Nghiên cứu quá trình tự rửa bể lọc vật liệu lọc nổi dùng cho các trạm cấp nước quy mô nhỏ tt

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI.
*******

NCS: Nguyễn Thanh Phong

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỰ RỬA BỂ LỌC VẬT LIỆU LỌC
NỔI DÙNG CHO CÁC TRẠM CẤP NƢỚC
QUY MÔ NHỎ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ sở hạ tầng
Mã số : 62.58.02.10

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2017


2

Công trình đƣợc hoàn thành tại: Bộ môn Cấp thoát nƣớc
Khoa Kỹ thuật Môi trƣờng – Trƣờng Đại học Xây Dựng Hà Nội

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Nguyễn Văn Tín
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2: PGS. TS. Trần Thanh Sơn

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm luận án cấp Trƣờng họp tại Trƣờng
Đại học Xây dựng Hà nội.
Vào hồi

giờ

ngày

tháng

năm 2017

Có thể tìm hiểu thêm thông tin tại thƣ viện Quốc gia và thƣ viện Trƣờng Đại học
Xây dựng Hà nội


3
MỞ ĐẦU
1.Tính cần thiết của đề tài
Đề tài nghiên cứu về quá trình tự rửa bể lọc VLL nổi, tìm ra phương pháp mới để
khởi động xi phông rửa lọc và các thông số của quá trình lọc, rửa lọc để tính toán thiết kế bể
bể lọc VLL nổi, không phụ thuộc vào cao trình dây chuyền công nghệ xử lý nước, khắc
phục những tồn tại của việc rửa lọc thủ công, nâng cao hiệu quả của các trạm cấp nước quy
mô nhỏ là rất cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Khởi động xi phông rửa lọc tự động căn cứ vào tổn thất áp lực tới hạn trong quá trình
lọc, ứng với thời gian bảo vệ lớp VLL nổi, bằng thiết bị khóa thủy lực.
- Rửa lọc bể lọc VLL nổi đạt hiệu quả sạch, để đảm bảo cho các chu kỳ lọc tiếp sau
làm việc ổn định, có chất lượng nước lọc luôn đạt yêu cầu.

- Đề xuất các thông số thiết kế bể lọc VLL nổi tự rửa.
3. Đối tƣợng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phạm vi ứng dụng
 Đối tượng nghiên cứu:
Quá trình tự rửa bể lọc VLL nổi được khởi động tự động bằng thiết bị khóa thủy lực đối
với hệ thống xi phông thu nước rửa lọc.
 Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu dùng thiết bị khóa thủy lực để khởi động xi phông thu nước rửa lọc của
bể lọc tự rửa dùng cho trạm cấp nước quy mô nhỏ.
- Nghiên cứu bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động xi phông bằng thiết bị khóa thủy lực,
lọc nước mặt đã keo tụ sau quá trình lắng.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về bể lọc VLL nổi và rửa lọc.
- Nghiên cứu viết phương trình vi phân mô tả quá trình lọc qua lớp VLL nổi, thành
lập phương trình biểu diễn sự thay đổi hàm lượng cặn theo thời gian và quá trình tăng tổn
thất qua lớp lọc theo thời gian
- Nghiên cứu cấu tạo hệ thống xi phông thu nước rửa lọc của bể lọc VLL nổi, dùng
thiết bị khóa thủy lực khởi động xi phông làm việc tức thời khi tổn thất áp lực lọc đạt đến
giá trị tới hạn và xác định các yếu tố liên quan đến việc khởi động xi phông.
- Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa, lọc nước trong dây
chuyền xử lý nước mặt đã keo tụ sau quá trình lắng.
- Đề xuất các thông số của quá trình lọc, rửa lọc, khởi động xi phông rửa lọc để phục
vụ công tác thiết kế bể lọc VLL nổi trong thực tiễn sản xuất.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp điều tra khảo sát:
- Phương pháp tổng hợp, phân tích và đánh giá các số liệu
- Phương pháp kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu đi trước.
- Phương pháp so sánh.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường.
- Phương pháp chuyên gia

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học
Việc nghiên cứu được thiết bị khóa thủy lực dùng để kích hoạt tự động để khởi động
hệ thống xi phông rửa lọc làm việc, là một phát kiến mới về công nghệ trong việc tự động


4
khởi động quá trình tự rửa bể lọc theo nguyên lý thủy lực, thiết bị này có cấu tạo và nguyên
lý làm việc rất đơn giản, không bị phụ thuộc vào cao trình dây chuyền công nghệ xử lý, phù
hợp trong việc quản lý vận hành đối với các trạm cấp nước quy mô nhỏ.
Nếu ứng dụng các kết quả nghiên cứu quá trình tự rửa bể lọc VLL nổi để tính toán,
thiết kế bể lọc VLL nổi tự rửa trong dây chuyền xử lý nguồn nước mặt có keo tụ, sẽ có được
bể lọc hoạt động tốt theo chế độ tự động khởi động hệ thống xi phông thực hiện quá trình rửa
lọc, khi đạt đến tổn thất áp lực lọc tới hạn của một chu kỳ lọc.
 Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu trên có thể áp dụng trong thực tiễn sản xuất, được dùng để
tính toán thiết kế và quản lý bể lọc VLL nổi tự rửa trong dây chuyền xử lý nước mặt, mang
lại hiệu quả kinh tế, xã hội cho các đối tượng cấp nước quy mô nhỏ, đặc biệt đối với cấp
nước nông thôn, cấp nước vùng sâu, vùng xa.
7. Những đóng góp mới của Luận án
1. Luận án đã thiết lập được: (1) phương trình (2-15) dạng tích phân gồm 2 số hạng mô tả
kết quả lọc nước mặt đã keo tụ sau quá trình lắng để tìm thời gian bảo vệ lớp VLL ứng với các
thông số xác định như: vận tốc lọc, chiều dầy lớp lọc, hiệu quả lọc yêu cầu; (2) Phương trình (230) dùng để xác định tổn thất áp lực lọc ứng với thời gian bảo vệ lớp VLL, làm căn cứ cho việc
xác định chiều cao khóa thủy lực để khởi động xi phông bắt đầu quá trình tự rửa lọc.
2. Đã có phát kiến về cấu tạo thiết bị khóa thủy lực, dùng làm thiết bị để khởi động xi
phông rửa lọc làm việc tự động tức thời, ngay sau khi trị số tổn thất áp lực lọc đạt đến giá trị tới
hạn (rửa tự động theo tín hiệu kích động dựa trên tổn thất áp lực lọc cho phép của một chu kỳ lọc,
mà không cần dùng các thiết bị van khóa cơ khí, không cần thiết bị điện, điện tử, không cần sự
điều khiển của con người, không phụ thuộc vào cao trình dây chuyền công nghệ xử lý nước).
3. Tiến hành thực nghiệm thiết bị mồi khởi động xi phông và đã tìm được: (1) mối

quan hệ chiều cao cột áp cần thiết để khởi động xi phông tỷ lệ thuận với chiều cao của khóa
thủy lực; (2) quan hệ giới hạn của chiều cao khóa thủy lực Hk với đường kính khóa thủy lực
Dk, theo biểu thức (3.4) hoặc theo biểu thức (3.6) là (5 <
< 10), dùng các biểu thức này
trong việc tính toán thiết kế chiều cao khóa thủy lực ứng với mỗi đường kính khóa thủy lực
để xi phông khởi động ổn định, phù hợp với tổn thất lọc giới hạn theo tính toán với thời gian
yêu cầu của chu kỳ lọc khi thiết kế bể lọc; (3) thành lập bảng tra đường kính xi phông mồi
bằng thiết bị khóa thủy lực với đường kính xi phông rửa lọc (bảng 4.17).
4. Các thông số lọc, các số hạng và hệ số dùng để thiết lập phương trình hồi quy từ
phương trình lý thuyết (2.15) và (2.30), được xác định từ kết quả thực nghiệm và lập thành
bảng (4.15) và bảng (4.16), có thể áp dụng trong việc tính toán thiết kế bể lọc VLL nổi tự
rửa, trong các dây chuyền xử lý nước mặt có keo tụ sau quá trình lắng, đạt chất lượng yêu
cầu của nước dùng cho ăn uống sinh hoạt.
8. Bố cục của luận án
Luận án được trình bày trong 138 trang; gồm 4 chương; 29 bảng biểu; 61 hình vẽ và
biểu đồ; 59 tài liệu tham khảo.


5
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ BỂ LỌC VLL NỔI VÀ RỬA LỌC
1.1 Khái quát về bể lọc VLL nổi trên thế giới và ở Việt Nam
1.1.1 Bể lọc VLL nổi trên Thế giới
a) Một số ưu điểm của lọc VLL nổi và hướng phát triển
Việc sử dụng VLL nổi làm giảm giá thành chuyên chở đến chân công trình so với VLL
cát. Việc sử dụng VLL nổi đồng thời cũng làm đơn giản kết cấu bể như không cần bơm rửa
lọc, không sử dụng hệ thống nâng đỡ VLL, tổn thất áp lực trong quá trình lọc nhỏ, giảm khối
lượng xây dựng hệ thống thu và tiết kiệm năng lượng và nước rửa lọc.
b) Một số ứng dụng của bể lọc VLL nổi
Bể lọc VLL nổi tự rửa được ứng dụng đầu tiên trên thế giới là dùng để xử lý nước thải
công nghiệp. Sau đó bể lọc VLL nổi cũng bắt đầu được ứng dụng trong công nghệ cấp nước

và được phản ánh qua các nghiên cứu của M.G.Zurba. Trong những năm gần đây bể lọc VLL
nổi bắt đầu được Nga phát triển và đưa ra thị trường. Bể lọc tự rửa VLL nổi do một số Công
ty chế tạo được ứng dụng nhiều cho xử lý nước ngầm và nước mặt tại Nga, Ukraina, Đức, Úc
và Mỹ.
1.1.2 Bể lọc VLL nổi ở Việt Nam
a) Bể lọc nổi không tự rửa
b) Bể lọc VLL nổi tự rửa
1.1.3 Bể lọc VLL nổi tự rửa trong các trạm cấp nước quy mô nhỏ
Khái niệm trạm cấp nước“quy mô nhỏ” trong xử lý nước cấp thường là căn cứ vào
công suất trạm xử lý, về đối tượng sử dụng, điều kiện kinh tế, trình độ quản lý vận hành và là
rất khác nhau giữa các Quốc gia trên Thế giới, giữa các vùng miền trong một đất nước
Các loại bể lọc tự rửa đang ứng dụng hiện nay đều dùng phương pháp rửa lọc bằng
nước thuần túy, nhờ hệ thống xi phông thu nước rửa lọc có thiết bị khởi động theo nguyên
lý thủy lực nên có cấu tạo không quá phức tạp, do vậy đối với các trạm cấp nước quy mô
nhỏ thì rất phù hợp với loại bể lọc tự rửa này, vì đối tượng sử dụng như đã nêu trên với
nhiều lý do nên chưa thể đáp ứng được các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và quản lý vận hành,
trong quá trình đầu tư xây dựng và duy trì hoạt động của trạm cấp nước.
1.2
VLL nổi và các đặc tính
1.2.1 Yêu cầu đối với VLL nổi
VLL là yếu tố cơ bản của các bể lọc VLL nổi, nó đem lại hiệu quả làm việc và tính
kinh tế của quá trình lọc. VLL được chọn xuất phát từ giá thành và điều kiện khai thác, vận
chuyển, đồng thời phải thỏa mãn một số yêu cầu cơ bản sau:
 Đảm bảo được thành phần hạt theo yêu cầu phân loại;
 Đảm bảo mức đồng nhất về kích thước hạt;
 Đảm bảo độ bền cơ học;
 Đảm bảo độ bền về hóa học đối với quá trình lọc nước, không thay đổi đối với nhiệt độ;
 Đảm bảo các chỉ tiêu vệ sinh không gây độc hại đối với sức khỏe con người.
1.2.2 Đặc tính của VLL nổi
1.3

Các phƣơng pháp rửa lọc đang sử dụng hiện nay
Sau một thời gian làm việc lượng cặn tích lũy trong lớp VLL đã nhiều, quá trình hấp
phụ cân bằng với quá trình tách cặn, lớp VLL không còn khả năng giữ cặn. Tổn thấp áp lực
qua lớp VLL vượt quá trị số đã chọn hoặc chất lượng nước lọc không đảm bảo theo yêu cầu
của quy phạm, cần phải rửa lớp VLL để phục hồi khả năng làm việc của nó, mục đích của
quá trình rửa lọc là tạo điều kiện để:


6
- Tách cặn bám ra khỏi bề mặt hạt VLL bằng lực ma sát và lực cắt do dòng nước
với cường độ lớn đi qua bề mặt hạt tạo ra.
- Làm giãn nở lớp VLL để tăng thể tích các khe rỗng, tạo điều kiện thuận lợi cho
các hạt cặn đã được tách ra khỏi bề mặt hạt VLL nổi chuyển động xuống dưới cùng với
nước để tháo ra ngoài.
1.3.1 Tự rửa lọc bể lọc trọng lực theo nguyên lý thủy lực
 Ở trong nước
 Ở nước ngoài
 Bể lọc cát hở rửa liên tục:
 Bể lọc cát tự động rửa theo chu kỳ:
 Bể lọc cát không có van khoá và rửa theo chu kỳ
1.3.2 Rửa lọc bể lọc VLL nổi
Đối với bể lọc VLL nổi có một số phương pháp rửa lọc đã được sử dụng ở trong và
ngoài nước như sau:
a)
Rửa bằng khóa đóng mở nhanh thao tác bằng tay
Khi thao tác rửa bể lọc bằng phương pháp này, cần dùng tay đóng mở khóa một cách
đột ngột. Giai đoạn đầu, cường độ đóng mở van nhanh để tạo nước va thuỷ lực nhằm phá vỡ
các hạt cặn đã dính kết. Giai đoạn tiếp theo chủ yếu là xả nốt lượng nước và cặn còn lại
trong lớp VLL nổi.
b)

Tự rửa bể lọc VLL nổi theo nguyên lý thủy lực
Khi rửa lọc đối với bể lọc VLL nổi thì chiều của dòng nước rửa cùng chiều với chiều
chuyển động của hạt vật liệu do nước rửa lọc gây ra, đây là điểm khác cơ bản và ngược so với
bể lọc VLL trọng lực, điều này lại là một thuận lợi rất lớn trong việc làm sạch hạt VLL vì cặn
bẩn tách ra cuốn đi cùng chiều với lực trọng trường.
Bể lọc VLL nổi tự rửa là công trình hoạt động không cần quản lý quá trình rửa lọc. Bể có
thể tự điều chỉnh quá trình rửa lọc mà không cần sự điều khiển của công nhân hay các thiết bị
điều khiển phức tạp trong quá trình làm việc cũng như quá trình rửa lọc do đó nó giúp giảm chi
phí vận hành và nâng cao hiệu quả làm việc của trạm xử lý.
1.4
Nhận xét, đánh giá về bể lọc VLL nổi và phƣơng pháp rửa bể lọc VLL nổi.
1.4.1 Đánh giá về bể lọc VLL nổi
a)
Tình trạng vận hành, quản lý các bể lọc VLL nổi hiện nay
Việc áp dụng bể lọc VLL nổi mang lại một số ưu thế trước bể lọc VLL trọng lực: (1)
qui trình rửa lọc đơn giản hơn, không cần trang bị bơm rửa lọc; (2) tiết kiệm năng lượng và
nước; (3) tổn thất qua lớp VLL nổi nhỏ; (4) cấu tạo bể đơn giản nên giảm được giá thành
xây dựng.
b)
Đánh giá chung về nguyên nhân làm giảm chất lượng nước đã lọc
Trong các nguyên nhân trên thì việc không tuân thủ chế độ rửa lọc là nguyên nhân làm
giảm chất lượng nước mà người thiết kế khó kiểm soát được mặc dù đã có những lý thuyết
chung để rửa bể lọc và đã có các đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ nghiên cứu quy trình rửa
lớp VLL nổi, thế nhưng với một số trạm cấp nước đặc biệt là những trạm công suất nhỏ cấp
cho các vùng dân cư nông thôn, miền núi thì rất khó để họ thực hiện đúng các quy trình vận
hành. Một vấn đề đặt ra là đối với những nơi mà thiếu người có trình độ chuyên môn trong
lĩnh vực chuyên ngành, thì việc lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp với khả năng quản lý vận
hành mới phát huy được hết hiệu quả đầu tư
1.4.2 Đánh giá về quá trình tự rửa lọc
Rửa bể lọc bằng phương pháp tự rửa khởi động xi phông bằng thiết bị ejector thủy

7
lực đã được nghiên cứu và sử dụng khá lâu đối với công nghệ xử lý nước cấp ở Việt Nam và
trên Thế giới. Về nguyên lý tách cặn bám dính trên lớp VLL thì vật liệu cát và VLL nổi
cũng có cơ chế tương đối giống nhau, do vậy bể lọc VLL nổi về nguyên tắc cũng có thể áp
dụng các phương pháp tự rửa và có thể cho kết quả như các biện pháp rửa lọc khác.
Trong quá trình thu thập số liệu, khảo sát thực tế nhận thấy rằng các trạm có sử dụng
công nghệ bể lọc tự rửa hiện nay đều dùng thiết bị ejector thủy lực để khởi động xi phông
thực hiện quá trình rửa lọc. Như vậy nguyên lý này có một số vấn đề nảy sinh liên quan đến
bể như: (1) làm cho khó kiểm soát được chu kỳ rửa lọc dẫn đến không hiệu quả và nhiều
trường hợp bể phải ngừng hoạt động; (2) không lợi dụng được ưu điểm về cao trình đặc biệt
đối với nguồn nước mặt. Đây chính là một vấn đề rất quan trọng trong việc lựa chọn cao
trình trong dây chuyền công nghệ xử lý liên quan đến thiết kế thiết bị ejector điều khiển việc
khởi động xi phông, có thể điểm qua một số bể lọc trong lực tự rửa khởi động xi phông theo
nguyên lý ejector thủy lực đang sử dụng hiện nay.
Những vấn đề nêu trên cho thấy cần phải nghiên cứu thiết bị mồi cho hệ thống xi
phông thu nước rửa lọc thực hiện tự động quá trình rửa lọc đối với bể lọc VLL nổi.
1.5
Tình hình nghiên cứu liên quan đến bể lọc VLL nổi
1.5.1 Các luận án và luận văn
1/. Sử dụng bể lọc VLL nổi trong cấp nước cho các đối tượng nhỏ và quân đội[21].
Luận án PTS.KHKT của Phạm Ngọc Thái tại Trường tại Đại học Bách Khoa BRNO Tiệp
Khắc năm 1986.
2/. Nghiên cứu sử dụng bể lọc VLL nổi trong dây chuyền công nghệ khử sắt nước
ngầm bằng phương pháp làm thoáng cho các trạm công suất nhỏ[19]. Luận án Tiến sỹ kỹ
thuật của tác giả Nguyễn Văn Tín tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội năm 1998.
3/.Nghiên cứu bể lọc VLL nổi trong dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp quy mô
nhỏ[14]. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Cấp Thoát nước của tác giả Nguyễn Thanh Phong,
năm 2008.

1.5.2 Các dự án và đề tài NCKH
1/. Nâng cao hiệu quả xử lý các nguồn nước mặt có độ đục cao bằng giải pháp lọc phụ
trợ[20]: Đề tài nghiên cứu cấp Bộ của tác giả Phạm Ngọc Thái và Dương Hán, năm 1996 –
Công ty tư vấn cấp thoát nước và môi trường VN.
2/. Nghiên cứu quy trình rửa bể lọc VLL nổi và các thông số tính toán thiết kế hệ thống
rửa bể lọc VLL nổi[18]: Báo cáo đề tài NCKH cấp Bộ của tác giả Nguyễn Văn Tín, 2001.
3/. Trạm xử lý nước cho nông thôn dùng bể lọc tự rửa công suất nhỏ, bể lắng Lamen,
thiết bị khử sắt- Cơ quan thực hiện là Viện Kỹ thuật Môi trường – Đại học xây dựng Hà nội
thực hiện năm 1995 – 1996 (đề tài NCKH cấp Trường).
4/. Nghiên cứu công nghệ tự rửa bể lọc VLL nổi xử lý nước cấp cho sinh hoạt- Khoa Kỹ
thuật Hạ tầng và Môi trường Đô thị[15] đề tài nghiên cứu độc lập cấp Nhà nước mã số
ĐTĐL.2009/T02 do TS. Trần Thanh Sơn, Nguyễn Thanh Phong và nhóm nghiên cứu - Trường
Đại học Kiến trúc Hà nội, thực hiện từ năm 2009 đến năm 2014.
1.5.3 Nhận xét chung
Tất cả các đề tài luận án, luận văn và NCKH đều thuộc loại đề tài nghiên cứu ứng
dụng có các kết quả là:
- Nghiên cứu phạm vi áp dụng của bể lọc tự rửa cho các trạm cấp nước công suất nhỏ
cấp cho khu vực nông thôn, thị trấn, thị tứ, nhà máy, xí nghiệp…
- Nghiên cứu quá trình lọc, phương pháp rửa lọc bể lọc trọng lực, bể lọc VLL nổi cho
các trường hợp cụ thể.


8
- Tuy nhiên, trong các nghiên cứu trên đều dùng phương pháp rửa lọc cưỡng bức thủ công,
hoặc tự rửa lọc với việc khởi động xi phông bằng thiết bị ejector thủy lực.
- Việc khởi động xi phông thực hiện quá trình tự rửa lọc theo thiết bị ejector thủy lực
trong những nghiên cứu trên vẫn cần sự trợ giúp áp lực để ejector tạo chân không từ bơm ly
tâm.
- Bể lọc VLL nổi tự rửa chưa được nghiên cứu thực nghiệm đối với nguồn nước mặt ở
Việt Nam.

1.6 Những vấn đề còn tồn tại và hƣớng nghiên cứu của đề tài
1.6.1 Những vấn đề còn tồn tại
Cho tới thời điểm hiện tại qua quá trình thu thập số liệu để thực hiện luận án của
mình, tác giả chưa thấy có đề tài, luận án hay nghiên cứu nào có kết quả công bố về khởi
động xi phông, hoặc nếu có nghiên cứu thì có thể do tính chất của nghiên cứu để phục vụ
sản xuất thương mại nên chưa công bố.
Mặc dù bể lọc VLL nổi đã được ứng dụng rất nhiều đối với nguồn nước mặt nhưng cho đến
nay vẫn chưa có những nghiên cứu đề xuất thông số để thiết kế bể lọc VLL nổi trong dây chuyền
công nghệ xử lý nước mặt, lọc nước sau quá trình lắng.
Những tồn tại trên đây làm cho nhiều bể lọc có hiệu quả lọc giảm dần theo thời gian khai
thác vận hành, làm giảm công suất và có trường hợp phải ngừng lọc để thay lớp VLL đã bị “đóng
bánh”, hoặc ngừng lọc vì bể liên tục rửa lọc, hay không tự rửa lọc mà phải can thiệp rửa “cưỡng
bức”, điều này đã ảnh hưởng đến sinh hoạt và sản xuất của nhiều đối tượng ở nhiều vùng miền
trên cả nước.
1.6.2 Hướng nghiên cứu của đề tài
Hướng nghiên cứu của đề tài là: (1) nghiên cứu phương pháp dùng thiết bị khóa thủy lực để
khởi động xi phông thực hiện quá trình tự rửa lọc, hoạt động không cần sự trợ giúp từ van khóa
cơ khí hay bất cứ thiết bị điện, điện tử nào, không phụ thuộc vào cao trình dây chuyền công nghệ
xử lý nước; (2) nghiên cứu các thông số để làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế bể lọc VLL nổi
tự rửa trong dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt có keo tụ sau quá trình lắng, ứng dụng trong
thực tiễn sản xuất cụ thể như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết về lọc và rửa lọc, tự rửa lọc, lý thuyết tính toán
xi phông và khởi động xi phông thu nước rửa lọc để làm cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm liên
quan đến các mối quan hệ và thông số tính toán thiết kế khởi động xi phông thực hiện quá trình tự
rửa bể lọc VLL nổi bằng thiết bị khóa thủy lực.
- Nghiên cứu mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để tìm ra phương pháp “khởi
động xi phông bằng thiết bị khóa thủy lực”, để thực hiện quá trình tự rửa bể lọc VLL nổi mà
không cần dùng van khóa cơ khí, không cần thiết bị điều khiển điện, điện tử, không cần sự điều
khiển của con người và không phụ thuộc vào cao trình dây chuyền công nghệ xử lý nước.
- Nghiên cứu mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa

thủy lực, lọc nước mặt có dùng hóa chất keo tụ sau bể lắng, trong dây chuyền xử lý nước của Xí
nghiệp KDNS số 5, thành phố Hải Dương nhằm mục đích: (1) kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu
trong phòng thí nghiệm về khởi động xi phông bằng thiết bị khóa thủy lực; (2) xác định các thông
số thực nghiệm dùng để thiết kế bể lọc VLL nổi tự rửa trong dây chuyền xử lý nước mặt có keo
tụ dùng trong các trạm cấp nước quy mô nhỏ.


9
Chƣơng 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH LỌC VÀ TỰ RỬA LỌC
BỂ LỌC VLL NỔI
2.1

Lý thuyết về lọc và rửa lọc VLL nổi

2.1.1 Quá trình lọc nước qua lớp VLL nổi dạng hạt
Phương trình lý thuyết cơ bản của quá trình lọc, nó phản ánh đặc tính của quá trình
lọc nước qua lớp VLL nổi.

C
aρ
 bC 
(2.5)
x
v
Trong phương trình (2.5) có hai biến giá trị là C và . Có nghĩa là một phương trình
(2.5) không đủ điều kiện để mô tả quá trình lọc. Ở đây phương trình thêm vào thứ hai có thể
là phương trình cân bằng vật chất. Qua một đơn vị diện tích của mặt cắt trong một đơn vị
thời gian thì có một khối lượng thể tích nước bằng vận tốc lọc v đi qua.
Viết lại phương trình (2.3) dưới
dạng vi phân khi lọc đối với hạt VLL nổi

qua mặt cắt I-I và II-II có thể tích ΔV. Ta
có được phương trình cân bằng lượng cặn
của quá trình giảm cặn với tốc độ giảm cặn
là (-b.C), xem hình 2.2:


Hình 2.2. Sơ đồ tính thể tích
lớp VLL nổi
Q(C0- Ct) = ΔV. (-b.C)
V
C 
. (-b.C)
Q

Mà ΔV = f. Δx và

(2.7)

Q
 v (trong đó: f- diện tích lọc; Δx- chiều dầy lớp lọc; v- vận tốc lọc)
f

thay vào (2.7) ta có:
x
C 
. (-b.C)
v
dC
b
  . dx

C
v
Mà

(2.6)

dx
 dt , thay vào (2.9) ta có:
v

(2.8)
(2.9)


10

dC
  b. dt
C
Tích phân phương trình (2.9) và (2.10) ta được:

C t  C0 .e



b. x
v

(2.11)

C t  C0 .e b.t
Phương trình (2.11) chỉ rõ độ giữ cặn

(2.10)

(2.12)

Ct
phụ thuộc vào chiều dầy x của lớp VLL và vận tốc lọc
C0

v, vận tốc lọc càng lớn thì đòi hỏi chiều dầy lớp VLL tăng theo. Phương trình (2.12) chỉ rõ khi đã
có chiều dày x và vận tốc lọc v thì hiệu quả lọc sẽ phụ thuộc vào thời gian t. Bằng thực nghiệm sẽ
tính được thời gian cần thiết của chu kỳ lọc.
Viết lại phương trình (2.4) dưới dạng vi phân:

dρ 

a.ρ
. dx
v

dx
 dt , thay vào (2.13) thu được:
v
dρ
 a. dt
ρ
Tích phân phương trình (2.14) thu được:

(2.13)

Mà

(2.14)

ρ  ρgh .ea.t
Tổng hợp 2 quá trình giữ cặn và tách cặn qua lớp VLL nổi theo (2.2) thu được
phương trình:

C t  C0 .e b.t  ρ gh .e a.t

(2.15)
Từ đây ta thấy Ct là hàm số của thời gian lọc t ứng với nguồn nước mặt đã trộn hóa
chất keo tụ, với chiều dầy lớp lọc x và vận tốc lọc v đã biết, bằng thực nghiệm xác định
được thời gian của một chu kỳ lọc đảm bảo chất lượng nước sau lọc yêu cầu, mục đích để
thiết lập được biểu đồ thông số thực nghiệm như (hình 2.3). (cách thí nghiệm và xử lý số
liệu xem chương 4).

Hình 2.3. Sự thay đổi hàm lượng cặn trong nước lọc theo thời gian[11]


11
2.1.2 Quy luật tăng tổn thất áp lực khi lọc nước qua lớp VLL nổi dạng hạt
Sự thay đổi cấu trúc của lớp VLL nổi khi tích lũy cặn
Tổn thất áp lực trong lớp VLL
Tổn thất áp lực trong quá trình lọc bằng một loại hạt đồng nhất có thể trình bày dưới
dạng sau:
a)
b)

h  5,2.10 3..v.

ω 02 L
dx
3 
m0 0 
1  ρ
 m 0 .







(2.27)

3

Sử dụng công thức (2.27) để tính tổn thất áp lực của bể lọc rất khó khăn, bởi vì mật
độ bão hòa ρ thay đổi không chỉ do độ dày của lớp lọc mà còn thay đổi theo thời gian.
Dùng phương pháp mô
hình hóa quá trình lọc cho phép
thu được lời giải đầy đủ chính
xác, và biểu diễn được ở dạng
thuận tiện hơn cho việc tính
toán thực tế, đồng thời rút gọn
rất nhiều khối lượng tính toán,
mục đích để thiết lập được

biểu đồ thông số thực nghiệm
như (hình 2.5). (cách thí
nghiệm và xử lý số liệu xem
Hình 2.5. Biểu đồ tăng tổn thất lọc theo
chương 4).
thời gian[11]
(2.29)
Có thể viết lại phương trình (2.29) theo biểu đồ tăng tổn thất áp lực lọc theo thời gian
mô tả trên hình (2.5) như sau:
H = H0 + tg . t ; (cm)
(2.30)
2.1.3 Rửa lọc bể lọc VLL nổi
a)
Đặc điểm của việc rửa lọc đối với VLL nổi
b)
Cường độ rửa lọc VLL nổi
c)
Độ giãn nở của VLL nổi
d)
Phương pháp rửa lọc bể lọc VLL nổi
Bảng 2.1. Thông số vận hành của bể lọc VLL nổi xử lý nguồn nước
mặt có trộn hóa chất keo tụ tạo bông[15].
Thông số VLL
Dạng vật
liệu lọc
Hạt
polystirene
đồng nhất
Hạt PE

Thông số rửa lọc

Đƣờng kính
hữu dụng,
De (mm)

Chiều
dầy VLL
(m)

Cƣờng độ
rửa lọc
(l/s.m2)

Thời gian
rửa lọc
(phút)

Độ giãn
nở
(%)

1,22 - 3,19

1,0-1,2

10-12

3-4

30-40

1,17 - 1,63

1,0-1,2

10-12

3-4

40-50


12
2.2 Cơ sở lý thuyết thủy lực hệ thống xi phông rửa lọc.
2.2.1 Lý thuyết tính toán xi phông
Cơ sở tính toán dựa trên các công thức và phương trình cơ bản thủy lực học.
2.2.2 Phân tích hiện tượng ngắt chân không trong xi phông
2.2.3 Lựa chọn tín hiệu khởi động xi phông trong bể lọc tự rửa.
Khi đạt đến tín hiệu cần rửa bể lọc thì cần một tác động “tự động” khởi động xi
phông để xi phông làm việc, nghĩa là việc bắt đầu quá trình rửa lọc được thực hiện ứng với
một tín hiệu của thông số lọc đạt đến giá trị tới hạn. Như vậy dùng tín hiệu tăng tổn thất lọc
đến giá trị tới hạn sẽ phù hợp với phương pháp khởi động xi phông theo nguyên lý thủy lực.
2.3
Những vấn đề liên quan đến khởi động xi phông thực hiện quá trình tự rửa lọc
2.3.1 Bơm chân không trong việc khởi động xi phông
Nhược điểm của phương pháp này là để khởi động được xi phông thì cần có bơm
chân không và các thiết bị điều khiển bằng điện, điện tử và cả sự điều khiển, tác động của
con người thì quá trình mới được thực hiện.
2.3.2 Ejector tạo chân không trong việc khởi động xi phông

2.3.3 Xi phông định lượng tự động phân phối nước theo chu kỳ
2.3.4 Vai trò của khóa thủy lực trong việc khởi động xi phông
Đoạn ống cong hình chữ U có thể xem nó như một thiết bị khởi động và gọi thiết bị
này là (khóa thủy lực), với chiều cao cột nước tĩnh Hk (hình 2.14) luôn giữ giá trị cân bằng
áp suất pk = γHk, áp suất trong chuông do cột nước dâng lên trong thùng định lượng tạo ra có
giá trị pkđ = γHkđ.
Để phá vỡ trạng thái cân bằng trong khóa thủy lực thì pkđ > pk có nghĩa là:
γHkđ > γHk
Hkđ – khoảng cách tính từ đỉnh ống trong chuông xi phông đến mực nước Max trong
thùng định lượng tạo ra áp suất tới hạn khởi động xi phông.
Hk – khoảng cách tính từ đáy của khóa đến mực nước trên đỉnh khóa thủy lực
Chú thích:
1. chuông úp ngược
2. khóa thủy lực
3. ống ngắt chân không
4. ống dẫn xả sau xi phông
5. ống dẫn xả sau khóa thủy lực
6. ống thông khí

Hình 2.14. Vai trò của khóa thủy lực trong xi phông định lượng phân phối nước theo
chu kỳ[9,58]
Vai trò của khóa thủy lực trong việc khởi động xi phông được thể hiện trong hai trường hợp:
Trường hợp 1: Nếu không có thiết bị khóa thủy lực ở phía hạ lưu của xi phông thì
nước sẽ chảy tràn qua đỉnh xi phông theo nguyên tắc bình thông nhau.
Trường hợp 2: Nếu có thiết bị khóa thủy lực thì khí ở trong xi phông sẽ bị nén lại, do
áp suất của cột nước dâng lên ở thượng lưu xi phông và cột nước trong khóa thủy lực ở hạ
lưu xi phông tạo ra, làm cản trở dòng nước ở thượng lưu xi phông không bị chảy tràn qua
đỉnh xi phông.

13
2.4
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực
2.4.1 Cấu tạo của bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực
Chú thích:
1 - ngăn phân phối nước vào bể;
2 - xi phông rửa lọc;
3 - khóa thủy lực ;
4 - VLL nổi;
5 - thể tích chứa nước rửa lọc;
6 - hệ thống phân phối nước đều;
7 - tấm lưới chắn VLL nổi;
8 - ống ngắt chân không trong xi
phông;
9 - thùng đặt khóa thủy lực
hướng dòng nước lọc
hướng dòng nước rửa lọc

Hình 2.15. Cấu tạo bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực
Nước được đưa vào bể lọc qua ngăn phân phối nước vào bể (1), chảy qua hệ thống
phân phối đều nước (6) rồi đi qua lớp VLL nổi (4). Khi hàm lượng cặn trong lớp VLL tăng
lên làm cho tổn thất áp lực cũng tăng lên theo, khi mực nước dâng lên đến xi phông rửa lọc
thì bị dừng lại do áp suất khí trong xi phông lớn hơn áp suất của cột nước dâng lên ở ống
phân phối. Như vậy nước không chảy tràn qua xi phông là do có thiết bị khóa thủy lực với
cột nước áp suất thủy tĩnh cản lại, mực nước vẫn tiếp tục tăng ở ngăn phân phối nước vào bể
lọc, đến giá trị pkđ= γHkđ và bằng cột nước áp suất có trong khóa thủy lực, khi đó chỉ cần
một gia tăng nhỏ về áp suất cũng dẫn đến sự mất cân bằng áp suất trong khóa thủy lực làm
cho nước trong khóa thủy lực bật ra bắt và đầu quá trình khởi động xi phông. Khi xi phông

làm việc, nước rửa lọc từ trên thùng chứa nước rửa lọc (5) chảy qua lớp VLL (4) làm lớp
VLL nổi giãn ra gây nên sự xáo trộn, dưới tác dụng của lực cắt dòng nước rửa lọc dẫn đến
cặn bị tách khỏi sự bám dính vào VLL và bị dòng nước cuốn đi qua hệ thống phân phối
nước đều (6), qua xi phông (2) qua khóa thủy lực (3) vào thùng chứa khóa thủy lực (9) tràn
qua ngưỡng tràn sang ngăn chứa và xả ra ngoài. Khi mực nước trên thùng chứa nước rửa lọc
(5) giảm đến miệng ống ngắt chân không trong xi phông (8), không khí sẽ theo ống này vào
xi phông dẫn đến xi phông ngừng hoạt động, kết thúc rửa lọc và bắt đầu chu kỳ lọc mới.
2.5 Giả thiết khoa học và các bƣớc nghiên cứu thực nghiệm
2.5.1 Các giả thiết khoa học trong nghiên cứu thực nghiệm
Giả thiết 1: Nếu dùng thiết bị khoá thuỷ lực lắp vào phía hạ lưu của xi phông thì có
thể tự động khởi động xi phông và có thể dùng xi phông mồi bằng thiết bị khóa thủy lực
(với đường kính nhỏ) để khởi động xi phông rửa lọc (có đường kính lớn) để thực hiện quá
trình tự rửa bể lọc VLL nổi.
Giả thiết 2: Việc áp dụng xi phông mồi bằng thiết bị khóa thủy lực để khởi động xi
phông rửa lọc đối với bể lọc VLL nổi tự rửa, sẽ không phụ thuộc vào cao trình dây chuyền
công nghệ xử lý nước, tiết kiệm chi phí vận hành, quá trình tự rửa sẽ diễn ra đúng thời điểm
cần rửa, đúng cường độ rửa lọc, đúng thời gian rửa lọc và rửa sạch được lớp VLL nổi, khắc
phục được hạn chế của việc rửa lọc thủ công, đảm bảo chất lượng nước sau các chu kỳ lọc
luôn ổn định và đạt yêu cầu.
2.5.2 Các bước nghiên cứu thực nghiệm


14
Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM KHỞI ĐỘNG
XI PHÔNG BẰNG THIẾT BỊ KHÓA THỦY LỰC
3.1 Cơ sở và nguyên tắc thiết kế mô hình thí nghiệm khởi động xi phông bằng thiết bị
khóa thủy lực
3.1.1 Cơ sở lý thuyết tương tự trong mô hình thí nghiệm khởi động xi phông
Mô hình hóa là phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô hình của một quá
trình thay vì nghiên cứu trực tiếp quá trình đó ở dạng tự nhiên (thực địa). Như vậy cần xây

dựng mô hình trên cơ sở lý thuyết về mô hình hóa và áp dụng lý thuyết tương tự trong quá
trình thiết lập mô hình thí nghiệm.
3.1.2 Nguyên tắc chung để thiết kế mô hình thí nghiệm khởi động xi phông
3.2 Thiết kế mô hình khởi động xi phông trong phòng thí nghiệm
3.2.1 Mục đích và nội dung thí nghiệm khởi động xi phông
Mục đích thí nghiệm trong mô hình khởi động xi phông là dùng thiết bị khóa thủy lực
lắp vào ống dẫn ở phía hạ lưu của xi phông nhằm tìm ra các mối quan hệ về mặt thủy lực để
khởi động xi phông.
3.2.2 Mô hình thí nghiệm khởi động xi phông
a)
Mô tả sơ đồ mô hình thí nghiệm khởi động xi phông

Hình 3.1. Mô hình thí nghiệm khởi động xi phông bằng thiết bị khóa thủy lực
1- ngăn phân phối; 2- xi phông; 3- khóa thủy lực; 4- bảng đo áp; 5- ống ngắt chân không
trong xi phông; 6- ống nối đo áp; 7- thùng chứa khóa thủy lực; 8- ống thủy tinh quan sát
mực nước.
b)
Địa điểm và thời gian thực hiện thí nghiệm mô hình khởi động xi phông
Mô hình thí nghiệm được đặt tại sảnh tầng 2, phòng thí nghiệm thủy lực Trường Đại
học Kiến Trúc Hà nội.
Thời gian thí nghiệm từ tháng 7 năm 2011 đến tháng 12 năm 2011.


15
3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu, quy trình thí nghiệm và vận hành mô hình khởi động
xi phông trong phòng thí nghiệm
3.3.1 Phương pháp nghiên cứu mô hình khởi động xi phông
Thí nghiệm được nghiên cứu trên các khóa thủy lực có đường kính khác nhau từ
đường kính nhỏ đến đường kính lớn trong giới hạn cho phép thực hiện của mô hình và phạm
vi ứng dụng trong thực tế sản xuất, sao cho đủ cơ sở số liệu kết quả thí nghiệm để tìm ra các

thông số, các quan hệ ảnh hưởng đến quá trình tự khởi động của xi phông.
Thí nghiệm với các loại đường kính khóa thủy lực với số đợt và số lần thí nghiệm
cho từng chiều cao khóa thủy lực cụ thể ghi ở bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thống kê và các đợt thí nghiệm khởi động xi phông với sự thay đổi chiều cao
khóa thủy lực ứng với mỗi đường kính khóa
TT

Đường kính trong khóa
thủy lực
(mm)

Tổng số đợt thí
nghiệm (Đợt)

Tổng số lần trong
các đợt thí nghiệm

1

D18

21

70

2

D24

22

72

3

D30

26

83

4

D38

27

86

5

D44

26

82

6

D56

28

88

3.3.2 Quy trình thí nghiệm mô hình khởi động xi phông
Quy trình thí nghiệm bao gồm các công đoạn sau:
 Chuẩn bị mô hình thí nghiệm bao gồm chuẩn bị lắp đặt mô hình, chuẩn bị nguồn
nước cấp cho thí nghiệm, chuẩn bị các loại khóa thủy lực có chiều cao khóa thay đổi ứng
với mỗi loại đường kính.
 Vận hành mô hình thí nghiệm để xác định: (1) quan hệ giữa cột áp cần thiết với
chiều cao khóa thủy lực để tự khởi động xi phông; (2) quan hệ giới hạn giữa chiều cao khóa
thủy lực với mỗi loại đường kính khóa để xi phông khởi động ổn định.
 Ghi chép, xử lý số liệu thí nghiệm: Số liệu thí nghiệm được lập thành các bảng
ứng với mỗi loại đường kính khóa thủy lực.
 Đánh giá kết quả thí nghiệm
3.3.3 Vận hành mô hình thí nghiệm khởi động xi phông
Vận hành mô hình và ghi lại thông số trên hai ống đo áp ở hai thời điểm: (1) khi cao
trình mực nước trong ngăn phân phối đến điểm tới hạn khởi động xi phông; (2) Khi xi
phông hoạt động ổn định, ghi lại cao trình mực nước dâng lên trên ống thủy tinh ở thời điểm
xi phông khởi động.
3.3.4 Kết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Kết quả thí nghiệm được lập thành các bảng (từ bảng 3.2 đến bảng 3.7 chương 3)

3.3.5 Kết quả thí nghiệm về mối quan hệ giữa tăng cột nước áp suất với chiều cao của khóa
thủy lực đối với các đường kính (D18 đến D56) để khởi động xi phông
Kết quả các đợt thí nghiệm được lập thành bảng, mỗi bảng ghi kết quả thí nghiệm với
một đường kính khóa xác định tương ứng với sự thay đổi chiều cao khóa khác nhau.

16

Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm khởi động xi phông với đường kính
khóa thủylực D18
Ngày thí Đợt thí
nghiệm nghiệm
(1)

(2)

Mực nước trong ống đo
Cột áp khởi
Chiều
Số lần lặp
Đường
Trạng thái xi phông
áp
khi
xi
phông
khởi
động
động
xi phông
lại
kính khóa cao khóa
H=(H2-H1)
Khởi
Không
thí nghiệm D (mm)

Hk(cm) H (cm)
H2 (cm)
1
(cm)
động
khởi động
(3)

(4)

(5)

Đợt 1
Đợt 2
29/7/2011 Đợt 3

3
3
3

3
5
6

Đợt 4
Đợt 5
Đợt 6
Đợt 7
30/8/2011 Đợt 8
Đợt 9

Đợt 10
Đợt 11
Đợt 12
1/8/2011
Đợt 13
Đợt 14
Đợt 15
Đợt 16
2/8/2011
Đợt 17
Đợt 18
Đợt 19
3/8/2011 Đợt 20
Đợt 21

5
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
5

3
4
5

7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

18

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

0
0
1

3
3
2

5
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
5
2
0

1

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
4
4

26.9

33.0

6.1

26.5
25.9
25.5

24.9
24.5
24.0
23.4
22.9
22.4
21.9
21.4
20.8
20.5
19.9
19.5
13.3

33.5
34.1
34.5
35.1
35.6
36.0
36.7
37.1
37.5
38.0
38.7
39.1
39.6
40.1
40.5
41.5

7.0
8.0
9.0
10.2
11.1
12.0
13.2
14.2
15.1
16.1
17.1
18.2
19.2
20.2
21.0
22.1

19.5

40.5

21

Nhận xét:
 Xi phông khởi động ổn định khi
(7cm ≤ Hk ≤ 21cm).
 Xi phông không khởi động khi
Hk < 6cm
 Xi phông khởi động không có

quy luật khi Hk ≥ 24cm
 Xi phông khởi động không ổn
định khi Hk = 6cm và Hk = 22cm

Hình 3.2. Quan hệ giữa chiều cao cột áp cần thiết với chiều cao khóa thủy lực D18 để xi
phông khởi động
3.3.6 Kết quả thí nghiệm về mối quan hệ giữa chiều cao của khóa thủy lực ứng với
đường kính khóa để xi phông hoạt động ổn định
Dựa vào các bảng kết quả ở trên, xây dựng được biểu đồ xác định trạng thái khởi động
xi phông khi thay đổi chiều cao khóa thủy lực ứng với các đường kính khóa lực (hình 3.8).


17

không khởi động
khởi động không ổn định

khởi động ổn định có quy luật
khởi động không có quy luật

Hình 3.8. Biểu đồ xác định trạng thái khởi động xi phông với sự thay đổi chiều cao khóa
thủy lực ứng với các đường kính khóa

Hình 3.9. Đường cong xác định giới hạn chiều cao khóa thủy lực lớn nhất với các
đường kính khóa để xi phông khởi động ổn định

Hình 3.10. Biểu đồ xác định chiều cao khóa thủy lực nhỏ nhất với các đường kính khóa
để xi phông khởi động ổn định

18

Hình 3.11. Biểu đồ đường cong giới hạn khoảng chiều cao khóa thủy lực
ứng với các đường kính khóa để xi phông khởi động ổn định
Từ biểu đồ “Hình 3.11” có hai đường cong y1 và y2 giới hạn khoảng chiều cao khóa
thủy lực để xi phông khởi động ổn định. Từ đây thiết lập được biểu thức quan hệ giới hạn
của chiều cao khóa thủy lực k với đường kính khóa
k để xi phông khởi động ổn
định dưới đây:
(3.4)
k
3.3.7 Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm mô hình khởi động xi phông bằng thiết
bị khóa thủy lực trong phòng thí nghiệm
Để phù hợp với thực tế sản xuất và thuận tiện hơn trong việc tính toán, biến đổi (3.4)
thành biểu thức không thứ nguyên, khi đó quan hệ giới hạn chiều cao khóa thủy lực với
đường kính khóa được lựa chọn theo biểu thức sau:
<

< 10

(3.6)

Những kết quả có được từ thí nghiệm mô hình khởi động xi phông bằng thiết bị khóa thủy lực:
i) Chiều cao cột áp cần thiết để khởi động xi phông tỷ lệ thuận với chiều cao của
khóa thủy lực.
ii) Xi phông sẽ khởi động khi cột nước áp suất tăng đến giá trị tới hạn được tính từ
đường chuẩn đi qua đáy xi phông đến cao trình mực nước cao nhất trong ống phân phối
nước vào bể lọc bằng chiều cao khóa thủy lực (Hkđ =Hk)
iii) Biểu thức quan hệ giới hạn của chiều cao khóa thủy lực Hk với đường kính khóa
thủy lực Dk xác định theo (3.4), (3.6), được sử dụng để tính toán thiết kế chiều cao khóa

thủy lực ứng với các đường kính khóa khác nhau để xi phông khởi động ổn định, phù hợp
với tổn thất áp lực cần thiết khi thiết kế bể lọc ứng với thời gian yêu cầu của chu kỳ lọc.


19

Chƣơng 4: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM BỂ LỌC VLL NỔI TỰ
RỬA KHỞI ĐỘNG BẰNG THIẾT BỊ KHÓA THỦY LỰC
4.1
Cơ sở và nguyên tắc thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi
động bằng thiết bị khóa thủy lực
4.1.1 Cơ sở thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị
khóa thủy lực
 Nghiên cứu lựa chọn VLL để phục vụ công tác thực nghiệm
 Xác định độ gia tăng tổn thất áp lực lọc
 Xác định chiều dầy của lớp VLL nổi
 Xác định cường độ rửa lọc, thời gian rửa lọc, độ giãn nở lớp VLL
4.1.2 Nguyên tắc chung để thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi
động bằng thiết bị khóa thủy lực
4.2
Thiết kế mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị
khóa thủy lực ngoài hiện trƣờng
4.2.1 Mục đích thực nghiệm ngoài hiện trường
4.2.2 Nội dung thực nghiệm ngoài hiện trường
4.2.3 Mô hình thực nghiệm ngoài hiện trường
a)
Mô tả sơ đồ mô hình thực nghiệm ngoài hiện trường.
Các thông số thiết kế mô hình thực nghiệm được lập thành bảng 4.1 và sơ đồ mô
hình giới thiệu ở hình 4.1.

Hình 4.1. Mô hình thí nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa
khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực
1- ngăn phân phối; 2- xi phông rửa lọc; 3- xi phông mồi; 4- khóa thủy lực; 5- ống ngắt chân không
trong xi phông; 6- ống nối thông khí; 7- thùng chứa khóa thủy lực; 8- bảng đo áp ; 9- ngăn chứa
nước rửa lọc; 10- VLL nổi.


20
b)
Nguyên lý hoạt động của mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động
bằng thiết bị khóa thủy lực
c)
Địa điểm và thời gian thực hiện thí nghiệm ngoài hiện trường.
Mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực
được đặt sau bể lắng, lọc nước có trộn hóa chất keo tụ sau bể lắng trong dây chuyền công
nghệ xử lý nước mặt của Xí nghiệp KDNS số, thành phố Hải Dương.
Thời gian thực hiện thí nghiệm từ tháng 12 năm 2012 đến tháng 4 năm 2013.
4.3
Phương pháp nghiên cứu, quy trình thí nghiệm và vận hành mô hình thực nghiệm bể
lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực ngoài hiện trường
4.3.1 Phương pháp nghiên cứu mô hình ngoài hiện trường.
Mô hình được lắp đặt tại vị trí sau bể lắng với mục đích; nước đưa vào để lọc đã
được keo tụ và lắng trong đến hàm lượng cặn yêu cầu theo quy phạm (≤ 10mg/l, trường hợp
đặc biệt tới 12mg/l) và khi đó vai trò của bể lọc là làm trong nước đến giới hạn hàm lượng
cặn cho phép cấp cho nhu cầu ăn uống sinh hoạt. Quá trình thực nghiệm được tiến hành trên
hai loại VLL là hạt PE và hạt polystyrene với các đợt thí nghiệm có các vận tốc lọc khác
nhau từ thấp đến cao nhưng không đổi trong mỗi chu kỳ lọc (bảng 4.2)
Bảng 4.2. Thống kê các đợt thí nghiệm các loại VLL nổi, với các thông số lọc và rửa lọc
đối với mô hình thực nghiệm quá trình tự rửa bể lọc VLL nổi
STT

1
2
3
4
5
6

Nguồn nước thí
nghiệm

Loại VLL nổi

Nước sau bể lắng trong
Hạt
dây chuyền xử lý nước polystyrene
mặt có trộn hóa chất
keo tụ, tại Xí nghiệp
KDNS số 5 - Thành phố
Hạt PE
Hải Dương

Đợt thí
nghiệm

Các thông số lọc, rửa lọc
Vận tốc
v(m/h)

Đợt 1

5.00

Đợt 2

9.60

Đợt 3

13.80

Đợt 1

5.00

Đợt 2

9.60

Đợt 3

13.60

Cường độ rửa Thời gian rửa
lọc (l/s.m2)
lọc (phút)

12.00

4.00

4.3.2 Quy trình thí nghiệm mô hình ngoài hiện trường
4.3.3 Vận hành mô hình thí nghiệm ngoài hiện trường.

Việc ghi số đo trên các ống đo áp và đo độ đục của nước trước và sau lọc được thực hiện
định kỳ sau các khoảng thời gian xác định trong quá trình làm việc của bể lọc. Dự kiến thời điềm
xi phông khởi động quá trình tự rửa lọc để chủ động ghi lại các số liệu về: thời điểm khởi động xi
phông mồi bằng thiết bị khóa thủy lực; khoảng thời gian từ khi xi phông mồi bắt đầu làm việc đến
khi xi phông rửa lọc khởi động; khoảng VLL giãn nở khi rửa lọc; sau khi xi phông rửa lọc ngừng
hoạt động, bể lọc phải tự động bắt đầu một chu kỳ lọc mới.
4.4
Kết quả nghiên cứu mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng
thiết bị khóa thủy lực ngoài hiện trƣờng
4.4.1 Kết quả nghiên cứu mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng
thiết bị khóa thủy lực với VLL là hạt polystyrene
Kết quả thí nghiệm được tổng hợp thành từng bảng, mỗi bảng thí nghiệm cho một
loại VLL ở một vận tốc lọc không đổi trong mỗi chu kỳ lọc, từ bảng kết quả ghi được, thiết
lập biểu đồ mối quan hệ giữa hàm lượng cặn của nước sau lọc với thời gian lọc, thiết lập
biểu đồ quan hệ giữa tổn thất áp lực lọc với thời gian lọc, các biểu đồ này là cơ sở để xác
định tổn thất áp lực lọc giới hạn ứng với thời gian bảo vệ lớp VLL để khởi động xi phông
thực hiện quá trình tự rửa bể lọc VLL nổi.``


21
Bảng 4.3. Kết quả thí nghiệm đợt 1 lần 1 với VLL là hạt polystyrene, v= 5m/h
Thời
gian(giờ)

Ngày thí
nghiệm
1

12/03/2013

13/3/2013

14/3/2013

2
14h15
16h
18h
20h
22h
24h
2h
4h
6h
8h
10h
12h
14h
16h
18h
20h
22h
24h
2h
4h
6h
8h

9h20

Vận tốc
lọc
v,(m/h)
3

5.00

Hàm lượng cặn
(mg/l)
Trước lọc

Sau lọc

4
6.20
5.80
5.90
5.40
9.00
5.50
5.60
6.50
6.40
4.60
5.60
7.60
6.50
6.60

7.00
7.30
7.00
7.00
7.20
6.80
7.90
8.10
6.50

5
2.56
1.17
0.65
0.43
0.42
0.44
0.47
0.49
0.51
0.56
0.44
0.45
0.51
0.53
0.50
0.49
0.53
0.57
0.59

0.61
0.63
0.65
0.71

Cột nước
trong ống đo
áp (cm)
h1
h4
6
11.80
12.00
12.20
13.30
13.60
13.70
13.90
14.20
14.50
15.20
17.60
19.10
21.30
22.50
24.30
25.20
27.70
30.10
32.10

33.12
34.20
35.80
36.00

7
8.00
8.10
8.10
8.40
8.40
8.40
8.40
8.40
8.40
8.40
8.40
8.50
8.50
8.50
8.60
8.50
8.40
8.40
8.40
8.40
8.40
8.40
8.40

Tổng tổn thất qua
các lớp VLL nổi
(cm)

Ghi Chú

h = h1-h4
8
3.80
3.90
4.10
4.90
5.20
5.30
5.50
5.80
6.10
6.80
9.20
10.60
12.80
14.00
15.70
16.70
19.30
21.70
23.70
24.72
25.80
27.40

27.60

9
Xi phông mồi theo
nguyên lý khóa thủy
lực khởi động vào
9h20'; khoảng 30
giây sau đó xi phông
rửa lọc khởi động và
bắt đầu quá trình tự
rửa lọc; độ giãn nở
của VLL khi đó xác
định được là 34%,
ứng với cường độ rửa
lọc là 12 l/s.m2; thời
gian rửa lọc 4 phút.
Sau đó bể ngừng rửa
lọc và tiếp tục chu kỳ
lọc mới

Tự rửa lọc

Hình 4.2. Sự thay đổi hàm lượng cặn của nước sau lọc theo thời gian
VLL là hạt polystyrene, v = 5m/h (lần thí nghiệm 1)


22

Hình 4.3. Biểu đồ tăng tổn thất áp lực lọc theo thời gian VLL là hạt polystyrene,
v = 5m/h (lần thí nghiệm 1)

4.4.2 Kết quả nghiên cứu mô hình thực nghiệm bể lọc VLL nổi tự rửa khởi động bằng
thiết bị khóa thủy lực với VLL là hạt PE
4.4.3 Nhận xét và đánh giá chung về kết quả thực nghiệm mô hình bể lọc VLL nổi tự
rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực
4.5 Những vấn đề rút ra đƣợc từ Luận án
4.5.1 Kết quả thu nhận được từ Luận án
a) Bổ sung vào công nghệ để thiết kế bể lọc VLL nổi tự rửa dùng cho các trạm cấp
nước quy mô nhỏ
b)
Nghiên cứu thành công phương pháp mới trong việc khởi động xi phông bằng
thiết bị khóa thủy lực
c)
Kết quả thu được từ thực nghiệm mô hình bể lọc VLL nổi tự rửa lọc nước mặt đã
được keo tụ sau quá trình lắng
d)
Sự phù hợp về điều kiện kinh tế và quản lý vận hành
4.5.2 Đề xuất các thông số tính toán thiết kế và phạm vi áp dụng đối với bể lọc VLL nổi
tự rửa

a)
Đề xuất các thông số thực nghiệm xác định tổn thất áp lực lọc giới hạn ứng với thời
gian bảo vệ lớp VLL để khởi động xi phông thực hiện quá trình tự rửa
 Phƣơng trình hồi quy xác định sự thay đổi hàm lƣợng cặn theo thời gian

C t  C0 .e b.t  ρ gh .e a.t ; (mg/l)
trong đó:
Ct - hàm lượng cặn đầu ra bể lọc, mg/l; g/m3
C0 - hàm lượng cặn đầu vào bể lọc, mg/l; g/m3
a - thông số lọc xác định cường độ bứt các hạt cặn; 1/h.
b - thông số lọc xác định cường độ bám dính các phần tử chất bẩn; 1/h.

gh - mật độ chất bẩn lấp đầy trong khe rỗng của lớp vật liệu lọc trong một chu kỳ
lọc; g/m3; kg/m3.
t: thời gian của một chu kỳ lọc (xác định theo thời gian bảo vệ lớp VLL).
Thông số (a,b và ρgh) được lấy trong bảng (4.15) dưới đây.


23
Bảng 4.15. Bảng tra các thông số lọc xác định cƣờng độ bứt các hạt cặn (a) và cƣờng
độ bám dính phần tử chất bẩn (b)
Vận tốc Mật độ chất Hệ số tách Hệ số bám Thời gian bảo
ST
Hạt VLL nổi
lọc v,
cặn a,
dính b,
vệ lớp VLL
bẩn gh,
3
T
(m/h)
(1/h)
(1/h)
t,(h)
(kg/m )
1

2

Polystyrene

PE

5
9,6
13,8
5
9,6
13,6

1,25
1,25

0,007
0,00033
0,015
0,0088
0,021
0,0025

1,17
1,17
1,20
1,29

0,122
0,212
0,274
0,116
0,243
0,302

48
24
18
48
24
18

 Phƣơng trình hồi quy xác định độ tăng tổn thất áp lực lọc theo thời gian
H = H0 + tg * t; cm
trong đó:
H: tổng tổn thất sau thời gian của một chu kỳ lọc; cm.
H0: tổn thất qua lớp VLL sạch; cm.
tg: trị số xác định từ biểu đồ thực nghiệm; cm/h.
t : thời gian của một chu kỳ lọc
Thông số (H0 và tg,) được lấy trong bảng (4.16) dưới đây.
Bảng 4.16. Bảng tra các thông số xác định tổn thất áp lực lọc theo thời gian
STT

Hạt VLL nổi

1

Polystyrene

2

PE

Vận tốc lọc,

(m/h)
5
9,6
13,8
5
9,6
13,6

Tổn thất qua lớp
VLL sạch Ho, (cm)
3,15
9,10
10,40
4,95
10,52
18,78

tg
(cm/h)
0,99
0,64
1,26
0,69
0,81
1,41

b)
Đề xuất bảng tra đường kính xi phông mồi bằng thiết bị khóa thủy lực với
đường kính xi phông rửa lọc
Bảng 4.17. Bảng tra đường kính xi phông mồi bằng thiết bị khóa thủy lực với

đường kính xi phông rửa lọc
STT

1

Đƣờng kính xi phông mồi
bằng thiết bị
khóa thủy lực DxpM (mm)

18

24

Đƣờng kính
xi phông
rửa lọc DxpR (mm)

Khoảng thời gian
để khởi động
xi phông rửa lọc (phút)

40
50
65
80
100
125
65

0,5

0,8
1,3
2,0
3,1
4,9
0,7


24

2

24

3

30

4

38

5

44

6

56

80
100
125
150
80
100
125
150
200
100
125
150
200
250
125
150
200
250
300
150
200
250
300
350

1,1
1,7
2,7
3,8
0,7

1,1
1,7
2,5
4,4
0,7
1,1
1,5
2,7
4,3
0,8
1,2
2,0
3,2
4,6
0,7
1,3
2,0
2,8
3,8

c)
Đề xuất giải pháp nối thông phần bể chứa nước rửa lọc khi có nhiều đơn nguyên
bể lọc VLL nổi tự rửa cùng làm việc
Giải pháp 1: cần thiết lập để thời điểm bắt đầu đưa các đơn nguyên bể lọc VLL nổi tự rửa vào hoạt
động là khác nhau.
Giải pháp 2: thiết kế lựa chọn mỗi bể có chiều cao khóa thủy lực khác nhau căn cứ vào tổn thất áp lực
lọc giới hạn yêu cầu.

d)
Đề xuất thông số tính toán xi phông rửa lọc

e)
Đề xuất phạm vi ứng dụng bể lọc VLL nổi tự rửa trong dây chuyền công nghệ
xử lý nguồn nước mặt
Từ bản chất lý hóa của quá trình keo tụ nêu trên có thể xác định phạm vi ứng dụng của bể lọc VLL nổi tự
rửa khởi động bằng thiết bị khóa thủy lực trong dây chuyền xử lý nước mặt thỏa mãn các điều kiện sau:
 Các nguồn nước mặt sông hồ ở Việt Nam nếu đảm bảo các chỉ tiêu nằm trong ngưỡng giá trị
giới hạn A1 và A2 theo QCVN 08: 2008/BTNMT - quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nguồn
nước mặt dùng cho mục đích cấp cho sinh hoạt;
 Nước được trộn hóa chất để keo tụ tạo bông.
 Nước đưa vào bể lọc đã được xử lý sau quá trình lắng trong và đạt yêu cầu theo TCXDVN
33-2006 (hàm lượng cặn sau quá trình lắng trước khi vào bể lọc ≤10mg/l; trường hợp đặc biệt
cho phép đến 12mg/l).


25
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận:
Kết hợp nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm, tác giả
Luận án đã thực hiện được những mục tiêu nghiên cứu đề ra, thể hiện bằng các kết quả đạt
được và cũng là những đóng góp mới của Luận án:
1. Bằng quá trình nghiên cứu lý thuyết đã thiết lập được: (1) phương trình (2-15)
dạng tích phân gồm 2 số hạng mô tả kết quả lọc nước mặt đã keo tụ sau quá trình lắng để
tìm thời gian bảo vệ lớp VLL ứng với các thông số xác định như: vận tốc lọc, chiều dầy lớp
lọc, hiệu quả lọc yêu cầu; (2) Phương trình (2- 30) dùng để xác định tổn thất áp lực lọc ứng
với thời gian bảo vệ lớp VLL, làm căn cứ cho việc xác định chiều cao khóa thủy lực để khởi
động xi phông bắt đầu quá trình tự rửa lọc.
2. Qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống tự rửa bể lọc (rửa tự động theo
tín hiệu kích động dựa trên tổn thất áp lực lọc cho phép của một chu kỳ lọc, mà không cần
dùng các thiết bị van khóa cơ khí, không cần thiết bị điện, điện tử, không cần sự điều khiển
của con người), đã có phát kiến về cấu tạo thiết bị khóa thủy lực, dùng làm thiết bị để khởi

động xi phông rửa lọc làm việc tự động tức thời, ngay sau khi trị số tổn thất áp lực lọc đạt
đến giá trị tới hạn.
3. Tiến hành thực nghiệm thiết bị mồi khởi động xi phông và đã tìm được: (1) mối
quan hệ chiều cao cột áp cần thiết để khởi động xi phông tỷ lệ thuận với chiều cao của khóa
thủy lực - xi phông sẽ khởi động khi cột nước áp suất Hkđ đạt đến giá trị tới hạn, được tính
từ đường chuẩn đi qua đáy xi phông đến cao trình mực nước cao nhất trong ống phân phối
nước vào bể lọc bằng chiều cao khóa thủy lực Hk; (2) quan hệ giới hạn của chiều cao khóa
thủy lực Hk với đường kính khóa thủy lực Dk, theo biểu thức (3.4) hoặc theo biểu thức (3.6)
là (5 <
< 10), dùng các biểu thức này trong việc tính toán thiết kế chiều cao khóa thủy
lực ứng với mỗi đường kính khóa thủy lực để xi phông khởi động ổn định, phù hợp với tổn
thất lọc giới hạn theo tính toán với thời gian yêu cầu của chu kỳ lọc khi thiết kế bể lọc; (3)
thành lập bảng tra đường kính xi phông mồi bằng thiết bị khóa thủy lực với đường kính xi
phông rửa lọc (bảng 4.17).
4. Các thông số lọc, các số hạng và hệ số dùng để thiết lập phương trình hồi quy từ
phương trình lý thuyết (2.15) và (2.30), được xác định từ kết quả thực nghiệm và lập thành
bảng (4.15) và bảng (4.16), có thể áp dụng trong việc tính toán thiết kế bể lọc VLL nổi tự
rửa, trong các dây chuyền xử lý nước mặt có keo tụ sau quá trình lắng, đạt chất lượng yêu
cầu của nước dùng cho ăn uống sinh hoạt.