2.5 Lọc và các loại bể lọc
2.5.1 Lý thuyết quá trình lọc nước
- Khi lọc nước qua vật liệu lọc , cặn bẩn bị lớp vật liệu lọc giữ lại, còn nước được làm trong, cặn tích luỹ dần trong các lỗ rỗng làm tăng tổn thất thuỷ 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. Nên cả 2 quá trình cần phải tính đến khi tính toán, thiết kế và quản lý bể lọc. Hiệu quả lọc nước của mỗi lớp lọc nguyên tố là kết quả của hai quá trình ngược nhau.
1. Cặn bẩn tách ra khỏi nước và gắn lên bề mặt của hạt.
2. Tách cặn bẩn ra khỏi lớp hạt vật liệu lọc vào nước dưới tác dụng của lớp thủy động.
- Quá trình lọc xảy ra cho đến khi mà cường độ dính kết các hạt cặn bẩn vào bề mặt hạt lớn hơn cường độ tách chúng. Do quá trình tích luỹ ngày càng nhiều cặn bẩn trong các lỗ rỗng của cát lọc, cường độ tách cặn do lực thuỷ động gây ra ngày càng tăng.
- Các hạt cặn không có khả năng dính kết lên bề mặt lớp vật liệu lọc, sau thời gian lọc, số lượng cặn tích luỹ trong lớp vật liệu lọc tăng lên, số lượng cặn đã bám vào bề mặt các hạt cát lọc bị dòng nước đẩy xuống dưới cũng ngày càng tăng và vai trò các lớp vật liệu nằm gần sát bề mặt trong quá trình lọc giảm dần.
- Thời gian làm việc mà lớp vật liệu lọc có chiều dày L đảm bảo lọc nước đến độ trong quy định gọi là thời gian bảo vệ của lớp vật liệu lọc.
Vật liệu lọc có thể là các hạt như sỏi, cát, than antraxit hoặc lưới cứng, màng lọc hoặc gạch xốp,...
+ Yêu cầu chung đối với vật liệu lọc:
- Có tính chất hóa học ổn định - Độ bền cơ tốt và không bị vỡ vụn - Cỡ hạt thích hợp, giá thành rẻ,…
+ Để xác định vật liệu lọc phải dựa vào một số chỉ tiêu:
- Độ bền cơ học: là chỉ tiêu chất lượng quan trọng vì nếu vật liệu lọc có độ bền cơ học không đạt yêu cầu khi rửa lọc, các hạt nằm trong tình trạng hỗn loạn, va chạm vào nhau sẽ bị bào mòn và vỡ vụn, làm rút ngắn thời gian của chu kỳ lọc và chất lượng nước lọc xấu đi.
- Độ bền hóa học: là chỉ tiêu quan trọng, đảm bảo cho nước lọc không bị nhiễm bẩn bởi các chất có hại cho sức khoẻ con người hoặc có hại cho quy trình công nghệ của sản phẩm nào đó khi dùng nước.
- Quá trình lọc được đặc trưng bởi:
+ Tốc độ lọc: là lượng nước qua một đơn vị diện tích bề mặt của bể lọc trong 1 đơn vị thời gian.
Ta có vận tốc lọc được tính bằng công thức [4]
W = dV
F.dt (m3/m2.s) (2.30) Trong đó w là vận tốc lọc
V là thể tích nước lọc (m3) T là thời gian lọc (s)
F là diện tích bề mặt lọc (m2)
Để xác định vận tốc lọc ta coi nước lọc đi qua các ống mao quản và bã có chế độ chảy dòng. Khi đo lượng nước lọc đi qua vật ngăn được tính theo công thức [4]
V= n.F.t.Δp.π.r4
8μ.l (m3) (2.31) Trong đó
n: số lỗ mao quản trên 1m2 (1/m2) r ∶ đường kính mao quản trong bã (m) R : đường kính mao quản (m)
Δp: hiệu số áp lực 2 đầu ống mao quản (N/m) L: chiều dài ống mao quản (m)
μ: độ nhớt của nước (N.s/m2) do đó W = dV
F.dt = n.Δp.π.r4
8μ.l ( 𝑚3
𝑚2.𝑠) (2.32)
hoặc W = dV
F .dt = Δp
(h2+htd)μ.ρ2 (𝑚
3
𝑚2.𝑠) (2.33) trong đó htd: chiều dày lớp bã có trở lực tương đương vách ngăn
h2 chiều dài ống mao quản của bã
ρ2 = 8.α2
πr24.n2 trong đó α2: hệ số kể đến ngoằn ngoèo của ống mao quản trong bã.
+ Chu kì lọc: Khoảng thời gian giữa hai lần rửa bể lọc.
Sau một thời gian làm việc đến thời điểm tổn thất áp lực trong lớp vật liệu lọc đạt đến trị số giới hạn hay chất lượng nước lọc xấu đi nên ta cần thực hiện quá trình rửa lọc.
Công thức tính thời gian lọc t = b.(V2+2V0V) (2.34) Và lượng nước lọc sau thời gian V= (V2 + t/b )0,5 - V0 (2.35) Trong đó V lượng nước lọc trong thời gian t đi qua diện tích lọc F (m2).
V0 : Thể tích nước trong đi qua vật ngăn để tạo ra trở lực tương đương với vách ngăn
b =μ.C.rb
2Δp.F2 (ph/m6) (2.36) Trong đó C là lượng bã khô giữ lại trên một đơn vị thể tích nước lọc chảy qua (kg/m3) Với quá trình lọc có vận tốc lọc không đổi
T = 2bV(V2+V0v.V) (2.37) V = [(0,5 V0v) +t/2bV]0,5-0,5 .V0v (2.38) d đường kính hạt rắn (m)
p khối lượng riêng của nước (kg/m3) l chiều dày bã lọc (m)
h độ giảm ma sát qua lớp lọc V vận tốc lọc qua lớp lọc
+ Tính toán cho quá trình rửa lọc
Công thức cho quá trình lọc được tính như sau [23, 30]
∂c
∂t=-u∂c
∂y – λ. u.c (2.39) và công thức cân bằng chất trong quá trình lọc
∂σ
∂t=-v∂c
∂y (2.40) trong đó
- c: hàm lượng rắn (g/m3) - y: chiều dày lớp lọc (m) - v: vận tốc lọc (m/s) - p: độ xốp (%) - u =v/p. (m/s) - λ: hệ số lọc (m-1)
- σ: khối lượng rắn (g/m3) trong trạng thái tĩnh ta có ∂c
∂t = 0 do đó ∂c
∂y = -λ.c ta thấy λ phụ thuộc vào nhiều tác nhân như vận tốc lọc, độ nhớt của nước, kích thước vật liệu lọc, chất lượng nước lọc và lớp bã lọc. theo Lerk ta có λ0 = k1
V.υd3 theo Maroudas ta có λ= λ0 (1- σ.k2
pd.p0) trong đó d: kích thước vật liệu lọc (m)
- p0: độ xốp ban đầu (%) - v: độ nhớt động học (Ns/m2) - k1 =9.10-18
trong đó α=v.c0.λ0
n.ρd.ρ0
với v : là vận tốc lọc (m/s)
- c0 : là hàm lượng rắn ban đầu (g/m3) - ρ0: độ xốp ban đầu (%)
- ρd: khối lượng riêng của hạt (kg/m3)
n: hệ số kín ống lọc (0<n<1) ta có ce=c0
eα−t eλο−t+eα−t−1
gọi σv là thể tích cặn trong các lỗ mao quản (m3/m3) và σv=n.p0. eα−t
eλο−y+eα−t−1
Hình 27: Biểu đồ Linquist thể hiện quá trình tăng trở lực của lớp lọc [30]
Công thức tính trở lực trong quá trình thổi ngược theo Kozeny Carman ta có công thức tính độ chênh áp của bể lọc là (Áp dụng cho một lớp lọc).
l0= 𝐻𝑜
𝐿 = 180.(1−r)
2.𝜇.V
e3.d2.p.g (2.42) H0 :là trở lực của bể lọc ban đầu .
l0 : Gradient trở lực ban đầu
Và công thức tính độ chênh áp của bể lọc nhiều lớp bằng công thức thực nghiệm H=130.Le. v1,2.ν0,8.(1−pe)1,8
g.d1,8.pe3 (2.43) t=4
0h t=0
h t=2
0h
1,2 m 1m
H0 0 h H
0 h
Hình 28 : Trở lực rửa lọc phụ thuộc vào đường kính vật liệu lọc
Qua biểu đồ trên ta thấy trở lực lớn nhất khi thổi ngược phụ thuộc và chiều dày vật liệu lọc mà không phụ thuộc vào đường kính vật liệu lọc.
Vận tốc rửa lọc được tính theo công thức thực nghiệm:
v1,2= d
1,8.g.pe3.(pf−pw)
130.ν0,8.pw.(1−pe)0,8 (2.44)
Trong đó pe= p0.L0+(Le−L0)
1+Le−L0 (2.45) L0: chiều cao ban đầu lớp lọc (m)
Le: chiều cao khi lớp lọc tăng lên (m) pf :khối lượng riêng hạt lọc (kg/m3) pw: khối lượng riêng của nước (kg/m3)
+ Tách cặn bám ra khỏi bề mặt hạt vật liệu lọc bằng dòng nước với cường độ lớn đi qua bề mặt hạt lọc.
Vận tốc thổi ngược (m/h) [30]
Độ chênh áp( (m)
d =0,4 mm d =0,8 mm
p0 =0,4 L0 =1,2 m d =1,2
mm d =1,6 mm
rf =2650 kg/m3
+ Làm giản nở lớp lọc để tăng thể tích các khe rỗng
+ Tạo điều kiện thuận lợi cho các hạt cặn đã tách ra khỏi bề mặt hạt vật liệu lọc và chuyển động đi lên cùng nước dẫn ra ngoài.
Tổn thất áp lực ban đầu trong lớp vật liệu lọc phụ thuộc vào tốc độ lọc, độ nhớt của nước, kích thước và hình dạng của lỗ rỗng trong lớp vật liệu lọc, chiều dày lớp vật liệu lọc. Trong quá trình lọc số lượng cặn bẩn trong nước do vật liệu lọc giữ lại ngày càng tăng, cho nên tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc cũng không ngừng tăng lên, khi đến 1 trị số giới hạn lớp vật liệu lọc bị nhiễm bẩn hoàn toàn.