Песочные фильтры используются в качестве этапа очистки воды .
Есть три основных типа; быстрые (гравитационные) песочные фильтры , песочные фильтры с восходящим потоком и медленные песочные фильтры . Все три метода широко используются в водном хозяйстве по всему миру. Первые два требуют использования химикатов-флокулянтов для эффективной работы, в то время как медленные песочные фильтры могут производить воду очень высокого качества с удалением патогенов от 90% до >99% (в зависимости от штаммов), вкусом и запахом без необходимости использования химических добавок. [1] Песочные фильтры могут использоваться не только на водоочистных станциях, но и для очистки воды в отдельных домашних хозяйствах, поскольку в них используются материалы, доступные большинству людей. [2]
История методов разделения уходит далеко в прошлое, поскольку фильтрующие материалы использовались уже в древние периоды. Камыши и растения гениста использовались для заполнения ситовых сосудов, разделяющих твердые и жидкие вещества. Египтяне также использовали пористые глиняные сосуды для фильтрации питьевой воды, вина и других жидкостей. [3]
.jpg/1280px-20150415-NRCS-LSC-0526_(20027438519).jpg)
Фильтр с песчаной подушкой — это своего рода глубинный фильтр . В целом существует два типа фильтров для отделения твердых частиц от жидкостей:
Кроме того, существуют пассивные и активные устройства для разделения твердой и жидкой фаз, такие как отстойники , самоочищающиеся сетчатые фильтры, гидроциклоны и центрифуги . [4]
Существует несколько типов глубинных фильтров: в некоторых используется волокнистый материал, а в других — гранулированный материал . Фильтры с песчаным слоем являются примером глубинного фильтра с гранулированным сыпучим материалом. Их обычно используют для отделения небольших количеств (<10 частей на миллион или <10 г на кубический метр) мелких твердых частиц (<100 микрометров) из водных растворов. [5] : 302–303 Кроме того, их обычно используют для очистки жидкости, а не для улавливания твердых частиц как ценного материала. Поэтому они находят большую часть своего применения при очистке жидких сточных вод ( сточных вод ).
Фильтры с песчаным слоем работают, предоставляя твердым частицам множество возможностей для улавливания на поверхности песчинки. Когда жидкость течет через пористый песок по извилистому маршруту, частицы приближаются к песчинкам. Они могут быть захвачены одним из нескольких механизмов:
Кроме того, можно предотвратить захват твердых частиц за счет отталкивания поверхностного заряда, если поверхностный заряд песка имеет тот же знак (положительный или отрицательный), что и заряд твердых частиц. Кроме того, можно вытеснить захваченные частицы, хотя они могут быть повторно уловлены на большей глубине слоя. Наконец, песчинка, которая уже загрязнена твердыми частицами, может стать более привлекательной или оттолкнуть дополнительные твердые частицы. Это может произойти, если, прилипая к песчинке, частица теряет поверхностный заряд и становится привлекательной для дополнительных частиц, или наоборот, и поверхностный заряд сохраняется, отталкивая дальнейшие частицы от песчинки.
В некоторых случаях необходимо предварительно очистить сточные воды, попадающие в песчаный слой, чтобы гарантировать возможность улавливания твердых частиц. Этого можно добиться одним из нескольких методов:
Они могут работать либо с жидкостями, текущими вверх, либо с жидкостями, текущими вниз, причем последнее является гораздо более распространенным. В устройствах с нисходящим потоком жидкость может течь под давлением или только под действием силы тяжести. Напорные фильтры с песчаным слоем, как правило, используются в промышленности и часто называются быстрыми фильтрами с песчаным слоем. Установки с гравитационной подачей используются для очистки воды, особенно питьевой воды, и эти фильтры нашли широкое применение в развивающихся странах (медленные песочные фильтры).
В целом, существует несколько категорий песчаных фильтров:
На рисунке показана общая конструкция песочного фильтра быстрого давления. Фильтровальный песок занимает большую часть пространства камеры. Он устанавливается либо на днище сопла, либо наверху дренажной системы, которая позволяет отфильтрованной воде выходить. Предварительно очищенная сырая вода поступает в фильтрующую камеру сверху, проходит через фильтрующий материал, а сточные воды стекают через дренажную систему в нижней части. На крупных перерабатывающих предприятиях также внедрена система равномерного распределения сырой воды в фильтре. Кроме того, обычно в комплект входит распределительная система, контролирующая поток воздуха. Это обеспечивает постоянное распределение воздуха и воды и предотвращает слишком высокие потоки воды в определенных областях. Типичное распределение зерна выходит из-за частой обратной промывки. В верхней части песчаного слоя преобладают зерна меньшего диаметра, а в нижних — крупнозернистые.
Два процесса, влияющие на функциональность фильтра, — это дозревание и регенерация.
В начале нового цикла работы фильтра эффективность фильтра увеличивается одновременно с количеством улавливаемых частиц в среде. Этот процесс называется «созреванием фильтра». Во время дозревания фильтра сточные воды могут не соответствовать критериям качества и должны быть повторно закачаны на предыдущих этапах установки. [6] Методы регенерации позволяют повторно использовать фильтрующий материал. Накопившиеся твердые частицы из фильтрующего слоя удаляются. [6] Во время обратной промывки вода (и воздух) прокачиваются обратно через систему фильтров. Воду обратной промывки можно частично повторно закачивать перед фильтрацией, а образовавшиеся сточные воды необходимо выбрасывать. Время обратной промывки определяется либо значением мутности за фильтром, которое не должно превышать установленное пороговое значение, либо потерей напора в фильтрующем материале, которая также не должна превышать определенного значения.
Меньшие зерна песка обеспечивают большую площадь поверхности и, следовательно, более высокую степень очистки поступающей воды, но также требуется больше энергии накачки, чтобы прогнать жидкость через слой. Компромиссом является то, что в большинстве фильтров с песчаным слоем быстрого давления используются зерна размером от 0,6 до 1,2 мм, хотя для специальных применений могут быть указаны другие размеры. Более крупные частицы сырья (>100 микрометров) будут иметь тенденцию блокировать поры слоя и превращать его в поверхностный фильтр, который быстро засоряется. Для решения этой проблемы можно использовать более крупные песчинки, но если в сырье содержится значительное количество крупных твердых частиц, их необходимо удалить перед фильтром с песчаным слоем с помощью такого процесса, как осаждение. [5] : 302–303.
Рекомендуется, чтобы глубина песчаного слоя составляла около 0,6–1,8 м (2–6 футов) независимо от применения. Это связано с максимальной пропускной способностью, обсуждаемой ниже. [5] : 302–303.
Руководство по конструкции быстрых фильтров с песчаным слоем предполагает, что они должны работать с максимальной скоростью потока 9 м 3 /м 2 /час (220 галлонов США/фут 2 /час). [7] Используя требуемую пропускную способность и максимальную скорость потока, можно рассчитать необходимую площадь слоя.
Последним ключевым моментом проектирования является уверенность в том, что жидкость правильно распределена по пласту и что нет предпочтительных путей жидкости, где песок может быть смыт и поврежден фильтр.
Фильтры быстрого давления с песчаным слоем обычно работают при давлении подачи от 2 до 5 бар (а) (от 28 до 70 фунтов на квадратный дюйм (а)). Перепад давления на чистом песчаном слое обычно очень низкий. Он образуется по мере того, как твердые частицы улавливаются слоем. Твердые частицы не улавливаются равномерно по глубине, больше захватывается выше по дну, при этом градиент концентрации затухает экспоненциально. [5] : 302–303.
Этот тип фильтра улавливает частицы до очень маленьких размеров и не имеет истинного предельного размера, ниже которого частицы всегда будут проходить. Кривая эффективности размера частиц фильтра имеет U-образную форму с высокими показателями улавливания частиц для самых мелких и крупных частиц с провалом между ними для частиц среднего размера. [7]
Накопление твердых частиц приводит к увеличению потерь давления в слое при заданной скорости потока. Для слоя с гравитационной подачей, когда доступное давление постоянно, скорость потока будет падать. Когда потеря давления или расхода неприемлемы и фильтр больше не работает эффективно, слой промывается обратной промывкой для удаления накопившихся частиц. Для напорного фильтра с песчаным слоем это происходит, когда падение давления составляет около 0,5 бар. Жидкость обратной промывки прокачивается обратно через слой до тех пор, пока она не станет псевдоожиженной и не расширится примерно до 30% (зерна песка начинают смешиваться и, труясь друг о друга, удаляют твердые частицы). Более мелкие твердые частицы смываются жидкостью обратной промывки и обычно улавливаются в отстойнике. Расход жидкости, необходимый для псевдоожижения слоя, обычно составляет от 3 до 10 м 3 /м 2 /час, но не длится долго (несколько минут). [5] : 224–235 Небольшое количество песка может быть потеряно в процессе обратной промывки, и может потребоваться периодическая дозасыпка слоя.
Как видно из названия, скорость фильтрации изменяется в медленном песчаном фильтре , однако самая большая разница между медленным и быстрым песчаным фильтром заключается в том, что верхний слой песка является биологически активным, поскольку в систему вводятся микробные сообщества. Рекомендуемая и обычная глубина фильтра составляет от 0,9 до 1,5 метров. Микробный слой формируется в течение 10–20 дней от начала операции. В процессе фильтрации сырая вода может просачиваться через пористую песчаную среду, останавливая и улавливая органические материалы, бактерии, вирусы и цисты, такие как лямблии и криптоспоридии . Процедура регенерации медленных песчаных фильтров называется соскабливанием и используется для механического удаления засохших частиц на фильтре. Однако этот процесс также можно проводить под водой, в зависимости от конкретной системы. Еще одним ограничивающим фактором для очищаемой воды является мутность , которая для медленных песчаных фильтров определяется как 10 NTU (нефелометрические единицы мутности). Песчаные фильтры медленного действия — хороший вариант для операций с ограниченным бюджетом, поскольку при фильтрации не используются никакие химикаты и практически не требуется механическая помощь. Однако из-за постоянного роста населения в сообществах медленные песчаные фильтры заменяются быстрыми песчаными фильтрами, в основном из-за продолжительности периода эксплуатации.
Песочный фильтр с непрерывной обратной промывкой или восходящим потоком является новейшим режимом работы. Наиболее явное отличие от предыдущих состоит в том, что фильтруемая вода подается снизу, а отфильтрованная вода получается сверху. Этот обратный поток позволяет интегрировать процесс обратной промывки в процесс фильтрации, тем самым уменьшая количество используемой промывочной воды и сокращая время очистки. Максимальная нагрузка составляет около 5,4 л/м2 при постоянной потере напора 0,6 м. [8]
Фильтры, имеющие разные фильтрующие слои, называются фильтрами смешанного действия или мультимедийными фильтрами. Песок является распространенным фильтрующим материалом, но антрацит, гранулированный активированный уголь (ГАУ), гранат и ильменит также являются распространенными фильтрующими материалами. Антрацит — более твердый материал и менее летучий по сравнению с другими углями. Ильменит и гранат тяжелее песка. Гранат состоит из нескольких минералов, придающих ему изменчивый красный цвет. Ильменит – оксид железа и титана. ГАУ можно использовать в процессе адсорбции и фильтрации одновременно. Эти материалы можно использовать как отдельно, так и в сочетании с другими носителями. Но фильтрующие слои всегда будут расположены по плотности, более тяжелые соединения будут оседать внизу, а более легкие – вверху. Различные комбинации дают разную классификацию фильтра, а также разную пористость по всему фильтру, что приводит к разному перепаду давления. Очень распространенная компоновка этих наполнителей состоит из: антрацита сверху, песка и граната и гравийной основы внизу. Глубина этих фильтров обычно составляет 0,6-1 м, выше 1 м резко возрастает перепад давления, а при глубине менее 0,6 м толщина каждого фильтрующего слоя уменьшается, что снижает его эффективность. Номинальный рабочий поток и перепад давления составляют от 3–7 галлонов в минуту/фут2 до 3–7 фунтов на квадратный дюйм. Когда падение давления превышает 10 фунтов на квадратный дюйм, необходима операция обратной промывки, которая заключается в изменении направления потока (вода идет вверх) для удаления частиц, попавших в фильтрующий материал, и они будут выходить через верхнюю часть фильтра вместе с обратной промывкой. вода. Обычно для обратной промывки поток примерно в 3 раза превышает обычный фильтрующий поток (должен быть достаточно высоким, чтобы поднять фильтрующий материал и удалить попавшие в него частицы). Monomedia — это однослойный фильтр, обычно состоящий из песка, который сегодня заменяется более новой технологией. Мономедиа с глубоким слоем также представляет собой однослойный фильтр, состоящий либо из антрацита, либо из ГАУ. Мономедийный фильтр с глубоким слоем используется при постоянном качестве воды, что обеспечивает более длительный срок службы. Двойные среды (двухслойные) часто содержат слой песка внизу и слой антрацита или ГАУ сверху. Тримедиа или смешанная среда представляет собой трехслойный фильтр. Тримедии часто содержат гранат или ильменит в нижнем слое, песок в среднем и антрацит в верхнем.
Все эти методы широко используются в водном хозяйстве во всем мире. Для эффективной работы первых трех в списке выше требуется использование химических веществ-флокулянтов. Медленные песочные фильтры производят воду высокого качества без использования химических добавок.
Прохождение флокулированной воды через быстрый гравитационный песчаный фильтр отделяет хлопья и попавшие в них частицы, уменьшая количество бактерий и удаляя большую часть твердых частиц. Средой фильтра является песок различных марок. Если вкус и запах могут быть проблемой (органолептические воздействия), песочный фильтр может включать слой активированного угля для удаления такого вкуса и запаха.
Песочные фильтры засоряются хлопьями или биологически засоряются после определенного периода использования. Затем медленные песочные фильтры очищаются (см. выше), а быстрые песочные фильтры промываются обратной промывкой или промываются под давлением для удаления хлопьев. Эта вода обратной промывки направляется в отстойники, где хлопья могут осесть, а затем утилизируется как отходы. Затем надосадочную воду возвращают в процесс очистки или утилизируют как поток сточных вод. В некоторых странах осадок можно использовать в качестве кондиционера почвы . Ненадлежащее обслуживание фильтров было причиной периодического загрязнения питьевой воды.
Песочные фильтры иногда используются при очистке сточных вод на заключительном этапе очистки. В этих фильтрах песок улавливает остаточный взвешенный материал и бактерии и обеспечивает физическую матрицу для бактериального разложения азотистых материалов, включая аммиак и нитраты , в газообразный азот .
Песочные фильтры являются одним из наиболее полезных процессов очистки, поскольку процесс фильтрации (особенно медленной песочной фильтрации) сочетает в себе многие функции очистки. [9]
Одним из преимуществ песчаных фильтров является то, что они могут использоваться в различных целях. Более того, различные типы режимов работы: быстрый, медленный и восходящий поток позволяют гибко адаптировать метод фильтрации к потребностям и требованиям пользователей. Песочные фильтры обеспечивают высокую эффективность удаления цвета и микроорганизмов, а поскольку они очень просты, эксплуатационные расходы очень низкие. Более того, его простота упрощает автоматизацию процессов, что требует меньшего вмешательства человека.
Основные ограничения этой технологии будут связаны с засорением, то есть закупоркой фильтрующего материала, что требует значительного количества воды для проведения операции обратной промывки и использования химикатов при предварительной очистке. Кроме того, медленные песочные фильтры обычно требуют большей площади по сравнению с фильтрами с быстрым потоком, особенно если сырая вода сильно загрязнена. Однако, несмотря на эти ограничения, они предлагают гораздо больше возможностей и именно поэтому широко используются в отрасли. [10] [11]
В процессе очистки воды следует учитывать определенные факторы, которые могут вызвать серьезные проблемы, если их не лечить должным образом. Вышеупомянутые процессы, такие как дозревание фильтра и обратная промывка, влияют не только на качество воды, но и на время, необходимое для полной очистки. Обратная промывка также уменьшает объем сточных вод. Если определенное количество воды необходимо доставить, например, населению, необходимо учитывать потери воды. Кроме того, отходы обратной промывки необходимо перерабатывать или надлежащим образом утилизировать. С химической точки зрения, различное качество сырой воды и изменения температуры уже на входе в установку влияют на эффективность процесса очистки.
Значительная неопределенность связана с моделями, используемыми для построения песчаных фильтров. Это связано с математическими предположениями, которые необходимо сделать, например, что все зерна имеют сферическую форму. Сферическая форма влияет на интерпретацию размера, поскольку диаметр сферических и несферических зерен разный. Упаковка зерен внутри слоя также зависит от формы зерен. Это влияет на пористость и гидравлический поток. [6]
Песочные фильтры используются в различных отраслях и процессах, где требуется далеко идущее удаление взвешенных веществ из воды или сточных вод.
Секторы, в которых применяется песчаная фильтрация, включают производство питьевой воды, бассейны, автомойки, очистку грунтовых вод, RWZI, скотобойни, промышленность по переработке фруктов и овощей, напитки, пищевую промышленность, обработку поверхности металлов, …
Производство охлаждающей воды, подготовка питьевой воды, предварительная фильтрация в системах обработки активированным углем и мембранных системах, а также фильтрация воды в плавательных бассейнах.