Nghiên cứu cải tạo bể lọc nhanh 1 lớp thành bể lọc nhanh 2 lớp vật liệu lọc
> PGS.TS Nguyễn Việt Anh, >ThS.Vũ Hồng Dương
>ThS.Trần Dương
Tóm tắt: Bể lọc nhanh 2 lớp vật liệu có nhiều ưu điểm so với bể lọc 1 lớp vật liệu như: dung lượng chứa cặn lớn, tốc độ lọc lớn trong khi tổn thất áp lực tăng chậm hơn, chu kỳ làm việc kéo dài và chất lượng nước sau khi lọc được cải thiện. Công nghệ lọc này vẫn còn ít được áp dụng tại Việt Nam. Nhóm nghiên cứu của trường Đại học Xây dựng và công ty Cấp nước Hải Phòng đã nghiên cứu ứng dụng thành công công nghệ lọc 2 lớp vật liệu lọc (anthraxit + cát thạch anh) trong điều kiện Nhà máy nước An Dương, công ty Cấp nước Hải Phòng đã mạnh dạn cải tạo 18 bể lọc tại Nhà máy An Dương và tiếp tục triển khai cho các Nhà máy nước khác ở thành phố Hải Phòng. Kết quả công suất Nhà máy nước An Dương đã tăng từ 120.000m3/ngày đêm lên 140.000m3/ngày đêm. Tốc độ lọc tăng từ 5-6m/h lên 10-12m/h, chu kỳ lọc từ 1 ngày lên 2 ngày, độ đục giảm từ 1 NTU xuống còn 2 NTU mà không phải xây dựng thêm bể lọc nào. Nghiên cứu đã mang lại hiệu quả kinh tế cao cho Doanh nghiệp và cải thiện chất lượng nước cấp. Các tác giả kiến nghị mạnh dạn áp dụng hơn nữa công nghệ lọc này trong thực tế.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Lọc nước thường là công đoạn cuối cùng của quá trình xử lý, làm trong nước. Nước đi qua các vật liệu dạng hạt và thể keo được giữ lại ở giữa các khe rỗng hoặc dính bám trên bề mặt các hạt nhờ lực liên kết phân tử. Lọc nước là tập hợp đồng thời cả ba quá trình: lắng bề mặt, hấp phụ – dính bám và một số trường hợp, hóa học (ví dụ như oxy hóa Fe2+ thành Fe3+). Bể lọc nhanh trọng lực là công trình lọc được áp dụng phổ biến trong thực tế. Bể hoạt động theo nguyên lý nước được lọc qua lớp cát thạch anh theo chiều từ trên xuống dưới bằng trọng lực dòng nước. Vận tốc trung bình từ 5-7m/h. Chu kỳ lọc thông thường kéo dài khoảng 24h. Sau đó, để rửa trôi các chất bẩn đã được giữ lại trong khối vật liệu lọc, người ta sục khí và nước ngược từ dưới lên trên, cuốn trôi các chất cặn bẩn ra khỏi bể lọc. Hiệu quả quá trình rửa lọc quyết định đến chất lượng nước lọc ở các chu kỳ tiếp theo, chu kỳ lọc và tuổi thọ của lớp vật liệu lọc. Cường độ nước rửa lọc thường bằng 14-18l/s.m2 và thường phải được điều chỉnh tương ứng với các loại cat lọc sao cho khi rửa ngược, lớp cát lọc chỉ giãn nở đến một chiều dày nhất định và cát lọc không bị cuốn trôi khỏi máng thu nước cùng với chất bẩn.
Các chất bẩn dạng hạt và dạng keo thường nhanh chóng tích tụ trên bề mặt lớp vật liệu trong bể lọc và tạo thành một lớp màng. Lớp màng này càng dễ hình thành khi vật liệu trong bể không có thành phần cấp phối đồng nhất, các hạt nhỏ bị đưa lên lớp trên sau mỗi lần rửa ngược. Đây là lý do khiến bể lọc nhanh bị tắc, thậm chí xảy ra hiện tượng áp suất âm do trở lực sinh ra trong bể (đặc biệt là qua lớp màng cặn) lớn, vượt qua cả thế năng của lượng nước ở trên bể. Màng cặn cũng làm cho dung lượng chứa cặn trong bể giảm vì cặn chưa vận chuyển được xuống các lớp vật liệu bên dưới, bể đã bị tắc, người ta sẽ phải ngừng bể lọc rửa thường xuyên, gây tốn kém, đồng thời nước sau lọc có chất lượng kém.
Một trong những giải pháp khắc phục hiện tượng này là dùng bể lọc 2 lớp vật liệu lọc. Bể lọc nhanh 2 lớp vật liệu lọc có cấu tạo tương tự bể lọc nhanh trọng lực thông thường, phải chọn loại vật liệu lọc sao cho đạt đồng thời các yêu cầu:
+ Đường kính hạt vật liệu lớp trên lớn hơn đường kính hạt lớp dưới, để cặn bẩn có kích thước lớn sẽ được giữ lại ở lớp trên, cặn bẩn có kích thước nhỏ chuyển xuống và giữ lại ở lớp dưới, Nhờ vậy, dung lượng chứa cặn bẩn trong lớp vật liệu tăng lên.
+ Trọng lượng riêng của vật liệu lọc lớp trên nhỏ hơn trọng lượng riêng của vật liệu lọc lớp dưới để tránh sự xáo trộn 2 lớp vật liệu khi rửa lọc.
+ Hai loại vật liệu có độ giãn nở khi rửa ngược tương đương nhau, để tránh sự xáo trộn và kiểm soát được chiều cao lớp vật liệu khi rửa giãn nở khi rửa, tránh trôi vật liệu.
Thông thường, than Anthraxit được dùng làm vật liệu trên, còn lớp vật liệu dưới sử dụng cát thạch anh. Than Anthraxit là loại vật liệu xốp, có nhiều lỗ rỗng, diện tích tiếp xúc bề mặt lớn, do đó sức hút bám cặm lớn hơn cát thạch anh thông thường (lớn hơn 2 – 2,5 lần). Đặc tính về đường kính hạt, độ đồng nhất, trọng lượng riêng và độ nở của vật liệu lọc khi rửa đáp ứng được các yêu cầu trên.
So với bể lọc một lớp vật liệu lọc cùng chiều dày thì bể lọc hai lớp vật liệu lọc có những ưu điểm sau:
+ Độ tăng tổn thất áp lực nhỏ hơn.
+ Thời gian lọc hiệu quả hơn.
+ Chất lượng nước sau lọc tốt hơn.
Có thể tăng tốc độ lọc và chu kỳ làm việc của bể. Bể lọc hai lớp vật liệu có thể áp dụng xử lý cả nước mặt và nước ngầm. Chu kỳ làm việc của bể lớn hơn, trong khi bể có thể làm việc với tốc độ lọc lớn hơn so với bể lọc một lớp vật liệu (vận tốc có thể đạt từ 10-12m/h hoặc cao hơn thay vì 5-7m/h). Chất lượng nước sau lọc cũng tăng.
Thách thức lớn nhất với bể lọc nhanh hai lớp là vấn đề rửa lọc. Khi rửa ngược, rất dễ bị trôi mất lớp vật liệu trên cùng với nước rửa lọc ra ngoài. Biện pháp rửa lọc phổ biến nhất là ra ngược bằng nước kết hợp với quét bề mặt dòng nước qua hệ thống phân phối di động hay cố định. Vấn đề nghiên cứu ở đây là xác định các thông số vận hành: thành phần cấp phối hạt, các thông số lọc, phương pháp rửa, các thông số rửa lọc,…
Nhà máy nước An Dương có công suất 120.000m3/ngày đêm, cấp nước cho nội thành Hải Phòng, là Nhà máy nước lớn nhất của công ty cấp nước Hải Phòng. Dây chuyền công nghệ hiện nay như sau: Nguồn nước mặt sông Rế → Công trình thu + trạm bơm cấp I → Tuyến ống nước thô D1000→ Hồ sơ lắng → Ngăn trộn cơ khí (phèn + vôi) → ngăn phản ứng cơ khí → bể lắng ngang thu nước cuối bể → Trạm bơm dâng nước → 3 khối bể lọc, mỗi khối 6 ngăn → Trộn Clo → Trạm bơm cấp 2 → Mạng lưới cấp nước.
Nhu cầu dùng nước trong khu vực nội thành Thành phố Hải Phòng đến 2010 là : 180.000m3/ngày đêm. Diện tích mặt bằng của Nhà máy nước đã hết, khó có điều kiện để xây dựng thêm công trình. Khó khăn nhất là cụm bể lọc, vì cụm công trình bể lắng còn có có thể cải tạo để nâng thêm công suất. Giải pháp được đề xuất là: Cải tạo các khối bể lọc thành bể lọc nhanh 2 lớp vật liệu để tăng công suất làm việc của trạm xử lý. Đề tài do Công ty cấp nước Hải Phòng phối hợp với Trường Đại học Xây dựng (Bộ môn Cấp thoát nước) thực hiện.
2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu Pilot
– Bước 1: Xây dựng 2 cột lọc Pilot A, B cạnh khối bể K3. Nguồn nước: từ mương dẫn nước phân phối vào các ngăn lọc của bể lọc K3. Cột A: 1 lớp vật liệu lọc (Cát thạch anh). Cột B: 2 lớp vật liệu lọc (Cát thạch anh + than Anthraxit).
+ Đợt 1: Dùng than có cỡ hạt hiệu quả ES = 0,87mm và hệ số đồng nhất
UC = 1,35 tốc độ lọc Vlọc = 7,5m/h
+ Đợt 1.2: Dùng than có cỡ hạt hiệu quả ES = 1.08mm và hệ số đồng nhất
UC = 1,4 tốc độ lọc Vlọc = 6-12m/h
+ Đợt 1.3: Cột lọc A: giữ nguyên như thí nghiệm đợt 2. Cột lọc B thay thế bằng loại có cỡ hạt lớn hơn, có ES = 1,27, UC = 1,39.
Hình 1: Biến thiên độ đục qua 2 cột lọc A (1 lớp vật liệu lọc) và B (2 lớp vật liệu lọc)
Nghiên cứu thử nghiệm với 1 bể lọc, so sánh với các bể lọc khác
– Cải tạo 1 ngăn bể của khối bể lọc K2 thành bể lọc 2 lớp vật liệu và tiến hành thử nghiệm. So sánh với các ngăn bể lọc khác (một lớp vật liệu lọc).
– Lựa chọn phương pháp và quy trình rửa lọc.
– Thời gian: từ ngày 8/6 đến 31/8/2004
Triển khai áp dụng cho toàn bộ các bể lọc. Xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.
– Thời gian: Từ tháng 8/2005 đến nay.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Kết quả nghiên cứu và thảo luận trên mô hình Pilot
+ Đợt 1.1: Độ trong của nước lọc tốt nhưng chu kỳ lọc không quá 24h. Cỡ than này chưa cho phép đạt hiệu quả như mong muốn.
+ Đợt 1.2: Độ trong của nước lọc tốt, chu kỳ lọc đạt từ 24 – 48h. Cụ thể như sau (bảng 1):
Bảng 1: Thông số vận hành mô hình cột lọc A và B
· Khi tốc độ lọc của hai cột như nhau (6m/h) độ đục nước lọc cột A thường xuyên lớn gấp 1,5 lần độ đục nước lọc của cột B.
· Nâng tốc độ lọc của cột lọc B 2 lần (12m/h), thì độ đục của nước lọc B vẫn nhỏ hơn độ đục so với cột lọc A.
· Với chu kỳ lọc 24h, cột lọc B vẫn hoạt động tốt và không bị chít tắc.
· Chu kỳ cột lọc B có thể kéo dài tới 44h.
+ Đợt 1.3: Nước lọc có độ trong tốt hơn lần 1, nhưng kém hơn lần 2. Do vật chon vật liệu lọc lần 2 có ES = 1,08, UC = 1,40 thí nghiệm vào bể lọc K2.
– Loại than có thông số kỹ thuật ES = 1,08, UC = 1,40 có thể kết hợp với cát hiện tại của An Dương làm vật liệu lọc để nâng cao công suất bể lọc từ 2 – 2,5 lần mà vẫn đảm bảo được chất lượng nước lọc.
– Có thể áp dụng rửa lọc bằng phương pháp gió – nước để rửa bể lọc 2 lớp, điều này phù hợp với các khối bể hiện có trong nhà máy nước An Dương.
– Khi chu kỳ rửa lọc của bể kéo dài đến 48h, sẽ tiết kiệm được đáng kể lượng nước sạch cần cho rửa lọc.
Kết quả nghiên cứu trên bể lọc thử nghiệm
– Đối với bể lọc 1 lớp:
+ Về chất lượng nước sau lọc: Chất lượng nước ổn định, độ trong của nước lọc tương đương với bể lọc khác đang vận hành.
+ Về chu kỳ rửa lọc: Trung bình khoảng 16h.
– Đối với bể lọc 2 lớp:
+ Về hiệu quả rửa lọc: Hoàn toàn áp dụng khi rửa lọc bằng phương pháp gió nước đối với bể lọc 2 lớp để loại bỏ được lượng cặn bẩn tích tụ trong lớp vật liệu, sau khi rửa độ xốp của vật liệu tăng lên.
+ Về chất lượng nước sau lọc: Chất lượng nước ổn định, độ trong của nước lọc bể thí nghiệm tương đương với bể lọc cát đang vận hành.
+ Về tốc độ lọc: Bể lọc 2 lớp có thể vận hành với tốc độ 12m/h.
+ Về chu kỳ rửa lọc: 36 – 48h (trung bình 42h).
Quy trình rửa lọc được xây dựng như sau:
+ Hạ thấp mực nước trong bể đến cách bề mặt than 0,1m, tiến hành sục bể bằng không khí, cường độ 15 – 20l/s-m2, thời gian sục kéo dài trong 3 – 5 phút.
+ Ngừng sục khí hoàn toàn rồi mới tiến hành sục rửa ngược bằng nước với cường độ ban đầu 3 – 4l/s-m2 trong thời gian 2 – 3 phút, kết hợp xả khí dư trong bể.
+ Tăng cường độ rửa ngược lên 7 l/s-m2, thời gian sục khoảng 6 – 8 phút.
+ Kết thúc quá trình rửa lọc, đưa bể trở lại làm việc bình thường.
Kết quả ứng dụng cho toàn bộ 18 bể lọc trong Nhà máy An Dương.
Kết quả vận hành trong các năm từ năm 2005 đến nay:
Bể lọc 2 lớp:
· Về hiệu quả rửa lọc: Hoàn toàn áp dụng khi rửa lọc bằng phương pháp gió nước đối với bể lọc 2 lớp để loại bỏ được lượng cặn bẩn tích tụ trong lớp vật liệu, sau khi rửa độ xốp của vật liệu tăng lên.
· Chất lượng nước ổn định, độ trong của nước lọc bể thí nghiệm tương đương với bể lọc cát đang vận hành
· Về tốc độ lọc: Bể lọc 2 lớp có thể vận hành với tốc độ 12m/h.
· Về chu kỳ rửa lọc: 36 – 48h (trung bình 42h).
Bể lọc 1 lớp:
· Về chất lượng nước sau lọc: Chất lượng nước ổn định, độ trong của nước lọc tương đương với bể lọc khác đang vận hành.
· Về chu kỳ rửa lọc: Trung bình khoảng 16h.
Bảng 2: Các thông số của bể lọc 2 lớp
Kết quả so sánh các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật:
– Khi nâng công suất lể lọc của An Dương lên 140.000m3/ngày đêm bằng cách nâng cao chiều dày lớp cát lọc lên 1,4m hoặc sử dụng kết hợp cát lọc dày 0,6m và than Anthraxit 0,5m thì hiệu quả kinh tế được khái toán như sau:
+ Đối với bể lọc 1 lớp (nâng cao chiều dày cát lọc lên 1,4m: Tổng cộng chi phí trong 1 năm: 1.875.3000.000 đồng/năm.
+ Đối với bể lọc 2 lớp: Tổng cộng chi phí 1 năm: 1.2161.907.143 đồng/năm.
– Về loại vật liệu: Loại than có thông số kỹ thuật ES = 1,08, UC = 1,40 hoàn toàn kết hợp với cát hiện tại có ở An Dương làm vật liệu lọc để nâng cao công suất bể lọc.
– Áp dụng được rửa lọc bằng phương pháp gió – nước có kết hợp quét mặt bằng nước sau lắng để rửa bể lọc 2 lớp, điều này phù hợp với các khối bể hiện có trong Nhà máy nước An Dương.
– Cường độ rửa nước ngược của bể lọc 2 lớp khoảng 7 l/s-m2, phù hợp với các máy bơm rửa lọc hiện có đang vận hành tại An Dương.
– Chu kỳ rửa lọc của bể kéo dài đến 36 – 48 giờ.
– Bể lọc vận hành ổn định (trong 2 tháng vận hành liên tục không có bất kỳ sự cố nào).
– về mức độ hao hụt than Anthraxit rất nhỏ: trong 2 tháng vận hành liên tục, lớp than hụt đi khoảng 1,5 – 2cm (khoảng 3 – 4% trong 2 tháng) bao gồm cả việc sục rửa để loại bỏ các hạt quá nhỏ.
– Với vận tốc lọc đạt từ 10 – 12m/h, khi cần nâng công suất NMN An Dương lên 160.000 – 180.000 m3/ngày đêm thì không phải xây dựng thêm bể lọc mà chỉ cải tạo lại đường ống công nghệ.
– So sánh chi phí vận hành khi sử dụng bể lọc 1 lớp vật liệu lọc và bể lọc 2 lớp vật liệu lọc cho thấy bể lọc 2 lớp có chi phí thấp hơn. Vì vậy, chúng tôi đề xuất chọn phương án dùng bể lọc 2 lớp.
Cho đến nay, kết quả nghiên cứu đã được áp dụng cho toàn bộ các khối bể lọc tại Nhà máy nước An Dương, Nhà máy nước Vật Cách và sẽ tiến tới áp dụng trong các Nhà máy nước khác của công ty cấp nước Hải Phòng.
4. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
– Bể lọc nhanh 2 lớp vật liệu lọc, về mặt lý thuyết, so với bể lọc nhanh 1 lớp truyền thống có nhiều ưu điểm như: Độ tăng tổn thất áp lực nhỏ hơn, thời gian lọc hiệu quả tốt hơn, chất lượng nước sau lọc tốt hơn.
– Kết quả nghiên cứu ứng dụng trong thực tế đã khẳng định những ưu điểm vượt trội nói trên. Bể lọc 2 lớp vật liệu có thể làm việc với vận tốc lọc 10 – 12m/h., chu kỳ lọc kéo dài gấp 2 – 3 lần so với bể lọc nhanh 1 lớp vật liệu lọc. lượng nước cần thiết cho rửa lọc giảm.
– Nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu và ứng dụng thành công trong thực tế công nghệ bể lọc 2 lớp vật liệu lọc, trong xử lý nước cấp với nguồn nước mặt đã qua xử lý bằng keo tụ và lắng. Đã hoàn thiện quy trình rửa lọc đặc thù, phù hợp cho bể lọc 2 lớp vật liệu, kết hợp gió với nước, thu được kết quả tốt, kế thừa những ưu điểm của phương pháp rửa lọc truyền thống của bể lọc 1 lớp vật liệu (gió + nước) cho bể lọc 2 lớp vật liệu lọc mà vẫn không bị rửa trôi mất lớp vật liệu phía trên (anthraxit), đồng thời tránh được những khó khăn trong việc chế tạo, vận hành và bão dưỡng hệ thống rửa bề mặt bằng hệ thống phân phối nước rửa di động và nước ngoài vẫn áp dụng cho bể lọc 2 lớp vật liệu lọc. Kết quả nghiên cứu đã được áp dụng thành công quy mô lớn cho Nhà máy nước An Dương, thành phố Hải Phòng (góp phần tăng công suất Nhà máy từ 120.000 lên 140.000 m3/ngày đêm) và Nhà máy nước Vật Cách.
– Kiến nghị mạnh dạn áp dụng công nghệ lọc 2 lớp vật liệu lọc cho các Nhà máy nước ở Việt Nam, xử lý cả nước mặt và nước ngầm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
(1) Đề tài NCKH cấp trường: 28-2007/KHXD. Nghiên cứu khả năng áp dụng công nghệ lọc nước với hai lớp vật liệu lọc trong trạm xử lý cấp nước. Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Việt Anh, trường ĐH Xây dựng, 12/2007.
(2) Công ty cấp nước Hải Phòng. Báo cáo kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc nước mới tại Nhà máy nước An Dương. Nhóm nghiên cứu của Công ty cấp nước Hải Phòng và ĐH Xây dựng năm 2004.
(3) Công ty cấp nươc Hải Phòng. Các số liệu quan trắc, theo dõi chất lượng tại Nhà máy nước An Dương (2010 – 2012).
(4) Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật: Đánh giá chất lượng, hiệu quả xử lý nước của Nhà máy nước Việt Hòa, Hải Dương, so sánh với một số Nhà máy có công nghệ xử lý tương đương. Thạch Thanh Minh, trường Đại học Xây dựng 2007.
(5) Syed Quasim, Edward Motley, Guang Zhu. Water works engineering. Planning, Design & Operation. Prentice Hall PTR.2000.
Sản phẩm nổi bật
Tin tức khác
