Việc lọc nước theo phương pháp truyền thống qua lớp vật liệu lọc là cát hoặc các lớp vật liệu lọc khác để giữ lại toàn bộ các hạt cặn lơ lửng tạo thành một lớp màng mỏng trên bề mặt và trong lỗ rỗng của lớp vật liệu lọc. Tuy nhiên, tổn thất thủy lực của lớp màng này lớn dần lên theo thời gian lọc, gây tắc nghẽn dòng nước qua lớp vật liệu lọc, dẫn đến giảm vận tốc lọc nên để đảm bảo vận tốc lọc được ổn định theo thiết kế ban đầu của bể cần phải tiến hành công tác rửa lọc. Công tác rửa lọc này cần sử dụng máy bơm và máy nén khí để bơm nước sạch và không khí sục vào lớp vật liệu lọc nhằm xới tung lớp vật liệu lọc để các hạt vật liệu lọc được cọ xát vào nhau, làm bong lớp màng bẩn bám vào lớp vật liệu lọc. Quá trình rửa lọc này tốn rất nhiều nước sạch và tiêu hao điện năng rất lớn.

Nhằm tăng hiệu quả của quá trình rửa lọc và khắc phục các nhược điểm của công nghệ lọc truyền thống, Viện SIIEE đã nghiên cứu và chế tạo thành công bể lọc tuần hoàn cát (DHT) có thể thay thế được bể lọc truyền thống. Bể này hoạt động theo nguyên lý tự hoàn nguyên lớp vật liệu lọc, tầng cát lọc được rửa ngược và làm mới liên tục, nhờ đặc tính động của lớp vật liệu lọc, tạo khả năng làm việc và cung cấp liên tục nước sau lọc không gây ra hiện tượng gián đoạn hoạt động theo chu kỳ rửa lọc.

1.         Đặt vấn đề

Bể lọc nói chung là một hạng mục công trình quan trọng nếu không muốn nói là hạng mục công trình chủ yếu trong dây chuyền công nghệ xử lý nguồn nước thiên nhiên (nguồn nước ngầm hoặc nguồn nước mặt) để cấp nước phục vụ sinh hoạt và ăn uống hoặc cấp cho một đối tượng nào đó có yêu cầu chất lượng tương tự. Qua các công trình tiền xử lý, như bể trộn hóa chất, bể phản ứng và bể lắng..., hàm lượng cặn (TSS) của nước vào bể lọc còn khoảng 10÷12mg/l (tương đương với độ đục khoảng 4÷5NTU). Sau khi qua bể lọc độ đục của nước còn ≤2NTU (theo QCVN 01 - 1:2018/BYT),đảm tiêu chuẩn chất lượng nước ăn uống và sinh hoạt đối với chỉ tiêu này.

Có thể nói trong công nghệ xử lý nước cấp để đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng nước ăn uống và sinh hoạt, tùy theo quy mô công suất, tùy theo tính chất hóa lý của nước nguồn và tùy theo những điều kiện có tính chất đặc thù về các yếu tố đảm bảo tính hiệu quả và tính khả thi khác, có thể áp dụng một trong nhiều dây chuyền công nghệ khác nhau, nhưng hầu như trong dây chuyền công nghệ đều không thể thiếu vắng bể lọc. Hiện nay, tại Việt Nam các loại bể lọc được thường sử dụng như:

(1) Bể lọc chậm.

(2) Bể lọc nhanh trọng lực.

(3) Bể lọc áp lực.

Cả 3 loại bể lọc nêu trên đều sử dụng vật liệu lọc là cát thạch anh. Tuy nhiên sau một thời gian vận hành và sử dụng thì các loại bể lọc trên đều bộc lộ một số nhược điểm như sau:

         Vận hành rửa lọc phức tạp

         Chi phí đầu tư hệ thống rửa lọc cao (bơm rửa lọc, máy nén khí...)

         Khó kiểm soát chất lượng rửa lọc

         Chi phí điện năng, nhân công cao

         Tốn kém nước để rửa lọc và xả nước lọc đầu (5 ÷ 10%)

Để khắc phục những nhược điểm trên Viện SIIEEã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công Bể lọc tuần hoàn cát  liên tục (DHT).

2.         Nguyên lý hoạt động của bể lọc tuần hoàn cát

Bể lọc tuần hoàn cát liên tục (DHT) hoạt động dựa trên nguyên tắc dòng chảy từ trên xuống, nhờ đặc tính động của lớp vật liệu lọc, tạo khả năng làm việc và cung cấp liên tục nước sau lọc không gây ra hiện tượng gián đoạn hoạt động theo chu kỳ rửa lọc. Bể lọc tuần hoàn cát được sử dụng vật liệu lọc dạng hạt có tác dụng giữ lại chất keo tụ và cặn lơ lửng trong nước [1].

Quá trình lọc: Dòng nước đầu vào được phân phối nhờ hệ thống máng răng cưa xung quanh chu vi bể, sau đó chuyển động theo chiều từ trên xuống dưới qua các lớp cát lọc có độ tinh của thành phần cấp phối hạt tăng dần. Nước sau lọc thu qua hệ thống chụp lọc vào ngăn thu nước sạch và được dẫn về bể chứa nước sạch.

Quá trình làm sạch cát lọc (rửa lọc): Cặn lơ lửng được giữ lại trong lớp cát lọc và được kéo theo cùng với cát xuống dưới. Trong quá trình rửa lọc nước thô được cấp vào từ phía đáy bể qua vòi phun kiểu venturi cuốn theo cát bẩn vào ống rửa cát tốc độ cao, tại đây xảy ra lực cọ sát đủ lớn có thể phân tách hỗn hợp cát và cặn bẩn trước khi xả vào bộ phận phân tách cát lọc. Cường độ rửa lọc trong ống rửa cát tốc độ cao gấp khoảng 150 lần so với cường độ rửa ở bể lọc thông thường. Với cường độ rửa lọc cao cát lọc luôn được làm sạch và ổn định. Cát và nước bẩn sau ống rửa cát tốc độ cao đi lên ngăn phân tách. Ngăn phân tách cát được chia làm nhiều ngăn nhỏ, cát nhờ trọng lực của bản thân rơi xuống và được phân phối trở lại lớp vật liệu lọc, nước và cặn bẩn được tách ra và dẫn sang bể lắng để thực hiện 1 chu trình lắng lọc tiếp theo. Quá trình rửa lọc của bể lọc tuần hoàn cát không mất đi nước rửa lọc mà nước rửa lọc được dẫn sang bể lắng để xử lý.

3: Nghiên cứu thực nghiệm

Chạy thử Pilot bể lọc tuần hoàn cát DHT tại Xưởng chế tạo của Viện SIIEE tại Hoài Đức với công suất Các thông số kỹ thuật của bể được trình bày trong bảng:

Bảng 1: Thông số kĩ thuật bể lọc tuần hoàn cát

4: Kết quả và thảo luận

Theo những kết quả nghiên cứu thực nghiệm ta có :

Bảng 2: Kết quả thực nghiệm của bể lọc tuần hoàn cát

Từ kết quả thí nghiệm được trình bày trong Hình 4 cho thấy khi lưu lượng nước vào bể tăng lên thì lưu lượng cát tuần hoàn tăng còn thời gian tuần hoàn cát giảm theo lưu lượng vào bể. Ta có phương trình tuyến tính tính thời gian tuần hoàn cát theo lưu lượng nước vào bể là:

Từ đó có thể tính toán lưu lượng cát tuần hoàn và thời gian tuần hoàn cát khi thay đổi công suất xử lý.

Từ kết quả thí nghiệm được trình bày trong Hình 5 cho thấy độ đục của nước sau bể lọc tuần hoàn cát là ≤2,0 NTU tương ứng với khoảng giá trị tiêu chuẩn cho phép sử dụng trong ăn uống sinh hoạt. Do lớp cát lọc được rửa ngược và làm mới liên tục trong quá trình hoạt động nên quá trình lọc không bị gián đoạn, chất lượng nước đầu ra sau 1h hoạt động luôn luôn đảm bảo tiêu chuẩn.

5.         Kết luận

Từ những kết quả nghiên cứu thực nghiệm ta thấy được bể hoạt động tốt trong các trường hợp chất lượng nước đầu vào khác nhau. Tuy nhiên bể lọc tuần hoàn cát hoạt động tốt và ổn định với nguồn nước có chất lượng nước đầu vào ≤10 NTU.

Với kết quả thí nghiệm thu được đã khẳng định hiệu suất của bể lọc tuần hoàn cát tốt hơn nhiều so với bể lọc truyền thống, không tốn kém chi phí vận hành rửa lọc, đặc biệt có thể áp dụng đối với các trạm xử lý có nguồn nước thô vào trạm là nước mặt có hàm lượng chất hữu cơ cao, khó lắng trong bể lắng. Tuy nhiên, đối với từng công trình cụ thể sẽ có những điều chỉnh phù hợp trong thiết kế để đạt hiệu quả xử lý tốt nhất.

Viện SIIEE đã chuyển giao công nghệ bể lọc DHT cho công ty Vinse và công ty Á Châu để sản xuất và thương mại hoá nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của việc sử dụng nước sạch, đặc biệt phù hợp cho các khu vực đô thị nhỏ và nông thôn.

Tài liệu tham khảo

[1] TS. Trịnh Xuân Đức (chủ biên), Lê Anh Tuấn, Đoàn Mạnh Hùng, Phí Đức Dũng, Đặng Thị Thanh Huyền, Tổ hợp kỹ thuật cơ bản công nghệ xử lý nước thiên nhiên tập 1, Nhà xuất bản Xây Dựng, Hà Nội, 2018.

[2] TS. Trịnh Xuân Lai, Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp, Nhà xuất bản Xây Dựng, Hà Nội, 2021.

[3] TS. Trịnh Xuân Lai, Tính toán các công trình xử lý phân phối nước cấp, Nhà xuất bản Xây Dựng, Hà Nội, 2021.

[4] John C. Crittenden, R. Rhodes Trussell, David W. Hand, Kerry J.Home, George Tchobanoglous, Water treatment principles and design, 3rd Esition, Wiley, 2012.

[5] Amirtham Peter Rajan, Domestic Water Treatment Menthods, Language: Tamil, Thamarai Publications, 2017.

                                                                                                                                   Tác giả:

                                                      TS. Trịnh Xuân Đức, Ks. Đinh Thị Thuý - Viện khoa học kỹ thuật hạ tầng và môi trường (SIIEE)