Lọc nước trong xử lý nước cấp

Giới thiệu tính toán một số bể lọc trong xử lý nước cấp.Nhóm 2 – Dh4km Các phương pháp xử lý nước cấp: Lọc nước I. Khái niệm, phân loại, vật liệu lọc dạng hạt 1. Khái niệm: lọc là quá trình tách các chất lắng lơ lửng ra khỏi nước khi hỗn hợp nước và chất rắn lơ lửng đi qua lớp vật liệu lỗ (lớp vật liệu lọc), chất rắn lơ lửng sẽ được giữ lại trên bề mặt hoặc khe hở lớp vật liệu lọc và nước tiếp tục chảy qua. Quá trình lọc được đặc trưng bởi hai thông số cơ bản là : tốc độ lọc và chu kỳ lọc. 2. Phân loại: (6 cách) • Theo tốc độ lọc: + Bể lọc chậm: có tốc độ lọc 0,1 – 0,5 mh + Bể lọc nhanh: có tốc độ lọc 5 – 15 mh + Bể lọc cấp tốc: có tốc độ lọc 36 – 100 mh Bể lọc chậm:

• Theo chiều của dòng nước:

+ Bể lọc xuôi: là bể lọc cho nước chảy qua lớp vật liệu lọc từ trên xuống như: bể lọc chậm, bể lọc nhanh phổ thông

+ Bể lọc ngược: nước chảy qua lớp vật liệu lọc từ dưới lên trên như bể lọc tiếp xúc

+ Bể lọc hai chiều: nước chảy qua lớp vật liệu lọc theo hai chiều từ trên xuống, từ dưới lên và thu nước ở giữa như bể lọc AKX

• Theo số lượng vật liệu lọc:

+ Bể lọc lưới: nước lọc đi qua lưới lọc kim loại hoặc vật liệu xốp

+ Bể lọc có màng lọc: nước lọc đi qua màng lọc được tạo thành trên bề mặt lưới đỡ hoặc lớp vật liệu rỗng

Bể

lọc

tiếp

xúc

3 Vật liệu lọc dạng hạt

- Vật liệu lọc dạng hạt phổ biến nhất hiện nay là cát tự nhiên(cát thạch anh tự nhiên) Ngoài ra còn một số loại vật liệu khác như: cát thạch anhnghiền, đá hoa nghiền, than antraxit (than gầy), polime

- Một số yêu cầu của vật liệu lọc dạng hạt: có thành phần cấp phối thích hợp, đảm bảo đồng nhất, độ bền cơ học cao, ổn định về hóa học

- Người ta sử dụng bộ sàng tiêu chuẩn có kích thước mắt to, nhỏ khác nhau để đảm bảo cấp phối và cỡ hạt theo yêu cầu Cỡ của mắt sàng tùy vào kích thước đặc trưng từng loại vật liệu khác nhau và các mắt sàng không lệch nhau quá 0,25mm

- Tính đồng nhất được xác định qua hệ số không đồng nhất về kích thướccủa vật liệu lọc là K = d80/d10 (trong đó d80; d10 là kích thước cỡ sàng để lọt qua 80% và 10% tổng số hạt)

- Độ bền cơ học để đảm bảo tính ổn định của thành phần hạt; tránh khi rửa các hạt bị vỡ bào mòn, tăng tổn thất lớp vật liệu lọc rút ngắn chu kì lọc, giảm dần chiều dày lớp lọc và ảnh hưởng đến chất lượng nước lọc

- Độ bền hóa học với tính xâm thực của nước tự nhiên cần đạt yêu cầu; tránh làm nhiễm bẩn lại nước đã lọc do các chất hòa tan trong vật liệu lọc trôi ra

Lọc màng thấm ngược RO

Màng lọc nước

II BỂ LỌC NƯỚC

1 Bể lọc chậm

a Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc làm việc của bể lọc chậm

1 - Bể lọc

2 - Nguồn nước

3 - Đập lấy nước

4 - Cửa đưa nước vào

5 - Cửa thu nước rửa

Bảng 1: Cấu tạo lớp cát lọc và lớp sỏi đỡ trong bể lọc chậm (Theo TCXD

33:2006)

STT Tên lớp vật liệu lọc và

lớp đỡ

Cỡ hạt của vật liệu lọc (mm)

Chiều dày lớp vật liệu lọc (mm)

- Hệ thống thu nước lọc của bể chọn theo diện tích mặt bằng của bể Khi

bể lọc chậm có diện tích từ 10-15m2, phải thu nước trong bằng máng đặt chìm dưới đáy bể Khi bể lọc có diện tích lớn hơn 15m2 , phải có hệ thống thu nước bằng ống đục lỗ bằng gạch hoặc ống bê tông có khe hở,ống bê tông rỗng,…

- Bể lọc chậm có dạng hình chữ nhật hoặc vuông, bề rộng mỗi ngăn của

bể không được lớn hơn 6m và bề dài không lớn hơn 60m

Số bể lọc chậm không được ít hơn 2

Bể lọc chậm có thể xây gạch, hoặc làm bằng bê tông cốt thép Đáy bể thường có độ dốc 5% về phía van xả đáy Khi có nhiều bể phải có hệ thống máng phân phối để đảm bảo phân phối nước đều vào mỗi bể lọc

- Lớp nước trên mặt cát lọc phải lấy bằng 1,5m Khi bể lọc có mái che, khoảng cách từ mặt cát lọc đến mái phải lấy đủ để đảm bảo cho việc rửa và thay thế cát lọc

Bể lọc chậm nhà máy nước Võ Cạnh

b. Ưu - nhược điểm và áp dụng

- Ưu điểm: Khi cho nước đi qua lớp vật liệu lọc với vận tốc nhỏ (0,1-0,3 m/h), thì trên mặt cát sẽ dần hình thành màng lọc Màng lọc giúp xử lý 95-99% cặn bẩn và vi trùng có trong nước bị giữ trên lớp màng lọc

- Nhược điểm : diện tích bể lớn, vận tốc lọc nhỏ, khó cơ khí hóa và tự động hóa quá trình rửa lọc vì vậy phải quản lý bằng thủ công nặng nhọc

- Áp dụng: các nhà máy nước có công suất đến 1000 m3/ ngày đêm với hàm lượng cặn đến 50 mg/l và độ màu đến 50o, khi phục hồi bể phải lấycát ra rửa Khi phục hồi không phải lấy cát ra rửa (xới bằng cơ giới và rửa bằng nước) thì có thể sử dụng cho các nhà máy nước công suất đến

30000 m3/ ngày đêm với hàm lượng cặn đến 700 mg/l và độ màu đến

Tốc độ lọc lấy theo hàm lượng cặn của nước nguồn theo bảng:

Hàm lượng cặn của

nước nguồn đưa vào

bể (mg/l)

Tốc độ lọc (m/h) Khi bể làm việc bình

ht: chiều dày lớp sàn đáy thu nước lọc từ 0,3 -0,5 m

hd: chiều dày lớp sỏi đỡ (m) lấy theo bảng 1

hc: chiều dày lớp cái lọc (m) lấy theo bảng 1

hn: chiều cao lớp nước (m), (0,8 – 1,8 m), thường lấy 1,5m

hp: chiều cao dự phòng (m); 0,3 – 0,5 m

- Cường độ rửa lọc có thể xác định như sau:

qr = (l/s.m 2 )

Trong đó:

qo: lượng nước lọc qua 1m2 bể trong 1h (m3/m2.h)

: tổng số ngăn tập trung nước để rửa

- Cường độ rửa tính được phải nằm trong khoảng qr = 1 – 2 l/s.m2

- Dung tích nước cho một lần rửa một ngăn lọc:

Bể lọc chậm Nhà máy nước Quảng Tế I

2 Bể lọc nhanh phổ thông:

a. Cấu tạo và nguyên lí làm việc

Sơ đồ cấu tạo bể lọc nhanh trọng lực

- Nguyên lý hoạt động của bể lọc nhanh trọng lực: nước được lọc qua lớp cát thạch anh theo chiều từ trên xuống dưới bằng trọng lực dòng nước Vận tốc trung bình từ 5-7m/h Chu kỳ lọc thông thường kéo dài khoảng 24h Sau đó, để rửa trôi các chất bẩn đã được giữ lại trong khối vật liệu lọc, người ta sục khí và nước ngược từ dưới lên trên, cuốn trôi các chất cặn bẩn ra khỏi bể lọc

- Khi lọc: nước được dẫn từ bể lắng sang, qua máng phân phối vào bể lọc, qua lớp vật liệu lọc, lớp sỏi đỡ vào hệ thống thu nước trong và được đưa vào bể chứa nước sạch

- Khi rửa: nước rửa do bơm hoặc đài nước cung cấp, qua hệ thống phân phối nước rửa lọc, qua lớp sỏi đỡ, lớp vật liệu lọc vfa kéo theo cặn bẩn

tràn vào máng thu nước rửa, thu về máng tập trung rồi được xả ra ngoàitheo mương thoát nước quá trình rửa ngừng lại khi nước rửa hết đục.

- Hiệu quả làm việc của bể lọc phụ thuộc vào chu kì công tác của bể lọc, tức là phụ thuộc vào thời gian giữa 2 lần rửa bể Chu kì công tác của bểlọc dài hay ngắn phụ thuộc vào chất lượng nước lọc và trị số tổn thất áplực ở bể lọc

- Bể lọc nhanh phổ thông được sử dụng tỏng dây chuyền xử lý nước mặt

có dùng chất keo tụ hay trong dây chuyền khử sắt của nước ngầm

b Tính toán bể lọc nhanh trọng lực

- Bể lọc phải được tính toán theo hai chế độ làm việc, chế độ làm việc bình thường và tăng cường

- Trong các trạm xử lý có số bể lọc đến 20, cần dự tính ngừng 1 bể lọc đểsửa chữa khi trạm có số bể lọc lớn hơn 20 bể, cần dự tính ngừng 2 bể

để sửa chữa đồng thời

- Tốc độ lọc ở chế độ làm việc bình thường và chế độ làm việc tăng cường có thể lấy theo bảng 2 với việc đảm bảo thời gian một chu kì làmviệc của bể lọc từ 12-24 giờ ở chế độ làm việc bình thường và không nhỏ hơn 6 giờ ở chế độ làm việc tăng cường hoặc không

Bảng 2: Tốc độ lọc ở chế độ làm việc bình thường và tăng cường

Đường kính lớn nhất (mm)

Đường kính tương đương dtd (mm)

Hệ số không đông nhất K

Chiều dày của lớp vật liệu lọc (mm)

Tốc độ lọc ở chế

độ làm việc bình thường vbt (m/h)

Tốc độ lọc cho phép ở chế độ làm việc tăng cường vtc (m/h)

1,25

1,602,0

0,7-0,8

0,8-1,01-1,2

2-2,2

1,8-2,01,5-1,7

Cátthạchanh700-8001800-2000

5,5-6

7,0-88-10

6-7,5

8-1010-12

8-10 10-12

- Thời gian của một chu kì lọc ở chế độ làm việc tăng cường Ttc khi số

lượng bể lọc khi số lượng bể lọc trong trạm lớn hơn 20 bể phải xác định

từ điều kiện rửa liên tục các bể lọc theo công thức:

Trong đó:

N: tổng số bể lọc của trạm xử lýN1: số bể lọc ngừng làm việc để sửa chữaa: số bể lọc rửa đồng thời

t2:thời gian ngừng bể lọc để rửa: t2 = 0,35 giờ

Để đạt được chế đọ làm việc tối ưu của bể lọc , cần đảm bảo tỉ số tbv = (1,2-1,3)tgh

Trong đó:

tbv: thời gian tác dụng bảo vệ vật liệu lọc, trong thời gian này chất lượng nước lọc đã quy định được đảm bảo

tgh: thời gian đtạ được tổn thất áp lực cho phép

- Diện tích các bể lọc của trạm xử lý nước:

Trong đó:

Q:công suất trạm xử lý (m3/ngày đêm)T: thời gian làm việc của trạm trong một ngày đêm (giờ)vbt:tốc đọ lọc tính toán ở chế độ làm việc bình thường (m/h) lấy theo bảng 2

a: số làn rửa mỗi bể trong một ngày đêm ở chế độ làm việc bình thường

W: cường độ nước rửa lọc (l/sm2), theo bảng 2’

t1: thời gian rửa lọc (giờ), theo bảng 2’

t2: thời gian ngừng bể lọc để rửa (giờ), t2 = 0,35h

Bảng 2’: cường độ rửa và thời gian rửa lọc

Quy trình rửa lọc bằng

Cường độ rửa lọc (l/sm 2 )

Thời gian rửa (phút)

0,7-0,8

0,9-1,0

1,1-1,2

453020

NướcNướcNước

14-1616-1818-20

7-57-57-5

0,7-0,8

0,9-1,0

1,1-1,2

202015

GióNướcGióNướcGióNước

15-208-1115-209-1215-2010-13

6-57-56-57-56-57-50,7-0,8

0,9-1,0

GióNướcNước

15-2015-202-35-6

3-24-35-6

- Chiều cao bể lọc nhanh

hd: chiều cao lớp đỡ (m), lấy theo bảng 3hv: chiều cao lớp vật liệu lọc (m), theo bảng 2hn: chiều cao lớp nước trên lớp vật liệu lọc (m), hn 2mhp: chiều cao phụ kể đến việc dâng nước khi đóng bể để rửa,

hp 0,3m

Bảng 3: chiều cao lớp đỡ

Cỡ hạt lớp đỡ (mm) Chiều dày các lớp đỡ (mm)

40 – 20 Mặt trên lớp này cao bằng mặt trên

của ống phân phối nhưng phải caohơn lỗ phân phối ít nhất là 100mm

- Hệ thống phân phối nước rửa lọc

• Lưu lượng cần thiết để rửa lọc

Qr = (m 3 /s)

f: diện tích một bể lọc (m2)

W: cường độ nước rửa lọc (l/sm2)

• Cường độ gió rửa lọc

Qgió = (m 3 /s)

• Lưu lượng nước rửa thu vào 1 máng:

qm = (m 3 /h)

n: số máng thu nước rửa trên một bể lọc

• Áp lực công tác cần thiết của máy bơm

Hr = hhh + hô + hp + hđ + hvl + hbm + hcb (m)

hhh: độ cao hình học đưa nước tính từ cốt mực nước thấp nhất trong bể chứa đến mép máng thu nước rửa (m)

hô: tổn thất áp lực trên đường ống dẫn nước , từ trạm bơm nước rửa đến bể lọc (m)

hp: tổn thất áp lực trong hệ thống phân phối nước rửa lọc (m)hđ: tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ (m)

T: thời gian công tác của bể lọc trong một ngày (giờ)

N: số lần rửa bể lọc trong 1 ngày

t1,t2, t3:thời gian rửa, xả nước lọc đầu và thời gian chết của bể (giờ)

3 Bể lọc nhanh 2 lớp

a Cấu tạo

- Bể lọc nhanh 2 lớp gồm 2 lớp vật liệu lọc Lớp phía dưới là cát thạch anh,lớp phía trên là than ăngtraxit nghiền nhỏ có kích thước hạt lớn hơn cát thạch anh

b Nguyên lí làm việc:

- Khi lọc, nước được dẫn từ bể lắng sang, qua máng phân phối vào bể lọc, nước đi từ trên xuống dưới qua các lớp vật liệu lọc, lớp sỏi đỡ vào hệ thống thu nước trong và được đưa về bể chưa nước sạch

- Khi rửa, nước rửa do bơm hoặc đài nước cung cấp, qua hệ thống nước phân phối rửa lọc, qua lớp sỏi đỡ, lớp vật liệu lọc và kéo theo cặn bẩn tràn vào máng thu nước rửa, thu về máng tập trung, rồi được xả ra ngoài theo

mương thoát nước Quá trình rửa được tiến hành đến khi nước rửa hết đục thì ngừng rửa.

Sau khi rửa, nước được đưa vào bể đến mực nước thiết kế rồi cho bể làmviệc

c Tính toán

- Chiều cao lớp vật liệu lọc trong bể lọc hai lớp chọn 800-1000 mm trong đó chiều cao của lớp than antraxit từ 400 – 600 mm Tốc độ lọc của bể lọc hai lớp có thể lấy đến 10 m/h, tốc độ tăng cường 12 m/h

- Công thức biểu thị mối quan hệ giữa thời gian lọc hiệu quả và chiều dày lớp vật liệu lọc:

với: = ( mật độ bão hòa cặn; : trọng lượng riêng của cặn)

- Tổn thất áp lực giới hạn (hgh):

Với: hgh = igh.x (x: chiều dày lớp vật liệu lọc)

igh = ; A = =

- Thời gian lọc hiệu quả theo tổn thất giới hạn:

• Khi nước lọc qua lớp vật liệu lọc đồng nhất:

th =

với: =

• Khi nước lọc qua lớp vật liệu lọc không đồng nhất:

th = với: : Hệ số không đồng nhất của lớp vật liệu lọc

=

dtd: đường kính tương đương quy ướcd20: đường kính trung bình của hạt lọc đầu tiên theo hướng dòng nước và có chiều dày bằng 20% tổng chiều dày lớp lọc

Vì dòng nước đi từ trên xuống nên luôn có > 1

(bể lọc nhanh – Nhà máy nước B.O.O Thủ Đức –TP Hồ Chí Minh)

Khi rửa, nước rửa do bơm hoặc đài nước cung cấp, qua hệ thống nước phân phối rửa lọc, qua lớp sỏi đỡ, lớp vật liệu lọc và kéo theo cặn bẩn tràn vào máng thu nước rửa, thu về máng tập trung, rồi được xả ra ngoài theo mương thoát nước Quá trình rửa được tiến hành đến khi nước rửa hết đục thì ngừng rửa.

Sau khi rửa, nước được đưa vào bể đến mực nước thiết kế rồi cho bể làm việc

c Tính toán

Tốc độ lọc trong bể lọc phá không được lớn hơn 5m/h khi lọc nước có hàm lượng cặn dưới 100 mg/l và không lớn hơn 3m/h khi nước có hàm lượng cặn 100 – 200 mg/l

Cỡ hạt vật liệu lọc (cát và sỏi) lấy theo bảng sau:

Cỡ hạt vật liệu lọc (mm) Chiều cao mỗi lớp (mm)

Chiều cao lớp nước trên bề mặt lớp liệu lọc cần lấy bằng 1,5m

Sử dụng nước sạch để rửa bể, cường độ nước rửa lấy khoảng 12 – 14 l/s.m2, thời gian rửa là 6 – 7 phút

a Cấu tạo:

• Bể lọc áp lực dạng đứng

• Bể lọc áp lực dạng nằm ngang

b Nguyên lí làm việc:

- Các bộ phận và thiết bị của bể lọc áp lực về cơ bản cũng giống như

bể lọc nhanh Nguyên tắc làm việc của bể cũng tương tự như thế

- Nước được đưa vào bể qua một phễu bố trí ở đỉnh bể, qua lớp cátlọc,lớp đỡ vào hệ thống thu nước trong, đi vào đáy bể và được phátvào mạng lưới Khi rửa bể,nước từ đường ống áp lực chảy ngược từdưới lên trên qua lớp cát lọc và vào phễu thu, chảy theo ống thoátnước rửa xuống mương thoát nước dưới sàn nhà

- Ngoài ra bể lọc áp lực còn được trang bị ống xả khí nối với đỉnh bể,van xả khí đặt ở nóc bể để thoát khí đọng ở nóc bể Bố trí các áp lực

kế trên ống nước vào và ra khỏi bể để kiểm tra tổn thất áp lực quabể.Bể chế tạo có tai để dễ dàng cẩu, lắp và có nắp đậy với bulôngxiết chặt để có thể tháo mở khi thau rửa cát lọc và sửa chữa

c Tính toán:

Tính toán bể lọc áp lực cũng tương tự như bể lọc nhanh phổ

thông Các thông số tính toán của bể lọc áp lực có thể lấy theo bảng dưới đây:

Khi đã xác định được diện tích bể lọc, có thể sử dụng bảng dưới đây

để chọn kích thước bể và số bể cần thiết Tổn thất áp lực của bể lọc áp lực

ở cuối chu kì lọc có thể lên tới 6-7m

d Ưu, nhược điểm:

- Do tổn thất qua lớp lọc có thể lấy từ 3-10m, nên có thể tăng chiềudày lớp lọc lên để tăng vận tốc lọc.

- Lọc thô trước khi đi vào công đoạn lọc tinh trong lọc nước tinhkhiết

- Lọc thô trước khi làm mềm nước phục vụ cho cấp nước cho nồihơi…

B BỂ LỌC TIẾP XÚC

- Bể lọc tiếp xúc được sử dụng để làm sạch nước theo sơ đồ lọc 1 bậc trong dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt có dùng chất phản ứng đối với nguồn nước có hàm lượng cặn đến 150 mg/l, độ màu đến

150 độ (thường là nước hồ) với công suất bất kì hoặc khử sắt trong nước ngầm cho trạm xử lí có công suất đến 10.000m3/ngày đêm

- Khi dùng bể lọc tiếp xúc , dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt sẽkhông cần đến bể phản ứng và bể lắng, hỗn hợp nước phèn sau khiqua bể trộn vào thẳng bể lọc tiếp xúc

a Cấu tạo:

b Nguyên lí làm việc :

- Trong bể lọc tiếp xúc, quá trình lọc xảy ra theo chiều từ dưới lêntrên Nước đã pha phèn theo ống dẫn nước vào bể qua hệ thốngphân phối nước lọc, qua lớp cát lọc rồi tràn vào máng thu nước vàtheo đường ống dẫn nước sạch sang bể chứa

- Chất bẩn giữ lại trong khe rỗng và bám trên bề mặt hạt vật liệu lọc Sau 1 thời gian làm việc, lớp vật liệu lọc bẩn, trở lực tăng lên, đến 1 lúc nào đó lớp vật liệu lọc hết khả năng làm việc, khi đó phải tiến hành rửa vật liệu lọc

- Khi rửa bể lọc tiếp xúc, nước rửa theo đường ống dẫn nước rửa (nếurửa nước thuần tuý) và gió theo đường ống dẫn gió (nếu rửa bằng gió nước kết hợp) vào hệ thống phân phối thổi tung lớp cát lọc, mang cặn bẩn tràn vào máng thu nước rửa và chảy vào mương thoát nước

- Như vậy, khi lọc và khi rửa nước đều đi ngược chiều từ dưới lên trên

- Máng thu nước lọc đồng thời cũng là máng thu nước rửa lọc Vì nước lọc lấy ra ở phía trên, nên mặt bể phải đậy kín bằng nắp đậy đểtránh nhiễm bẩn, nhiễm trùng nước trở lại Trên nóc bể phải bố trí cửa có nắp đậy để lên xuống thau rửa hoặc sửa chữa và phải có ống thông hơi cho bể

- Vật liệu lọc phải là cát thạch anh hoặc sỏi hoặc các loại vật liệu khácđáp ứng được yêu cầu sử dụng và không bị lơ lửng trong quá trình lọc nước

- Thời gian 1 chu kỳ lọc ứng với tốc độ lọc tính toán không nhỏ hơn 8giờ

- Khi sửa chữa 1 bể lọc, những bể còn lại làm việc ở chế độ tăng cường với tốc độ lọc không quá 6m/h, thời gian 1 chu kỳ làm việc không nhỏ hơn 6 giờ

- Hệ thống phân phối nước rửa lọc dùng hệ thống phân phối trở lực lớn có hoặc không có lớp sỏi đỡ Nước rửa bể lọc tiếp xúc có thể dùng nước sạch hoặc chưa sạch Rửa nước chưa sạch phải đảm bảo

độ đục không quá 10mg/l; chỉ số coliform không quá 1000CFU/lít