Lọc cát, chức năng, cấu tao, hướng dẫn vận hành, tính toán thiết kế

Có nhiều loại bể lọc khác nhau, tuy nhiên ở bài học này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về bồn lọc cát (loại bồn lọc áp lực), thường được sử dụng nhiều trong thực tế.

Bồn lọc cát được dùng để lọc một phần hay toàn bộ cặn bẩn có trong nước. Khi lọc nước qua lớp vật liệu lọc, cặn bẩn bị lớp vật liệu giữ lại, còn nước được làm trong.

Khi lọc nước có chứa các cặn bẩn qua lớp cát có thể xảy ra các quá trình sau:

- Cặn bẩn chứa trong nước lắng đọng thành màng mỏng trên bề mặt của lớp vật liệu lọc (thường gọi mà màng lọc).

- Cặn bẩn chứa trong nước lắng đọng trong các lỗ rổng của lớp vật liệu lọc.

- Một phần cặn lắng đọng trên bề mặt tạo thành màng lọc, còn một phần khác thì lắng đọng trong các lỗ rổng của lớp vật liệu lọc

- Khi cặn bẩn lắng đọng tạo thành màng lọc trên bề mặt lớp vật liệu lọc tức là đã tạo ra một lớp lọc phụ có độ rỗng rất bé, có khả năng giữ lại những hạt cặn rất bé phân tán trong nước. Tổn thất thủy lực của màng lọc tăng nhanh, do vậy phải tiến hành rửa cặn bẩn chứa trong lớp vật liệu lọc thường xuyên.

Thân bồn được chế tạo bằng vật liệu thép, có độ dày khoảng 04 – 05mm. Tùy vào điều kiện kinh tế của chủ đầu tư, bề mặt trong của bồn đôi khi được phủ bằng lớp sơn epoxy hoặc phủ lớp cao su, nhằm bảo vệ lớp bề mặt không bị ăn mòn trong quá trình sử dụng.

Bồn lọc cát thường được chế tạo có 03 nắp : nắp trên đỉnh bồn, nắp dưới đáy bồn và nắp trên thân bồn (nằm gần phía đáy bồn). Đường kính của mỗi nắp thường bằng nhau và nằm trong khoảng 450 – 600mm tùy thuộc vào đường kính của thân bồn. Mục đích của các nắp này là để dễ dàng thay thế vật liệu lọc.

Ống phân phối nước của bồn lọc cát có thể được chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau: có thể là dạng phểu, dạng máng tràn, dạng ống xương cá đục lỗ, dạng ống xương cá có chụp lọc.

Mục đích của các dạng ống phân phối này là để phân phối nước cấp vào bồn lọc cát được đều hơn.

Bộ phận này tuy đơn giản nhưng rất quan trọng. Đường xả khí trên đỉnh bồn có tác dụng xả khí bị tích tụ trong bồn sau quá trình rửa ngược hoặc quá trình trộn vật liệu bằng khí. Nếu khí bị tích tụ trong bồn sẽ làm cho lưu lượng nước lọc bị giảm, áp suất cấp vào bồn tăng lên. Phần này sẽ được thảo luận cụ thể trong bài hướng dẫn vận hành bồn lọc cát.

Chụp lọc sử dụng cho bồn lọc cát cũng có nhiều hình hạng và kích thước khác nhau: dạng ống xương cá đục lỗ, chụp lọc.

Nếu bồn lọc cát sử dụng chụp lọc thì sẽ có một khoang để thu nước sau khi đi qua các chụp lọc này.

Nếu bồn lọc cát sử dụng loại ống xương cá đục lỗ thì nước sẽ chui qua các lỗ và đi thẳng vào ống trung tâm và đi ra ngoài.

Các mắt thăm bồn rất quan trọng, dùng để theo dõi, kiểm tra lớp vật liệu lọc có bị hao hụt hay không. Nếu lớp vật liệu lọc bị hao hụt là do bởi các chụp lọc đã bị hư hại, hoặc lưu lượng rửa ngược lớn làm trôi vật liệu ra ngoài.

Trong quá trình rửa ngược vật liệu lọc, cũng cần phải theo dõi quá trình các chất cặn bẩn tách ra khỏi lớp vật liệu thông qua mắt thăm bồn. Nếu nhìn thấy các chất cặn bẩn tách ra ít thì chứng tỏ các chất cặn bẩn này đã bám dính chắc vào vật liệu lọc, cần xem xét thay thế vật liệu lọc mới để nâng cao hiệu quả lọc.

Vật liệu của bồn lọc cát thường dùng cát thạch anh ở các bãi sông hay ở các mỏ cát lộ thiên. Các bạn có thể tham khảo các lớp vật liệu lọc được sắp xếp và phân bố trong bể lọc cát (loại bồn lọc áp lực) như sau:

Các lớp vật liệu lọc được đánh số thứ tự từ 01 đến 06 như trên hình vẽ

Khoảng cách giữa các lớp vật liệu lọc và kích thước của mỗi loại vật liệu lọc được mô tả chi tiết theo bảng dưới đây:

Trong thực tế, tùy thuộc vào bí quyết công nghệ của mỗi công ty, nên kích thước của vật liệu lọc và khoảng cách giữa các lớp sẽ khác nhau.

Vận hành bồn lọc cát bao gồm 02 pha: pha lọc và pha rửa lọc.

Tại pha lọc, nước được cấp vào bồn bởi bơm cấp nước lọc (raw water pump), thông qua phểu phân phối, dòng nước sẽ chạy từ trên xuống dưới, qua các lớp vật liệu lọc để loại bỏ các chất cặn bẩn lơ lửng.

Tùy theo tính chất của nước đầu vào, đối với chất lượng nước thủy cục, thì chu kỳ lọc của bồn lọc cát dao động trong khoảng từ 24 – 48 giờ. Nghĩa là sau khoảng thời gian lọc từ 24 – 48 giờ, sẽ kết thúc pha lọc và chuyển sang pha rửa lọc.

Pha rửa lọc bao gồm các bước sau:

Rửa lọc là bước quan trọng để loại bỏ các chất cặn bẩn bám trên bề mặt lớp vật liệu lọc trong suốt quá trình lọc.

Tại pha rửa lọc, nước được cấp vào bồn từ dưới đáy bồn bởi bơm rửa lọc (backwash pump), dòng nước sẽ chạy ngược từ dưới lên trên đỉnh bồn, các chất cặn bẩn sẽ được tách ra khỏi vật liệu lọc và đi ra ngoài thông qua phểu phân phối, nước của bước rửa lọc sẽ được thu gom vào hệ thống xử lý nước thải.

Nếu tốc độ và thời gian rửa lọc không đủ, quá trình rửa lọc sẽ không hiệu quả, vì các chất cặn bẩn vẫn còn bám dính trên bề mặt vật liệu lọc

Thông thường tốc độ của bước rửa lọc phải lớn gấp 03 – 05 lần tốc độ của pha lọc, thời gian rửa lọc khoảng 15 – 30 phút.

Sau bước rửa lọc, các chất cặn bẩn và vật liệu lọc đều bị xáo trộn, vì vậy cần có thời gian để ổn định vật liệu lọc và để các chất cặn bẩn nhả ra từ từ.

Thời gian thực hiện bước ngâm khoảng 05 – 10 phút.

Tại bước xả bỏ, nước được cấp vào bồn thông qua phểu phân phối, dòng nước sẽ chạy từ trên xuống dưới, các chất cặn bẩn lơ lửng vừa được tách ra bởi quá trình rửa lọc sẽ được cuốn trôi theo dòng nước xả đi ra ngoài, nước của bước xả sẽ được thu gom vào hệ thống xử lý nước thải.

Thời gian thực hiện bước xả bỏ khoảng 15 – 30 phút.

Quá trình vận hành bể lọc có thể được tóm tắt theo sơ đồ vận hành van như hình dưới đây:

Vận hành bồn lọc cát theo các bước như trên có thể được thực hiện tự động hoặc thực hiện bởi người vận hành.

Chế độ vận hành tự động được thực hiện bởi sự đóng mở của van tự động và sự hoạt động của bơm theo cài đặt thời gian cho trước.

Nếu hệ thống không tự động, người vận hành phải theo dõi thời gian hoạt động của hệ thống và thực hiện các bước theo hướng dẫn thời gian cài đặt.

Ngoài việc nắm rõ các bước vận hành pha lọc và pha rửa lọc, người vận hành cần phải ghi nhận và hiểu rõ các thông số vận hành của bồn lọc cát.

Trong quá trình vận hành các thông số thường có những hiện tượng như sau:

Lưu lượng và áp suất là hai thông số vận hành quan trọng của bồn lọc cát, cần lập kế hoạch, biểu mẫu để kiểm tra và ghi nhận các thông số này mỗi ngày.

Yêu cầu của kỹ sư khi thực hiện công việc tính toán và thiết kế là phải có sự hiểu biết đầy đủ về chức năng, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thiết bị nói chung và bồn lọc cát (loại bồn lọc áp lực) nói riêng. Đây là lý do vì sao bài học này được đưa vào cuối chương, và yêu cầu bạn phải thực sự nắm rõ các bài học trước thì mới lĩnh hội được bài học này nhanh và hiệu quả hơn.

Có rất nhiều tài liệu khác nhau trình bày về phương pháp tính toán thiết kế bồn lọc cát, chúng ta có thể tùy nghi tham khảo. Tuy nhiên trong thực tế, khách hàng không thể chờ bạn quá lâu cho việc báo giá xây dựng hệ thống xử lý nước, mà tính toán thiết kế là một bước trong quá trình báo giá đó.

Chính vì vậy, bài học này chỉ trình bày cách tính toán nhanh nhất và hiệu quả nhất để đáp ứng nhu cầu cho công việc thực tế.

Để tính toán kích thước bồn lọc cát (loại bồn lọc áp lực), ta cần hai thông số thiết kế quan trọng như sau:

- Lưu lượng nước cấp vào bồn lọc: ? m3/hr

- Tốc độc lọc yêu cầu, LV : 10 – 12 m/hr

Dựa vào hai thông số này ta có thể tính toán được đường kính của bồn lọc cát theo công thức như sau:

Ví dụ: Yêu cầu của khách hàng về lưu lượng nước sau lọc cát là 10m3/hr. Hãy xác định đường kính yêu cầu của bồn lọc cát ?.

- Q = 10m3/hr

- LV = 10m/hr

Đường kính yêu cầu của bồn lọc cát là:

Chúng ta có thể làm tròn số và chọn đường kính bồn lọc cát là : 0.9 (m) ≈ 900(mm)

Về chiều cao của bồn, chúng ta có thể chọn lựa kích thước trong khoảng 1800 – 2000 (mm). Như chúng ta đã biết, trong bài học số 01 của chương này, có nhắc đến chiều cao của lớp vật liệu lọc nằm trong khoảng 1100 – 1500 (mm), vì vậy chiều cao của bồn lọc cát cao khoảng 1800 – 2000 (mm) là đảm bảo vật liệu lọc không bị thoát ra ngoài trong quá trình rửa lọc.

Như vậy kích thước của bồn lọc cát sẽ là : D = Φ900 x 1800H (mm)

Lưu ý: chiều cao 1800mm là chiều cao của thân bồn tính từ lớp vật liệu dưới cùng đến mép của phểu hay máng phân phối nước.

Như vậy tính toán trên chỉ là cơ bản, chúng ta cần phải có thêm kích thước đầy đủ của các bộ phận chi tiết khác mới có thể chế tạo được bồn lọc cát. Tùy thuộc vào bí quyết công nghệ của mỗi công ty khác nhau, các bộ phận chi tiết này theo đó cũng sẽ được thiết kế khác nhau, chúng ta có thể tham khảo một vài thông số thiết kế theo như bảng dưới đây:

Đối với chụp lọc của bồn lọc cát, chúng ta chỉ cần chia đều số lỗ đảm bảo đều trên đường kính của bồn. Ví dụ đường kính của bồn lọc cát là Φ 900mm thì số lỗ chụp lọc khoảng 21 cái. Việc chia đều số chụp lọc trên đường kính cho trước được thực hiện dễ dàng với công cụ autocad.

Nhìn chung, các công ty đều có dữ liệu thiết kế riêng, nên công việc tính toán và thiết kế sẽ tiện lợi và dễ dàng hơn, điều quan trọng là chúng ta phải xây dựng nên dữ liệu thiết kế cần thiết đó.