Hà Nội, Chủ nhật Ngày 05/07/2020

Ứng dụng mô hình thực nghiệm bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa 

Mtđt, 20:20 05/09/2017

Bể lọc vật liệu lọc (VLL) nổi rửa lọc bằng cách dùng khóa đóng mở nhanh được áp dụng rộng rãi trong công nghệ xử lý nước ở nhiều địa phương trong cả nước...

ĐẶT VẤN ĐỀ
Bể lọc vật liệu lọc (VLL) nổi rửa lọc bằng cách dùng khóa đóng mở nhanh được áp dụng rộng rãi trong công nghệ xử lý nước ở nhiều địa phương trong cả nước, bể lọc VLL nổi tự rửa đã bước đầu được nghiên cứu và ứng dụng đối với nguồn nước ngầm.

Tuy nhiên sau khi khảo sát các bể lọc tự rửa (cả bể lọc trọng lực và bể lọc VLL nổi) thì thấy rằng các hệ thống xi phông đều sử dụng phương pháp Ejector để thực hiện khởi động quá trình tự rửa lọc. Để Ejector tạo ra áp suất chân không cần thiết để khởi động xi phông thì cần động năng dòng chảy qua Ejector đủ lớn làm cho cao trình mực nước dẫn vào bể tăng cao, ngoài ra còn một vấn đề là hệ thống xi phông trên không thể điều chỉnh được chu kỳ rửa lọc cho phù hợp với sự thay đổi của chất lượng nước đầu vào, như vậy còn tồn tại hai vấn đề về kỹ thuật đối với xi phông tự rửa lọc theo nguyên lý Ejectorlà: (1) Không tận dụng được cao trình trong dây chuyền công nghệ xử lý nước nói chung và nhất là trong cao trình dây chuyền công nghệ xử lý nguồn nước mặt; (2) Khó có thể điều chỉnh được chu kỳ lọc cho phù hợp với sự biến động chất lượng nguồn nước đầu vào.

Do vậy việc nghiên cứu quá trình tự rửa theo nguyên lý thủy lực với mục đích tìm ra phương pháp mới để khởi động xi phông trong bể lọc VLL nổi tự rửa để bổ sung vào lý thuyết tính toán thiết kế khởi động xi phông quá trình rửa lọc, khắc phục được những vấn đề tồn đọng đã nêu và mang lại hiệu quả kinh tế xã hội cho các đối tượng cấp nước nhỏ, cấp nước nông thôn, cấp nước vùng sâu, vùng xa.

Tác giả đã công bố kết quả nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm khởi động xi phông trong bể lọc tự rửa bằng cách tạo áp suất dư nhờ khóa thủy lực hình chữ U và đã tìm ra; (1) Quy luật quá trình tăng tổn thất lọc theo thời gian tỷ lệ thuận với chiều cao của khóa thủy lực hình chữ U để khởi động xi phông - xi phông sẽ khởi động khi mực nước dâng lên tới giá trị 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; (2) thiết lập được biểu thức giới hạn chiều cao khóa thủy lực (k) với đường kính khóa k).

Để thuận lợi hơn trong tính toán thiết kế khóa thủy lực hình chữ U, có thể lựa chọn theo biểu thức kinh nghiệm được rút ra từ biểu thức (*) là < Hk Dk (Trong đó: Hk là chiều cao của khóa thủy lực tính bằng cm; Dk là đường kính khóa thủy lực tính bằng mm)[4].

Tuy nhiên để ứng dụng những kết quả nghiên cứu trên vào bể lọc tự rửa còn có rất nhiều vấn đề đặt ra như làm thế nào để khởi động những xi phông có đường kính lớn, rửa lọc bằng xi phông tự rửa có khả năng làm sạch VLL để các chu kỳ lọc tiếp sau có chất lượng nước ổn định? Khả năng của VLL là hạt PE so với VLL là hạt Polystyrene đang thường sử dụng hiện nay. Vì vậy cần nghiên cứu mô hình thực nghiệm với bể lọc VLL nổi tự rửa, dùng khóa thủy lực hình chữ U khởi động xi phông để nghiên cứu khả năng ứng dụng loại bể lọc này trong công nghệ xử lý nước cấp cho sinh hoạt.

THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM BỂ LỌC VẬT LIỆU LỌC NỔI TỰ RỬA THEO NGUYÊN LÝ THỦY LỰC

Thiết kế mô hình thí nghiệm

Mục đích thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm ngoài hiện trường khi cần kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về khởi động xi phông theo nguyên lý khóa thủy lực ứng dụng đối với công trình bể lọc VLL nổi tự rửa trong thực tế. Các chỉ tiêu cần xem xét gồm: (1) quy luật quá trình tăng tổn thất lọc trong bể loc VLL nổi theo thời gian và chiều cao khóa thủy lực hình chữ U; (2) kiểm nghiệm lại biểu thức quan hệ giữa chiều cao khóa thủy lực với đường kính của khóa cho việc khởi động của xi phông; (3) sự thay đổi chất lượng nước sau lọc theo thời gian của từng chu kỳ lọc ứng với mỗi vận tốc lọc trong suốt quá trình lọc.

Nội dung thực nghiệm

Trong quá trình thực nghiệm để đạt được mục đích trên cần thực hiện nghiên cứu các nội dung sau:

Kiểm nghiệm quan hệ giữa gia tăng tổn thất áp lực qua lớp VLL nổi theo thời gian và chiều cao khóa thủy lực để tự khởi động xi phông rửa lọc.

Kiểm nghiệm quy luật giới hạn chiều cao khóa thủy lực đối với mỗi loại đường kính khóa để xi phông khởi động ổn định.

Nghiên cứu đánh giá sự thay đổi chất lượng nước sau lọc theo thời gian; tìm ra vận tốc lọc phù hợp thích ứng với chất lượng nguồn nước thô, thỏa mãn thời gian yêu cầu của chu kỳ lọc.

Mô hình thực nghiệm

Mô tả sơ đồ mô hình thực nghiệm ngoài hiện trường.

Mô hình thí nghiệm ngoài hiện trường với bể lọc VLL nổi tự rửa theo nguyên lý dùng xi phông có khóa thủy lực hình chữ U (xi phông nhỏ hơn) khởi động xi phông rửa lọc (xi phông lớn hơn) để nghiên cứu ứng dụng loại bể lọc tự rửa này trong công nghệ xử lý nước. Như vậy ta có thể lấy hình mẫu của mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm về khởi động xi phông theo nguyên lý khóa thủy lực để làm xi phông mồi và tính toán thiết kế thêm một xi phông rửa lọc liên kết với mô hình bể lọc VLL nổi để tạo thành một mô hình bể lọc VLL nổi tự rửa theo nguyên lý khóa thủy lực[3,4].

Mô hình thí nghiệm quá trình tự rửa theo nguyên lý thủy lực bể lọc VLL nổi

1-Ngăn phân phối; 2-Xi phông rửa lọc; 3- Xi phông mồi; 4-Khóa thủy lực hình chữ U; 5- Ống phá chân không; 6-Ống nối đỉnh xi phông mồi với xi phông rửa lọc; 7-Thùng chứa khóa thủy lực; 8- Bảng đo áp ; 9- Ngăn chứa nước rửa lọc; 10-VLL nổi; 11- Ống xả xi phông .


c) Địa điểm và thời gian thực hiện thí nghiệm ngoài hiện trường.

Mô hình được đặt tại dây chuyền xử lý nước mặt thuộc xí nghiệp KDNS số 5, thôn Phương Độ, phường Cẩm Thượng, thành phố Hải Dương.

Thời gian thực hiện thí nghiệm từ tháng 12 năm 2012 đến tháng 4 năm 2013.

Phương pháp nghiên cứu, quy trình thí nghiệm và vận hành mô hình

Phương pháp nghiên cứu mô hình

Mô hình được lắp đặt sau bể lắng trong dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt. Tiến hành thí nghiệm trên hai loại VLL là hạt nhựa PE và hạt Polystyrene với các vận tốc lọc khác nhau từ thấp đến cao nhưng không đổi trong mỗi chu kỳ lọc để có đủ số liệu làm cơ sở cho việc nghiên cứu đánh giá khả năng áp dụng của bể lọc và cũng dựa vào đó để kiểm nghiệm các thông số, quy luật và nguyên lý hoạt động của khóa thủy lực và hệ thống xi phông nhỏ mồi xi phông lớn.

Quy trình thí nghiệm mô hình ngoài hiện trường

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 mô hình thí nghiệm, chuẩn bị VLL nổi, chuẩn bị các thiết bị đo.

Vận hành mô hình thí nghiệm để kiểm nghiệm quan hệ giữa gia tăng tổn thất áp lực qua lớp VLL nổi theo thời gian và chiều cao khóa thủy lực để tự khởi động xi phông rửa lọc. Kiểm nghiệm sự khởi động của xi phông mồi đối với đối với các thông số đường kính, chiều cao khóa thủy lực đã được thiết kế lựa chọn từ kết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và khả năng dùng xi phông nhỏ mồi xi phông lớn.

Ghi chép, xử lý số liệu thí nghiệm: Số liệu thí nghiệm được lập thành các bảng ứng với mỗi loại VLL nổi, cho các vận tốc lọc khác nhau của một loại nước đầu vào.

Đánh giá kết quả thí nghiệm

Vận hành mô hình thí nghiệm ngoài hiện trường

Nước được lấy tại vị trí sau bể lắng đưa vào bể lọc bằng cách dùng một đoạn ống trên đó có lắp khóa để điều chỉnh lưu lượng nước chảy vào ống phân phối nước vào, chờ đến khi nước chảy ổn định ở ống thu nước sau lọc, sau đó dùng đồng hồ bấm giây và thùng đo lưu lượng để xác định thể tích nước có được sau thời gian t chảy ra ở ống thu nước sau lọc rồi dùng công thức ; để tính vận tốc lọc của mô hình.

Trong đó:

v: vận tốc lọc (m/h),

Q: lưu lượng chảy qua tiết diện cột lọc (m3/h),

F: tiết diện cột lọc (m2).

Quan sát các ống đo áp H1, H2, H3 và H4 và ghi lại mực nước dâng lên ở các ống đo áp này, lấy mẫu nước ở ống dẫn nước vào bể lọc và nước ở ống sau lọc rồi dùng máy đo độ đục ghi lại giá trị đo. 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 tự khởi động để chủ động ghi lại được thông số đầy đủ của từng chu kỳ lọc.

Lập bảng ghi kết quả thí nghiệm ngoài hiện trường

Kết quả thí nghiệm được lập thành các bảng mỗi bảng thí nghiệm cho một loại VLL ở một vận tốc lọc không đổi trong chu kỳ lọc.

Bảng 1: Kết quả thí nghiệm Đợt 1, thay đổi độ đục (NTU) theo thời gian với VLL là hạt Polystyzene với vận tốc lọc 5m/h

Tương tự như “bảng 1” dựa vào thí nghiệm sẽ lập các bảng kết quả tương tự cho VLL là hạt nhựa PE với các vận tốc lọc tương ứng, và dựa vào các bảng kết quả thí nghiệm được để xây dựng các biểu đồ xác định sự thay đổi độ đục (NTU) theo thời gian được thể hiện trong các hình 2, hình 3 và hình 4:

Độ đục của nước sau lọc theo thời gian trong một chu kỳ lọc của VLL là hạt Polystyrene (xốp) và hạt nhựa PE với vận tốc lọc 5m/h

Độ đục của nước sau lọc theo thời gian trong một chu kỳ lọc của VLL là hạt Polystyrene và hạt nhựa PE với vận tốc lọc 9,6 m/h

Độ đục của nước sau lọc theo thời gian trong một chu kỳ lọc của VLL là hạt Polystyrene và hạt nhựa PE với vận tốc lọc 13,8 m/h


Nhận xét và Bàn luận kết quả

Sau quá trình lập lại các chu kỳ thí nghiệm thấy rằng xi phông nhỏ (xi phông mồi) mồi làm việc ổn định và sau khi khởi động không đầy một phút (40 giây) thì xi phông lớn (xi phông rửa lọc) hoạt động. Xi phông mồi chỉ khởi động khi mực nước trong ống đo áp H1 (số liệu thể hiện ở “bảng 1” thời điểm lân cận trước khi xảy ra khởi động xi phông H1 = 36cm) lên đến cao trình có khoảng cách so với đáy xi phông mồi là 17 cm đúng bằng chiều cao khóa thủy lực Hk = 17cm.

Ta cũng có thể quan sát trực tiếp kết quả này bằng cách sử dụng ống phân phối là ống trong suốt hoặc gắn vào ống này một ống nhỏ trong suốt có đánh dấu cao độ của đáy xi phông để theo dõi mực nước do tổn thất thủy lực của vật liệu lọc theo thời gian, dâng lên đến cao độ khởi động xi phông, so sánh hiệu hai cao độ này ta thấy có giá trị bằng chiều cao khóa thủy lực Hk.

Các biểu đồ quan hệ về độ đục của nước sau lọc theo thời gian trong một chu kỳ lọc cho thấy chất lượng nước sau lọc của cả hai loại vật liệu nổi đưa vào thí nghiệm đều có độ đục đảm bảo chất lượng theo tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt . Vật liệu lọc là hạt nhựa PE có khả năng giữ cặn tốt hơn so với hạt Polystyrene thể hiện qua chất lượng nước sau lọc, khả năng giũ cặn nhanh hơn vì tiêu tốn ít hơn lượng nước rửa lọc, nguyên nhân là do có tỷ trọng gần tỷ trọng của nước nên giảm áp lực đẩy nổi và dễ giãn nở cũng như cọ sát hơn khi có cùng cường độ rửa lọc.

Vận tốc lọc trong các thí nghiệm được giữ không đổi trong khoảng 5-14 m/h chỉ ảnh hưởng đến chu kỳ tự rửa lọc còn chất lượng nước vẫn đảm bảo yêu cầu, với vận tốc lọc là 5 m/h chu kỳ tự rửa lọc khoảng 45 giờ, với vận tốc lọc là 9,6 m/h chu kỳ tự rửa lọc khoảng 24 giờ, với vận tốc lọc là 13,8 m/h chu kỳ tự rửa lọc khoảng 17 giờ.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Các kết luận:

Kết hợp nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm, tác giả đã thành công trong việc sử dụng khóa thủy lực hình chữ U (lắp ở đầu ra của ống xi phông) để khởi động xi phông thực hiện quá trình tự rửa lọc.

Dùng xi phông có lắp khóa thủy lực hình chữ U để khởi động (mồi) xi phông rửa lọc có đường kính lớn là giải pháp kỹ thuật để mở rộng phạm vi áp dụng khi thiết kế các xi phông rửa lọc có đường kính lớn.

Bể lọc VLL nổi tự rửa theo nguyên lý khóa thủy lực, sử dụng VLL là hạt nhựa PE và hạt polystyrene trong dây xử lý nước mặt (tại Xí nghiệp Kinh doanh nước sạch số 5, Thôn Phương Độ, phường Cẩm Thượng, thành phố Hải Dương) hoàn toàn đảm bảo chất lương nước đầu ra về chỉ số độ đục cho phép của nước sau lọc tính theo (NTU) trong qui định của QCVN 01:2009/BYT và QCVN 02:2009/BYT - Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước cấp ăn uống sinh hoạt. VLL nổi là hạt PE có khả năng giũ cặn tốt hơn hạt polystyrene và cho thấy rất phù hợp với bể lọc VLL nổi tự rửa.

Các kiến nghị:

Những kết quả thí nghiệm có được khi ứng dụng bể lọc VLL nổi tự rửa trong công nghệ xử lý nước của Xí nghiệp KDNS số 5 của Hải Dương với nguồn nước mặt sông Thái Bình có kết quả rất khả quan, tuy nhiên trước khi ứng dụng với các nguồn nước khác vẫn cần nghiên cứu xác định khả năng thích ứng của bể lọc đối với sự đa dạng hơn của nguồn nước mặt cả về hàm lượng cặn và tính chất cặn.

Có thể dùng phương pháp khởi động xi phông bằng khóa thủy lực hình chữ U để thay thế cụm thiết bị Ejector trong các bể lọc trọng lực tự rửa hiện có, khi cần điều chỉnh chu kỳ rửa lọc phù hợp hơn trong những trường hợp chất lượng nước nguồn – hàm lượng cặn thay đổi.

Ths. Nguyễn Thanh Phong
Phó trưởng Bộ môn Thoát nước
Khoa Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường Đô thị
Trường Đại học Kiến trúc Hà nội

Loading...
Bạn đang đọc bài viết Ứng dụng mô hình thực nghiệm bể lọc vật liệu lọc nổi tự rửa  tại chuyên mục Công nghệ mới. Thông tin phản ánh, liên hệ đường dây nóng : 0912 345 014 - 0917 681 188 Hoặc email: bandientu.mtdt@gmail.com
Tin cùng chuyên mục Công nghệ mới
Trong tương lai, việc chủng ngừa cúm hằng năm có thể gặp nhiều thuận lợi hơn khi các nhà khoa học đã thử nghiệm thành công miếng dán văcxin thay thế cho mũi tiêm truyền thống.