Песочный фильтр - Sand filter
Песочные фильтры используются в качестве ступени в процессе очистки воды .
Есть три основных типа; быстрые (гравитационные) песочные фильтры , песочные фильтры восходящего потока и медленные песочные фильтры . Все три метода широко используются в водном хозяйстве по всему миру. Первые два требуют использования 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 штамма), вкусом и запахом без необходимости использования химических добавок. Песочные фильтры могут использоваться не только на водоочистных сооружениях, но и для очистки воды в отдельных домах, поскольку в них используются материалы, доступные для большинства людей.
История
История методов разделения уходит корнями в далекую историю, поскольку фильтрующие материалы использовались уже в древние времена. Камыши и гениста использовали для наполнения просеивающих сосудов, разделяющих твердые и жидкие материалы. Египтяне также использовали сосуды из пористой глины для фильтрации питьевой воды, вина и других жидкостей.
Концепция фильтрации в песчаном слое
.jpg)
Фильтр с песчаным слоем - это своего рода глубинный фильтр . В широком смысле, существует два типа фильтров для отделения частиц твердых частиц из жидкостей:
- Поверхностные фильтры, в которых твердые частицы улавливаются проницаемой поверхностью
- Глубинные фильтры, в которых частицы улавливаются пористым телом материала.
Кроме того, существуют пассивные и активные устройства для разделения твердой и жидкой фаз, такие как отстойники , самоочищающиеся сетчатые фильтры, гидроциклоны и центрифуги .
Существует несколько видов глубинных фильтров, некоторые из которых используют волокнистый материал, а другие - гранулированный . Фильтры с песчаным слоем являются примером глубинного фильтра для сыпучих материалов. Обычно они используются для отделения небольших количеств (<10 частей на миллион или <10 г на кубический метр) мелких твердых частиц (<100 микрометров) от водных растворов. Кроме того, они обычно используются для очистки жидкости, а не для улавливания твердых частиц как ценного материала. Поэтому они находят большую часть своего применения при очистке жидких стоков ( сточных вод ).
Механизмы улавливания твердых частиц
Фильтры с песчаным слоем работают, предоставляя твердым частицам множество возможностей улавливаться на поверхности песчинок. Когда жидкость течет через пористый песок по извилистому маршруту, частицы приближаются к песчинкам. Их можно захватить одним из нескольких механизмов:
- Прямое столкновение
- Ван-дер-Ваальс или лондонское силовое притяжение
- Притяжение поверхностных зарядов
- Диффузия
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, возможно вытеснение захваченных частиц, хотя они могут быть повторно захвачены на большей глубине в пласте. Наконец, песчинка, которая уже загрязнена твердыми частицами, может стать более привлекательной или отталкивать добавленные твердые частицы. Это может произойти, если, прилипая к песчинке, частицы теряют поверхностный заряд и становятся привлекательными для дополнительных частиц или наоборот, и поверхностный заряд сохраняется, отталкивая другие частицы от песчинок.
В некоторых случаях необходимо предварительно обрабатывать сточные воды, поступающие в песчаный слой, чтобы гарантировать улавливание твердых частиц. Этого можно добиться одним из нескольких способов:
- Регулировка поверхностного заряда частиц и песка путем изменения pH
- Коагуляция - добавление небольших, сильно заряженных катионов (обычно используются алюминий 3+ или кальций 2+)
- Флокуляция - добавление небольших количеств заряженных полимерных цепей, которые либо образуют мостик между твердыми частицами (делая их больше), либо между твердыми частицами и песком.
Режимы работы
Они могут работать как с текучими средами, текущими вверх, так и с текучими средами, текущими вниз, причем последнее гораздо более распространено. В устройствах с нисходящим потоком жидкость может течь только под давлением или под действием силы тяжести. Напорные фильтры с песчаным слоем, как правило, используются в промышленности и часто называются быстросъемными 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 фильтров песчаного слоя:
- быстрые (гравитационные) песочные фильтры
- быстрые (напорные) фильтры с песчаным слоем
- песочные фильтры с восходящим потоком
- медленные песочные фильтры
На рисунке показана общая конструкция песочного фильтра быстрого давления. Песок для фильтра занимает большую часть места в камере. Он устанавливается либо на дне форсунок, либо наверху дренажной системы, через которую фильтруется выходящая вода. Предварительно очищенная неочищенная вода поступает в фильтрующую камеру вверху, проходит через фильтрующую среду, а сточные воды стекают через дренажную систему в нижней части. На крупных технологических установках также внедрена система для равномерного распределения сырой воды в фильтре. Кроме того, обычно в комплект входит распределительная система, контролирующая воздушный поток. Это обеспечивает постоянное распределение воздуха и воды и предотвращает слишком высокий поток воды в определенных областях. Типичное распределение зерна выходит из-за частой обратной промывки. В верхней части песчаного пласта преобладают зерна меньшего диаметра, а в нижней - крупнозернистые.
На работу фильтра влияют два процесса: созревание и регенерация.
В начале нового цикла фильтрации эффективность фильтра увеличивается одновременно с количеством уловленных частиц в среде. Этот процесс называется дозреванием фильтра. Во время созревания фильтра сточные воды могут не соответствовать критериям качества и должны повторно закачиваться на предыдущих этапах установки. Методы регенерации позволяют повторно использовать фильтрующий материал. Накопившиеся твердые частицы из фильтрующего слоя удаляются. Во время обратной промывки вода (и воздух) перекачиваются обратно через систему фильтров. Вода для обратной промывки может частично повторно закачиваться перед процессом фильтрации, а образовавшиеся сточные воды необходимо сбрасывать. Время обратной промывки определяется либо значением мутности за фильтром, которое не должно превышать установленный порог, либо потерями напора в фильтрующем материале, которые также не должны превышать определенного значения.
Конструкция фильтра с песчаным слоем с быстрым давлением
Более мелкие песчинки обеспечивают большую площадь поверхности и, следовательно, более высокую степень обеззараживания входящей воды, но также требуется больше энергии перекачивания, чтобы прогнать жидкость через слой. Компромисс заключается в том, что в большинстве фильтров с песчаным слоем с быстрым давлением используются частицы размером от 0,6 до 1,2 мм, хотя для специальных применений могут быть указаны другие размеры. Более крупные частицы корма (> 100 микрометров) будут блокировать поры слоя и превращать его в поверхностный фильтр, который быстро слепнет. Для решения этой проблемы можно использовать более крупные зерна песка, но если в сырье содержится значительное количество крупных твердых частиц, их необходимо удалить перед фильтром песчаного слоя с помощью такого процесса, как осаждение.
Рекомендуется, чтобы глубина песчаного слоя составляла около 0,6–1,8 м (2–6 футов) независимо от области применения. Это связано с максимальной пропускной способностью, обсуждаемой ниже.
Руководство по проектированию скоростных 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). Используя требуемую пропускную способность и максимальную скорость потока, можно рассчитать требуемую площадь слоя.
Последний ключевой момент проектирования - убедиться, что жидкость должным образом распределяется по слою и что нет предпочтительных путей для жидкости, где песок может быть вымыт и фильтр будет поврежден.
Фильтры с песчаным слоем с быстрым давлением обычно работают при давлении подачи от 2 до 5 бар (абс.) (От 28 до 70 фунтов на кв. Дюйм (абс.)). Перепад давления на чистой песчаной подушке обычно очень низкий. Он накапливается, когда твердые частицы улавливаются слоем. Твердые частицы не улавливаются равномерно с глубиной, больше улавливается выше слоем с экспоненциально убывающим градиентом концентрации.
Этот тип фильтра улавливает частицы до очень маленьких размеров и не имеет истинного размера отсечки, ниже которого частицы всегда будут проходить. Кривая эффективности фильтрации частиц по размеру имеет U-образную форму с высокими скоростями улавливания самых мелких и самых крупных частиц с наклоном между ними для частиц среднего размера.
Накопление твердых частиц вызывает увеличение 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 поток недопустимы, а фильтр больше не работает эффективно, слой промывают обратной промывкой для удаления накопившихся частиц. В случае фильтра с песчаным слоем, находящегося под давлением, это происходит, когда перепад давления составляет около 0,5 бар. Жидкость для обратной промывки перекачивается назад через слой до тех пор, пока она не станет псевдоожиженной и не расширится примерно на 30% (песчинки начинают перемешиваться, и, когда они трутся друг о друга, они отгоняют твердые частицы). Более мелкие твердые частицы вымываются жидкостью для обратной промывки и обычно улавливаются в отстойнике. Поток текучей среды, необходимый для псевдоожижения слоя, обычно составляет от 3 до 10 м 3 / м 2 / час, но не может длиться долго (несколько минут). Небольшое количество песка может быть потеряно в процессе обратной промывки, и, возможно, потребуется периодически доливать слой.
Медленная конструкция песочного фильтра
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 микробные сообщества попадают в систему. Рекомендуемая и обычная глубина фильтра составляет от 0,9 до 1,5 метра. Микробный слой формируется в течение 10–20 дней от начала операции. В процессе фильтрации сырая вода может просачиваться через пористую песчаную среду, задерживая и задерживая органические вещества, бактерии, вирусы и цисты, такие как лямблии и криптоспоридиумы . Процедура регенерации песочных фильтров с медленной скоростью называется очисткой и используется для механического удаления засохших частиц на фильтре. Однако этот процесс также можно проводить под водой, в зависимости от конкретной системы. Другим ограничивающим фактором для обрабатываемой воды является мутность , которая для песочных фильтров с медленной скоростью определяется как 10 NTU (нефелометрические единицы мутности). Медленные песочные фильтры - хороший вариант для операций с ограниченным бюджетом, так как при фильтрации не используются химические вещества и не требуется механическая помощь или требуется небольшая помощь. Однако из-за постоянного роста населения в сообществах медленные песочные фильтры заменяются быстрыми песочными фильтрами, в основном из-за продолжительности рабочего периода.
Характеристики быстрых и медленных песочных фильтров
| Характеристики | Быстрый песочный фильтр | Медленный песочный фильтр |
|---|---|---|
| Скорость фильтрации [м / ч] | 5–15 | 0,08–0,25 |
| Эффективный размер носителя [мм] | 0,5–1,2 | 0,15–0,30 |
| Глубина пласта [м] | 0,6–1,9 | 0,9–1,5 |
| Длина пробега | 1–4 дня | 1–6 месяцев |
| Период созревания | 15 мин - 2 ч | Несколько дней |
| Метод регенерации | Обратная промывка | Соскабливание |
| Максимальная мутность сырой воды | Без ограничений при надлежащей предварительной обработке | 10 NTU |
Фильтры со смешанным слоем
Фильтры могут состоять из разных слоев, называемых фильтрами со смешанным слоем. Обычным фильтрующим материалом является песок, но также распространенными фильтрующими материалами являются антрацит, гранулированный активированный уголь (GAC), гранат и ильменит. Антрацит - более твердый материал и менее летучий по сравнению с другими углями. Ильменит и гранат тяжелее песка. Гранат состоит из нескольких минералов, вызывающих меняющийся красный цвет. Ильменит - это оксид железа и титана. ГАУ можно использовать одновременно в процессе адсорбции и фильтрации. Эти материалы можно использовать как по отдельности, так и в сочетании с другими средами. Различные комбинации дают разную классификацию фильтров. Monomedia - это однослойный фильтр, обычно состоящий из песка, который сегодня заменен более новой технологией. Мономедия с глубоким слоем также представляет собой однослойный фильтр, состоящий либо из антрацита, либо из GAC. Глубокий мономерный фильтр используется при стабильном качестве воды, что увеличивает время работы. Двойная среда (двухслойная) часто содержит слой песка внизу и слой антрацита или GAC наверху. Тримедиа или смешанная среда - это фильтр с тремя слоями. В нижнем слое тримедии часто встречается гранат или ильменит, в середине - песок, а в верхнем - антрацит.
Использование в очистке воды
Все эти методы широко используются в водном хозяйстве по всему миру. Первые три в приведенном выше списке требуют использования флокулянтов для эффективной работы. Песочные фильтры медленного действия производят воду высокого качества без использования химических добавок.
При прохождении флокулированной воды через песчаный фильтр с быстрой гравитацией происходит деформация хлопьев и захваченных в них частиц, уменьшая количество бактерий и удаляя большую часть твердых частиц. Среда фильтра - песок разных сортов. Если вкус и запах могут быть проблемой (органолептическое воздействие), песочный фильтр может включать слой активированного угля для удаления такого вкуса и запаха.
Песочные фильтры забиваются хлопьями или биозаборниками после определенного периода использования. Затем медленные песочные фильтры соскабливаются (см. Выше), а быстрые песочные фильтры промываются обратным потоком или под давлением для удаления хлопьев. Эта вода для обратной промывки направляется в отстойники, чтобы флок мог осесть, а затем утилизируется как отходы. Затем надосадочная вода возвращается в процесс очистки или утилизируется как поток сточных вод. В некоторых странах ил можно использовать в качестве кондиционера почвы . Неадекватное обслуживание фильтра было причиной случайного загрязнения питьевой воды.
Песочные фильтры иногда используются при очистке сточных вод в качестве финальной стадии полировки. В этих фильтрах песок улавливает остаточный взвешенный материал и бактерии и обеспечивает физическую матрицу для бактериального разложения азотистого материала, включая аммиак и нитраты , в газообразный азот .
Песочные фильтры - один из наиболее полезных процессов очистки, так как процесс фильтрации (особенно при медленной фильтрации через песок) объединяет в себе многие функции очистки.
Проблемы в процессе подачи заявки
В процессе очистки воды следует помнить об определенных факторах, которые при неправильном обращении могут вызвать серьезные проблемы. 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 снижает объем сточных вод. Если определенное количество воды необходимо доставить, например, населению, необходимо учитывать эту потерю воды. Кроме того, отходы обратной промывки необходимо обрабатывать или надлежащим образом утилизировать. С химической точки зрения, различное качество сырой воды и изменения температуры влияют на эффективность процесса очистки уже на входе в установку.
Значительная неопределенность связана с моделями, используемыми для создания песочных фильтров. Это связано с математическими допущениями, которые должны быть сделаны, например, все зерна имеют сферическую форму. Сферическая форма влияет на интерпретацию размера, поскольку диаметр сферических и несферических зерен различен. Упаковка зерен в слое также зависит от формы зерен. Затем это влияет на пористость и гидравлический поток.