Nghiên cứu quá trình tự rửa bể lọc vật liệu lọc nổi dùng cho các trạm cấp nước quy mô nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI ******* NCS: Nguyễn Thanh Phong NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỰ RỬA BỂ LỌC VẬT LIỆU LỌC NỔI DÙNG CHO CÁC TRẠM CẤP NƢỚC QUY MÔ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật sở hạ tầng Mã số : 62.58.02.10 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2017 GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI ******* NCS: Nguyễn Thanh Phong NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỰ RỬA BỂ LỌC VẬT LIỆU LỌC NỔI DÙNG CHO CÁC TRẠM CẤP NƢỚC QUY MÔ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật sở hạ tầng Mã số : 62.58.02.10 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Nguyễn Văn Tín PGS TS Trần Thanh Sơn Hà Nội - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu trích dẫn, kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Hà Nội, ngày 08 tháng năm 2017 Tác giả luận án Nguyễn Thanh Phong ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, đến luận án hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Tín TS Trần Thanh Sơn tận tình hướng dẫn khoa học động viên khuyến khích tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục Đào tạo, Ban giám hiệu, Khoa Sau đại học Trường Đại học Xây dựng Hà Nội quan tâm giúp đỡ tác giả trình học tập nghiên cứu trường Tác giả xin trân trọng cảm ơn Công ty TNHH thành viên Kinh doanh nước Hải Dương, Ban Giám đốc Xí nghiệp Kinh doanh nước số Hải Dương cho phép tác giả nghiên cứu thực nghiệm nhà máy cung cấp số liệu, tài liệu, hỗ trợ tác giả thực luận án Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn thầy, cô giáo Bộ môn Cấp Thoát nước trường Đại học Xây Dựng, Đại học Kiến trúc Hà Nội, bạn bè đồng nghiệp, gia đình tạo điều kiện, động viên tác giả hoàn thành luận án Trong trình thực hiện, luận án không tránh khỏi khiếm khuyết, tác giả mong nhận góp ý chuyên gia, nhà khoa học ngành Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 08 tháng năm 2017 Tác giả luận án Nguyễn Thanh Phong iii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC BẢNG xi MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ BỂ LỌC VLL NỔI VÀ RỬA LỌC 1.1 Khái quát bể lọc VLL giới Việt nam 1.1.1 1.1.2 1.1.3 Bể lọc VLL Thế giới Bể lọc VLL Việt Nam 11 Bể lọc VLL tự rửa trạm cấp nước quy mô nhỏ 15 1.2 VLL đặc tính 17 1.2.1 1.2.2 Yêu cầu VLL 17 Đặc tính VLL 18 1.3 Các phƣơng pháp rửa lọc sử dụng 21 1.3.1 1.3.2 Tự rửa lọc bể lọc trọng lực theo nguyên lý thủy lực 21 Rửa lọc bể lọc VLL 24 1.4 Nhận xét, đánh giá bể lọc VLL phƣơng pháp rửa bể lọc VLL 27 1.4.1 1.4.2 Đánh giá bể lọc VLL 27 Đánh giá trình tự rửa lọc 30 1.5 Tình hình nghiên cứu liên quan đến bể lọc VLL 33 1.5.1 1.5.2 1.5.3 Các luận án luận văn 33 Các dự án đề tài NCKH 34 Nhận xét chung 35 1.6 Những vấn đề tồn hƣớng nghiên cứu đề tài 36 1.6.1 1.6.2 Những vấn đề tồn 36 Hướng nghiên cứu đề tài 37 Chƣơng CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH LỌC VÀ TỰ RỬA LỌC BỂ LỌC VLL NỔI 39 2.1 Lý thuyết lọc rửa lọc VLL 39 2.1.1 2.1.2 2.1.3 Quá trình lọc nước qua lớp VLL dạng hạt 40 Quy luật tăng tổn thất áp lực lọc nước qua lớp VLL dạng hạt 43 Rửa lọc bể lọc VLL 47 2.2 Cơ sở lý thuyết thủy lực hệ thống xi phông rửa lọc 51 2.2.1 2.2.2 Lý thuyết tính toán xi phông 51 Phân tích tượng ngắt chân không xi phông 53 iv 2.2.3 Lựa chọn tín hiệu khởi động xi phông bể lọc tự rửa 55 2.3 Những vấn đề liên quan đến khởi động xi phông thực trình tự rửa lọc 55 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 Bơm chân không việc khởi động xi phông 55 Ejector tạo chân không việc khởi động xi phông 56 Xi phông định lượng tự động phân phối nước theo chu kỳ 61 Vai trò khóa thủy lực việc khởi động xi phông 62 2.4 Cấu tạo nguyên lý hoạt động bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực 64 2.4.1 Cấu tạo bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực 64 2.4.2 Nguyên lý hoạt động bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực 65 2.5 Giả thiết khoa học bƣớc nghiên cứu thực nghiệm 65 2.5.1 2.5.2 Các giả thiết khoa học nghiên cứu thực nghiệm 65 Các bước nghiên cứu thực nghiệm 66 Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM KHỞI ĐỘNG 68 XI PHÔNG BẰNG THIẾT BỊ KHÓA THỦY LỰC 68 3.1 Cơ sở nguyên tắc thiết kế mô hình thí nghiệm khởi động xi phông thiết bị khóa thủy lực 68 3.1.1 3.1.2 Cơ sở lý thuyết tương tự mô hình thí nghiệm khởi động xi phông 68 Nguyên tắc chung để thiết kế mô hình thí nghiệm khởi động xi phông 68 3.2 Thiết kế mô hình khởi động xi phông phòng thí nghiệm 69 3.2.1 3.2.2 Mục đích nội dung thí nghiệm khởi động xi phông 69 Mô hình thí nghiệm khởi động xi phông 70 3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu, quy trình thí nghiệm vận hành mô hình khởi động xi phông phòng thí nghiệm 71 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 Phương pháp nghiên cứu mô hình khởi động xi phông 71 Quy trình thí nghiệm mô hình khởi động xi phông 73 Vận hành mô hình thí nghiệm khởi động xi phông 73 Kết thí nghiệm phòng thí nghiệm 74 3.4 Kết thí nghiệm mô hình khởi động xi phông thiết bị khóa thủy lực phòng thí nghiệm 74 3.4.1 Kết thí nghiệm mối quan hệ tăng cột nước áp suất với chiều cao khóa thủy lực đường kính (D18 đến D56) để khởi động xi phông 74 3.4.2 Kết thí nghiệm mối quan hệ chiều cao khóa thủy lực ứng với đường kính khóa để xi phông hoạt động ổn định 83 3.4.3 Nhận xét đánh giá kết thí nghiệm mô hình khởi động xi phông thiết bị khóa thủy lực phòng thí nghiệm 86 v Chƣơng 4: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM BỂ LỌC VLL NỔI TỰ RỬA KHỞI ĐỘNG BẰNG THIẾT BỊ KHÓA THỦY LỰC 88 4.1 Cơ sở nguyên tắc thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực 88 4.1.1 Cơ sở thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực 88 4.1.2 Nguyên tắc chung để thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực 89 4.2 Thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực trƣờng 89 4.2.1 4.2.2 4.2.3 Mục đích thực nghiệm trường 89 Nội dung thực nghiệm trường 90 Mô hình thực nghiệm trường 90 4.3 Phương pháp nghiên cứu, quy trình thí nghiệm vận hành mô hình thực nghiệm bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực trường 93 4.3.1 4.3.2 4.3.3 Phương pháp nghiên cứu mô hình trường 93 Quy trình thí nghiệm mô hình trường 94 Vận hành mô hình thí nghiệm trường 95 4.4 Kết nghiên cứu mô hình thực nghiệm bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực trƣờng 96 4.4.1 Kết nghiên cứu mô hình thực nghiệm bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực với VLL hạt polystyrene 96 4.4.2 Kết nghiên cứu mô hình thực nghiệm bể lọc VLL tự rửa thiết bị khóa thủy lực với VLL hạt PE 109 4.5 Những vấn đề rút đƣợc từ Luận án 123 4.5.1 Kết thu nhận từ Luận án 123 4.5.2 Đề xuất thông số tính toán thiết kế phạm vi áp dụng bể lọc VLL tự rửa 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ DÙNG LÀM TÀI LIỆU THAM KHẢO CHO LUẬN ÁN 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO 140 PHẦN PHỤ LỤC 144 vi DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Việt BYT Bộ Y tế KDNS Kinh doanh nước KHKT Khoa học kỹ thuật ĐTĐL Đề tài độc lập Max Lớn Min Nhỏ NTU Đơn vị đo độ đục NCKH Nghiên cứu khoa học NCS Nghiên cứu sinh NMN Nhà máy nước PE Hạt nhựa trơ iner polymer TRW18 PL Phụ lục PTS Phó tiến sỹ QCVN Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia SS Hàm lượng cặn lơ lửng SNG Cộng đồng quốc gia độc lập TCCP Tiêu chuẩn cho phép TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TNHH Trách nhiệm hữu hạn TS Tiến sĩ VLL Vật liệu lọc vii DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động bể lọc tự rửa VLL ứng dụng 10 xử lý nước thải, hướng lọc từ xuống Hình 1.2 Ảnh chụp cụm xử lý nước ngầm Tuimen, Liên bang 11 Nga Công suất 1000 m3/ngđ Hình 1.3 Đồ thị thành phần hạt VLL qua sàng chuyên dụng 18 Hình 1.4 Quan hệ độ rỗng hệ số hình dạng 20 Hình 1.5 Bể lọc rửa liên tục 23 Hình 1.6 Bể lọc áp lực tự động rửa theo chu kì lọc 23 Hình 1.7 Bể lọc van khóa, rửa theo chu kì lọc 24 Hình 1.8 Ảnh chụp bể lọc trọng lực tự rửa khởi động thiết bị 31 ejector thủy lực Huyện Cẩm Giàng- Hải Dương (năm 2011) Hình 1.9 Ảnh chụp bể lọc trọng lực tự rửa khởi động thiết bị 32 ejector thủy lực Nhà máy nước Thành phố Điện Biên Phủ (năm 2013) 10 Hình 2.1 Sơ đồ tính toán bề dày lớp VLL 40 11 Hình 2.2 Sơ đồ tính toán thể tích lớp VLL 41 12 Hình 2.3 Sự thay đổi hàm lượng cặn nước lọc theo thời gian 43 13 Hình 2.4 Đặc trưng không gian lỗ rỗng bị lấp đầy 45 14 Hình 2.5 Biểu đồ tăng tổn thất lọc theo thời gian 46 15 Hình 2.6 Sơ đồ tính toán xi phông 51 16 Hình 2.7 Hiện tượng xuất bọt khí bão hòa xi phông 54 17 Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động bơm chân không khởi động xi phông 56 18 Hình 2.9 Cấu tạo nguyên lý hoạt động ejector tạo chân không 57 19 Hình 2.10 Giản đồ tính toán thông số ejector 58 20 Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động ejector tạo chân không khởi động xi 59 phông 21 Hình 2.12 Sơ đồ lắp đặt ejector tạo chân không để khởi động xi phông bể lọc tự rửa 60 viii 22 Hình 2.13 Sơ đồ cấu tạo hoạt động xi phông định lượng 61 23 Hình 2.14 Vai trò khóa thủy lực xi phông định lượng 63 24 Hình 2.15 Cấu tạo bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa 64 thủy lực 25 Hình 3.1 Mô hình thí nghiệm khởi động xi phông thiết bị khóa 71 thủy lực 26 Hình 3.2 Quan hệ chiều cao cột áp cần thiết với chiều cao khóa thủy 75 lực D18 để xi phông khởi động ổn định 27 Hình 3.3 Quan hệ chiều cao cột áp cần thiết với chiều cao khóa thủy 76 lực D24 để xi phông khởi động ổn định 28 Hình 3.4 Quan hệ chiều cao cột áp cần thiết với chiều cao khóa thủy 77 lực D30 để xi phông khởi động ổn định 29 Hình 3.5 Quan hệ chiều cao cột áp cần thiết với chiều cao khóa thủy 78 lực D38 để xi phông khởi động ổn định 30 Hình 3.6 Quan hệ chiều cao cột áp cần thiết với chiều cao khóa thủy 79 lực D44 để xi phông khởi động ổn định 31 Hình 3.7 Quan hệ chiều cao cột áp cần thiết với chiều cao khóa thủy 80 lực D56 để xi phông khởi động ổn định 32 Hình 3.8 Biểu đồ xác định trạng thái khởi động xi phông với thay 83 đổi chiều cao khóa thủy lực ứng với đường kính khóa 33 Hình 3.9: Đường cong xác định giới hạn chiều cao khóa thủy lực lớn 84 với đường kính khóa để xi phông khởi động ổn định 34 Hình 3.10 Đường cong xác định giới hạn chiều cao khóa thủy lực nhỏ 85 với đường kính khóa để xi phông khởi động ổn định 35 Hình 3.11 Biểu đồ đường cong giới hạn khoảng chiều cao khóa thủy 86 lực ứng đường kính khóa để xi phông khởi ổn định 36 Hình 4.1 Mô hình thí nghiệm bể lọc VLL tự rửa khởi động 92 thiết bị khóa thủy lực 37 Hình 4.2 Sự thay đổi hàm lượng cặn nước sau lọc theo thời gian VLL hạt polystyrene, v = 5m/h (lần thí nghiệm 1) 97 PL1- PHỤ LỤC (PL1): CÁC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1 Một số công trình sử dụng bể lọc VLL (không tự rửa) xây dựng Công TT Tên công trình suất m3/ngđ Số dân phục vụ Năm Loại xây nguồn dựng nƣớc Tình trạng Thị trấn Ngô Đồng - Giao Thủy 1000 6200 1997 Mặt Hoạt động Xã Giao Tiến - Giáo Thủy 1800 18000 2001 Mặt Hoạt động Xã Giao An - Giao Thủy 330 3000 2004 Mặt Hoạt động Xã Xuân Tiến - Xuân Trường 1080 11000 1999 Mặt Hoạt động Xã Xuân Thượng - Xuân Trường 600 7200 1999 Mặt Hoạt động HTX Hành Thiện - X.Hồng X.Trường 732 7000 2000 Mặt Hoạt động T.Tâm huyện lỵ Xuân Trường (I+II+III) 1860 20000 2001 Mặt Hoạt động HTX Tiến Dũng - X.Hồng - X.Trường 716 6200 2001 Mặt Hoạt động Xã Xuân Trung - Xuân Trường 803 8800 2002 Mặt Hoạt động 10 Xã Xuân Thành - Xuân Trường 632 6200 2005 Mặt Hoạt động 11 HTX Trung.Lao - T.Đông - Trực Ninh 500 7000 1998 Mặt Hoạt động 12 HTX Trực Đông - T.Đông - Trực Ninh 740 5600 2001 Mặt Hoạt động 13 HTX Đông Thượng - T.Đông - Trực Ninh 380 4000 2005 Mặt Hoạt động 14 Xã Trực Chính - Trực Ninh 533 6100 2005 Mặt Hoạt động 15 HTX nước S.Đào - N.Giang – NT 7000 10000 1998 Mặt Hoạt động 16 HTX Nam Ninh - N.Thanh - N.Trực 585 6900 2002 Mặt Hoạt động 17 Xã Nam Hồng - Nam Trực 1120 10540 2005 Mặt Hoạt động 18 Xã Nam Tiến - Nam Trực 1200 12000 2005 Mặt Hoạt động 19 HTX Nam Long - N.Thành - Nam Trực 400 5000 2005 Mặt Hoạt động 20 Xã Nam Vân - TP Nam Định 1033 7600 2000 Mặt Hoạt động 21 Xã Nam Phong - Tp.Nam Định 1446 12000 2003 Mặt Hoạt động 22 Trung tâm huyện lỵ Mỹ Lộc (I+II+III) 1400 12000 2001 Mặt Hoạt động PL1- Công TT Tên công trình suất m3/ngđ Số dân phục vụ Năm Loại xây nguồn dựng nƣớc Tình trạng 23 HTX Lê Lợi - Thành Lợi - Vụ Bản (I+II) 800 11000 2000 Mặt Hoạt động 24 Xã Quang Trung - Vụ Bản 730 5700 2001 Mặt Hoạt động 25 Xã Minh Thuận - Vụ Bản 1174 9600 2003 Mặt Hoạt động 26 Xã Minh Tân - Vụ Bản 900 5100 2003 Mặt Hoạt động 27 Xã Trung Thanh - Vụ Bản 1020 5700 2004 Mặt Hoạt động 28 Xã Yên Ninh - Ý Yên 1200 10300 2005 Mặt Hoạt động 29 HTX Hồng Thái - xã N.Tiến - N Trực 108 982 2003 Mặt Hoạt động 30 T.Minh Hồng, xã B.Minh - N.Trực (*) 80 500 2001 Mặt Hoạt động 31 Thị trấn Cổ Lễ - Trực Ninh 2000 13000 1999 Mặt Hoạt động 32 Thị trấn Lâm - huyện Ý Yên 2200 13000 2003 Mặt Hoạt động 33 Nhà máy nước Gôi - (LUX tài trợ) 3600 38000 2005 Mặt Hoạt động 34 Xã Hiển Khánh - Vụ Bản 809 8950 2006 Mặt Hoạt động 35 Xã Đại Thắng - Vụ Bản (*) 800 12000 2007 Mặt Hoạt động 36 Xã Nam Dương - Nam Trực 1200 12500 2006 Mặt Hoạt động 37 Xã Tân Thịnh - Nam Trực 1285 14200 2006 Mặt Hoạt động 38 Xã Điền Xá - Nam Trực 1200 12000 2007 Mặt Hoạt động 39 Xã Cát Thành - Trực Ninh 1200 12000 2007 Mặt Hoạt động 40 Xã Yên Chinh - Ý Yên 864 7654 2005 Mặt Hoạt động 41 Xã Xuân Phú - Xuân Trường 800 11000 2008 Mặt Hoạt động 42 Xã Đồng Lạc - Chí Linh - Hải Dương 800 2006 Mặt Hoạt động 43 Thị Trấn Mường Khương - Lào Cai 1200 2004 Mặt Hoạt động 44 Trường giáo dưỡng số - Ninh Bình 120 2003 Ngầm Đã ngừng 500 2002 Ngầm Đã ngừng 45 TT thi đấu huấn luyện TDTT Bộ Công AnThanh Trì-Hà Nội PL1- Năm Loại xây nguồn dựng nƣớc 250 2005 Mặt Hoạt động 40 2006 Ngầm Hoạt động 40 2005 Ngầm Hoạt động 40 2005 Ngầm Hoạt động 40 2010 Ngầm Hoạt động 50 2010 Ngầm Hoạt động 45 2004 Ngầm Hoạt động 45 2003 Ngầm Hoạt động 45 2003 Ngầm Hoạt động 500 2003 Ngầm Hoạt động 500 2005 Ngầm Hoạt động 500 2004 Ngầm Hoạt động 20.000 1994 Ngầm Hoạt động Công TT Tên công trình suất m3/ngđ 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 Thao trường tổng hợp Binh chủng Công binh-Lữ đoàn 249 HTCN xã Thanh Tuyền, huyện Dầu Tiếng, Bình Dương HTCN xã Thanh An-huyện Dầu Tiếng-Bình Dương HTCN xã Minh Thành-huyện Dầu Tiếng-Bình Dương xã An linh-huyện Phú Giáo-Bình Dương HTCN xã Tân Long-huyện Phú Giáo-Bình Dương HTCN xã Hưng Lộc-Huyện Thống Nhất-Tỉnh Đồng Nai HTCN xã Phú Bình-Huyện Tân Phú-Tỉnh Đồng Nai HTCN xã Sông Thao-Huyện Trảng Bom-Tỉnh Đồng Nai HTCN xã Bình Giã-Huyện Châu Đức, Tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu HTCN xã Xuân Sơn, Huyện Châu Đức, Tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu HTCN xã Lộc An-Huyện Đất Đỏ, Tỉnh Bà RịaVũng Tàu HTCN Thị xã Sóc trăng Số dân phục vụ Tình trạng Nguồn khảo sát“ Số liệu từ Công ty cấp nước Tỉnh thành nước” năm 2015 PL2- PHỤ LỤC (PL2): CÁC PHẦN TÍNH TOÁN TRONG LUẬN ÁN II.1 Tính toán mô hình bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực II.1.1 Thông số thiết kế - Đường kính cột lọc: D = 300mm - Chiều dày VLL: 1,2m - Cường độ rửa lọc: 12 l/s.m2 - Thời gian rửa lọc: phút Chú thích: 1- ngăn phân phối; 2- xi phông rửa lọc; 3- xi phông mồi; 4- khóa thủy lực; 5- ống ngắt chân không xi phông; 6ống nối thông khí; 7thùng chứa khóa thủy lực; 8- bảng đo áp ; 9ngăn chứa nước rửa lọc; 10- VLL Hình II.1 Mô hình thí nghiệm bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực PL2- II.1.2 Tính toán thiết kế mô hình bể lọc VLL tự rửa  Xác định đƣờng kính ống xi phông rửa lọc - Diện tích ống xi phông xác định theo công thức[11]: Q   1,76 r ; m  tt (PL2-II.1) Với cường độ rửa lọc 12l/s.m2; tính lưu lượng nước rửa lọc cột lọc đường kính D=300mm là: Trong đó: Qr - Lưu lượng nước rửa lọc: m3/s Qr = 12.πD2/4 = 0,8478l/s Htt - chiều cao cột nước tính toán: m Htt= hrtb - hpp - hVL ; m (PL2-II.2) với: hrtb: chiều cao trung bình nước rửa, tính từ cao trình mực nước thùng chứa khóa thủy lực, đến mực nước trung bình bể chứa nước rửa lọc, (xem hình II.1); H  H 2,7  2,25 tb h r  max   2,475m 2 Hmax - chiều cao cột nước tính từ mực nước cao phần bể chứa nước rửa lọc đến mực nước thùng chứa khóa thủy lực, (xem hình II.1) Hmin - chiều cao cột nước tính từ mực nước thấp phần bể chứa nước rửa lọc đến mực nước thùng chứa khóa thủy lực hpp: tổn thất hệ thống phân phối nước đều; sơ lấy 0,1m hVL: tổn thất qua lớp VLL rửa lọc ; sơ lấy 0,15m Htt= 2,475 - 0,1 - 0,15 = 2,225 - Với cột nước Htt = 2,225m; Qr = 0,8478l/s thay vào công thức (PL2-II.1) ta tính diện tích cần thiết ống xi phông rửa lọc 0,8478   1,76  0,001; m 1000 2,225 PL2- Đường kính xi phông rửa lọc DxpR  4.0,001  0,036m 3,14 Như vậy, chọn đường kính ống xi phông rửa lọc mô hình: DxpR = 40mm  Xác định thông số kích thƣớc mô hình Căn vào tổng tổn thất áp lực giới hạn cho phép chu kỳ lọc (sơ chọn 30cm), để tính toán chiều cao khóa thủy lực, xác định cao trình đường ống hệ thống xi phông mồi, xi phông rửa lọc nhằm mục đích có mô hình thực nghiệm hoạt động ổn định để bảo đảm số liệu kết thí nghiệm liên tục xác Sau tính toán, lắp đặt, vận hành hiệu chỉnh mô hình ta có thông số kỹ thuật mô hình thể bảng 4.1  Tìm hệ số lƣu lƣợng công thức (2.39 chƣơng 2) Từ công thức tính lưu lượng qua xi phông: Q r  μ.ω 2gH tt ;m3/s (PL2-II.3) Trong đó:  - hệ số giảm lưu lượng; Với lưu lượng: 0,8478x10-3 m3/s, chiều cao cột nước Htt = 2,225m, diện tích ống xi phông = 0,001 m2, thay vào công thức (PL2-II.3) tìm được:  = 0,128 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật mô hình thực nghiệm bể lọc VLL tự rửa khởi động thiết bị khóa thủy lực TT Thông số mô hình thực nghiệm Kí Đơn Giá hiệu vị trị D mm 300 HVLL m 1,2 Đường kính cột lọc Chiều cao VLL Đường kính phần bể chứa nước rửa lọc Dbc m 0,6 Chiều cao phần chứa nước rửa lọc Hbc m 0,45 Đường kính hữu dụng VLL hạt polystyren DePS mm 1,22 Đường kính hữu dụng VLL hạt nhựa PE DePE mm 1,17 PL2- Khoảng chiều cao để vật liệu giãn nở rửa lọc Hd m 0,7 Đường kính ống phân phối nước vào bể Dpp mm 100 Đường kính xi phông rửa lọc DxpR mm 40 10 Đường kính xi phông mồi dxpM mm 18 11 Đường kính khóa thủy lực Dk mm 18 12 Chiều cao khóa thủy lực Hk mm 170 13 Đường kính ống nối hai đỉnh xi phông d mm 18 Hxp m 0,25 hxp m 0,15 H m 2,85 Hmax m 2,7 Hmin m 2,25 Chênh cao đáy xi phông rửa lọc với mực nước 14 Max bể lọc Chênh cao đáy xi phông mồi với mực nước 15 Max bể lọc Chiều cao từ đáy xi phông mồi đến mực nước 16 thùng chứa khóa thủy lực Chiều cao tính từ mực nước lớn bể chứa 17 đến mực nước thùng chứa khóa thủy lực Chiều cao tính từ mực nước nhỏ bể chứa 18 đến mực nước thùng chứa khóa thủy lực Bảng đo áp có gắn ống đo áp suất thước 19 chia đến giá trị mm II.2 Đề xuất thông số tính toán thiết kế phạm vi áp dụng bể lọc VLL tự rửa II.2.1 Đề xuất thông số thực nghiệm xác định tổn thất áp lực lọc giới hạn ứng với thời gian bảo vệ lớp VLL để khởi động xi phông thực trình tự rửa  Phƣơng trình hồi quy xác định thay đổi hàm lƣợng cặn theo thời gian Căn vào phương trình (2.15) tổng hợp biểu diễn trình giữ cặn tách cặn lý thuyết chương 2, mục 2.1.1có dạng: C t  C0 e b.t  ρ gh e a.t ; (mg/l) (PL2-II.4) PL2- kết hợp với kết thực nghiệm bảng (4.3  4.14), hình (4.2; 4.4; 4.6; 4.8; 4.10; 4.132; 4.14; 4.16; 4.18; 4.20; 4.22; 4.24) thấy thực nghiệm biết thông số: Ct - hàm lượng cặn đầu bể lọc, mg/l; C0 - hàm lượng cặn đầu vào bể lọc, mg/l Như phương trình (PL2-II.4) cần xác định thông số: a - thông số lọc xác định cường độ bứt hạt cặn; 1/h b - thông số lọc xác định cường độ dính bám phần tử chất bẩn; 1/h gh - mật độ chất bẩn lấp đầy khe rỗng lớp vật liệu lọc chu kỳ lọc; g/m3; kg/m3 t: thời gian chu kỳ lọc (xác định theo thời gian bảo vệ lớp VLL) Trường hợp thí nghiệm với vận tốc lọc m/h (bảng 4.3 hình 4.2) Từ phương trình (PL2-II.4) a) Xác định thông số hàm lượng cặn lơ lửng đầu vào (C0tb) đầu (Cttb) - Xác định C0tb: Giá trị trung bình 22 lần đo: C0  (C0.1  C0.2   C0.22 ) / 22 = 6,909; mg/l Sai số tuyệt đối trung bình 22 lần đo: C  C0  C0.1  C0  C0.2   C0  C0.22 22 = 0,852; mg/l C0  C0  C  7,761; mg / l tb - Xác định Cttb: Giá trị trung bình 22 lần đo: Ct  (Ct t  C0t   Ct 22 ) / 22 = 0,68; mg/l PL2- Sai số tuyệt đối trung bình 22 lần đo: C t  Ct  Ct  Ct  Ct   Ct  Ct 22 22 = 0,251; mg/l Ct  Ct  C t  0,931; mg / l tb b) Xác định thông số lọc a - cường độ bứt hạt cặn - Mật độ chất bẩn lấp đầy khe rỗng lớp vật liệu lọc chu kỳ lọc xác định: gh = (Q.C0.t – Q.Ct.t)/W; kg/m3 (PL2-II.5) Trong đó: Q - lưu lượng qua mô hình, m3/h; với đường kính mô hình D = 300mm, chiều cao lớp vật liệu H = 1,2m, vận tốc lọc v = m/h, tính lưu lượng qua thiết bị: Q = 0,353; m3/h, C0 Ct tính theo C0tb Cttb chu kỳ lọc 44h Thể tích khối vật liệu cột lọc: W = 0,0848; m3 Thay thông số vào công thức (PL2-II.5) tìm được: gh = 1,25; kg/m3 - Cường độ bứt hạt cặn xác định theo công thức: Ct = gh.eat (PL2-II.6) Trong đó: C - hàm lượng cặn thay đổi thời gian t, mg/l Với C = 0,931, mg/l, t = 44h thay vào công thức (PL2-II.6) xác định được: C 0,931 a  ln t  ln  0,007;1/ h t  gh 44 1,25 c) Xác định thông số lọc b - độ bám dính phần tử chất bẩn PL2- Sau xác định thông số thực nghiệm: a, gh, C0tb, Cttb thay vào công thức (PL2-II.4) tìm thông số thực nghiệm: b = 0,122, 1/h Trường hợp thí nghiệm với vận tốc lọc khác Tính toán tương tự cho trường hợp thí nghiệm với vận tốc khác nhau, hạt vật liệu Polystyrene PE, tiến hành lập bảng, xác định thông số lọc thực nghiệm sau (bảng 4.15): Bảng 4.15 Bảng tra thông số lọc xác định cƣờng độ bứt hạt cặn (a) cƣờng độ bám dính phần tử chất bẩn (b) S T T Hạt VLL Polystyrene PE Vận tốc lọc, m/h Lưu lượng, m3/h Hàm lượng cặn lơ lửng đầu trung bình mg/l Mật độ chất bẩn lấp đầy lỗ rỗng gh, kg/m3 Hệ số tách cặn, a, (1/h) 0,353 0,678 Hàm lượng cặn lơ lửng đầu vào trung bình mg/l 7,761 7,743 9,6 13,8 9,6 13,6 0,931 1,251 1,25 1,25 0,007 0,00033 0,975 6,567 1,472 1,17 0,015 0,353 0,678 0,975 6,656 7,275 7,952 0,766 0,741 1,346 1,17 1,202 1,29 0,0088 0,021 0,0025 Hệ số Thời bám gian dính, bảo vệ b, lớp (1/h) VLL t,(h) 0,122 48 0,212 24 18 0,274 0,116 48 0,243 24 0,302 18  Phƣơng trình hồi quy xác định độ tăng tổn thất áp lực lọc theo thời gian Từ công thức (2.30), dùng phương pháp mô hình hóa để tính tổn thất áp lực lớp vật liệu lọc[11] biểu diễn tổn thất áp lực lớp vật liệu lọc có chiều dày X thời điểm t theo biểu đồ (hình 2.5 Chương 2) sau: H = H0 + tg * t; cm (PL2-II.7) Trong đó: H: tổng tổn thất áp lực sau thời gian chu kỳ lọc; cm H0: tổn thất qua lớp VLL sạch; cm tg: trị số xác định từ biểu đồ thực nghiệm; cm/h t : thời gian chu kỳ lọc PL2- - Trường hợp vận tốc lọc v= 5m/h: tga  h t Trong đó: h - độ chênh tổn thất đầu vào lớp vật liệu lọc, cm t - khoảng thời gian lọc chọn, h; theo bảng 4.3 chọn thời gian lọc 6h (từ 10 - 16h), tìm độ chênh tổn thất 6h theo số trung bình: Giá trị trung bình lần đo: h0  (h0.1  h0.2   h0.4 ) / = 5,68; cm Sai số tuyệt đối trung bình lần đo: C  h0  h0.1  h0  h0.2   h0  h0.4 = 0,28; cm h0  h0  h  5,96; cm tb Vậy tga  5,96  0,993; cm / h Thay thông số vào công thức ( PL2-II.7) xác định độ tăng tổn thất áp lực theo thực nghiệm : H= 3,15 + 0,993t Tính toán tương tự cho trường hợp vận tốc lọc, loại VLL khác từ biểu đồ kết thực nghiệm có được, xác định độ gia tăng tổn thất trình lọc sau: - Đối với hạt Polystyrene: + Trường hợp vận tốc lọc v= 5m/h: tg = 0,993; cm/h; H = 3,15 + 0,993t; cm + Trường hợp vận tốc lọc v= 9,6m/h: tg = 0,64; cm/h; H = 9,10 + 0,64t; cm + Trường hợp vận tốc lọc v= 13,8m/h: tg = 1,26; cm/h; H = 10,40 + 1,26t; cm - Đối với hạt PE: + Trường hợp vận tốc lọc v= 5m/h: tg = 0,688; cm/h; H = 4,95 + 0,688t; cm PL2- + Trường hợp vận tốc lọc v= 9,6m/h: tg = 0,808; cm/h; H = 10,52 + 0,808t; cm + Trường hợp vận tốc lọc v= 13,6m/h: tg = 1,409; cm/h; H = 18,78 + 1,409t; cm Bảng 4.16 Bảng tra thông số xác định tổn thất áp lực lọc theo thời gian STT Hạt VLL Polystyrene PE Vận tốc lọc, v, (m/h) 9,6 13,8 9,6 13,6 Tổn thất qua lớp VLL Ho, (cm) tg (cm/h) 3,15 9,10 10,40 4,95 10,52 18,78 0,99 0,64 1,26 0,69 0,81 1,41 II.2.2 Đề xuất thông số tính toán xi phông rửa lọc Đường kính xi phông rửa lọc tính toán dựa phương trình thủy lực theo trình tự sau:  Xác định lưu lượng nước cần rửa lọc theo công thức: Q= F.Wrửa; l/s (PL2-II.8) đó: F: diện tích cột lọc; m2 Wrửa: cường độ rửa lọc; l/s.m2  Xác định đường kính xi phông rửa lọc theo công thức: Q r  μ.ω 2gH tt ; m3/s (PL2-II.9) đó:  - hệ số giảm lưu lượng;  = 0,128 w: diện tích mặt cắt ướt (w = πd2/4; d: đường kính xi phông rửa lọc) Htt: chiều cao cột nước tính toán; m Htt= hrtb - hpp - hVL ; m với: (PL2-II.10) PL2- 10 hrtb: chiều cao trung bình nước rửa, tính từ cao trình mực nước thùng chứa khóa thủy lực, đến mực nước trung bình bể chứa nước rửa lọc, (xem hình II.1); H  H tb h r  max (PL2-II.11) hpp: tổn thất hệ thống phân phối nước đều; m hVL: tổn thất qua lớp VLL; m (  H 2O  VLL ) h VL  (1  m0 ).L0 H O (PL2-II.12) Với:  H O , VLL : khối lượng riêng nước khối lượng riêng VLL; m0: độ rỗng lớp VLL; L0: chiều dày lớp VLL chưa rửa lọc  Xác định độ ngập xi phông rửa lọc thùng chứa nước xả rửa lọc: Độ ngập xi phông rửa lọc thùng chứa nước xả rửa lọc phụ thuộc vào khoảng cách từ xi phông mồi đến xi phông rửa lọc, để xi phông mồi làm việc ổn định ta chọn độ ngập xi phông rửa lọc chiều cao khóa thủy lực H-1 MỘT SỐ HÌNH ẢNH VẬN HÀNH MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM Hình ảnh vận hành mô hình thực nghiệm bể lọc VLL tự rửa Xí nghiệp KDNS số - Thôn Phương Độ - Phường Cẩm Thượng - Thành phố Hải Dương H-2 Hình ảnh vận hành mô hình thực nghiệm khởi động xi phông theo nguyên lý khóa thủy lực hình chữ U Phòng thí nghiệm Thủy lực Trƣờng Đại học Kiến trúc Hà Nội ... nước rửa lọc 3  Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu dùng thiết bị khóa thủy lực để khởi động xi phông thu nước rửa lọc bể lọc tự rửa dùng cho trạm cấp nước quy mô nhỏ - Nghiên cứu bể lọc VLL tự. .. lọc cho bể lọc tự rửa - Tính toán thiết kế bể lọc VLL tự rửa dùng thiết bị khóa thủy lực để mồi xi phông rửa lọc, dây chuyền xử lý nước mặt keo tụ sau trình lắng, dùng cho trạm cấp nước quy mô nhỏ. .. với bể lọc tự rửa vật liệu cát bể lọc VLL tự rửa có ưu điểm trội (1) kết cấu, cấu tạo bể đơn giản (kết cấu vỏ bể lọc VLL nước rửa lọc từ xuống, bể lọc cát nước rửa lọc từ lên nên cấu tạo bể cấu