Медленный песчаный фильтр

Медленные песчаные фильтры используются для очистки воды для обработки сырой воды с целью получения питьевого продукта. Обычно они имеют глубину 1–2 м (3,3–6,6 фута), могут быть прямоугольными или цилиндрическими в поперечном сечении и используются в основном для очистки поверхностных вод. Длина и ширина резервуаров определяются требуемой скоростью потока для фильтров, которые обычно имеют скорость загрузки 200–400 литров (0,20–0,40 м ³ ) на квадратный метр в час.

Медленные песчаные фильтры отличаются от всех других фильтров, используемых для очистки питьевой воды, тем, что они работают, используя сложную биопленку , которая естественным образом растет на поверхности песка. Сам песок не выполняет никакой функции фильтрации, а просто действует как субстрат, в отличие от своих аналогов для ультрафиолетовой и напорной обработки. Хотя они часто являются предпочтительной технологией во многих развивающихся странах из-за их низких энергетических потребностей и надежной работы, они также используются для очистки воды в некоторых развитых странах, таких как Великобритания , где они используются для очистки воды, поставляемой в Лондон . Медленные песчаные фильтры теперь также испытываются на предмет контроля патогенов в питательных растворах в гидропонных системах.

История

Оригинальная карта Джона Сноу, показывающая очаги холеры во время лондонской эпидемии 1854 года .

Первое задокументированное использование песчаных фильтров для очистки водоснабжения датируется 1804 годом, когда владелец отбеливателя в Пейсли, Шотландия , Джон Гибб, установил экспериментальный фильтр, созданный инженером Робертом Томом , и продавал его ненужные излишки населению. ^[1]^[2] Этот метод был усовершенствован в последующие два десятилетия инженерами, работавшими в частных водопроводных компаниях, и его кульминацией стало создание первой в мире очищенной системы общественного водоснабжения, установленной инженером Джеймсом Симпсоном для компании Chelsea Waterworks Company в Лондоне в 1829 году. ^[3]^[4] Эта установка обеспечивала отфильтрованной водой каждого жителя этого района, и в последующие десятилетия конструкция сети широко копировалась по всему Соединенному Королевству .

Практика очистки воды вскоре стала общепринятой, и достоинства системы стали совершенно очевидны после исследований врача Джона Сноу во время вспышки холеры на Брод-стрит в 1854 году . Сноу скептически относился к господствовавшей тогда теории миазмов , которая утверждала, что болезни вызываются вредными «плохими воздухами». Хотя микробная теория болезней еще не была разработана, наблюдения Сноу заставили его отказаться от преобладающей теории. Его эссе 1855 года « О способе передачи холеры» убедительно продемонстрировало роль водоснабжения в распространении эпидемии холеры в Сохо [ ^5] с использованием точечной карты распределения и статистических доказательств для иллюстрации связи между качеством источника воды и случаями холеры. Его данные убедили местный совет отключить водяной насос, что быстро положило конец вспышке.

Акт о воде метрополии ввел регулирование компаний по водоснабжению в Лондоне , включая минимальные стандарты качества воды впервые. Акт «предусматривал обеспечение поставок в метрополию чистой и полезной воды» и требовал, чтобы вся вода была «эффективно отфильтрована» с 31 декабря 1855 года. ^[6] За этим последовало законодательство об обязательной проверке качества воды, включая комплексный химический анализ, в 1858 году. Это законодательство создало всемирный прецедент для подобных государственных вмешательств в здравоохранение по всей Европе . В то же время была сформирована Столичная комиссия по канализации , по всей стране была принята фильтрация воды, и были построены новые водозаборы на Темзе выше шлюза Теддингтон .

Очистка воды пришла в Соединенные Штаты в 1872 году, когда в Покипси, штат Нью-Йорк , открылась первая установка медленной фильтрации через песок, ^[7] что значительно сократило случаи холеры и брюшного тифа, которые серьезно влияли на местное сообщество. Критерии проектирования Покипси использовались по всей стране в качестве модели для других муниципалитетов. Первоначальная очистная установка Покипси непрерывно работала в течение 87 лет, прежде чем была заменена в 1959 году. ^[8]

Метод работы

Медленные песчаные фильтры работают посредством образования студенистого слоя (или биопленки ), называемого подземным слоем или Schmutzdecke, в верхних нескольких миллиметрах слоя мелкого песка. Schmutzdecke образуется в первые 10–20 дней работы ^[9] и состоит из бактерий , грибков , простейших , коловраток и ряда личинок водных насекомых. По мере старения эпигейной биопленки в ней, как правило, развивается больше водорослей, и могут присутствовать более крупные водные организмы, включая некоторые мшанки , улиток и кольчатых червей. Поверхностная биопленка — это слой, который обеспечивает эффективную очистку при очистке питьевой воды, а лежащий под ней песок обеспечивает опорную среду для этого слоя биологической очистки. Когда вода проходит через подземный слой, частицы посторонних веществ задерживаются в слизистой матрице, а растворимый органический материал адсорбируется . Загрязняющие вещества метаболизируются бактериями, грибками и простейшими. Вода, полученная с помощью образцового медленного песчаного фильтра, отличается превосходным качеством, с уменьшением количества бактериальных клеток на 90–99%. ^[10] Обычно в Великобритании медленные песчаные фильтры имеют глубину слоя от 0,3 до 0,6 метра, содержащего песок размером от 0,2 до 0,4 мм. Пропускная способность составляет 0,25 м3/ч. ^[11]

Медленные песчаные фильтры постепенно теряют свою производительность по мере того, как биопленка уплотняется и тем самым снижает скорость потока через фильтр. В конце концов, необходимо отремонтировать фильтр. Для этого обычно используются два метода. В первом случае верхние несколько миллиметров мелкого песка соскребаются, чтобы обнажить новый слой чистого песка. Затем вода сливается обратно в фильтр и рециркулируется в течение нескольких часов, чтобы дать возможность развиться новой биопленке. Затем фильтр заполняется до полного объема и возвращается в эксплуатацию. ^[10] Второй метод, иногда называемый мокрым боронованием, заключается в понижении уровня воды до уровня чуть выше гипогеального слоя, перемешивании песка; таким образом осаждаются любые твердые частицы, удерживаемые в этом слое, и позволяет оставшейся воде промыть песок. Затем фильтрующая колонна заполняется до полной емкости и возвращается в эксплуатацию. Мокрое боронование может позволить фильтру вернуться в эксплуатацию быстрее. ^[9]

Функции

Медленные песчаные фильтры обладают рядом уникальных качеств:

В отличие от других методов фильтрации, медленные песчаные фильтры используют биологические процессы для очистки воды и не являются системами под давлением. Медленные песчаные фильтры не требуют химикатов или электричества для работы.
Традиционно очистка выполняется с помощью механического скребка, который обычно вбивается в фильтрующий слой после того, как слой высох. Однако некоторые операторы медленных песчаных фильтров используют метод, называемый «мокрое боронование», когда песок соскребается, пока он все еще находится под водой, а вода, использованная для очистки, сливается в отходы.
В муниципальных системах обычно существует определенная степень избыточности , поскольку желательно, чтобы максимально требуемая пропускная способность воды достигалась при выходе из строя одного или нескольких русел.
Медленные песчаные фильтры требуют относительно низкого уровня мутности для эффективной работы. В летних условиях с высокой микробной активностью и в условиях, когда сырая вода мутная, засорение фильтров из-за биологического засорения происходит быстрее, и рекомендуется предварительная очистка.
В отличие от других технологий фильтрации воды, которые производят воду по требованию, медленные песчаные фильтры производят воду с медленной, постоянной скоростью потока и обычно используются в сочетании с резервуаром для хранения при пиковом использовании. Эта медленная скорость необходима для здорового развития биологических процессов в фильтре. ^[12]^{: 38–41}^[13]

В то время как на многих муниципальных очистных сооружениях одновременно используется 12 и более фильтрующих слоев, в небольших населенных пунктах или домохозяйствах может быть только один или два фильтрующих слоя.

В основании каждого слоя находится ряд дренажных каналов в виде елочки , покрытых слоем гальки, который в свою очередь покрыт крупным гравием. Сверху размещаются дополнительные слои песка, за которыми следует толстый слой мелкого песка. Общая глубина фильтрующего материала может превышать 1 метр, большую часть которого будет составлять мелкий песок. Поверх слоя песка находится надосадочный слой неочищенной воды.

Преимущества

Поскольку для их работы требуется мало или совсем не требуется механической энергии, химикатов или сменных деталей, а также требуется минимальное обучение оператора и лишь периодическое техническое обслуживание, они часто являются подходящей технологией для бедных и изолированных районов.
Медленные песчаные фильтры, благодаря своей простой конструкции, могут быть созданы своими руками . Медленные песчаные фильтры своими руками использовались такими организациями, как Tearfund в Демократической Республике Конго и других странах, для оказания помощи бедным. ^[14]
Медленные песчаные фильтры признаны Всемирной организацией здравоохранения ^[15] , Oxfam ^[16] и Агентством по охране окружающей среды США ^[17] как превосходная технология для очистки поверхностных источников воды в малых водных системах. По данным Всемирной организации здравоохранения, «при подходящих обстоятельствах медленная песчаная фильтрация может быть не только самым дешевым и простым, но и самым эффективным методом очистки воды».

Недостатки

Из-за низкой скорости фильтрации медленные песчаные фильтры требуют обширной площади земли для крупной муниципальной системы. ^[12] Многие муниципальные системы в США изначально использовали медленные песчаные фильтры, но по мере роста городов и из-за необходимости очистки исходных вод с высокой мутностью впоследствии были установлены быстрые песчаные фильтры из-за возросшего спроса на питьевую воду. ^[18]

Смотрите также

Фильтрация банка
Фильтр Biosand – технология фильтрации воды на основе медленных песчаных фильтров.
Капельный фильтр – тип системы очистки сточных вод с фиксированным слоем камней или аналогичным материалом.
Быстрый песчаный фильтр

Примечания

^ Фильтрация водоснабжения (PDF) , Всемирная организация здравоохранения
^ Бьюкен, Джеймс. (2003). Переполненный гениями: шотландское просвещение: Эдинбургский момент ума. Нью-Йорк: Harper Collins.
^ "Краткая история в эпоху снега". Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года . Получено 9 января 2014 года .^{[ необходима полная цитата ]}
^ Кристман, Кит. (1998). История хлора. Waterworld, 14 (8), 66–67.
^ Ганн, С. Уильям А.; Маселлис, Мишель (23 октября 2007 г.). Концепции и практика гуманитарной медицины. Springer. ISBN 9780387722641.
^ Акт об улучшении положения о водоснабжении метрополии (15 и 16 Vict. C.84)
↑ Джонсон, Джордж (март 1914 г.). «Современная практика фильтрации воды». Американская ассоциация водопроводных сооружений . 1 (1): 31–80. Bibcode : 1914JAWWA...1a..31J. doi : 10.1002/j.1551-8833.1914.tb14045.x. JSTOR 41224153.
^ "История | Водоочистные сооружения Покипси". pokwater.com . Водоочистные сооружения Покипси . Получено 18 мая 2017 г. .
^ ab Центр доступных технологий водоснабжения и санитарии, Руководство по биопесчаным фильтрам: проектирование, строительство и установка, июль 2007 г.
^ ab National Drinking Water Clearinghouse (US), Моргантаун, Западная Вирджиния. «Медленная фильтрация песка». Архивировано 6 апреля 2016 г. в Wayback Machine Tech Brief Fourteen, июнь 2000 г.
^ Центр водных исследований (1977). Очистка воды в ЕЭС . Оксфорд: Пергамон. стр. 374. ISBN 0080212255.{{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )
^ ab Агентство по охране окружающей среды США (EPA) (1990). Цинциннати, Огайо. «Технологии модернизации существующих или проектирования новых сооружений по очистке питьевой воды». Документ № EPA/625/4-89/023.
^ HDR Engineering (2001). Справочник по системам общественного водоснабжения. Нью-Йорк: John Wiley and Sons. стр. 353. ISBN 978-0-471-29211-1. Получено 28 марта 2010 г.
^ "Tearfund – Biosand filters". Архивировано из оригинала 24 мая 2016 года . Получено 5 октября 2020 года .
^ "WHO – Медленная фильтрация песка". Архивировано из оригинала 6 апреля 2016 года.{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
^ "UNHCR eCentre" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 марта 2006 г.
^ Список технологий соответствия малых систем Правилам очистки поверхностных вод (Отчет). EPA. Август 1997 г. EPA 815-R-97-002.
^ Логсдон, Гэри С. (2011). Практики фильтрации воды. Денвер, Колорадо: Американская ассоциация водопроводных сооружений. стр. 1–2. ISBN 978-1613000847.

Ссылки

"Узнайте больше: Вода (медленный песчаный фильтр)". Проект лагеря беженцев - . Врачи без границ. Архивировано из оригинала 28 июля 2007 г. . Получено 27 марта 2007 г. .
Хейсман, Л. (1974). Медленная фильтрация песка (PDF) (Отчет). Женева: Всемирная организация здравоохранения.
«Руководство по воде для ситуаций, связанных с беженцами, Управления Верховного комиссара ООН по делам беженцев (УВКБ ООН)», Женева, ноябрь 1992 г. Рекомендации по использованию медленных песчаных фильтров приведены на стр. 38.
«Список технологий, соответствующих малым системам для Правил очистки поверхностных вод», Агентство по охране окружающей среды США, EPA 815-R-97-002, август 1997 г. Медленная песчаная фильтрация указана на стр. 24.
Рейнольдс, Фрэнсис Дж., ред. (1921). "Фильтрационный слой" . Новая энциклопедия Кольера . Нью-Йорк: P. F. Collier & Son Company.