Lắng và lọc trong xử lý nước cấp

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ KHOA MÔI TRƯỜNG ---------- Đề tài: Lắng và lọc trong xử lý nước cấp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Thành Nguyễn Văn Nghĩa Huế, 10/2011 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 2 MỞ ĐẦU Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường sống, góp phần vào sự thành công trong các chiến lược, quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh quốc gia. Hiện nay, nguồn tài nguyên thiên nhiên quý hiếm và quan trọng này đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và cạn kiệt. Nguy cơ thiếu nước, đặc biệt là nước ngọt và nước sạch là một hiểm họa lớn đối với sự tồn vong của con người cũng như toàn bộ sự sống trên trái đất. Do đó, con người cần phải có các biện pháp bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước. Phải giữ cho nguồn nước sạch, thậm chí hứng từng giọt nước; tái chế nước bẩn thành nước sạch . Vai trò của nước đối với sản xuất và đời sống là vô cùng quan trọng nhưng hiện nay vấn đề đặt ra với chúng ta là phải bảo vệ nguồn nước nhất là nước ngọt một cách triệt để nhất vì cuộc sống của chúng ta và tương lai .Chính vì vậy để đáp ứng nhu cầu sử dụng nước cho người dân thì việc xử lí nước cấp là hết sức quan trọng để đảm bảo chất lượng của bộ Y Tế Việt Nam quy định. Hiện nay đã có nhiều phương pháp xử lí nước, bên cạnh một số phương pháp hiện đại như tuyển nổi, phương pháp màng…thì phương pháp truyền thống lắng, lọc vẫn được áp dụng rộng rãi cho các nhà máy xử lí nước và đạt hiệu quả cao. I. Lắng và các loại bể lắng 1. Khái niệm chung Lắng là quá trình làm sạch cơ bản trong công nghệ xử lý nước. Nước cần xử lý được đưa vào bể và giữ lại đó trong suốt quá trình làm việc. Nhờ diện tích tiết diện bể lớn, tốc độ dòng chảy nhỏ mà quá trình xảy ra trong bể gần như ở trạng thái tĩnh. Dưới tác dụng của lực trọng trường, các hạt cặn có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng của nước bao quanh nó sẽ tự lắng xuống. Bằng biện pháp nhân tạo, người ta có thể làm tăng kích thước hạt nhờ quá trình tạo bông keo, như vậy sẽ làm tăng tốc độ lắng của hạt, khi chúng có khả năng tiếp xúc với Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 3 nhau, để lại tạo ra các hạt có kích thước lớn hơn. Khi xét đến khả năng liên kết giữa các hạt trong nước, người ta phân chia quá trình lắng tự do theo hai loại: lắng tự do của hạt không liên kết và lắng tự do khi các hạt có khả năng liên kết với nhau. Lắng tự do của các hạt riêng lẻ (không liên kết) xảy ra khi khả năng liên kết tự nhiên của các hạt không đáng kể, ví dụ trường hợp các hạt cát. Trong quá trình này các hạt cặn luôn duy trì tính đồng nhất, không thay đổi kích thước, không thay đổi khối lượng riêng và như vậy tốc độ lắng của chúng được xem như không đổi. Ngược lại, trong quá trình lắng kèm theo quá trình tạo bông keo thì các hạt tương tác với nhau, tạo ra bông keo và do vậy kích thước và trọng lượng có thể thay đổi, vận tốc lắng cũng do vậy mà thay đổi. 2. Lý thuyết lắng các hạt riêng lẻ Lắng các hạt riêng lẻ xảy ra khi trong suốt quá trình lắng các hạt không thay đổi kích thước, hình dạng và trọng lượng của chúng. Trong chất lỏng các hạt như vậy sẽ chuyển động rơi thẳng đứng khi khối lượng riêng của nó lớn hơn khối lượng riêng của chất lỏng bao xung quanh nó. Chuyển động của các hạt sẽ tăng tốc dần cho đến khi lực ma sát của chất lỏng bằng với lực rơi. Sau đó vận tốc thẳng đứng của hạt so với chất lỏng lơ lửng sẽ không đổi. - Vận tốc lắng của hạt tuân theo phương trình Newton: Hoặc trong trường hợp riêng, theo phương trình Stokes: v: Vận tốc lắng (m/s) , : Khối lượng riêng của hạt và nước (kg/m3) g: Gia tốc trọng trường (9,81 m/s2) d: Đường kính của hạt (m) CD: Hệ số ma sát : Độ nhớt tuyệt đối Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 4 Hình vẽ: Đồ thị xác định vận tốc lắng theo đường kính và khối lượng riêng của hạt lắng ở 10oC Vận tốc lắng của hạt hình cầu trong nước tĩnh ở các nhiệt độ khác nhau Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 5 3. Lý thuyết lắng các hạt keo tụ Lắng có keo tụ tạo bông xảy ra khi nước là một huyền phù chứa nhiều hạt với kích thước khác nhau và có vận tốc lắng khác nhau. Khi hàm lượng hạt lớn, trong quá trình lắng chúng sẽ va chạm vào nhau, hấp phụ và kết dính với nhau tạo thành hạt có kích thước lớn hơn và có vận tốc lớn hơn. Kết quả là phần ở trên bể lắng, vận tốc lắng nhỏ hơn, càng xuống dưới đáy vận tốc càng cao vì kích thước hạt tăng lên. Hình vẽ: Mô tả quá trình lắng có bông cặn theo thời gian và chiều sâu của bể Do các bông cặn lớn dần lên nên lực ma sát do nước chuyển động ngược chiều với hạt cũng tăng lên, tỷ lệ nghịch với kích thước của bông cặn. Ngoài ra, khi bông cặn lớn lên thì lực kéo trên một đơn vị diện tích tiết diện bông cặn cũng lớn lên và tỷ lệ thuận với kích thước của bông cặn. Khi bông cặn lớn đến một kích thước nhất định, lực kéo đủ lớn để phá vỡ bông cặn làm cho kích thước bông cặn không thể tăng được nữa. Từ thời điểm đó vận tốc lắng sẽ không thay đổi và hiệu quả lắng không tăng, dù thời gian lắng có thể kéo dài hơn. Khi thiết kế bể lắng có lưu lượng Q (m3/s), thời gian lắng To và vận tốc lắng so thì kích thước bể tính như sau: V = Q*To ; A = Q/so ; H= so*To Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 6 Trong đó: V- Thể tích bể A- Tiết diện bể H- Chiều cao bể 4. Các loại bể lắng Có rất nhiều loại bể lắng khác nhau: theo hình dạng chúng có thể có hình dạng chữ nhật, hình vuông hoặc tròn; theo cách đưa nước vào chúng có thể là loại liên tục hoặc gián đoạn; theo hướng dòng chảy, có thể có loại nằm ngang hoặc thẳng đứng. 4.1 Bể lắng ngang  Điều kiện để hạt giữ lại trong bể lắng: vs >= vo vo = H/L*Q/H*B = Q/L*B vh: Chuyển động theo dòng chảy vs: Lắng do trọng lực vo: Vận tốc lắng tới hạn.  Cấu tạo bể lắng ngang Bể lắng ngang có dạng hình chữ nhật, có thể làm bằng gạch hoặc bê tông cốt thép. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 7 (1) Ống dẫn nước từ bể phản ứng sang (2) Máng phân phối nước (3) Vách phân phối đầu bể (4) Vùng lắng (5) Vùng chứa cặn (6) Vách ngăn thu nước cuối bể (7) Máng thu nước (8) Ống dẫn nước sang bể lọc (9) Ống xã cặn  Căn cứ vào biện pháp thu nước lắng người ta chia bể lắng ngang làm hai loại: - Bể lắng thu nước cuối bể: Thường kết hợp với bể phản ứng có vách ngăn hoặc bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng. - Bể lắng ngang thu nước bề mặt: Thường kết hợp với bể phản ứng có lớp cặn lở lửng. Bể lắng ngang thường chia làm nhiều ngăn, chiều rộng mỗi ngăn từ 3-6m. Chiều dài không quy định. Khi bể có chiều dài quá lớn có thể cho nước chảy xoay chiều. Để giảm bớt diện tích bề mặt xây dựng có thể xây dựng bể lắng nhiều tầng. Để đảm bảo việc phân phối đều trên toàn bộ diện tích bể lắng, cần đặt vách ngăn có đục lỗ ở đầu bể. Phía dưới ở trên mặt của vùng chứa nén cặn không cần phải khoan lỗ. Các lỗ của ngăn phân phối nước có thể tròn hoặc vuông, đường kính hay kích thước cạnh 50*150mm, vận tốc nước qua lỗ 0,2-0,3 m/s. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 8  Xả cặn: Cặn ở bể lắng ngang thường tập trung ở nửa đầu bể, vì lượng cặn lớn nên việc xả cặn là rất quan trọng. Nếu việc xả cặn không kịp thời sẽ làm giảm chiều lắng của bể. Mặt khác cặn có chứa chất hữu cơ, khi lên men tạo nên bọt khí làm phá vỡ và vẫn đục nước đã lắng. - Xã cặn bằng cơ giới: - Xã cặn bằng thủy lực: Ưu điểm: Gọn, có thể làm hố thu cặn ở đầu bể và cũng có thể làm nhiều hố thu cặn dọc theo chiều dài của bể. Hiệu quả xử lý cao. Nhược điểm: Giá thành cao, có nhiều hố thu cặn tạo nên những vùng xoáy làm giảm khả năng lắng của các hạt cặn, chiếm nhiều diện tích xây dựng. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 9 4.2 Bể lắng đứng  Điều kiện để hạt giữ lại trong bể lắng Trong bể lắng đứng nước chuyển động tự do theo phương chuyển động từ dưới lên ngược chiều với hướng rơi của hạt. Ở điều kiện dòng chảy lý tưởng, nếu gọi tốc độ dòng nước là vu thì các hạt có tốc độ lắng vs>vu mới lắng xuống được.  Cấu tạo bể lắng đứng Bể lắng đứng thường có mặt hình vuông hoặc hình tròn, được sử dụng cho trạm có công suất nhỏ. Bể lắng đứng thường kết hợp với bể phản ứng xoay hình trụ. Bể lắng đứng có thể xây bằng gạch hoặc bê tông cốt thép. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 10  Nguyên tắc làm việc Nước chảy vào ống trung tâm giữa bể, đi xuống dưới vào bể lắng. Nước chuyển động theo chiều từ dưới lên trên, cặn rơi từ trên xuống đáy bể. Nước đã lắng trong được thu vào máng vòng bố trí xung quanh thành bể và đưa sang bể lọc. Cặn tích lũy ở vùng chứa cặn được thải ra ngoài theo chu kỳ bằng ống và van xả cặn. Ưu điểm: Thiết kế nhỏ gọn, diện tích đất xây dựng không nhiều, thuận tiện trong việc xả bùn hoặc tuần hoàn bùn. Nhược điểm: Hiệu quả xử lý không cao bằng bể lắng ngang, chi phí xây dựng tốn kém, hiệu suất xử lý không cao. 4.3 Bể lắng lamellar  Cấu tạo bể lắng lamellar Có cấu tạo giống bể lắng ngang thông thường, nhưng khác với bể lắng ngang là trong vùng lắng của bể lắng lamellar được đặt thêm các bản vách ngăn bằng thép không rỉ hoặc bằng nhựa. Các bản vách ngăn này nghiêng một góc 45-60o so với mặt phẳng nằm ngang và song song với nhau. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 11  Tác dụng và cơ chế của quá trình lắng Nước từ bể phản ứng vào bể lắng sẽ chuyển động giữa các bản vách ngăn nghiêng theo hướng từ dưới lên và cặn lắng xuống đến bề mặt bản vách ngăn nghiêng sẽ trượt xuống theo chiều ngược lại và tập hợp về hố thu cặn, từ đó theo chu kỳ xả đi. Ưu điểm: Do cấu tạo thêm các bản vách ngăn nghiêng nên bể lắng loại này hiệu quả xử lý cao hơn bể lắng ngang. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 12 Nhược điểm: Chi phí lắp ráp cao, phức tạp. Việc vệ sinh bể định kỳ khó khăn. Theo thời gian thì các tấm lamellar sẽ cũ, xiêu vẹo. 4.4 Bể lắng tiếp xúc ( bể lắng tạo bông)  Nguyên tắc hoạt động Nước sau khi trộn với phèn hoặc hóa chất khác, tiếp xúc với cặn đã lắng của bể lắng sẽ đẩy nhanh quá trình tạo ra bông cặn của các chất bẩn có trong nước. Trong thực tế có hai loại kết cấu của bể lắng tiếp xúc. - Loại thứ nhất: Kiểu bể có quá trình tạo bông và lắng xảy ra đồng thời. Khi nước chuyển động từ dưới lên trên đi qua lớp cặn với tốc độ đủ lớn để giữ cặn trong tình trạng lơ lửng, nhưng bé hơn tốc độ lắng tự do của từng bông cặn trong môi trường tĩnh, để những bông cặn này không cuốn ra khỏi bể. - Loại thứ hai: Kiểu bể có quá trình phản ứng tạo bông cặn và lắng tách rời, ngăn phản ứng đặt ở tâm bể lắng. Nước và hóa chất được trộn lẫn trong bể phản ứng, tại đây hỗn hợp các hạt cặn và nước được đưa sang bể lắng theo hướng dưới lên các hạt cặn tiếp xúc với nhau và tạo các bông cặn và lắng xuống.  Cấu tạo bể lắng: - Loại thứ nhất: Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 13 - Loại thứ hai: Ưu điểm: - Hiệu quả xử lý cao, ít tốn diện tích xây dựng - Đối với loại thứ nhất không cân bể phản ứng, bởi vì quá trình phản ứng và tạo bông xảy ra trong điều kiện tiếp xúc ngay trong lớp cặn lơ lửng của bể lắng Nhược điểm: - Kết cấu phức tạp, chi phí xây dựng cho loại thứ hai tốn kém - Chế độ quản lý chặt chẽ, đòi hỏi công trình làm việc liên tục suốt ngày đêm. - Nhạy cảm với sự giao động lưu lượng và nhiệt độ của nước. 4.5 Bể lắng li tâm (Radian) Trong các bể lắng đứng và lắng ngang ạt cặn lắng xuống đấy bể dưới tác dụng của lực trọng trường có gia tốc bằng 9,81 m/s2. Khi quay một khối lượng nước có chứa các hạt cặn bẩn, các hạt bị văng ra xa tâm quay dưới tác dụng của lực ly tâm có gia tốc a bằng: a = v2/R (m/s2) Trong đó: v- Vận tốc quay vòng của nước khi quay (m/s) R- Bán kính quay của hạt cặn (m) Khi vận tốc quay v lớn và bán kính quay R bé lực ly tâm tác dụng lên hạt cặn nằm trong khối nước chuyển động quay sẽ lớn hơn rất nhiều so với lực trọng trường và tốc độ chuyển động của hạt theo hướng từ tâm quay ra ngoài sẽ lớn hơn rất nhiều so với vận tốc lắng tự do của các hạt cặn trong khối nước tĩnh. Do đó có thể tách các cặn bẩn Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 14 ra khỏi nước trong các thiết bị ly tâm hay xiclon thủy lực sau một khoảng thời gian bé hơn nhiều so với các bể lắng khác  Cấu tạo bể ly tâm Bể lắng ly tâm có dạng hình tròn, đường kính từ 5m trở lên, thường dùng để sơ lắng nguồn nước có hàm lượng cặn cao, Co>2000mg/l.  Nguyên lý làm việc Nguồn nước đi vào xiclon ở phần trên theo phương tiếp tuyến với tiết diện ngang và quay xung quanh trục của xiclon rồi đi vào ống thu đặt trên đỉnh đồng trục với xiclon. Cặn bị văng ra thành xiclon trượt xuống dưới đi vào côn thu rồi từ đó được tháo liên tục ra ngoài qua ống đặt ở đáy côn. 5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng  Lưu lượng nước thô  Nồng độ pH trong nguồn nước  Thời gian lắng( thời gian lưu)  Khối lượng riêng và tải lượng tính theo SS  Tải lượng thủy lực  Sự keo tụ các hạt rắn  Vận tốc dòng chảy trong bể  Nhiệt độ của nước thải  Kích thước bể lắng Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 15 II. Lọc và các loại bể lọc 1. Khái niệm chung - Lọc nước được sử dụng để tách các hạt lơ lủng nhỏ và các vi sinh vật không loại được trong quá trình lắng ra khỏi nước. - Qúa trình lọc: là cho nước đi qua lớp vật liệu lọc với một chiều dày nhất định đủ để giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và VSV trong nước. - Hàm lượng cặn lọc sau lọc:<=3mg/l - 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rửa lọc. Mục đích của quá trình rửa lọc: + Tách cặn bám ra khỏi bề mặt hạt các lỏng bằng lực ma sát và lực cắt do dòng nước với cường độ lớn đi qua bề mặt. + 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 các chuyển động đi lên cùng nướcdẫn ra ngoài. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 16 - 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 nước 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. vật liệu lọc có thể là các hạt hoặc lưới cứng, màng lọc hoặc gạch xốp... - 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. + Chu kì lọc: Khoảng thời gian giữa hai lần rửa bể lọc. 2. Vật liệu lọc: - Cát thạch anh: kích thước hạt 0,9 – 1,2mm tác dụng lọc cơ học loại bỏ cặn bẩn, huyền phù,cặn lơ lửng. - Than antraxit: than antraxit dùng làm vật liệu lọc phải là các hạt cứng, bền, không được chứa đất cát bở rời, sét hoặc các tạp chất vỡ vụn khác. Than antraxit dùng làm vật liệu lọc phải có các đặc tính sau: + Tỷ trọng > 1,4 g/cm 3 + Độ hoà tan trong axít HCl 1:1 < 5% + Độ rỗng > 50% + Lượng than antraxit có đường kính cỡ hạt nhỏ hơn qui định không được vượt quá 5%. + Lượng than antraxit có đường kính cỡ hạt lớn hơn qui định không được vượt quá 10%. - Than hoạt tính: + Than hoạt tính dạng hạt không được chứa các tạp chất vô cơ cũng như hữu cơ hoà tan gây độc haị đối với người sử dụng nước. + Than hoạt tính dùng làm vật liệu lọc không được tạo nên bất cứ một thành phần nào trong nước vượt quá tiêu chuẩn vệ sinh qui định và các tạp chất trong than hoạt tính nằm trong giới hạn sau: Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 17 Chì Pb < 10 ppm Kẽm Zn < 50 ppm Cadmi Cd < 1 ppm Arsenic As < 2 ppm Độ ẩm < 8% tính theo khối lượng Tỷ trọng > 0,36 g/cm 3 - Sỏi đá: (2-20mm h:100mm),(20-40mm h=150mm) - Các loại vật liệu tổng hợp(polime) * 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,rẽ tiền,dễ kiếm… * 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. - Hình dạng hạt - Kích thước hạt 3. 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 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 18 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. + Cặn bẩn tách ra khỏi nước và gắn lên bề mặt của hạt dưới tác dụng của lực dinh kết. + Tách các hạt cặn bẩn ra khỏi lóp 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 > 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.Quy chuẩn tbv=0.5tgh. 4.Phân loại bể lọc: - Phân loại theo tốc độ lọc: + Bể lọc chậm: tốc độ lọc 0.1-0.5m/h. + Bể lọc nhanh: tốc độ lọc 2-15m/h + Bể lọc cao tốc: tốc độ lọc>25m/h - Phân loại theo chế độ dòng chảy: + Bể lọc trọng lực: bể lọc hở,không áp + Bể lọc áp lực: Bể lọc kín, quá trình lọc xãy ra nhờ áp lực nước phía trên vật liệu lọc. - Phân loại theo chiều dòng nước: + Bể lọc xuôi + Bể lọc ngược + Bể lọc 2 chiều Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 19 - Phân loại theo số lượng vật liệu lọc: + Bể lọc 1 lớp + Bể lọc 2 hay nhiều lớp vật liệu lọc 5. Đặc điểm của một số bể lọc: a. Bể lọc chậm: Tốc độ lọc: v= 0,1-0,5m/h.Bể lọc chậm làm việc tốt với nguồn nước tự nhiên có độ đục tính theo hàm lượng cặn cao nhất là 50mg/l.Nếu nước có hàm lượng cặn cao hơn cần có biện pháp lắng sơ bộ trước khi cho vào bể lọc.Nếu nguồn nước bị nhiễm bẩn rong tảo cần có biện pháp ngăn ngừa sự phát triển của rong tảo tảo bằng mái che hoặc xử lí hóa chất. * Cấu tạo: Bể lọc chậm có thể xây bằng gạch hoặc bêtông cốt thép có dạng hình chữ nhật hoặc vuông. Chiều rộng mỗi ngăn của bể không được lớn hơn 6m và bề dài không lớn hơn 60m. Số bể lọc chậm không ít hơn 2. Đáy bể 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. Lớp cát làm vật liệu lọc( cỡ hạt hiệu quả 0,2-0,35mm,đơn lớp).Lớp sỏi để đỡ lớp cát lọc( lớp trên gấp 4 lần cỡ hạt dưới). Bảng 1-: Cấu tạo lớp cát lọc và lớp sỏi đỡ trong bể lọc chậm Tên vll và lớp đỡ Cỡ hạt của vật liệu(mm) Chiều dày lớp vật liệu(mm) Cát thạch cao 0,3-1 800 Cát thạch anh 1-2 50 2-5 100 5-10 100 Sỏi hoặc đá dăm 10-20 100 * Nguyên tắc hoạt động: - Trước khi cho bể vào làm việc, phải đưa nước vào bể qua ống thu nước ở dưới và dâng dần lên nhằm dồn hết không khí ra khỏi lớp cát lọc. Khi mực nước dâng lên trên mặt cát lọc từ 20-30cm thì ngừng lại và mở van cho nước nguồn vào bể đến ngang cao độ thiết kế. Mở van điều chỉnh tốc độ lọc và điều chỉnh cho bể lọc làm việc đúng tốc độ. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 20 - Trong quá trình làm việc, tổn thất qua bể lọc tăng dần lên, hàng ngày phải điều chỉnh van thu nước 1 lần để đảm bảo tốc độ lọc ổn định. Khi tổn thất áp lực đạt đến trị số giới hạn 1-2 thì ngừng vận hành rửa bể * Ưu, nhược điểm - Ưu điểm: + Khi cho nước qua bể lọc với vận tốc nhỏ (0,1-0,3m/h), trên bề mặt cát dần dần hình thành màng lọc. Nhờ màng lọc hiệu quả xử lý cao, 95-99% cặn bẩn và vi trùng có trong nước bị giữ lại trên màng lọc. + Xử lý nước không dùng phèn do đó không đòi hỏi sử dụng nhiều máy móc, thiết bị phức tạp. + Quản lý, vận hành đơn giản - Nhược điểm: + Diện tích lớn do tốc độ lọc chậm + Khó tự động hoá và cơ giới hoá, phải quản lý bằng thủ công nặng nhọc * Áp dụng: + Dùng cho trạm có công suất nhỏ Q ≤ 1000m3/mgđ, hàm lượng cặn ≤ 50mg/l, độ màu ≤ 50o. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 21 + Khi phục hồi không lấy cát ra (xới bằng cơ khí và rửa bằng nước) có thể áp dụng cho nhà máy có Q ≤ 30.000m3 /ngđ,hàm lượng cặn≤700mg/l, độ màu đến 50 độ. * Rửa bể lọc chậm: Có thể rửa bằng thủ công hoặc bán cơ giới - Rửa bằng thủ công: Ngăn không cho nước vào bể, để cho nước lọc rút xuống dưới mặt cát lọc khoảng 20cm, dùng xẻng xúc 1 lớp cát trên bề mặt dày 2-3m, đem đi rửa, phơi khô. Sau khoảng 10-15 lần rửa, chiều dầy lớp cát lọc còn lại khoảng 0,6-0,7m thì xúc toàn bộ số cát còn lại đem đi rửa và thay cát sạch vào đúng bằng chiều dày thiết kế. - Rửa bằng bán cơ giới: ngừng làm việc bể lọc (không cho nước trong chảy ra). Cho nước vào bể chảy ngang bề mặt nước (cường độ1÷2l/sm2), dùng dụng cụ vào khuấy. Cặn theo đường nước cuốn vào máng thu ở cuối bể. b. Bể lọc nhanh: v=1,5.10-3m/s Trong quá trình lọc nhanh,nước cần xử lí đi qua lớp hạt có kích thước trung bình lớn,vận tốc cao.Ban đầu đa số cặn bẩn trong nước tiếp xúc với bề mặt vật liệu lọc lớn trên cùng và đều giữ lại ở đó.Theo thời gian bề dày lớp màng cặn tăng dần độ bền liên kết của lớp màng cặn với vật liệu lọc giảm đi * Cấu tạo bể lọc nhanh : 1. Ống dẫn nước từ bể lắng sang 2. Hệ thống thu nước lọc và phân phối nước rửa lọc 3. Ống dẫn nước lọc Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 22 4. Ống xả nước rửa lọc 5. Máng phân phối nước lọc và thu nước rửa lọc 6. Ống dẫn nước rửa lọc 7. Mương thoát nước 8. Máng phân phối nước lọc 9. Ống xả nước lọc đầu 10. Van điều chỉnh tốc độc lọc ớc từ bể lắng sang * Nguyên tắc làm việc của bể lọc nhanh Khi lọc: Nước đưa bể lọc có thể đi qua vật liệu lọc từ trên xuống hoặc dưới lên. - Sử dụng dòng chảy từ trên xuống dưới có ưu điểm là tạo được động lực cho quá trình nhờ lực trọng trường. Nhược điểm của biện pháp này là khi rửa vật liệu lọc phải sử dụng dòng ngược chiều, các hạt nhỏ được đẩy lên trên và các hạt to được giữ lại ở đáy. Do đó khi làm nước tiếp xúc với các hạt bé trước dễ làm tắc mao quản lọc, trở lực lọc tăng nhanh và thời gian cần rửa lọc bị rút ngắn. Để giải quyết vấn đề này người ta cần dùng vật liệu có kích thước hạt đều nhau do vậy giá thành cao hơn. - Khi sử dụng dòng chảy từ dưới lên trên, nước tiếp xúc với các hạt lớn của lớp vật liệu lọc trước, do đó lớp vật liệu có khả năng giữ được nhiều chất bẩn. Ở phần trên của lớp vật liệu lọc nước sạch tiếp xúc với các hạt vật liệu hạt nhỏ mịn nên chất lượng nước lọc tốt hơn. Đó là quá trình lọc từ hạt to đến hạt bé, quá trình như vậy có thể áp dụng cho dòng chảy từ trên xuống bằng cách dùng nhiều lớp vật liệu lọc có kích thước giảm dần theo chiều dòng chảy. Để tránh hiện tượng đảo ngược của lớp vật liệu lọc do quá trình rửa ngược chiều, nên dùng khối lượng riêng của hạt lớn dần tỷ lệ nghich với kích thước của hạt. Ví dụ, có thể dùng than antraxit làm lớp trên cùng, cát nặng hơn ở giửa và cát thạch anh có khối lượng riêng lớn nhất nằm dưới cùng. Lớp vật liệu lọc có cấu trúc như sau: than antranxit 0.6m, đường kính 0.6mm, cát 0.4m, đường kính 0.8mm, cát thạch anh 0.2m, đường kính hạt 0.5mm. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 23 * Cơ chế của quá trình lọc nhanh: Do hạt vật liệu lọc lớn nên khe hở giữa các hạt vật liệu lọc lớn do đó các hạt cặn được giữ lại trong lòng vật liệu lọc theo cơ chế lọc nhanh. Sức cản thuỷ lực tăng dần dẫn đến công suất của bể giảm. Lúc này phải tiến hành rửa bể lọc. * Rửa bể lọc: - Thông thường thì rửa bể lọc bằng nước hoặc bằng khí hoặc kết hợp dòng nước dòng nước đi ngược chiều với chiều lọc để rửa lớp vật liệu lọc. Rửa lọc bằng khí có ưu điểm là tạo ra được dòng xoáy lớn trong cột lọc và làm sạch nhanh được vật liệu lọc. Tuy nhiên dùng khí để làm sạch ở giai đoạn đầu với mục đích tách các chất cặn bám dính ra khỏi bề mặt vật liệu lọc, sau đó dùng dòng kết hợp khí – nước để rửa, cuối cùng dùng nước sạch với mục đích tách cặn bẩn còn lại và khử khí còn tồn tại trong cột lọc. - Tính toán hệ thống rửa lọc đòi hỏi phải xác định được cường độ rửa lọc, độ giản nở của lớp vật liệu lọc, cấu tạo hệ thống thu, phân phối nước rửa lọc và quá trình rửa lọc. - Hiệu quả làm sạch của quá trình rửa lọc phụ thuộc vào cường độ nước rửa. Khi rửa lọc bằng khí và nước kết hợp, sẽ giảm được lượng nước rửa lọc. * Những tồn tại của công nghệ xử lý bằng bể lọc nhanh - Đối với công nghệ xử lý nước bằng bể lọc nhanh, vấn đề sử dụng vật liệu lọc và quản lý, vận hành, bảo dưỡng là rất quan trọng, quyết định tới chất lượng nước xử lý và sự hoạt động của bể lọc . - Trong các bể lọc hiện nay đa số là dùng cát vàng (vì giá thành rẻ) nên hiệu quả lọc rất kém và rửa vật liệu lọc rất khó khăn. - Hiệu quả và tuổi thọ của bể lọc còn phụ thuộc nhiều vào chế độ vận hành và bảo dưỡng công trình, nhất là quá trình rửa lọc. - Hiệu quả loại SS và vi khuẩn không cao cần phải xử lí tiếp theo (lọc chậm, khử trùng). * Ưu điểm: - Xử lí được nước có độ đục cao - Tải trọng lọc cao, diện tích lọc nhỏ Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 24 c. Bể lọc tiếp xúc Bể lọc tiếp xúc sử dụng trong dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt có dùng chất phản ứng đối với nguồn nước có hàm lượng cặn đến 150mg/l và độ màu đến 150o (nước hồ) với công suất bất kỳ hoặc khử sắt trong nước ngầm cho trạm xử lý có công suất đến 10.000m3/ngđ. * Cấu tạo bể lọc tiếp xúc: 1- Ống dẫn nước cần lọc; 2- Ống dẫn nước rửa; 3- Cát lọc; 4- Máng thu nước lọc hoặc rửa; 5- Ống dẫn nước sạch; 6- Ống dẫn nước rửa và xả đáy. * Nguyên tắc làm việc: - Trong bể lọc tiếp xúc, quá trình lọc xảy ra theo chiều từ dưới lên. Nước theo ống dẫn nước vào bể qua hệ thống phân phối nước lọc, qua lớp cát lọc rồi tràn vào máng thu nước và theo 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. * Rửa lọc: - Khi rửa bể lọc tiếp xúc, nước rửa theo đường ống dẫn nước rửa (nếu rửa nước thuần tuý) và khí theo đường ống dẫn gió (nếu rửa bằng khí 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. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 25 Vì nước lọc lấy ra ở phía trên, nên mặt bể phải đậy kín bằng nắp đậy để tránh 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 khác đáp ứng được yêu cầu sử dụng và không bị lơ lửng trong quá trình lọc nước. * Đặc điểm của vật liệu lọc: + Cỡ hạt: d = 0,7÷20mm + Đường kính tương đương: dtđ = 0,9÷1,4mm + Hệ số không đồng nhất: K = 2,5 + Chiều dày cát lọc: L = 2÷2,3m * Ưu, nhược điểm của bể lọc tiếp xúc - Ưu điểm: + Khả năng chứa cặn cao + Chu kỳ làm việc kéo dài + Đơn giản hoá dây chuyền công nghệ xử lý nước - Nhược điểm: + Tốc độ lọc bị hạn chế nên diện tích bể lọc lớn. + Hệ thống phân phối hay bị tắc, nhất là trong trường hợp trong nước chứa nhiều vi sinh vật hay phù du rong tảo. d. Bể lọc áp lực: * Cấu tạo: - Bể lọc áp lực là một loại bể lọc nhanh kín, thường được chế tạo bằng thép có dạng hình trụ đứng (cho công suất nhỏ) và hình trụ ngang (cho công suất lớn). Được sử dụng trong dây chuyền xử lý nước mặt có dùng chất phản ứng khi hàm lượng cặn của nước nguồn đến 50mg/l, độ màu đến 80o với công suất trạm xử lý đến 3000m3/ngày - Do bể làm việc dưới áp lực, nên nước cần xử lý được đưa trực tiếp từ trạm bơm cấp I vào bể, rồi đưa trực tiếp vào mạng lưới không cần trạm bơm cấp II. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 26 - Bể lọc áp lực có thể chế tạo sẵn trong xưởng. Khi không có điều kiện chế tạo sẵn có thể dùng thép tấm hàn, ống thép...để chế tạo bể. Cấu tạo bể lọc áp lực 1- Vỏ bể ; 2- Cát lọc, 3- Sàn chụp lọc, 4- Phễu đưa nước vào bể, 5- Ống dẫn nước vào bể, 6- Ống dẫn nước đã lọc, 7- Ống dẫn nước rửa lọc, 8- Ống xả nước rửa lọc, 9- Ống gió rửa lọc, 10- Van xả khí, 11- Van xả kiệt, 12- Lỗ thăm Bảng 2: Các chỉ tiêu về vật liệu lọc và tốc độ lọc của bể lọc áp lực Đặc điểm lớp vật liệu lọc Tốc độ lọc(m/h) Loại bể lọc Dmin (mm) max (mm) Dtd (mm) K L(mm) Bình thường Tăng cường Lọc 1 lớp 0,5 0,7 1,2 1,5 0,7-0,75 0,9-1 2-2,2 1,8-2 700-800 1200-1300 10 15 15 20 Lọc 2 lớp Cát Than antranxit 0,5 0,8 1,2 1,8 0,7-0,75 1,1-1,2 2 2 400-500 400-500 15 20 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 27 * Nguyên tắc làm việc : Nước được đưa vào bể qua 1 phễu bố trí ở đỉnh bể, qua lớp cát lọc, lớp đỡ vào hệ thống thu nước trong, đi vào đáy bể và phát vào mạng lưới. Khi rửa bể, nước từ đường ống áp lực chảy ngược từ dưới lên trên qua lớp cát lọc và vào phễu thu, chảy theo ống thoát nước rửa xuống mương thoát nước dưới sàn nhà * Ưu điểm: - Gọn, lắp đặt nhanh và dễ đáp ứng - Tốc độ lọc lớn và tiết kiệm diện tích * Nhược điểm: - Khi xử lý nước sông đã đánh phèn và qua lắng phải dùng bơm bơm vào bể lọc áp lực, cánh bơm làm phá vỡ bông cặn nên hiệu quả kém. - Do bể lọc kín, khi rửa không quan sát được nên không khống chế được lượng cát mất đi, bể lọc làm việc kém hiệu quả dần. - Do bể lọc làm việc trong hệ kín nên không theo dõi được hiệu quả của quá trình rửa lọc. - Khi mất điện đột ngột, nếu van một chiều bị hỏng, hay rò nước hoặc xảy ra tình trạng rửa ngược, đưa cát lọc về bơm. 6. Bể lọc chỉ có một lớp vật liệu lọc Hiệu quả lọc thường không cao sau khi rửa ngược do các hạt vật liệu có kích thước bé hơn đưa lên phía trên. Khi lọc trở lại các hạt keo huyền phù có kích thước nhỏ bị giữ lại ở bề mặt, làm cho tổn thất áp lực tăng nhanh chóng. Bể lọc nhanh bị tắc nghẹt nên chu kì lọc thường bị rút ngắn. Bảng 3: Bể lọc một lớp lọc Dtđ Hệ số không đồng nhất hlọc vtb Vtc(m/h) 0,7-0,8 8-10 1-1,2 2-2,2 1,8-2 1,5-1,7 700-800 1200-1300 1800-2000 5,5-6 7,0-8 8-10 6-7,5 8-10 10-12 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 28 7. Bể lọc nhiều lớp vật liệu lọc: - Để cặn bẩn không bị giữ lại ngay trong lớp trên cùng của tầng lọc, thường người ta xếp kích thước của hạt lớp vật liệu lọc phía trên lớn hơn phía dưới. Lớp vật liệu có kích thước to và thô nằm trên nên phải có khối lượng riêng nhỏ để sau quá trình rửa lọc bằng dòng ngược chiều các lớp không bị đảo ngược hoặc bị xáo trộn lẫn nhau. - So với bể lọc nhanh một lớp vật liệu lọc có cùng bề dày lớp vật liệu lọc thì bể lọc hai lớp vật liệu lọc có tổn thất áp lực nhỏ hơn và thời gian lọc hiệu quả lớn hơn với cùng một nguồn nước và cùng vận tốc lọc. Thành phần của hai lớp vật liệu lọc là yếu tố quyết định đến hiệu quả của bể lọc. Lớp than antranxit có kích thước tối thiểu 0,8-1mm. Vì cặn bẩn có khả năng thâm nhập rất sâu vào trong lớp vật liệu lọc nên chất lượng nước lọc phụ thuộc rất nhiều vào sự ổn định của tốc độ lọc trong bể lọc hai lớp. Do vậy bể lọc hai lớp đòi hỏi phải có một hệ thống điều chỉnh tốc độ lọc tự động hoàn chỉnh và chế độ vận hành chặt chẽ. Bảng 4: Tốc độ lọc ở chế độ làm việc bình thường và tăng cường Đặc trưng của lớp vật liệu lọc Tốc độ VL(m/h) Kiểu bể lọc Đườn g kính nhỏ nhất, dmin (mm) Đường kính lớn nhất, dmax (mm) Đường Kính tương đương, Dtd (mm) Hệ số không đồng nhất K Chiều dày của lớp vật liệu lọc (mm) Ở chế độ bình thường Vbt (m/h) Ở chế độ tăng cường Vtc (m/h) 0,5 1,25 0,7÷0,8 2÷2,2 Cát thạch Anh 700÷800 5,5÷6 6÷7,5 0,7 1,6 0,8-1 1,8-2 1200-1300 7-8 8-10 Bể lọc nhanh 1 lớp vật liệu lọc 0,8 2 1-1,2 1,5-1,7 1800-2000 8-10 10-12 0,5 1,25 0,7-0,8 2-2,2 Cát thạch Anh 700÷800 8-10 10-12 Bể lọc nhanh 2 lớp vật liệu lọc 0,8 1,8 1-1,2 2-2,2 Than antranxit 400-500 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 29 III. Kết luận Trong quá trình xử lý nước cấp thì giai đoạn của lắng và lọc là hết sức quan trọng, nó quyết định đến hiệu quả của quá trình khử trùng nước cũng như chất lượng nước đầu ra. Hiện nay có nhiều công nghệ hiện đại thay thế cho công nghệ lắng và lọc truyền thống, như công nghệ tuyển nổi, lọc nước bằng phương pháp màng… Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ lắng và lọc nước ở nước ta vẫn rất phổ biến bởi nó có những ưu điểm phù hợp với tính chất, chất lượng hay nhu cầu sử dụng nước ở nước ta hiện nay. Tùy thuộc vào thành phần cũng như tính chất của nguồn nước mà ta có thể lựa chọn các hình thức xử lý, các loại bể lắng, bể lọc sao cho chất lượng nước đầu ra là tốt nhất. Đơn cử như nhà máy xử lý nước Quảng Tế, Dã Viên ở Tp. Huế vẫn áp dụng công nghệ lắng và lọc đơn thuần nhưng vẫn là trong các đơn vị sản xuất nước tốt nhất tại Việt Nam. IV. Tài liệu tham khảo 1. Bài giảng công nghệ môi trường – TS. Phạm Khắc Liệu 2. Giáo trình xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp – TS. Trịnh Xuân Lai. 3. Giáo trình xử lý nước cấp sinh hoạt và công nghiệp – Nguyễn Thị Thu Thủy. 4. Bài giảng xử lý nước cấp – Nguyễn Phương Lan. 5. Bài giảng xử lý nước cấp – Đặng Viết Hùng. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only.