Đề tài bể lọc nhanh dạng kín

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN – GIỚI THIỆU
1.1 LỌC
Nước qua quá trình lắng sẽ không được tinh khiết và có thể chứa một số hạt lơ lửng rất
nhỏ và vi khuẩn trong đó. Để loại bỏ hoặc giảm bớt các tạp chất, nước được lọc qua các
tầng vật liệu lọc như cát, than,... Quá trình luân chuyển của nước thông qua các tầng vật
liệu dạng hạt như vậy được gọi là lọc. Kết quả là sau quá trình lọc, nước sẽ có được chất
lượng tốt hơn bao gồm các mặt vật lý, hóa học và sinh học. Lọc thường là một trong
những bước cuối cùng trong quá trình xử lý nước.
Quá trình lọc là quá trình cho nước đi qua lớp vật liệu lọc với một chiều dày nhất định để
giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và vi sinh vật
trong nước. Sau một thời gian làm việc thời điểm tổn thất áp lực lớp vật liệu lọc đạt đến
trị số giới hạn hay chất lượng nước lọc xấu đi thì phải tiến hành rửa lọc.
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.
Quá trình lọc được đặc trưng bởi:
− Tốc độ lọc: Lượng nước qua một đơn vị diện tích bề mặt của bể lọc trong một đơn vị
thời gian.
− Chu kì lọc: Khoảng thời gian giữa hai lần rửa bể lọc.
1.2 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 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 nên cả hai 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 dính kết.
− Tách các hạt cặn bẩn ra khỏi lớp hạt vật liệu lọc vào nước dưới tác dụng của lớp thủy

động.

1


Quá trình lọc xảy ra cho đến khi cường độ dính kết các hạt cặn bẩn vào bề mặt hạt lớn
hơn cường độ tách chúng. Do quá trình tích lũy ngày càng nhiều cặn bẩn trong lỗ rỗng
của cát lọc, cường độ tách cặn do lực thủy 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 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 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.
1.3 VẬT LIỆU LỌC TRONG BỂ LỌC ÁP LỰC
1.3.1 Các loại tạp chất thường được loại bỏ bằng bể lọc áp lực
− Sắt và mangan.
− Asen.
− Chất phóng xạ.
− Chất Clorua.
− Chất hữu cơ.
− Chất rắn lơ lửng.
− Dầu.
− Vị và mùi khó chịu.
− Chất florua.
1.3.2 Vật liệu lọc
• Than hoạt tính: loại bỏ chất clorua và chất hữu cơ.

− Thanh hoạt tính có dạng hạt không được chứa tạp chất vô cơ cũng như hữu cơ hòa
tan gây độc hại 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 quy định và các tạp chất trong than hoạt tính nằm
trong giới hạn sau:
+ Chì Pb < 10 ppm.
+ Kẽm Zn < 50 ppm.

2


+ Cadmi Cd < 1 ppm.
+ Arsenic As < 2 ppm.
+ Độ ẩm < 8% tính theo khối lượng.
+ Tỷ trọng > 0,36 g/cm3.
• Cát Mangan: loại bỏ sắt và mangan.

• Oxit Mangan ngậm nước (HMO): hấp thụ kim loại nặng bao gồm cả chất phóng xạ.
• Nhiều lớp vật liệu: loại bỏ cặn và chất rắn lơ lửng.
• Trung lập hóa: được sử dụng để trung lập hóa nước axit, làm tăng kiềm và độ pH trong

nước.
• Cát: loại bỏ các hạt và cặn nặng.
• Vỏ quả óc chó: loại bỏ dầu ô nhiễm.
• Nhôm hoạt tính: loại bỏ chất asen và florua.

• Than antraxit.
• Sỏi đá.
1.3.3 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, rẻ 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 thì khi rửa lọc, các hạt nằm trong tình trạng hỗn loạn, va chạm vào
nhau sẽ bị hao mòn và vỡ vụn, làm rút ngắn thời gian của chu kỳ lọc và chất lượng mức
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 khỏe 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


CHƯƠNG 2
ĐẶC ĐIỂM CỦA BỂ LỌC ÁP LỰC
2.1 GIỚI THIỆU BỂ LỌC ÁP LỰC
Bể lọc áp lực rất giống với bể lọc cát trọng lực ngoại trừ bể lọc được hoàn toàn đóng kín
trong một thùng áp lực như một bể thép, và được hoạt động dưới áp lực. Bể lọc áp lực
được sử dụng trong lĩnh vực cung cấp nước công cộng và không được áp dụng rộng rãi,
điển hình là công dụng loại bỏ sắt và mangan từ nước ngầm dưới mặt đất.
Bể lọc áp lực được sử dụng để giảm phí lắp đặt và hoạt động. Tuy nhiên, bể lọc áp lực ít
được tin cậy hơn bể lọc trọng lực. Tỷ lệ lọc lớn nhất của bể lọc áp lực là từ 5 đến 7,5 m/h.

Hinh1. Bể lọc áp lực

2.2 CẤU TẠO CỦA BỂ LỌC ÁP LỰC
Bể lọc áp lực: là bể dùng các áp lực của máy bơm, máy thổi khí để giúp khả năng lọc
nước thải hoặc nước cấp diễn ra một cách nhanh chóng nhằm tiết kiệm thời gian, diện
tích, khối tích các bể lọc thông thường.

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). Bể lọc hình trụ đứng
có đường kính từ 1 đến 10 ft với sức chứa 300 gpm tại tỷ lệ lọc là 3 gpm/ft 2. Bể lọc hình
trụ ngang thường có đường kính 8 ft, dài 10-25 ft với sức chứa từ 200 đến 600 gpm.
Những bể lọc này được tách ra nhiều ngăn để tiện cho việc rửa bể lọc. Nước rửa bể có thể
đem vào bể lắng lại hoặc làm mềm để phục hồi chúng.
Bể lọc áp lực thường hoạt động với tỷ lệ dòng chảy là 3 gpm/ft 2. Bể lọc hai hay nhiều lớp
vật liệu được thiết kế cho tỷ lệ 6-8 gpm/ft 2. Tại nhiệt độ thường, tỷ lệ nước rửa bể lọc là
4


6-8 gpm/ft2 cho vật liệu lọc than antraxit và 13-15 gpm/ft 2 cho cát. Bể lọc than antraxit
liên quan đến quá trình làm mềm nóng yêu cầu tỷ lệ nước rửa lọc là 12-15 gpm/ft 2 vì nước
ít dày ở nhiệt độ hoạt động cao. Nước lạnh không thể sử dụng để rửa lọc cho bể lọc quá
trình nóng. Điều đó có thể làm co giãn hệ thống luyện kim, làm cho kim loại bị mỏi.
Ngoài ra, nước lạnh có nhiều oxy sẽ đẩy nhanh tiến độ ăn mòn các thiết bị. Loại bể này
được áp dụng trong dây chuyền xử lý nước mặt cho dùng chất phản ứng khi hàm lượng
cặn của nước nguồn lên đến 50 mg/l, độ đục lên đến 80.

Hình 2. Bể lọc áp lực hình trụ đứng (trên) và bể lọc áp lực hình trụ ngang (dưới)

Do bể làm việc dưới áp lực, nên nước cần được 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.

5


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. Các bộ phận và thiết bị của bể lọc áp lựcvề
cơ bản cũng giống bể lọc nhanh phổ thông.

Hình 3. Cấu tạo bể lọc áp lực
1. Áp kế; 2. Ống dẫn nước vào bể (nước thô); 3. Ống dẫn nước đã lọc; 4. Vỏ bể (thùng áp
lực); 5. Vật liệu lọc (cát); 6. Lớp sỏi hỗ trợ; 7. Ống dẫn khí; 8. Ống dẫn nước rửa lọc;
9. Hệ thống thu nước trong
2.3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ LỌC ÁP LỰC
Nước được đưa vào bể qua một 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. Lúc này, các van ống dẫn nước rửa
lọc được đóng lại, không sử dụng. Khi rửa bể, nước từ đường ống áp lực chảy ngược từ
dưới lên trên theo ống dẫn nước rửa lọc qua lớp cát lọc và vào phễu thu, chảy theo ống
thoát nước rửa ra ngoài.

6


Hình 4. Nguyên lý hoạt động của bể lọc áp lực (theo dòng nước chảy màu xanh)

7


CHƯƠNG 3
THAU RỬA MÔI TRƯỜNG LỌC
3.1 GIỚI THIỆU
3.1.1 Khái niệm chung
Khi bể lọc bị tắc nghẽn (bể đạt đến tổn thất áp lực cao nhất) hoặc bể bị thủng, hoặc sau
một thời gian dự kiến, quá trình lọc bị ngừng lại và bể lọc tạm ngưng sử dụng để sữa chữa
hoặc rửa bể lọc. Chi tiết quy trình rửa bể lọc phụ thuộc vào mỗi nhà máy và quy chế đặc
trưng được cung cấp từ các nhà thầu.
Thau rửa môi trường lọc (rửa ngược) là quá trình đảo ngược dòng nước đi xuyên qua các
lớp vật liệu lọc để loại bỏ các chất rắn bị giữ lại. Rửa ngược có thể được thực hiện bằng

nước, khí và nước liên tiếp hoặc khí và nước kết hợp. Phương pháp cuối cùng được biết
đến cách rộng rãi là hiệu quả nhất, nhưng hầu hết bể lọc được thiết kế cho rửa ngược bằng
khí hoặc nước, vì vậy việc thay đổi bể lọc hiện tại để sử dụng hệ thống này là hoàn toàn
khó khăn. Với cả ba loại rửa ngược, điều kiện của quá trình liên quan đến ngưỡng hóa
lỏng (lớn nhất) như một điểm tham khảo, ngay cả khí kết hợp với nước. Ngưỡng này là
điểm mà tại đó thủy lực (áp suất) thấp trong bể lọc cân bằng tử trọng của vật liệu lọc. Tỷ
lệ dòng chảy rửa ngược lớn nhất không nên vượt quá 20 m/h, và tỷ lệ dòng chảy cao hơn
sẽ làm trôi mất đi rất nhiều vật liệu lọc. Trong suốt chu kỳ rửa ngược, bể lọc nên giãn nở
ít nhất 10% và nhiều nhất là 20% để chắc chắn rằng bể được rửa sạch đầy đủ.
Như đã đề cập ở trên, rửa ngược có thể là một phần khó khăn trong quá trình lọc hơn giai
đoạn lọc. Nếu tỷ lệ rửa ngược quá cao, vật liệu lọc có thể bị rửa trôi rất nhanh. Nếu tỷ lệ
đó quá thấp, hiệu quả làm sạch sẽ giảm sút rất nhiều, bể lọc sẽ kém bền. Trình tự và thời
gian rửa ngược phải được lựa chọn để phù hợp với vật liệu lọc đang sử dụng và nhiệt độ
của nước rửa ngược. Điều đó có thể cần thiết với nhiều trường hợp để điều chỉnh tỷ lệ rửa
ngược theo từng giai đoạn để duy trì những điều kiện tối ưu mà không làm mất đi vật liệu
lọc.
Nước đã lọc hầu hết ít được sử dụng cho rửa ngược. Một bể chứa ở vị trí cao cũng có thể
chứa nước để rửa ngược bể lọc. Quá trình rửa ngược sẽ sử dụng khoảng 2-4% lượng nước
đầu ra, lượng nước thấp hơn được tổng hợp lại để sử dụng cho phương pháp khí và nước
kết hợp.
3.1.2 Vai trò của thau rửa vật liệu lọc
Thau rửa vật liệu lọc là quá trình bơm nước ngược lại dòng nước được đưa vào để lọc với
áp suất cao và cường độ lớn theo định kỳ.

8


Hiệu quả và tuổi thọ của bể lọc phụ thuộc nhiều vào chế độ vận hành và bảo dưỡng, nhất
là quá trình thau rửa vật liệu lọc. Trong thực tế thau rửa vật liệu lọc tốn một phần nước
không nhỏ. Việc tiết kiệm nước rửa lọc dẫn đến vật liệu lọc không được rửa sách, bể lọc

làm việc không đạt kết quả mong muốn, chu kì làm việc của bể bị rút ngắn.
Bóng bùn là một khối tròn các vật liệu lọc khác nhau, kích thước đường kính nhỏ bằng
hạt đậu đến hai inch hoặc hơn. Hình ảnh trên cho thấy một bong bùn rất lớn. Bóng bùn
hình thành trên bề mặt của bộ lọc do vật liệu kết dính gây ra làm dính các hạt trong nước
và vật liệu lọc lại với nhau. Nếu bộ lọc không được rửa ngược đúng và rửa sạch bề mặt
vật liệu lọc, các bóng bùn sẽ tiếp tục tích lũy và ngày càng phát triển lớn hơn, cuối cùng
chúng chìm vào trong môi trường lọc. Bóng bùn trong vật liệu lọc dẫn đến thời gian vận
hành bộ lọc rút ngắn và mất khả năng lọc, vì nước sẽ không thể đi qua các bóng bùn và
chảy loanh quanh chúng.

Hình 5. Bóng bùn
Mặt khác, để giảm chi phí quản lý, công tác rửa bể lọc không thường xuyên nên bể lọc
hoạt động ngày càng kém, dần xuống cấp và không còn tác dụng lọc nước, gây ra tắc
nghẽn, tràn bể lọc. Điều đó đã làm cho chất lượng nước không đạt yêu cầu, công suất xử
lý nước bị giảm sút nhiều.
Vì vậy, thau rửa vật liệu lọc có những vai trò rất quan trọng trong quá trình lọc như:
− Là một nguyên công rất quan trọng và không thể thiếu
− Tách cặn bám ra khỏi bề mặt hạt cát lọc bằng lực ma sát và lực cắt do dòng nước chảy
với cường độ lớn đi qua bề mặt.
− Làm giãn 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 cát chuyển động đi
lên cùng nước và dẫn ra ngoài.

9


3.1.3 Quá trình thau rửa vật liệu lọc
Quá trình rửa vật liệu lọc được tiến hành khi tổn thất áp lực trong bể đạt tới giá trị giới
hạn hoặc vào thời điểm lượng nước bắt đầu xấu đi. Việc xác định thời điểm cần rửa vật
liệu lọc được thực hiện bằng các thiết bị đo báo tự động hoặc do những người vận hành

bể lọc quan sát độ chênh lệch mực nước trước và sau bể lọc khi quản lý vận hành thủ
công.
Trình tự tiến hành rửa vật liệu lọc như sau:
− Trước khi rửa bể, đóng van cấp nước đầu vào bể cho nước rút xuống ngang với mép
mương thu nước rửa lọc.
− Sau đó, đóng van trên đường thu nước rửa lọc và cho khí hoặc nước rửa có áp lực đi từ
phía dưới lên. Nước rửa theo hệ thống đường ống khoan lỗ hoặc chụp lọc phân phối đều
theo diện tích bể rồi đi lên phía trên qua lớp vật liệu lọc với cường độ đảm bảo chuyển
các hạt của lớp vật liệu lọc vào trạng thái lơ lửng và theo dòng nước dẫn ra ngoài

Hình 6. Quá trình thau rửa vật liệu lọc
3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THAU RỬA MÔI TRƯỜNG LỌC
Có ba phương pháp thau rửa vật liệu lọc chính:
− Thau rửa bằng cách giãn nở nước.
− Thau rửa không làm giãn nở lớp lọc bằng khí và nước.
− Thau rửa bằng khí và nước kết hợp.

10


3.2.1 Thau rửa bằng cách giãn nở nước
Chọn lưu lượng nước đủ lớn làm cho vật liệu lọc giãn nở, có nghĩa là làm cho thể tích
biểu kiến của lớp vật liệu lọc tăng 15%. Sự thay đổi độ nhớt của nước tùy thuộc vào nhiệt
độ. Nhiệt độ càng tăng thì độ nhớt càng giảm. Dòng chảy nhanh làm giãn nở lớp vật liệu
lọc và do đó các cặn bẩn lắng trong các khe rỗng bị rửa trôi. Vận tốc dòng chảy cần thiết
để đạt mức giãn nở của vật liệu lọc dao động trong khoảng 100 – 120 m/h và phụ thuộc
vào nhiệt độ của nước, kích thước và đặt tính của vật liệu lọc.
Lớp vật liệu lọc giãn nở là nơi có dòng đối lưu. Vật liệu lọc chạy xuống dưới vào một
vùng nào đó và chạy lên cao trong vùng bên cạnh. Thực tế các cục nhỏ của lớp lọc bám
chặt bùn tạo nên vỏ bọc bề mặt vật liệu lọc và có thể chìm xuống đáy. Dòng đối lưu làm

nước xoáy và tạo ra bùn cứng và lớn, gây ra hiện tượng vón cục khi rửa vật liệu lọc. Hiện
tượng này có thể được khắc phục bằng cách phun nước dưới áp suất lớn bằng các ống
phun quay hay cố định.
Phương pháp rửa này đòi hỏi phải thận trọng và đo giá trị giãn nở vật liệu lọc.

Hình 7. Quá trình lọc (trái) và quá trình rửa vật liệu lọc (phải)
3.2.2 Thau rửa không làm giãn nở lớp lọc bằng khí và nước
Phương pháp này sử dụng lưu lượng nhỏ nước thu hồi để không gây ra sự giãn nở cát và
đồng thời phun không khí nén. Cát không bị giãn nở, còn vỏ bùn bọc ngoài vật liệu lọc sẽ
bị phá hủy bằng khí. Trong thời kì thổi khí, lưu lượng nước rửa càng lớn, càng nhanh thì
việc rửa càng hiệu quả. Giá trị nhỏ nhất để việc thau rửa có hiệu quả và giá trị lớn nhất

11


không vượt quá để tránh mất mát vật liệu lọc phụ thuộc đồng thời vào vật liệu lọc và công
nghệ lọc.
Khi tháo tạp chất của vật liệu rửa, thu gom vào hố chứa nước và tách ra máng dẫn thải,
cần “xúc rửa”, nghĩa là thay nước bẩn trong hố này bằng nước sạch. Có nhiều phương
pháp xúc rửa được sử dụng sau khi thổi khí:
− Duy trì không đổi lưu lượng nước hồi lưu cho đến khi nước tháo trong. Thời gian của
nguyên công này càng ngắn khi lưu lượng nước càng lớn (luôn > 12m/h) và bề dày của
lớp nước ở trên vật liệu lọc càng nhỏ.
− Tăng lưu lượng nước trong lúc xúc rửa để mang cát hạt ít nhất là 15m/h.
− Quét bề mặt lọc bằng dòng nước chảy ngang hoặc nước đã lắng hòa với nước thu hồi.
− Loại bỏ nước bẩn nằm trên vật liệu lọc và quét trên bề mặt lọc như phương pháp trên.
3.2.3 Thau rửa bằng khí và nước kết hợp
Cách thau rửa này được sử dụng khi mật độ vật liệu lọc không cho phép sử dụng đồng
thời, không gây nguy hiểm cho việc kéo theo vật liệu vào máng thải do nước rửa. Đó là
trường hợp lớp lọc gồm cát mịn hoặc vật liệu có mật độ nhỏ (antricid, than hoạt tính,

biolite). Phương pháp này cũng được sử dụng cho bộ lọc hai lớp vật liệu.
Trong pha rửa thứ nhất, chỉ dùng không khí nén phun vào vật liệu lọc có hòa một ít nước
để gỡ các tạp chất được giử trên mặt vật liệu lọc. Lượng nước nhỏ có sẵn ban đầu quá
trình rửa sẽ giúp áp suất khí đi xuyên qua các khe hở của lớp vật liệu lọc hơn. Trong pha
thứ hai, một dòng nước hồi lưu với cường độ mạnh và lưu lượng lớn được phun vào, bảo
đảm giãn nở lớp vật liệu lọc, cho phép tách các chất thải nặng hay rất khó loại bỏ ra khỏi
vật liệu lọc. Nguyên công này được lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến lúc nước trên bề mặt
trong hẳn. Lưu ý ở đây là người vận hành cần quan sát có hiện tượng cát tràn vào máng
thu hay không, nếu có phải đóng bớt van nước lại.
Ưu điểm của phương pháp:
− Loại trừ được hiện tượng vón cục do không hoặc ít xuất hiện dòng đối lưu.
− Lớp vật liệu lọc không bị phân loại thủy lực.
− Các cỡ hạt phân phối với tỷ lệ như nhau trong suốt chiều dày lớp vật liệu lọc nên loại
trừ được hiện tượng tạo chân không trong lớp lọc.
− Sử dụng phối hợp rửa bằng không khí và nước lắng có thể giảm từ 20 – 30% lượng
nước tiêu thụ so với chỉ rửa riêng bằng nước.

12


3.3 TẦN SỐ RỬA VÀ TIÊU THỤ NƯỚC RỬA
Tần số rửa phụ thuộc vào bản chất của nước cũng như số lượng MES được giữ lại. Quá
trình thau rửa được bắt đầu khi tổn thất tải đạt giá trị cực đại hay khi bộ lọc bắt đầu bục
ra. Thực tế thau rửa thường bắt đầu sau khi đã lọc một thể tích nước nào đó. Thời điểm
này cần xác định theo điều kiện vận hành và kinh nghiệm của người sử dụng.
Tiêu thụ nước rửa chủ yếu tùy theo bản chất và trọng lượng cặn bị giữ lại trên 1m 3 vật
liệu lọc. Sử dụng phối hợp rửa bằng khí và nước lắng có thể giảm từ 20 – 30% lượng
nước tiêu thụ so với chỉ rửa riêng bằng nước. Mức tiêu thụ nước cũng tăng khi sử dụng
thiết bị rửa bề mặt.
Tiêu thụ nước rửa càng nhiều khi:

− Bề dày nước trên mặt vật liệu lọc càng lớn
− Lưu lượng nước thu hồi càng nhỏ
− Máng tháo bùn càng cách xa nhau
− Số lượng bùn thải càng lớn
− Độ keo tụ và mật độ bùn càng cao

13


CHƯƠNG 4
MÔ HÌNH LỌC
4.1TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH GIẢM ÁP ĐỐI VỚI VẬT LIỆU LỌC HAY BÁNH
LỌC
4.1.1 Định nghĩa của quá trình kháng lọc và bánh thấm: Công thức Darcy
Quá trình chống lại dòng vật liệu xốp (vật liệu lọc hoặc bánh lọc) có thể được mô tả bởi
định luật Darcy (công thức 1). Hãy xem xét một dòng chất lỏng đi qua một bánh lọc (hoặc
một dòng nước thấm qua đất như miêu tả của Darcy). Sự sụt giảm áp lực ∆p của dòng chất
lỏng này là tỷ lệ thuận với:
− Lưu lượng trên mỗi đơn vị diện tích V/A (Lưu lượng riệng hoặc vận tốc lọc)
− Bánh lọc có chiều dày H
− Độ nhớt h của chất lỏng
− Hằng số αH chỉ “kháng lọc riêng” của bánh.
(1)
Trong các hệ SI, đơn vị của αH là m-2 được sử dụng trong phương trình Darcy (1). Đối
nghịch của kháng lọc αH còn được gọi là tính thẩm thấu k của bánh lọc:

Hình 8. Định nghĩa của kháng lọc
Đôi khi nó là thuận tiện hơn để xác định độ dày bánh theo khối lượng rắn m trên một đơn
vị diện tích lọc αm (đơn vị kg/m2).Điều này dẫn đến định nghĩa khác nhau về bánh chống
lọc. Một phương trình tương ứng với phương trình Darcy có thể được viết với hằng số αm

(m/kg) mô tả sự chống lại của bánh.
Sau đó, các biểu thức sau đây được lấy thay cho phương trình (1)
(2)

14


Vì những lý do thực tế độ nhớt h là thường không được đánh giá riêng rẽ. Sau đó, nó
được thừa nhận để bao gồm nó trong giới hạn αHη (đơn vị mPa.s/m2) hoặc αHη (đơn vị
mPa.sm/kg), tương ứng.
Sử dụng thuật ngữ αHη hoặc αmη kháng lọc nằm giữa 1011 mPa.s/m2 (lọc rất nhanh) và
1016 mPa.s/m2 (gần như không thể lọc), hoặc từ 108 đến 1013 mPa.sm/kg, tương ứng.
4.1.2 Các phương trình của Kozeny và Carman
Các kháng của anpha vật liệu xốp phụ thuộc vào kích thước, số lượng các lỗ rỗng và cấu
trúc xốp của nó. Trong một xấp xỉ gần nhất nó có thể liên quan đến đường kính lỗ rỗng
thủy lực của một cấu trúc xốp dh:

ε là độ xốp (tỷ lượng theo thể tích trống) của môi trường xốp. S v là các bề mặt bên trong
cụ thể của vật liệu (vật liệu lọc hoặc bánh lọc) liên quan tới khối lượng của vật rắn. Trong
trường hợp một hệ các hạt hình cầu người ta có thể viết:

dS là đường kính Sauter, là đường kính trung bình của sự phân bố kích thước hạt, thu
được bằng cách chia tổng khối lượng của một hạt nhân với tổng diện tích bề mặt. Ta có
thể thấy rằng bề mặt riêng và đường kính lỗ rỗng thủy lực phụ thuộc mạnh mẽ vào kích
thước hạt.
Dựa trên một dòng chảy thành lớp bên trong một hệ thống xốp với lỗ rỗng có đường kính
thủy lực dh có thể đó được kết hợp với phương trình Darcy (1) một xấp xỉ hữu ích cho
điện trở suất của vật liệu xốp:
(3)

Phương trình (3) được gọi là phương trình Kozeny- Carman. Các kháng lọc, kết quả từ
phương trình này được mô tả trong hình 9 là một hàm của các hạt kích thước d S và độ xốp
ε. Trong ứng dụng thực tế kháng lọc bao gồm một phạm vi rất rộng của độ xốp. Hạt mịn,
nhất là bụi khô, thường tạo thành bánh với độ xốp cao đáng ngạc nhiên (xem hình 10).
Cùng số lượng bột (lọc bổ dung, kích thước hạt trung bình 5 mm) đã lắng trong nước
nước với pH khác nhau và trong không khí. Thể tích lắng đọng (và phần bề nổi nhìn rõ) là
15


khá khác nhau. Do đó sự kháng lọc phụ thuộc lớn vào kích thước hạt, bánh xốp và do đó
trong trường hợp của các hạt mịn trên bề mặt lực lượng sản xuất xốp này.

Hình 9. Trở lọc so với kích thước hạt.
(Phạm vi của các giá trị thông thường được so sánh với các đường thẳng được tính toán
theo phương trình Kozeny-Carman, (3))
Phương thức lọc cho bề mặt và bánh lọc được lựa chọn theo đường kính lỗ rỗng của nó
(đường kính thủy lực). Để giảm sức cản thủy lực của họ, chúng được sản xuất với độ xốp
cao.

Hình 10. Thể tích bị lắng của cùng thể tích lọc bổ sung (kích thước hạt 5 mm)
a) Trong nước ở pH 7; b) Trong nước ở pH 2; c) bột khô nén chặt bởi lực hấp dẫn riêng
của nó
16


4.2 BÁNH LỌC
4.2.1 Các công thức của bánh lọc
Sự sụt giảm áp lực trong một bộ lọc bao gồm độ giảm áp lực ∆P1 trên bánh theo phương
trình (1) và độ giảm áp lực ∆P2 trong môi trường lọc, có thể được viết như sau:
(4)

Trong đó b (đơn vị m-1) là sức chịu đựng của vật liệu lọc. Do đó, tổng số sụt áp là:

(5)

Hay

Nếu huyền phù được đồng nhất hỗn hợp, chiều cao bánh H (hoặc m/A) sẽ tỷ lệ thuận với
số lượng phần lọc. Sự ảnh hưởng của nồng độ và bánh xốp được mô tả bởi các yếu tố KH:
(6)
Hoặc
(7)
Trong đó m đại diện cho khối lượng của hạt trong bánh lọc, được độc lập từ bánh xốp.
Với phương trình (6) và (7) có được:
(8)
Hoặc

17


(9)

Công thức (8) và (9) là giống hệt nhau dưới dạng tổng quát hóa αH. KH = αm. Km. Tuy
nhiên sự khác biệt giữa cả hai phương trình rất hữu ích cho rõ ràng.
Các công thức (8) và (9) có thể được tích hợp vào tốc độ dòng chảy liên tục hoặc áp suất
không đổi. Tích hợp cho tốc độ dòng chảy liên tục dV/dt = const. Có các tính toán thông
thường:

Hoặc

Đối với ∆p = const. Kết quả nhận được:

(10)
Và

(11)
4.2.2 Đánh giá các thí nghiệm với sơ đồ tuyến tính
4.2.2.1 Sơ đồ tuyến tính với mẫu phân biệt
Nó thường rất hữu ích để tính toán trở lực thời của dòng chảy như một chức năng của thể
tích lọc. Các trở lực được đặc trưng bởi sự sụt giảm áp lực ∆p liên quan đến tốc độ dòng
chảy tức thời dV/dt. Sử dụng phương trình (4) hoặc (5) này có thể viết như sau:

18


(12)

Như trong hình 11A, cho ra một đường thẳng có độ dốc b và đoạn cắt a.

Đoạn cắt tượng trưng cho trở lực tại thời điểm đầu tiên của quá trình lọc, trước khi một
chiếc bánh được hình thành, do đó điện trở của vật liệu lọc bao gồm các lớp để phân chia
với bánh.
Độ dốc b chứa các kháng lọc α theo

Chèn KH hoặc Km (xem phương trình 6 và 7) tương ứng, dẫn đến

(13)
Và

(14)

19


Hình 11. Tuyến tính theo phương trình (12) và (15)
A) Sơ đồ tuyến tính trong các hình thức khác biệt
B) Sơ đồ tuyến tính trong các hình thức tích hợp

4.2.2.2 Sơ đồ tuyến tính trong mẫu hợp
Một cách tiếp cận bắt đầu từ các bộ lọc phương trình tích hợp (10) hoặc (11). Kết quả
thực nghiệm được vẽ theo

Nếu áp lực liên tục trong thời gian thử nghiệm, một đường thẳng sẽ được thu được

(15)

Đây là loại đồ thị vẫn còn rất phổ biến trong thực tế vì việc đánh giá thường dễ dàng hơn
hơn với phương trình (12). Giá trị thực nghiệm đo với một cái xô và một đồng hồ bấm giờ
có thể được đưa trực tiếp vào phương trình (15), trong khi đối với một sơ đồ khác chúng
phải được chuyển đổi thành thời tốc độ dòng chảy dV/dt.
Ngược lại trong công thức (15) đúng là chỉ cho ∆p = const. Hơn nữa, sơ đồ kết quả này ít
cho thấy rõ độ lệch từ tuyến tính hơn một sơ đồ dựa trên tỷ lệ lưu lượng tức thời. Ví dụ

20


chiếc bánh ngừng phát triển và giữ một trở lực liên tục này cho một đoạn bằng cũng rõ rệt
trong một biểu đồ khác, nhưng chỉ có một đường cong hyperbold trong sơ đồ tích hợp.
Trong trường hợp của một chu kỳ lọc ngắn, đánh giá ban đầu thực sự của quá trình lọc và
việc xác định sức cản của vật liệu lọc có thể là có vấn đề. Tichy cho thấy, đó là điểm giao
nhau của các đồ thị kết hợp của phương trình (12) và (15) là điểm khởi đầu thực tế. Ông

cũng cho thấy, rằng các sức cản quá trình lọc trung bình dựa trên thí nghiệm bộ lọc là cao
hơn nhiều so với sức cản trung bình đánh giá nhờ giảm áp lực của một chất lỏng sạch
(nước). Lý do cho rằng sự gia tăng là một trở lực bổ sung dựa trên một lỗ rỗng ngăn chặn
một phần của vật liệu lọc trong quá trình hình lớp đầu tiên.
4.2.2.3 Ví dụ
Quá trình nội suy của các kết quả thử nghiệm cho thấy trong hình 11 dẫn đến việc đường
cắt a và độ dốc b

a = 3.6 s/mL – 3.6 x 106 s/m3
Và

Các thông số sau đây được biết hoặc đo:
− Lọc áp lực = p = 1 bar = 105 N/m2
− Phạm vi lọc = A = 20 cm2 = 20x10-4 m2
− Tính nhớt = η = 0.001 Pa.s = 10-3 Ns/m2
− Chiều cao bánh = He = 37 mm
− Khối lượng bánh = me = 24.3g
− Khối lượng phần lọc = Ve = 154 cm3
Những yếu tố nồng độ:

Hoặc

21


Trở lực vật liệu lọc có thể được tính bằng cách:

Nếu độ xốp của bánh lọc là ε = 0,4 và một phần của chất lỏng bên trong bánh lọc được bỏ
qua, nồng độ chất rắn (như là một phần của tổng khối lượng) trong huyền phù là:

Từ phương trình (13) hoặc (14) trở lực bánh lọc có thể được tính bằng cách:

4.2.2.4 Độ lệch từ tuyến tính
Dữ liệu thực nghiệm rất thường xuyên khác với đặc điểm tuyến tính thể hiện trong hình
11. Các loại độ lệch chỉ ra bản chất của hiệu ứng thứ cấp (xem hình 12):
− Đường cong tuyến tính lý thuyết mà không có hiệu ứng thứ cấp (đường cong A, hình
12)
− Một số chất rắn đã lắng trước khi lọc bắt đầu, dường như tăng sức cản của vật liệu lọc
(đường cong B, Hình 12).

22


− Điểm khởi đầu của lọc không thể đo được một cách chính xác. Lọc bắt đầu trước khi
đo thời gian được tính (đường cong C, hình 12)
− Các chất rắn lắng hoàn toàn, tăng tốc độ tăng trưởng của bánh. Vào cuối quá trình lọc
chất lỏng trong suốt chảy qua bánh không đổi (đường cong D, Hình 12).
− Chỉ có hạt thô giải quyết. Sau một thời gian các hạt mịn còn lại sẽ được lọc và sức trở
tăng dần (đường cong E, hình 12).
− Hạt mịn chảy qua bánh và ngăn chặn các lỗ rỗng của bánh hoặc của vật liệu lọc. Quá
trình này có thể được mô tả như một phương pháp chặn lọc (đường cong F, hình. 8) (xem
phần 4.3).
− Xác định đầu hoặc điểm cuối của lọc có thể không chính xác. Điểm cuối cùng là đặc
biệt khó khăn để xác định nếu không có kính nhìn trong bộ lọc. Do đó, thường bỏ qua một
số điểm vào đoạn cuối của phép đo.
− Đặc tính bất thường của quá trình huyền phù giống như bong bóng bọt hoặc giọt dầu,
lưu biến phi-Newton của chất lỏng và đẳng thước, hạt platelike với định hướng đặc biệt
có thể sinh ra một loạt các hiệu ứng.
− Chất rắn có thể quá to để lắp đầy gần như toàn bộ hệ thống huyền phù. Quá trình này
sau đó giống như thay vì một biểu hiện hơn quá trinh lọc (Phần 4.2).

− Chất rắn kết tủa đôi khi tiếp tục tích tụ hoặc ''chín'' trong thời gian quá trình lọc.

Hình 12. Độ lệch tiêu biểu từ tuyến tính
A) Đồ thị phân biệt theo phương trình (12);
B) Đồ thị tích theo phương trình (15)

4.2.3 Hệ số nén của bánh lọc.
23


Hầu hết bánh lọc đều được nén, có nghĩa là giảm độ xốp của nó và tăng sức đề kháng với
áp lực ngày càng tăng. Sự gia tăng x lần áp suất lọc do đó thường đưa đến một sự gia tăng
nhỏ hơn x lần trong tỉ lệ nén dòng chảy.Lực nén của bánh là do ứng suất nén P S trên các
hạt và khuôn khổ của chúng gây ra bởi các lực kéo của chất lỏng chảy (xem hình 13). Sự
mất mát trong áp lực chất lỏng dpL trên một khoảng cách ngắn dh chuyển thành tăng chất
rắn áp lực dpS, tổng của cả hai áp lực ở một độ cao nhất định trong bánh h giữ không đổi:

Các trở lực cục bộ của quá trình lọc αloc trong bánh là một hàm của ứng suất nén p S cục bộ
và vì thế thấp ở bề mặt của bánh và cao ở gần mặt phân cách với các phương tiện lọc. Mối
quan hệ giữa trở lực và ứng suất nén αloc = f (pS) có thể được đo bằng một tế bào nén thấm
(tế bào CP).
Chỉ có chỉ số trở lực trung binh αav của bánh lọc (tất cả các lớp kết hợp) là quan trọng đối
với thực tế mục đích mở rộng. Nó có thể được tính từ αloc = f (pS) đo bằng một tế bào CP.

Hình 13. Áp lực thủy lực pL và áp lực rắn pS là hàm của chiều cao bánh
Đường cong a đại diện cho một bánh nén hơn đường cong b
Tuy nhiên bình thường, sẽ dễ dàng hơn nhiều để đo αav trực tiếp với các thí nghiệm lọc
trong một bộ lọc áp lực. Sự phân bố không đồng đều của độ xốp cục bộ và trở lực quá

24

trinh lọc sau đó được tính vào giá trị đo được. Trong trường hợp này sự khác biệt áp lực
trong thử nghiệm phải giống như trong các thiết bị nhà máy.
Sự phụ thuộc của trở lực lọc αav hoặc αloc có thể xấp xỉ với các phương trình khác nhau.
Ngoài ra một công thức về áp lực hạn chế (16) có thể được sử dụng:
(16)

αo là trở lực tại hệ số giảm áp tiêu chuẩn po và n là một chỉ số nén (bằng không cho bánh
không nén). Các thông số có thể được xác định một cách dễ dàng từ một biểu đồ logarit α
= f (pS), nơi độ dốc cho thấy chỉ số nén n. Đưa αloc vào phương trình (13) hoặc (14), ta có
thể được chứng minh rằng 0 (17)

nav = nloc

α0,av = (1 – n). α0,loc

(18)

Do đó, công thức gần đúng (16) có lợi thế vì nó áp dụng cho cả trở lực cục bộ lẫn trung
bình. Tuy nhiên, nó chỉ có giá trị cho một phạm vi hạn chế về áp lực và phương trình (17)
và (18) được giới hạn 0 Tiller và đồng nghiệp đã tích hợp một phương trình cho n> 1. Theo phương trinh này tốc
độ dòng chảy nhanh chóng đạt đến một giá trị không đổi với áp lực ngày càng tăng. Đối
với các mục đích thực nghiệm nó có thể gọi là “siêu thích hợp” cho bánh lọc với n> 1 (ví
dụ, một số lượng lớn bùn nước thải) mang lại tốc độ dòng chảy tương tự độc lập với áp
lực tác dụng: áp lực tăng chỉ làm tăng lớp nén liền kề với vải lọc. (Chiếc bánh giả thuyết
trong đó số lượng dòng chảy cao nhất với ' áp lực tối ưu'' và ít dòng chảy ở áp suất cao
hơn dường như không tồn tại. Trong ứng dụng thực tế, tuy nhiên, đầu ra của bộ lọc có thể

là tốt nhất với áp lực vừa phải, vì điều này tránh quá mức ngăn chặn của vật liệu lọc.
Đối với các mục đích thực nghiệm phương trình [16-18] thường bị bỏ qua và bánh nén
được xử lý bằng các phương trình tương tự như bánh không nén được, với α được định
nghĩa là trở lực riêng trung binh của bánh theo các điều kiện hoạt động.
Liên quan đến phân bố bánh nén, điều quan trọng là phải biết rằng độ xốp phân bố không
đều sau khi lọc. Các trở lực của quá trinh lọc thường được tập trung ở một lớp mỏng, lớp
nén phải đối mặt với vật liệu lọc, phần còn lại của bánh là rất xốp và ẩm ướt. Sự phân bố

25