1. Mở đầu
Bồn lọc tự rửa không van là một dạng thiết bị lọc trọng lực trong đó chu trình lọc và rửa ngược được chuyển đổi chủ yếu bằng điều kiện thủy lực, thay vì phải đóng mở một hệ van theo trình tự như bồn lọc nhanh thông thường. Đại lượng kích hoạt quá trình rửa không phải thời gian vận hành cố định mà là *tổn thất cột nước tăng lên qua lớp vật liệu lọc*. Khi tổn thất đạt mức tương ứng với cấu hình thủy lực đã thiết kế, hệ thống mồi tạo điều kiện để đường siphon hình thành, nước sạch dự trữ trong bồn đổi chiều đi từ dưới lên qua lớp lọc và cuốn cặn ra ngoài.
Điểm quan trọng nhất khi phân tích thiết bị này là không xem siphon như một chi tiết độc lập. Chu trình tự rửa chỉ hình thành khi *cao độ các khoang nước, tổn thất qua lớp lọc, đường siphon chính, hệ mồi siphon, khoang nước rửa và đường phá siphon* làm việc như một hệ thủy lực thống nhất. Các thiết bị lọc trọng lực không van thương mại cũng vận hành theo nguyên lý tăng tổn thất qua lớp lọc → hình thành siphon → rửa ngược → hạ mực nước đến điểm phá siphon.
2. Bồn lọc tự rửa không van là gì?
Bồn lọc tự rửa không van, thường được gọi là bồn lọc trọng lực tự động không van (automatic valveless gravity filter – AVGF), về bản chất vẫn là một *bộ lọc vật liệu dạng hạt làm việc dưới tác dụng của trọng lực*.
Trong giai đoạn lọc, nước thô đi từ trên xuống qua lớp vật liệu. Cặn lơ lửng được giữ lại làm tổn thất thủy lực của lớp lọc tăng dần. Khi tổn thất đạt mức thiết kế, hệ thống thủy lực tự chuyển sang trạng thái rửa ngược mà không cần một chuỗi van điều khiển đóng mở theo chương trình.
Tên gọi “không van” vì vậy không nên hiểu tuyệt đối rằng toàn bộ hệ thống không được phép có bất kỳ van nào. Van cách ly, van xả cạn hoặc van phục vụ bảo trì vẫn có thể được bố trí. Điểm khác biệt là *việc chuyển từ lọc sang rửa ngược không phụ thuộc vào cụm van vận hành chính*.
Cơ chế điều khiển tự động có thể tóm tắt bằng chuỗi:
*Lớp lọc giữ cặn → tổn thất tăng → mực nước phía trước lớp lọc tăng → đạt điều kiện mồi → siphon được thiết lập → dòng qua lớp lọc đảo chiều → nước sạch rửa lớp vật liệu → mực nước khoang chứa giảm → đường phá siphon nhận khí → siphon mất → hệ thống trở lại lọc.*
3. Cấu tạo chính của bồn lọc tự rửa không van
3.1. Thân bồn và ba vùng chức năng
Xét theo chức năng thủy lực, thân bồn có thể quy về ba vùng chính.
*Phần phía trên* là khoang chứa nước sạch sau lọc, đồng thời đóng vai trò khoang dự trữ nước rửa ngược. Trong chu kỳ lọc, nước sau lọc được đưa lên khoang này. Khi mực nước đạt cao độ cửa ra, lượng nước tiếp tục được lọc mới chảy sang công đoạn sử dụng phía sau.
*Phần giữa* chứa lớp vật liệu lọc và khoảng không phía trên vật liệu tiếp nhận nước thô. Đây là vùng xảy ra quá trình giữ cặn khi lọc và giãn nở lớp vật liệu khi rửa ngược.
*Phần đáy* là khoang thu nước sau lọc nằm dưới sàn lọc hoặc hệ thống thu nước. Khi lọc, nước từ lớp vật liệu đi xuống khoang này. Khi rửa, chiều dòng đảo ngược: nước sạch từ khoang dự trữ phía trên được dẫn xuống khoang đáy trước khi phân phối từ dưới lên qua lớp vật liệu.
Cách bố trí hình học cụ thể giữa ba vùng có thể khác nhau giữa các nhà chế tạo, nhưng ba chức năng này xuất hiện phổ biến trong cấu hình AVGF.
3.2. Lớp vật liệu và hệ phân phối dưới đáy
Lớp lọc có thể sử dụng cát hoặc tổ hợp nhiều loại vật liệu tùy mục tiêu xử lý. Phía dưới là hệ thu – phân phối nước, thường sử dụng chụp lọc, lưới thu hoặc kết cấu tương đương.
Bộ phận này phải thực hiện hai chức năng ngược nhau:
- Khi lọc, thu nước đồng đều từ toàn bộ diện tích lớp vật liệu.
- Khi rửa, phân phối nước từ dưới lên đủ đều để hạn chế vùng rửa yếu, dòng ngắn mạch hoặc cuốn vật liệu cục bộ.
Đây là điểm rất quan trọng. Một hệ siphon hoạt động đúng không đồng nghĩa lớp lọc sẽ được rửa sạch nếu hệ phân phối đáy tạo dòng không đều.
3.3. Đường siphon chính
Đường siphon chính là tuyến đưa nước rửa bẩn từ vùng phía trên lớp vật liệu qua một điểm cao rồi đi xuống cửa xả.
Có thể chia tuyến này thành:
- Nhánh siphon đi lên.
- Đỉnh siphon.
- Nhánh siphon đi xuống.
- Điểm hoặc máng xả nước rửa.
Trong trạng thái lọc bình thường, đường này không chứa một cột nước liên tục đủ để duy trì siphon. Khi mồi thành công, khí tại vùng đỉnh được lấy ra, nước vượt qua đỉnh và tạo thành cột nước liên tục từ phía bồn đến nhánh xả xuống thấp hơn.
3.4. Hệ mồi siphon
Đây là bộ phận dễ bị nhầm nhất khi đọc sơ đồ thiết bị.
Để siphon chính hoạt động, không chỉ cần nước dâng cao trong nhánh đi lên. *Không khí đang nằm ở đỉnh siphon phải được loại bỏ đủ mức để cột nước có thể nối liên tục qua đỉnh.*
Tùy thiết kế, việc này có thể thực hiện bằng:
- Siphon phụ tạo dòng cuốn khí.
- Bộ mồi thủy lực.
- Ejector dùng nước áp lực để hút khí.
- Cơ cấu mồi chuyên dụng của nhà chế tạo.
Một số cấu hình bồn lọc tự rửa thể hiện riêng đường nước cấp cho ejector, đường hút khí nối với vùng đỉnh siphon và đường xả từ ejector. Các tài liệu mô tả thiết bị AVGF cũng ghi nhận cấu hình gồm đường cấp ejector, đường hút và bơm ejector trong cụm tự rửa.
3.5. Đường phá siphon
Đường phá siphon là một tuyến hoàn toàn khác với đường hút khí dùng để mồi.
Đầu dưới của đường phá siphon được bố trí tại một cao độ xác định trong khoang nước rửa. Khi mực nước còn cao, đầu này chìm trong nước nên không khí không thể đi vào siphon chính.
Trong quá trình rửa, mực nước khoang chứa giảm dần. Khi mực nước xuống thấp hơn đầu đường phá siphon, không khí được hút vào đường này và truyền đến vùng đỉnh siphon. Cột nước liên tục bị chia cắt, độ chân không tại đỉnh mất và dòng siphon dừng rất nhanh. Đây là cơ chế tự kết thúc rửa được sử dụng phổ biến trong bồn lọc trọng lực không van.
4. Trạng thái lọc bình thường
Trong chu kỳ lọc, nước thô đi vào vùng phía trên lớp vật liệu và chảy từ trên xuống.
Đường đi cơ bản của nước là:
*nước thô → vùng trên lớp lọc → lớp vật liệu → hệ thu nước đáy → khoang nước sau lọc → đường dẫn lên khoang nước sạch → cửa nước ra.*
Khi lớp lọc còn sạch, tổn thất thủy lực tương đối thấp. Khi cặn được giữ lại trong các khe rỗng và trên bề mặt hạt vật liệu, sức cản tăng dần.
Có thể biểu diễn tổng quát chênh cột nước cần thiết cho quá trình lọc:
Trong đó:
- \(H_u\): cột nước phía thượng lưu của lớp lọc.
- \(H_d\): cột nước tương đương phía sau hệ lọc.
- \(h_{f,m}\): tổn thất qua lớp vật liệu.
- \(h_{f,d}\): tổn thất qua hệ thu nước hoặc sàn lọc.
- \(h_{f,p}\): tổn thất trên các đường dẫn liên quan.
Trong một bồn lọc có cao độ nước ra tương đối ổn định, \(H_d\) ít biến động. Vì vậy khi \(h_{f,m}\) tăng do lớp lọc bẩn, hệ thống phải hình thành một cột nước lớn hơn ở phía trước lớp lọc để duy trì dòng.
Chính biến đổi này được tận dụng như “tín hiệu thủy lực” để kích hoạt rửa ngược.
5. Tổn thất qua lớp lọc kích hoạt siphon như thế nào?
Điểm cốt lõi của cơ chế tự động nằm ở mối quan hệ giữa *tổn thất lọc và mực nước trong nhánh siphon đi lên*.
Khi lớp vật liệu sạch, áp lực hoặc mực nước phía trước lớp lọc thấp. Mức nước tương ứng trong nhánh siphon cũng chưa đủ để kích hoạt bộ mồi.
Khi cặn tích tụ, tổn thất qua lớp lọc tăng. Do nước đầu ra vẫn bị khống chế bởi một cao độ thủy lực tương đối ổn định, cột nước phía thượng lưu tăng lên. Mực nước trong nhánh siphon đi lên theo đó cũng tăng.
Khi đạt một cao độ xác định, hệ mồi bắt đầu làm việc.
Vì vậy, *cao độ kích hoạt của cụm siphon thực chất quy định tổn thất đầu cuối của một chu kỳ lọc*. Nếu đặt điểm kích hoạt quá thấp, bồn sẽ rửa quá thường xuyên. Nếu quá cao, lớp lọc có thể chịu tổn thất lớn, lưu lượng suy giảm hoặc điều kiện thủy lực trở nên bất lợi trước khi rửa được kích hoạt.
6. Quá trình mồi siphon
6.1. Vì sao nước dâng đến gần đỉnh vẫn chưa đủ?
Một ống chữ U ngược chứa không khí ở phần đỉnh không tự trở thành siphon hoàn chỉnh chỉ vì mực nước ở một nhánh tăng.
Không khí bị nhốt tại đỉnh có thể bị nén, nhưng nếu vẫn còn một túi khí đủ lớn thì hai cột nước chưa nối thành một cột chất lỏng liên tục. Khi đó chưa có điều kiện để dòng siphon chính phát triển.
Do đó, cụm mồi phải *rút khí khỏi vùng đỉnh*.
Khi lượng khí giảm, áp suất trong khoang đỉnh giảm theo. Áp suất khí quyển tác dụng lên bề mặt nước phía bồn giúp đẩy nước dâng cao hơn trong nhánh siphon. Khi nước vượt qua đỉnh và chảy xuống nhánh sau, quá trình nhanh chóng chuyển từ trạng thái mồi sang siphon đầy.
6.2. Mồi siphon bằng ejector
Nếu sử dụng ejector, cần phân biệt rõ hai dòng.
*Dòng nước động lực* đi qua nozzle của ejector. Vận tốc của dòng nước tăng mạnh khi tiết diện thu nhỏ. Tia nước tốc độ cao đi vào vùng hòa trộn tạo áp suất tĩnh thấp hơn ở cửa hút.
*Dòng bị hút* là khí lấy từ đỉnh siphon. Đường khí thường nối theo phương bên hoặc phương vuông góc với trục dòng nước động lực. Sau khi đi vào buồng hút, dòng khí đổi hướng và bị cuốn theo tia nước.
Tại vùng throat, nước động lực và khí tiếp tục trao đổi động lượng. Khí được gia tốc theo hướng của dòng nước. Sau đó hỗn hợp đi vào diffuser, vận tốc giảm dần và một phần động năng được chuyển lại thành áp suất để hỗn hợp có thể thoát ra phía hạ lưu.
Do đó không nên hiểu rằng “đầu nozzle có áp suất thấp nên throat không cần thiết”. Nozzle tạo tia vận tốc cao và điều kiện hút; *throat cung cấp vùng hòa trộn và truyền động lượng*, còn diffuser giúp phục hồi áp suất cho dòng hỗn hợp.
Mục tiêu của ejector trong bồn lọc không phải hút nước qua lớp lọc. Nó chỉ có nhiệm vụ quan trọng hơn nhưng với lưu lượng nhỏ hơn nhiều: *hút không khí khỏi đỉnh siphon để mồi cột nước chính*.
7. Khi nào siphon thực sự được thiết lập?
Siphon được xem là đã hình thành khi đường ống từ phía bồn qua đỉnh đến nhánh xuống chứa cột nước đủ liên tục để dòng chảy tự duy trì.
Sau thời điểm này, ejector hoặc bộ mồi không phải nguồn năng lượng chính làm nước chảy.
Năng lượng cho dòng siphon đến từ *chênh lệch cột nước giữa phía nguồn và phía cửa xả thấp hơn*.
Nếu chọn hai vị trí có áp suất khí quyển ở bề mặt nguồn và phía xả, phương trình năng lượng có thể viết dạng tổng quát:
Trong nhiều trường hợp vận tốc tại các khoang lớn nhỏ so với vận tốc trong ống, chênh lệch cao độ giữa hai phía chính là nguồn cột áp để thắng tổn thất của đường siphon và hệ thống rửa.
Áp suất thấp tại đỉnh siphon là *hệ quả cần thiết để duy trì cột nước đi qua một cao độ lớn hơn mực nước phía nguồn*, chứ ...