Khi lọc nước qua lớp vật liệu lọc, cặn bẩn bị lớp vật liệu lọc giữ lại còn nước được làm trong, cặn tích lũy dần trong các lỗ rỗng làm tăng tổn thất thủy lực của lớp lọc.
Lọc trong nước là quá trình làm việc cơ bản của bể lọc, còn tăng tổn thất áp lực của lớp vật liệu lọc là quá trình đi kèm với quá trình lọc.
Sự tách cặn bẩn ra khỏi nước và dính kết chúng lên bề mặt của lớp lọc xảy ra do tác dụng của lực dính kết. Cặn bẩn lắng đọng trong lớp vật liệu lọc có cấu trúc không bền vững, dưới tác dụng của lực thủy động khi nước chuyển động qua lỗ rỗng của lớp vật liệu, cấu trúc của cặn bị phá vỡ và một phần cặn đã được dính kết vào bề mặt hạt lớp lọc bị tách ra theo nước xuống các lớp ở phía dưới, ở đấy do lực dính kết lớn hơn lực thủy động những cặn bẩn này lại được dính kết vào bề mặt của hạt mới.
Hiệu quả lọc nước ở mỗi lớp lọc nguyên tố là kết quả của hai quá trình ngược nhau: quá trình cặn bẩn tách ra khỏi nước và gắn lên bề mặt của hạt dưới tác dụng của lực dính kết và quá trình tách cát hạt cặn bẩn đã bám lên bề mặt của hạt để chuyển chúng ngược lại vào nước dưới tác dụng của lực thủy động. Quá trình lọc nước ở mỗi lớp lọc nguyên tố xảy ra cho đến khi mà cường độ dính kết các hạt bẩn vào bề mặt hạt cát còn lớn hơn cường độ tách chúng. Do quá trình tích lũy ngày càng nhiều cặn bẩn trong các lỗ rỗng của cát lọc, cường độ tách cặn do lực thủy động gây ra ngày càng tăng. Hiện tượng dính kết và tách cặn quyết định sự tiến triển của quá trình lọc nước, theo chiều dày lớp vật liệu lọc và theo thời gian lọc.
Hình 11: Diễn biến của quá trình theo chiều dày lớp vật liệu lọc
Trên (hình 11) giới thiệu sự tiến triển của quá trình lọc nước. Trên biểu đồ vẽ các đường cong thay đổi nồng độ cặn trong nước theo chiều dày của lớp vật liệu lọc. Mỗi đường cong ứng với một thời điểm nhất định của quá trình lọc t1 < t2 < t3 < t4. Đường cong (1) đặc trưng cho thời kỳ đầu của quá trình ngay sau khi một lượng nước lọc đầu tiên đi qua bể lọc.
Tại thời điểm t1 số lượng cặn tích lũy trong lớp vật liệu lọc bé đến mức hiện tượng tách cặn không có ảnh hưởng đến sự tiến triển của quá trình, nên đường cong (1) chỉ rõ sự thay đổi nồng độ cặn trong nước theo chiều dày của lớp vật liệu lọc dưới tác dụng của lực dính kết.
Ở đầu quá trình lọc, nước được lọc trong sau khi qua lớp vật liệu có chiều dày xo (hình 11 ). Trong các lớp còn lại có chiều dày L - xo nồng độ cặn trong nước thay đổi không đáng kể hoặc không thay đổi. Điều đó chứng tỏ trong nước còn một lượng cặn nhỏ có đặc tính lý hóa hoàn toàn khác, không có khà năng dính kết lên bề mặt hạt của lớp vật liệu lọc. Độ trong của nước sau bể lọc hoàn toàn phụ thuộc vào hàm lượng cặn có tính chất như vậy. Thời gian lọc tăng lên,
số lượng cặn tích lũy trong lớp vật liệu lọc tăng lên, số lượng cặn đã bám vào bề mặt các hạt cát lọc bị dòng nước đẩy xuống lớp dưới cũng ngày càng tăng và vai trò của lớp vật liệu nằm gần sát bề mặt trong quá trình lọc nước giảm dần (đường cong (2), (3), (4)- hình 11). Sau một thời gian làm việc các lớp này bị bão hòa bởi cặn bẩn bám vào và chúng mất hoàn toàn khả năng lọc nước. Chiều dày của lớp vật liệu tại thời điểm t4 nằm trong tình trạng bão hòa là đoạn x trên đường cong (4).
Theo thời gian vai trò của lớp lọc nằm phía trên giảm dần, còn vai trò của các lớp nằm phía dưới thì tăng dần và chiều dày của lớp lọc cần thiết xt để lọc trong nước cũng tăng dần lên. Cuối cùng đến một thời điểm khi mà toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu lọc có trong bể lọc không đủ để lọc nước đến độ trong đã quy định, nồng độ cặn trong nước bắt đầu tăng lên rất nhanh ( đường cong (4) trên hình 11)
Thời gian làm việc mà lớp vật liệu lọc có chiều dày L đảm bảo lọc nước đến độ trong qui định gọi là thời gian bảo vệ của lớp vật liệu lọc. Chừng nào bể lọc làm việc chưa hết thời gian bảo vệ thì nước lọc còn đảm bảo chất lượng. Sau thời gian bảo vệ, chất lượng nước xấu đi rõ ràng.
Đối với thời gian làm việc của bể, kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, các chỉ tiêu kinh tế của bể lọc phụ thuộc vào các thông số công nghệ và cấu tạo của nó:
Qua thực tế người ta còn thấy rằng:
Chọn vật liệu lọc có kích thước nhỏ hay lớn không ảnh hưởng đến giá thành xây dựng bể.
Tăng chiều cao lớp nước bảo vệ trên vật liệu lọc hay tăng giảm chiều dày của lớp vật liệu lọc, giá thành xây dựng cũng ít thay đổi.
Nếu giảm vận tốc lọc sẽ ảnh hưởng nhiều tới giá thành xây dựng. Để có thể sử dụng vận tốc lọc lớn, người ta phải chọn vật liệu lọc có kích thước lớn, tức
bể lọc có chiều dày lớp vật liệu lớn, như vậy chiều sâu nhập vào của tạp chất vào lớp vật liệu lọc cũng lớn hơn. Khi vận tốc tăng có nghĩa là tăng vận tốc cọ sát giữa các hạt lơ lửng trong nước với bề mặt vật liệu lọc nên trở lực cũng tăng lên, nhưng yếu điểm là tăng khả năng thấm sâu của hạt xuống mao quản vật liệu lọc. Tuy nhiên, chất lượng nước lọc theo thời gian vẫn có thể không đảm bảo, do đó thời gian làm việc của bể lọc phải đảm bảo đạt các yêu cầu sau: chất lượng nước lọc đảm bảo yêu cầu và thời gian trong đó tổn thất áp lực nhỏ hơn giá trị tối đa cho phép.
Vậy thời gian làm việc tối ưu của bể lọc cũng phụ thuộc vào tính chất lý hóa sinh của nước thô cần xử lý, vận tốc lọc và đặc điểm của lớp vật liệu lọc (chiều dày kích thước và sự phân bố hạt vật liệu lọc). Cũng cần lưu ý rằng, chất lượng nước nước thô thay đổi theo vị trí và theo mùa.
Trong thực tế, thời gian lọc để đảm bảo chất lượng nước lọc thường lớn hơn thời gian đảm bảo tổn thất áp lực nhỏ hơn và giá trị tối đa đối với mọi điều kiện vận hành bể lọc. Để đảm bảo có giải pháp kinh tế thì sự khác nhau của hai thời gian đó không được nhiều quá, thường từ 1 đến 1,5 ngày.