà không đủ, cần xây dựng thêm các sân thu nước mưa Cần lưu ý rằng nước mưa đầu mùa và nước mưa đầu các trận mưa thường có độ nhiễm bẩn cao, do đó cần xả bỏ trước khi sử dụng, và nếu muốn sử dụng, cần phải xử lý làm sạch thích đáng.
Đối với các hộ gia đình từ 4 đến 6 người, việc thu nước mưa từ mái nhà qua hệ thống máng dẫn vào bể chứa là phương pháp hợp lý nhất Bể chứa có thể được xây dựng dưới dạng ngầm hoặc nửa nổi, nửa chìm Để tối ưu hóa dung tích, bể nên được chia thành nhiều ngăn, giúp dễ dàng trong việc sử dụng và vệ sinh Đặc biệt, cần có một công trình nhỏ để thu và xử lý nước mưa trong đợt đầu, đảm bảo chất lượng nước sử dụng.
Vật liệu xây dựng bể phổ biến nhất là gạch, có thể xây đá hoặc đổ bê tông trong những điều kiện riêng của địa phương
Vị trí bể được xác định dựa trên phương thức thu hứng, cách bố trí máng thu và ống dẫn nước mưa, cũng như quy hoạch chi tiết của khu dân cư và khuôn viên xung quanh.
Các loại phương tiện thu, chứa và xử lý nước bao gồm: a) bể xây gạch đá với dung tích nhỏ từ 1-3m³; b) bể xây gạch đá hoặc bê tông cốt thép với dung tích lớn hơn 20-30m³; c) chum đựng nước mưa; d) bể lọc và chứa nước mưa Những phương tiện này mang lại nhiều ưu điểm trong việc quản lý và sử dụng nguồn nước hiệu quả.
Việc sử dụng các phương pháp xử lý nước mưa mang lại nhiều lợi ích, bao gồm thiết kế công trình đơn giản và thuận tiện, phù hợp với thói quen và điều kiện sống của người dân nông thôn Hơn nữa, chi phí xây dựng các công trình xử lý này cũng rất thấp.
- Nguồn nước không ổn định
Quá trình sử dụng nguồn nước qua bể lọc chậm cần được kiểm tra định kỳ để thay cát và thau rửa bể Điều này rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả xử lý nước Ngoài ra, nhiều công trình xử lý nước lớn có thể chiếm diện tích đáng kể.
2.3.2 Một số mô hình xử lý nước quy mô nhỏ xử dụng nguồn nước mặt
Ngoài việc sử dụng nước mưa, nước mặt từ sông, suối, hồ, ao, và kênh rạch cũng là nguồn nước phổ biến Mặc dù nước mặt ở nhiều vùng đã bị ô nhiễm và không đảm bảo vệ sinh, nó vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước cho cuộc sống và sinh hoạt của hàng chục triệu nông dân Việt Nam.
Với các loại nguồn nước này thường các công trình xử lý gồm các loại như sau:
Cụm xử lý bơm tay (hoặc máy) - lọc chậm
Để làm sạch nước mặt tại các vùng như sông, suối, hồ và đập phục vụ nhu cầu sinh hoạt, cần chú ý đến việc xử lý khi hàm lượng cặn trong nước nhỏ hơn 50mg/l và độ màu thấp.
50 0 có thể xử dụng bơm tay (hoặc máy) – lọc chậm (hình 2.2)
Cấp nước quy mô phân tán, phục vụ cho hộ gia đình hoặc nhóm hộ từ vài đến vài chục người, sử dụng bể lọc chậm để xử lý nước Ưu điểm của phương pháp này là không cần sử dụng hóa chất, quản lý vận hành đơn giản và hiệu quả xử lý cao, phù hợp với điều kiện và trình độ quản lý của cộng đồng Tuy nhiên, nhược điểm là công trình chiếm nhiều diện tích và quá trình rửa lọc phải thực hiện thủ công, không thể tự động hóa.
Hình 2.5 Bể lọc chậm Ưu điểm:
- Dễ xây dựng và vận hành có thể sử dụng các vật liệu ở địa phương để xây dựng
- Nguồn nước dồi dào ổn định
- Bể lọc phải thường xuyên kiểm tra để thay cát lọc
- Phải vận hành bàng thủ công
- Diện tích xây dựng lớn
Xư ̉ lý nước mă ̣t bằng lọc phá – lọc chậm
Trong nhiều trường hợp, nguồn nước đục không đảm bảo hiệu quả làm việc của bể lọc chậm Trước khi đưa nước vào bể lọc chậm, thường sử dụng bể lọc pha, hay còn gọi là bể lọc sơ bộ hoặc bể lọc thô, để cải thiện chất lượng nước.
Bể lọc phá được áp du ̣ng để lo ̣c nước khi có hàm lượng că ̣n từ 50 tới 250 mg/l
Bể lọc phá có cấu tạo tương tự bể lọc chậm nhưng sử dụng vật liệu lọc bằng cát với kích thước lớn hơn Vật liệu lọc có đường kính từ 1-2 mm, chiều dày lớp vật liệu từ 0,4 đến 0,7 m và tốc độ lọc dao động từ 2,5 đến 5 m/h.
Nước nguồn sau khi lọc phá sẽ đạt chất lượng phù hợp với hiệu quả của bể lọc chậm, vì vậy việc sử dụng bể lọc phá là rất quan trọng Trong điều kiện nông thôn, việc rửa bể lọc phá bằng phương pháp cơ giới thường khó khăn, do đó phần lớn phải thực hiện rửa thủ công.
Cơ sở lý thuyết bể lọc tự rửa
Mục đích của lọc nước
Lọc nước là phương pháp vật lý giúp làm trong nước bằng cách loại bỏ các cặn lơ lửng thông qua một môi trường xốp Quá trình này giữ lại các chất cặn, khiến chúng tích tụ trong môi trường xốp Do đó, việc rửa sạch môi trường xốp định kỳ là cần thiết để duy trì hiệu quả lọc nước.
Vật liệu dùng trong bể lọc
Tùy theo các kiểu lọc, người ta dùng các vật liệu lọc khác nhau:
Các loại vải sợi, lưới kim loại và đá xốp thường có khe hở nhỏ, giúp giữ lại các hạt cặn trên bề mặt Tuy nhiên, những vật liệu này hiếm khi được sử dụng cho việc xử lý lưu lượng lớn.
Các hạt rời là những hạt không bám vào nhau, không bị hòa tan và không bị ảnh hưởng bởi chất lỏng hoặc chất rắn lắng đọng Quá trình lọc diễn ra trên bề mặt hoặc ở độ sâu tùy thuộc vào kích thước và tính chất của vật liệu lọc, cũng như độ lớn và độ kết dính của cặn lơ lửng Những loại hạt rời thường được sử dụng bao gồm cát, antraxit và inmenit.
Sự thay đổi của tổn thất thủy lực trong bể lọc
Tổn thất thủy lực toàn phần có thể được đo dễ dàng qua bể lọc bằng cách sử dụng hai ống thủy tinh nhỏ trong suốt, được đặt thẳng đứng Một ống kết nối với ống dẫn nước vào bể lọc (khi ống này ngập nước) và ống còn lại kết nối với ống dẫn nước ra Sự chênh lệch mực nước giữa hai ống thủy tinh này tương ứng với tổn thất thủy lực.
Hình 3.1 minh họa sự biến đổi của tổn thất thủy lực trong bể, phụ thuộc vào độ dày của lớp vật liệu lọc và thời gian lọc Giá trị a đại diện cho tổn thất thủy lực ban đầu qua bộ lọc, có thể được xác định thông qua phương trình Carman – Kizeny hoặc Rose.
Giá trị c phản ánh tổn thất thủy lực sau 10 giờ lọc, với giới hạn thường nằm trong khoảng 1,8 đến 2,4 m Giới hạn này giúp ngăn chặn sự hình thành vùng áp suất chân không trong lớp vật liệu lọc, nơi có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển Sự xuất hiện của vùng áp suất chân không dẫn đến việc hình thành bọt khí, làm giảm diện tích bề mặt lọc và tăng tốc độ lọc, từ đó gia tăng tổn thất thủy lực Điều này có thể gây ra nguy cơ làm giảm chất lượng nước đầu ra.
Hình 3.1 Sự thay đổi tổn thất thủy lực theo bề dầy và theo thời gian lọc
Nguồn Xử lý nước, nhà xuất bản xây dựng năm 2006, trang 103
Nguyên lý hình thành lọc tự rửa
Tổn thất thủy lực qua bể lọc nhanh dao động từ 1,8 đến 2,4 m, do đó chiều cao đường nước vào và chiều cao ống thu nước phải nằm trong khoảng này theo nguyên tắc bình thông nhau Khi bể lọc còn sạch, tổn thất thủy lực qua lớp lọc chỉ khoảng 0,5 đến 0,75 m Tuy nhiên, khi bể lọc bị tắc, tổn thất áp lực có thể tăng lên đến 1,8 đến 2,4 m, theo nguyên lý bình thông nhau, khiến đầu nước vào và đầu nước ra bằng nhau Nước thô vào sẽ dâng lên đến vị trí ống hút khí và chảy ra máng thu nước.
Chiều cao nước trong bình chứa nước rửa lọc phản ánh mức chênh lệch so với nước đầu vào, tương ứng với tổn thất thủy lực qua lớp lọc khi bể vẫn còn sạch.
Hình 3.2 Nguyên lý hình thành xi phông ngược
Khi nước chảy qua ống thu khí 2, ejecter được bố trí để hút hết khí trong đỉnh xi phông, tạo ra áp lực chân không Áp lực này kéo nước từ ống hút khí 2 sang ống xả rửa, hình thành xi phông ngược.
Khi áp lực nước trong thùng chứa nước rửa lọc không đồng nhất với áp lực của cột lọc, sẽ xảy ra hiện tượng mất cân bằng áp lực Điều này dẫn đến việc nước bị hút ngược từ bình chứa nước rửa lên cột lọc.
Giới thiệu mô hình lọc tự rửa
Bể lọc tự rửa là một giải pháp hiệu quả cho việc xử lý nước, hoạt động mà không cần quản lý quá trình rửa lọc Với khả năng tự điều chỉnh quá trình này, bể giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào công nhân và các thiết bị tự động phức tạp Nhờ đó, chi phí vận hành được giảm đáng kể, đồng thời nâng cao hiệu quả làm việc của trạm xử lý nước.
Hình 3.3 Sơ đồ bể lọc tự rửa
9- Ống dẫn nước vào bể chứa nước sạch 10- Ống xi phông
11- Ống điều chỉnh chân không 12- Ống hút khí
13- Ejecter hút khí 14- Ống xả nước rửa
8- Thùng chứa nước rửa lọc
15- Ống ống ngắt chân không 16- Thùng chứa nước xả rửa dẫn ra hệ thống thoát nước
Khi tiến hành lọc nước, ống dẫn nước 1 sẽ chuyển nước vào thùng chứa nước 2 Sau đó, nước chảy qua ống 3 và lên bề mặt vật liệu lọc 4, nơi nước được lọc tự nhiên xuống dưới Nước sau khi qua vật liệu lọc sẽ chảy qua tầng đỡ 5 và tiếp tục qua ống dẫn nước lọc 7 vào thùng chứa nước rửa lọc.
Khi nước trong thùng chứa đạt dung tích cần thiết, nó sẽ chảy qua ống vào bể chứa nước sạch Trong bể lọc tự rửa, tạp chất gia tăng liên tục trong quá trình lọc, dẫn đến tổn thất áp lực tăng lên Mực nước trong ống xi phông ngược sẽ dần cao lên, và khi đạt đến đỉnh ống, với tổn thất áp lực từ 1 – 1,5m, nước sẽ chảy từ ống xi phông xuống ống tiếp theo.
Khi ống 11 hút khí từ ống 13, chân không trong ống xi phông 10 tăng lên, dẫn đến mực nước trong ống xi phông 10 tăng nhanh chóng cho đến khi đạt đỉnh Quá trình này giúp ống 10 thoát hết khí nhanh chóng, từ đó hình thành xi phông.
Khi ống xi phông được hình thành, áp lực trên bề mặt vật liệu lọc giảm, dẫn đến nước trong két nước rửa lọc 8 chảy qua ống 7 vào ngăn lọc Nước tiếp tục chảy ra ngoài qua ống xi phông 10 và ống 14, tạo ra quá trình rửa vật liệu lọc hiệu quả.
Nước rửa qua ống xi phông chảy vào thùng 16 và thoát qua ống vào cống thoát nước Khi thực hiện rửa lọc, mức nước trong két 8 giảm xuống vị trí cuối ống 15, dẫn đến không khí đi qua ống 15 vào ống 10, làm phá vỡ chân không và ngừng quá trình lọc Sau đó, quá trình lọc sẽ được khởi động lại.
Đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ ứng dụng công nghệ lọc tự rửa trong cấp nước quy mô nhỏ
3.3.1 Dây chuyền công nghệ ứng dụng lọc tự rửa dùng nước mặt trong cấp nước quy mô nhỏ
Hình 3.4 Sơ đồ công nghệ ứng dụng lọc tự rửa dùng cho nước mặt
1) Thiết bị lọc tự rửa
2) Thùng chứa nước rửa lọc
6) Bơm nước thô Đối với nguồn nước mặt có độ đục thấp như nước hồ đập thì nước thô được bơm từ bơm 6 lên bể lắng kết hợp điều hòa 3 Nước từ bể lắng được đưa xuống vào bể lọc tự rửa 1 Nước sach từ bể lọc tự rửa 1 chảy vào thùng chứa nước rửa lọc 2 Khi nước chảy vào đầy dung tích thùng chứa nước rửa lọc 2 thì nước sạch bắt đầu được đưa sang bể chứa nước sạch 4
Khi bể chứa nước sạch 4 đầy, phao báo mức 5 sẽ dừng bơm nước thô vào bể Khi nước sạch trong bể cạn, phao báo mức 5 tự động bật bơm nước thô, khởi động quá trình lọc Trong quá trình lọc, nếu bể lọc bẩn, thiết bị lọc tự rửa sẽ tự động rút nước từ thùng chứa nước rửa lọc 2 để làm sạch bể Trong khi rửa lọc, bơm nước thô vẫn hoạt động Sau khi quá trình rửa lọc hoàn tất, nước lọc đầu sẽ được đưa vào thùng chứa nước rửa lọc 2, và khi thùng này đầy, nước sạch sẽ chảy vào bể chứa.
- Toàn bộ hệ thống nhỏ gọn dễ dàng lắp đạt và xây dựng
- Hệ thống làm việc hoàn toàn tự động, người vận hành không phải thường xuyên kiểm tra quá trình rửa lọc
- Giá thành xây dựng và lắp đặt ban đầu thấp, phù hợp với trình độ và điều kiện ở nông thôn
Khi bể lọc bắt đầu bị tắc, áp lực trong bể sẽ tăng lên, do đó cần thực hiện một quá trình mồi trước khi tạo ra áp lực chân không để rửa lọc, nhằm tránh lãng phí nước.
- Trong quá trình vẫn hành vẫn phải thỉnh thoảng kiểm tra và xả cặn bể lắng
3.3.2 Dây chuyền công nghệ ứng dụng lọc tự rửa dùng nước ngầm trong cấp nước quy mô nhỏ
Nước thô được bơm từ bơm 7 qua ejecter trộn khí 5 vào bể lắng tiếp xúc 3, có thể là bể mới xây hoặc cải tạo từ bể lọc cát cũ trên đỉnh bể chứa trong hộ gia đình Sau đó, nước từ bể lắng sẽ chảy vào bể lọc tự rửa 1, khởi đầu chu kỳ lọc nước trước khi được đưa vào bể chứa nước rửa lọc 2.
Khi bể chứa nước rửa lọc 2 đầy đủ dung tích, nước sạch sẽ được chuyển vào bể chứa nước sạch Khi bể chứa nước sạch đạt mức đầy, phao báo mức 6 sẽ tự động ngắt bơm nước thô Ngược lại, khi nước sạch trong bể chứa cạn, phao báo mức 6 sẽ kích hoạt bơm nước thô, khởi động quy trình lọc.
Hình 3.5 Sơ đồ công nghệ ứng dụng lọc tự rửa dùng cho nước ngầm
1) Thiết bị lọc tự rửa
2) Bình chứa nước rửa lọc
Khi nguồn nước có hàm lượng sắt cao, việc bơm nước thô qua giàn mưa hoặc tháp cao tải trước khi đưa vào bể lắng là rất cần thiết Phương pháp này giúp loại bỏ hiệu quả các tạp chất, cải thiện chất lượng nước và tăng cường quá trình lắng.
- Toàn bộ hệ thống nhỏ gọn dễ dàng lắp đạt và xây dựng
- Hệ thống làm việc hoàn toàn tự động, người vận hành không phải thường xuyên kiểm tra quá trình rửa lọc
- Giá thành xây dựng và lắp đặt ban đầu thấp
Trong quá trình vận hành, khi bể lọc bị tắc, lực tăng dâng cần phải thực hiện một quy trình mồi trước khi tạo ra áp lực chân không để rửa lọc, nhằm hạn chế việc lãng phí nước.
- Trong quá trình vẫn hành vẩn phải thỉnh thoảng kiểm tra và xả cặn bể lắng.
Thiết kế mô hình ứng dụng mô hình ứng dụng công nghệ lọc tự rửa cho cấp nước quy mô nhỏ
Thiết kế cụm thiết bị lọc nước ứng dụng công nghệ lọc tự rửa cho quy mô nhỏ và hộ gia đình nhằm đảm bảo chất lượng nước sinh hoạt đạt tiêu chuẩn theo Thông tư 05/2009/TT-BYT, ban hành ngày 16/6/2009 Cụm thiết bị này không chỉ phù hợp cho nhu cầu sử dụng hàng ngày của các hộ gia đình mà còn đảm bảo an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng.
Khi lựa chọn vật liệu lọc trong công nghệ lọc nước, cần xem xét giá thành và điều kiện khai thác, vận chuyển Vật liệu lọc phải đảm bảo thành phần hạt theo yêu cầu phân loại, đồng thời có mức độ đồng nhất về kích thước hạt Ngoài ra, độ bền cơ học và độ bền hóa học của vật liệu cũng là yếu tố quan trọng cần được đảm bảo để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình lọc nước.
Trong các loại vật liệu này cát thạch anh, than antraxit thường thỏa mãn các điều kiện trên
Tính toán Diện tích các bể lọc theo công thức:
Q - Công suất hữu ích của trạm (m3/ngày)
Một số thông số quan trọng cần lưu ý khi vận hành trạm lọc nước bao gồm thời gian làm việc của trạm trong một ngày đêm (T), tốc độ lọc tính toán ở chế độ làm việc bình thường (Vtb) và số lần rửa mỗi một bể lọc trong 1 ngày đêm ở chế độ làm việc bình thường (a) Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và chất lượng nước sau lọc.
Cường độ nước rửa (Wtl) được đo bằng đơn vị 1/s.m2, trong khi thời gian rửa (t1) là tính bằng giờ và thời gian ngừng bể lọc để rửa (t2) cũng được xác định Đặc trưng của lớp vật liệu lọc ảnh hưởng đến tốc độ lọc ở chế độ làm việc bình thường, được biểu thị bằng Vtb (m/h).
Tốc độ lọc cho phép ở chế độ làm việc tăng cường Vtc (m/h)
Kiểu bể lọc Đưòng kính nhỏ nhất
(mm) Đường kính lớn nhất (mm) Đường kính hiệu dụng d10
Hệ số không đồng nhất
Chiều dày của lớp vật liệu lọc (mm)
Bể lọc nhanh một lớp; vật liệu lọc là cát thạch anh
Bể lọc nhanh có 2 lớp vật liệu lọc
Cát thạch anh 700-800 Than antraxit 400-500
Bảng 3.1 Các thông số tính diện tích bể lọc
Cường độ rửa và thời gian rửa lọc Đường kính tương đương của lớp vật liệu lọc (mm) Quy trình rửa lọc bằng
Bảng 3.2 Cường độ rửa lọc và thời gian rửa lọc
Lựa chọn tính toán cho thiết bị lọc quy mô nhỏ cho 1 hộ gia đình hoặc một nhóm hộ gia đình với công suất Q 0l/h = 4,8m3/ngđ
Chọn vật liệu lọc là than Antranxit với những ưu điểm sau:
- Sản xuất tại Việt Nam
- Công dụng: loại bỏ tạp chất lơ lửng trong nước
- Kích thước hạt: 1,5 – 3,5mm; 0,7 – 1,2mm
- Dung trọng: 700 – 800 kg/m3 (tùy theo kích thước)
- Thành phần hóa học cơ bản: cacbon 92%
- Dạng hạt màu đen, khô rời, có góc cạnh
- Do có dung tích chứa cặn lớn nên thích hợp để xử lý nước có độ đục cao Tăng chu kỳ lọc
- Có thể sử dụng trong các bể lọc hở hoặc bể lọc áp lực Hướng lọc từ trên xuống
Với vận tốc lọc của than Antranxit V=7m/h làm giảm tiết diên của cột lọc Chiều cao lớp cát H = 0,5m
Chiều cao lớp sỏi đỡ h = 0,1m
Tiết diện cột lọc F= 0,03m2 chọn cột lọc bằng ống uPVC D200 với chiều ccao cột lọc H=1,1m
Cường độ rửa lọc Wl/s.m 2
Dung tích rửa lọc của bể: V0 lít
Chiều cao từ mặt nước thùng nước rửa lọc đến chiều cao đường nước vào chon h=0,7m
Chọn bình có đường kính D600 bằng nhựa
Chiều cao của đường ống dẫn nước thô từ máng vào đến đáy bể lọc H = 1,8m
= chiều cao của ống hút khí
Vận tốc nước trong dẫn nước lọc V= 0,8m/s Đường kính ống dẫn nước lọc D=9 chọn ống nhựa uPVN D21
Vận tốc nước trong ống thu nước xả rửa lọc đạt 1,5 m/s Đường kính ống xả rửa lọc được chọn là ống nhựa uPVC D27, trong khi đường kính ống thu khí là D9, sử dụng ống nhựa uPVC D21 để thuận tiện cho việc mua sắm và lắp đặt ejecter.
Thiết bị lọc nước gồm có các vật tư chính sau:
STT Tên và chủng loại vật tư Đơn vị Số lượng
4 Nút bịt uPVC DN200 cái 2
19 Bình chứa nước rửa lọc D600 bình 1
20 xô chứa nứớc xả rửa cái 1
21 Giá đỡ bình chứa nước rửa lọc bộ 1
Giá thành sản xuất lắp đặt 01 bộ thiết bị công suất Q 0l/h khoảng 1.500.000đ
Với nguyên vật liệu dễ tìm và giá cả hợp lý, thiết bị lọc nước này phù hợp cho quy mô và công suất sử dụng của hộ gia đình Việc lắp đặt thiết bị này một cách rộng rãi sẽ mang lại tiện lợi cho đa số người dân ở nông thôn.
Vận hành mô hình đã thiết kế
Mô hình được lắp đặt theo bản vẽ thiết kế với công suất Q 0l/h
Trong quá trình thử nghiệm đường ống thu nước lọc 7, một van 2 chiều được lắp đặt để kiểm tra khả năng tự rửa của thiết bị Khi van 2 chiều đóng lại, trở lực của bể lọc tăng lên, khiến nước trong ống xi phông 10 dâng lên và chảy qua ống 12, tạo áp lực chân không bằng cách hút khí qua ống 11 Khi nước tràn đầy ống qua ống 14, van 2 chiều được đóng lại, bắt đầu quá trình rửa lọc, nước từ thùng 8 chảy ngược qua xi phông 10 vào ống 14 Khi nước trong thùng 8 cạn, không khí được hút qua ống 15, làm ngắt chân không trong xi phông 10 và quá trình lọc lại bắt đầu.
Hình ảnh ejecter thu khí trước khi lắp đặt
Hình ảnh nước đầu vào
Hình ảnh ống ngắt xi phông
Hình ống ngắt xi phông trong thùng chứa nước rửa lọc
Hình ảnh tổng thể toàn bộ thiết bị
VẬN DỤNG MÔ HÌNH LỌC TỰ RỬA CHO CẤP NƯỚC QUY MÔ NHỎ VÀ QUY MÔ HỘ GIA ĐÌNH TẠI ĐỊA PHƯƠNG
Kết luận
Sau khi nghiên cứu và đánh giá các mô hình cấp nước quy mô nhỏ, cũng như ứng dụng công nghệ xử lý lọc tự rửa, chúng tôi nhận thấy những ưu điểm nổi bật của các hệ thống này trong việc cung cấp nước sạch cho hộ gia đình Các mô hình này không chỉ đảm bảo nguồn nước an toàn mà còn giúp tiết kiệm chi phí và dễ dàng bảo trì, mang lại hiệu quả cao trong việc cải thiện chất lượng nước.
Diện tích nhỏ gọn của thiết bị lọc giúp dễ dàng lắp đặt trong nhiều điều kiện khác nhau, với vật tư chế tạo dễ tìm Thiết bị này thuận tiện cho quản lý và vận hành, đặc biệt là trong các gia đình và khu dân cư vùng quê, nơi ít tiếp xúc với nguồn nước sạch Nó cũng có khả năng tự động hóa cao trong quá trình xử lý nước.
Hệ thống này rất thích hợp cho các khu vực có địa hình cho phép sử dụng nước tự chảy Khi áp dụng thiết bị ở những nơi có nguồn nước tự chảy, hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động, không tiêu tốn năng lượng và không cần sự can thiệp của người quản lý.
Hệ thống lọc gặp khó khăn vì cần thời gian mồi trước khi tạo áp lực chân không để rửa, dẫn đến việc tiêu tốn nước trong quá trình này.
Khi sử dụng hệ thống lọc tự rửa để xử lý nước ngầm có hàm lượng sắt cao và độ pH thấp, việc kết hợp với hệ thống lắng và nâng pH là rất cần thiết Nếu không, lớp vật liệu lọc sẽ bị keo lại, dẫn đến khả năng rửa lọc kém và tắc nghẽn bể lọc.
Phạm vi áp dụng
Công nghệ mô hình lọc tự rửa được ứng dụng hiệu quả trong việc cung cấp nước cho các hệ thống quy mô nhỏ và hộ gia đình, đặc biệt trong những tình huống cần đảm bảo nguồn nước sạch và an toàn.
Ứng dụng trong xử lý quy mô hộ gia đình dùng nước ngầm
Ứng dụng trong xử lý nước mặt với nguồn tự chảy từ hồ đập suối
Ứng dụng trong các trường hợp cấp nước quy mô nhỏ khi kết hợp với các công trình lắng và tạo bông trước khi vào bể lọc.
Kiến nghị và một số hướng nghiên cứu
Sau khi nghiên cứu thiết kế thiết bị ứng dụng công nghệ lọc tự rửa cho quy mô gia đình, chúng tôi đề xuất cho phép áp dụng rộng rãi công nghệ này tại các địa phương chưa tiếp cận được nguồn nước sạch tập trung.
Nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu lọc mới để đạt hiệu quả xử lý cao nhất:
Nghiên cứu ứng dụng vật liệu lọc mới với độ rỗng cao giúp tăng tốc độ lọc và hiệu quả hấp thụ, đồng thời giảm lượng nước rửa lọc Điều này dẫn đến việc giảm quy mô bể chứa nước rửa lọc và tiết diện bình lọc, làm cho hệ thống lọc trở nên nhỏ gọn và tiện dụng hơn Hơn nữa, việc hợp khối và giảm chiều cao thiết bị lọc phù hợp với hệ thống lọc nước quy mô nhỏ và hộ gia đình.
Nghiên cứu hợp khối với các công trình xử lý khác thành một hệ thống lọc nước quy mô nhỏ hoàn chỉnh:
Nghiên cứu phối hợp bể lọc tự rửa với các công trình xử lý khác như giàn mưa, tháp cao tải, bể lắng và bể tạo bông là cần thiết để xây dựng một hệ thống lọc nước hoàn chỉnh Hệ thống này không chỉ nâng cao tính tự động hóa trong quá trình vận hành và bảo dưỡng mà còn có khả năng ứng dụng lớn trong đời sống sinh hoạt hàng ngày và tiềm năng thương mại hóa cao.
Nghiên thay đổi cơ cấu hình thành xi phông làm giảm lượng nước thất thoát khi mồi rửa lọc:
Nghiên cứu về sự thay đổi cơ cấu hình thành xi phông và tiết diện ống mồi nước giúp tạo ra áp lực chân không, từ đó giảm thiểu tối đa lượng nước thất thoát trong quá trình mồi nước rửa lọc Điều này không chỉ giảm tiêu hao năng lượng mà còn nâng cao hiệu quả trong xử lý nước.