Песочные фильтры используются как этап в процессе очистки воды .
Существует три основных типа: быстрые (гравитационные) песчаные фильтры , песчаные фильтры с восходящим потоком и медленные песчаные фильтры . Все три метода широко используются в водной отрасли по всему миру. Первые два требуют использования флокулянтов для эффективной работы, в то время как медленные песчаные фильтры могут производить очень качественную воду с удалением патогенов от 90% до >99% (в зависимости от штаммов), вкуса и запаха без необходимости использования химических добавок. [1] Песочные фильтры могут, помимо использования на водоочистных станциях, использоваться для очистки воды в отдельных домохозяйствах, поскольку они используют материалы, которые доступны большинству людей. [2]
История методов разделения уходит далеко в прошлое, поскольку фильтрующие материалы использовались уже в древние времена. Камыш и растения генисты использовались для заполнения ситовых сосудов, которые разделяли твердые и жидкие материалы. 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 песчаным слоем — 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 видов глубинных фильтров, некоторые из которых используют волокнистый материал, а другие — гранулированные материалы . Фильтры с песчаным слоем являются примером глубинного фильтра с гранулированной рыхлой средой. Обычно они используются 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, они обычно используются для очистки жидкости, а не для улавливания твердых частиц в качестве ценного материала. Поэтому они находят наибольшее применение в очистке жидких стоков ( сточных вод ).
Фильтры с песчаным слоем работают, предоставляя твердым частицам множество возможностей быть захваченными 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, захват твердых частиц может быть предотвращен отталкиванием поверхностного заряда , если поверхностный заряд песка имеет тот же знак (положительный или отрицательный), что и заряд твердых частиц. Кроме того, возможно вытеснение захваченных частиц, хотя они могут быть повторно захвачены на большей глубине в слое. Наконец, песчинка, которая уже загрязнена твердыми частицами, может стать более привлекательной или отталкивать 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 обрабатывать стоки, поступающие в песчаный слой, чтобы обеспечить улавливание твердых частиц. Этого можно добиться одним из нескольких методов:
Они могут работать либо с потоками восходящей, либо с потоками нисходящей жидкости, причем последний вариант более распространен. Для устройств с нисходящим потоком жидкость может течь под давлением или только под действием силы тяжести. Фильтры с песчаным слоем под давлением, как правило, используются в промышленных приложениях 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 песчаные фильтры).
В целом, существует несколько категорий песчаных фильтров:
Эскиз иллюстрирует общую структуру песчаного фильтра быстрого давления. Фильтрующий песок занимает большую часть пространства камеры. Он располагается либо на дне сопла, либо наверху дренажной системы, которая позволяет отфильтрованной воде выходить. Предварительно очищенная сырая вода поступает в фильтровальную камеру сверху, протекает через фильтрующую среду, а стоки стекают через дренажную систему в нижней части. На крупных технологических заводах также реализована система для равномерного распределения сырой воды в фильтр. Кроме того, обычно включается распределительная система, контролирующая поток воздуха. Она обеспечивает постоянное распределение воздуха и воды и предотвращает слишком высокие потоки воды в определенных областях. Типичное распределение зерна выходит из-за частой обратной промывки. Зерна с меньшим диаметром преобладают в верхней части слоя песка, тогда как крупные зерна доминируют в нижних частях.
Два процесса, влияющие на функциональность фильтра, — это созревание и регенерация.
В начале нового цикла фильтрации эффективность фильтра увеличивается одновременно с количеством захваченных частиц в среде. Этот процесс называется созреванием фильтра. Во время созревания фильтра сточные воды могут не соответствовать критериям качества и должны быть повторно закачаны на предыдущих этапах установки. [6] Методы регенерации позволяют повторно использовать фильтрующую среду. Накопленные твердые частицы из фильтрующего слоя удаляются. [6] Во время обратной промывки вода (и воздух) закачивается обратно через систему фильтров. Вода обратной промывки может частично повторно закачиваться перед процессом фильтрации, а образующиеся сточные воды необходимо сбрасывать. Время обратной промывки определяется либо значением мутности за фильтром, которое не должно превышать установленного порогового значения, либо потерей напора через фильтрующую среду, которая также не должна превышать определенного значения.
Более мелкие зерна песка обеспечивают большую площадь поверхности и, следовательно, более высокую степень очистки входящей воды, но также требуют больше энергии накачки для перемещения жидкости через слой. Компромисс заключается в том, что большинство быстрых фильтров с песчаным слоем используют зерна в диапазоне от 0,6 до 1,2 мм, хотя для специальных применений могут быть указаны другие размеры. Более крупные частицы исходного материала (>100 микрометров) будут иметь тенденцию блокировать поры слоя и превращать его в поверхностный фильтр, который быстро засоряется. Более крупные зерна песка могут использоваться для решения этой проблемы, но если в исходном материале содержится значительное количество крупных твердых частиц, их необходимо удалить выше по потоку от фильтра с песчаным слоем с помощью такого процесса, как осаждение. [5] : 302–303
Глубина песчаного слоя рекомендуется 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 проектированию скорых песчаных фильтров предполагает, что они должны работать с максимальным расходом 9 м 3 /м 2 /ч (220 галлонов США/фут 2 /ч). [7] Используя требуемую пропускную способность и максимальный расход, можно рассчитать требуемую площадь слоя.
Последним ключевым моментом проектирования является обеспечение правильного распределения жидкости по всему слою и отсутствие предпочтительных путей движения жидкости, где песок может быть вымыт, а фильтр может быть поврежден.
Фильтры с песчаным слоем быстрого давления обычно работают при давлении подачи от 2 до 5 бар (абс.) (от 28 до 70 фунтов на кв. дюйм (абс.)). Перепад давления на чистом песчаном слое обычно очень мал. Он нарастает по мере того, как твердые частицы захватываются слоем. Твердые частицы не захватываются равномерно по глубине, больше захватывается выше слоем с градиентом концентрации, уменьшающимся экспоненциально. [5] : 302–303
Этот тип фильтра будет захватывать частицы вплоть до очень малых размеров и не имеет истинного размера отсечки, ниже которого частицы всегда будут проходить. Форма кривой размера частиц-эффективности фильтра представляет собой U-образную форму с высокими показателями захвата частиц для самых маленьких и самых больших частиц с провалом между ними для частиц среднего размера. [7]
Накопление твердых частиц приводит к увеличению потери давления в слое при заданной скорости потока. Для гравитационного слоя, когда имеющееся давление постоянно, скорость потока будет падать. Когда потеря давления или поток неприемлемы и фильтр больше не работает эффективно, слой промывается обратным потоком для удаления накопленных частиц. Для напорного фильтра с быстрым песчаным слоем это происходит, когда перепад давления составляет около 0,5 бар. Промывочная жидкость прокачивается обратно через слой до тех пор, пока она не станет псевдоожиженной и не расширится примерно на 30% (песчинки начинают смешиваться, и, поскольку они трутся друг о друга, они выталкивают твердые частицы). Более мелкие твердые частицы смываются промывочной жидкостью и обычно улавливаются в отстойнике. Поток жидкости, необходимый для псевдоожижения слоя, обычно составляет от 3 до 10 м 3 /м 2 /ч, но не работает долго (несколько минут). [5] : 224–235 Небольшое количество песка может быть потеряно в процессе обратной промывки, и может потребоваться периодическая дозаправка слоя.
Как следует из названия, скорость фильтрации в медленном песчаном фильтре изменяется , однако, самое большое различие между медленным и быстрым песчаным фильтром заключается в том, что верхний слой песка биологически активен, так как 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 с начала эксплуатации. В процессе фильтрации сырая вода может просачиваться через пористую песчаную среду, задерживая и задерживая органический материал, бактерии, вирусы и цисты, такие как Giardia и Cryptosporidium . Процедура регенерации для медленных песчаных фильтров называется соскабливанием и используется для механического удаления высохших частиц на фильтре. Однако этот процесс также может выполняться под водой, в зависимости от индивидуальной системы. Другим ограничивающим фактором для очищаемой воды является мутность , которая для медленных песчаных фильтров определяется как 10 NTU (нефелометрические единицы мутности). Медленные песчаные фильтры являются хорошим вариантом для ограниченного бюджета, поскольку фильтрация не использует никаких химикатов и не требует или почти не требует механической помощи. Однако из-за постоянного роста населения в общинах медленные песчаные фильтры заменяются быстрыми песчаными фильтрами, в основном из-за длительности периода работы.
Непрерывная обратная промывка или песчаный фильтр с восходящим потоком — новейший режим работы. Наиболее четким отличием от предыдущих является то, 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 загрузка составляет около 5,4 л/с/м2 при постоянной потере напора 0,6 м. [8]
Фильтры с различными фильтрующими слоями называются фильтрами смешанного слоя или мультимедийными фильтрами. Песок является распространенным фильтрующим материалом, но антрацит, гранулированный активированный уголь (ГАУ), гранат и ильменит также являются распространенными фильтрующими материалами. Антрацит является более твердым материалом и имеет меньше летучих веществ по сравнению с другими углями. Ильменит и гранат тяжелее по сравнению с песком. Гранат состоит из нескольких минералов, что обуславливает переменный красный цвет. Ильменит представляет собой оксид железа и титана. ГАУ может использоваться в процессе адсорбции и фильтрации одновременно. Эти материалы могут использоваться как по отдельности, так и в сочетании с другими средами. Но фильтрующие слои всегда будут упорядочены по плотности, более тяжелые соединения будут оседать внизу, а более легкие будут располагаться наверху. Различные комбинации дают различную классификацию фильтра, а также различную пористость по всему фильтру, что приводит к различному перепаду давления. Очень распространенная компоновка для этих фильтров состоит из: антрацита сверху, песка и граната с опорой из гравия внизу. Глубина этих фильтров обычно составляет от 0,6 до 1 м, более 1 м перепад давления резко возрастает, а менее 0,6 м уменьшает толщину каждого фильтрующего слоя, тем самым снижая его эффективность. Номинальный рабочий поток и перепад давления составляют от 3 до 7 галлонов в минуту/фут2 и от 3 до 7 фунтов на квадратный дюйм. Когда перепад давления увеличивается выше 10 фунтов на квадратный дюйм, необходима операция обратной промывки, которая заключается в изменении направления потока (вода поднимается) для удаления частиц, захваченных фильтрующим материалом, и это выйдет из верхней части фильтра с водой обратной промывки. Обычно для обратной промывки требуется примерно в 3 раза больше нормального фильтрующего потока (должен быть достаточно высоким, чтобы поднять фильтрующий материал для удаления частиц, захваченных им). Monomedia — это однослойный фильтр, обычно состоящий из песка, и сегодня он заменен более новой технологией. Глубокий monomedia также является однослойным фильтром, который состоит либо из антрацита, либо из GAC. Фильтр с глубоким слоем мономедиа используется, когда качество воды постоянно, и это обеспечивает более длительное время работы. Двойная среда (двухслойная) часто содержит слой песка внизу со слоем антрацита или GAC сверху. Тримедиа или смешанная среда — это фильтр с тремя слоями. Тримедиа часто содержит гранат или ильменит в нижнем слое, песок в середине и антрацит наверху.
Все эти методы широко используются в водной отрасли по всему миру. Первые три из списка выше требуют использования флокулянтов для эффективной работы. Медленные песчаные фильтры производят высококачественную воду без использования химических добавок.
Прохождение флокулированной воды через быстрый гравитационный песчаный фильтр отфильтровывает хлопья и частицы, захваченные в них, уменьшая количество бактерий и удаляя большую часть твердых частиц. Средой фильтра является песок различных фракций. Если вкус и запах могут быть проблемой (органолептические воздействия), песчаный фильтр может включать слой активированного угля для удаления такого вкуса и запаха.
Песчаные фильтры засоряются хлопьями или биологически засоряются после определенного периода использования. Медленные песчаные фильтры затем очищаются (см. выше), в то время как быстрые песчаные фильтры промываются обратным потоком или промываются под давлением для удаления хлопьев. Эта промывочная вода поступает в отстойники, чтобы хлопья могли осесть, а затем утилизируется как отходы. Затем надосадочная вода возвращается в процесс очистки или утилизируется как поток сточных вод. В некоторых странах шлам может использоваться в качестве кондиционера почвы . Ненадлежащее обслуживание фильтров стало причиной случайного загрязнения питьевой воды.
Песчаные фильтры иногда используются в очистке сточных вод в качестве окончательной стадии полировки. 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 .
Песчаные фильтры являются одним из наиболее полезных процессов очистки, поскольку процесс фильтрации (особенно при медленной песчаной фильтрации) объединяет в себе многие функции очистки. [9]
Одним из преимуществ песчаных фильтров является то, что они полезны для различных применений. Более того, различные типы режимов работы: быстрый, медленный и Upflow, обеспечивают некоторую гибкость для адаптации метода фильтрации к потребностям и требованиям пользователей. Песчаные фильтры обеспечивают высокую эффективность удаления цвета и микроорганизмов, и поскольку они очень просты, эксплуатационные расходы очень низкие. Более того, их простота упрощает автоматизацию процессов, тем самым требуя меньшего вмешательства человека.
Основные ограничения этой технологии связаны с засорением, то есть с засорением фильтрующей среды, что требует значительного количества воды для выполнения операции обратной промывки и использования химикатов при предварительной обработке. Кроме того, медленные песчаные фильтры обычно требуют больших площадей по сравнению с быстрым потоком, особенно если сырая вода сильно загрязнена. Однако, несмотря на эти ограничения, они предлагают гораздо больше возможностей, и именно поэтому они широко используются в промышленности. [10] [11]
В процессе очистки воды следует учитывать определенные факторы, которые могут вызвать серьезные проблемы, если не обрабатывать их должным образом. Вышеупомянутые процессы, такие как созревание 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 должно быть доставлено, например, в сообщество, необходимо учитывать эту потерю воды. Кроме того, отходы обратной промывки необходимо очищать или надлежащим образом утилизировать. С химической точки зрения, изменение качества сырой воды и изменение температуры влияют уже на входе в установку 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 являются сферическими. Сферическая форма влияет на интерпретацию размера, поскольку диаметр различен для сферических и несферических зерен. Упаковка зерен в слое также зависит от формы зерен. Это затем влияет на пористость и гидравлический поток. [6]
Песчаные фильтры используются в различных отраслях и процессах, где требуется глубокая очистка воды или сточных вод от взвешенных веществ.
Отрасли, в которых применяется песчаная фильтрация, включают производство питьевой воды, бассейны, автомойки, очистку грунтовых вод, RWZI, скотобойни, переработку фруктов и овощей, производство напитков, пищевую промышленность, обработку поверхностей металлов и т. д.
Производство охлаждающей воды, подготовка питьевой воды, предварительная фильтрация в системах очистки с использованием активированного угля и мембранных системах, а также фильтрация воды в плавательных бассейнах.