Sandfilter - Sand filter

Sandfilter brukt til vannbehandling

Sandfiltre brukes som et trinn i vannbehandlingsprosessen med vannrensing .

Det er tre hovedtyper; raske (tyngdekrafts) sandfiltre , oppstrøms sandfiltre og langsomme sandfiltre . Alle de tre metodene brukes mye i vannindustrien over hele verden. De to første krever bruk av flokkulerende kjemikalier for å fungere effektivt, mens langsomme sandfiltre kan produsere vann av høy kvalitet med patogener fra 90% til> 99% (avhengig av stammer), smak og lukt uten behov for kjemiske hjelpemidler. Sandfiltre kan, bortsett fra å brukes i vannbehandlingsanlegg, brukes til vannrensing i enslige husholdninger, ettersom de bruker materialer som er tilgjengelige for folk flest.

Historie

Historien om separasjonsteknikker når langt tilbake, siden filtermaterialer allerede var i bruk i eldgamle perioder. Rush og genista- planter ble brukt til å fylle siktekar som separerte faste og flytende materialer. Egypterne brukte også porøse leirekar til å filtrere drikkevann, vin og andre væsker.

Sand bed filtrering konsept

Sandfiltre på en tomatfarm i California

Et sandsengefilter er et slags dybdefilter . I det store og hele er det to typer filtre for å skille partikkelformige faste stoffer fra væsker:

  • Overflatefiltre, der partikler fanges på en permeabel overflate
  • Dybdefiltre, der partikler fanges opp i en porøs kropp.

I tillegg er det passive og aktive innretninger for å forårsake separering av fast væske, slik som sedimenteringstanker , selvrensende silfilter , hydrocykloner og sentrifuger .

Det finnes flere typer dybdefiltre, noen bruker fiberholdig materiale og andre bruker granulære materialer . Sandsengfiltre er et eksempel på et granulært løs mediedybde filter. De brukes vanligvis til å skille små mengder (<10 deler per million eller <10 g per kubikkmeter) fine faste stoffer (<100 mikrometer) fra vandige oppløsninger. I tillegg brukes de vanligvis til å rense væsken i stedet for å fange opp de faste stoffene som et verdifullt materiale. Derfor finner de det meste av bruken i behandling av avløpsvann ( avløpsvann ).

Fangstmekanismer for partikler av faste stoffer

Sandsengfiltre fungerer ved å gi partiklene faste muligheter mange muligheter for å bli fanget på overflaten av et sandkorn. Når væske strømmer gjennom den porøse sanden langs en kronglete rute, kommer partiklene nær sandkorn. De kan fanges opp av en av flere mekanismer:

I tillegg kan partikulære faste stoffer forhindres fra å fanges opp ved overflateladeavstøtning hvis overflateladningen til sanden er av samme tegn (positiv eller negativ) som for det partikkelformige faste stoffet. Videre er det mulig å fjerne fangede partikler, selv om de kan fanges opp igjen på større dybde i sengen. Til slutt kan et sandkorn som allerede er forurenset med partikkelformige faste stoffer bli mer attraktivt eller frastøte tilleggspartikler. Dette kan oppstå hvis partiklene ved å feste seg til sandkornet mister overflateladning og blir attraktive for ytterligere partikler eller det motsatte, og overflateladning blir holdt tilbake og avviser ytterligere partikler fra sandkornet.

I noen applikasjoner er det nødvendig å forbehandle avløpet som strømmer inn i et sandlag for å sikre at partikler i fast form kan fanges opp. Dette kan oppnås ved en av flere metoder:

  • Justere overflateladningen på partiklene og sanden ved å endre pH
  • Koagulering - tilsetning av små, høyt ladede kationer (aluminium 3+ eller kalsium 2+ brukes vanligvis)
  • Flokkulering - tilsetning av små mengder ladningspolymerkjeder som enten danner en bro mellom partikkelformige faste stoffer (gjør dem større) eller mellom partikler og faste stoffer.

Driftsregimer

De kan betjenes enten med væsker som flyter oppover eller væsker som er nedover, sistnevnte er mye mer vanlig. For enheter som flyter nedover kan væsken strømme under trykk eller ved tyngdekraften alene. Tryksandfilt har en tendens til å brukes i industrielle applikasjoner og ofte referert til som raske sandfiltre. Tyngdekraftenheter brukes i vannrensing, spesielt drikkevann, og disse filtrene har funnet bred bruk i utviklingsland (langsomme sandfiltre).

Samlet sett er det flere kategorier av sandbedfilter:

  • raske (tyngdekrafts) sandfiltre
  • raske (trykk) sandfiltre
  • oppstrøms sandfiltre
  • sakte sandfiltre

Skissen illustrerer den generelle strukturen til et hurtigtrykk sandfilter. Filtersanden tar mest mulig plass i kammeret. Den sitter enten på et dysegulv eller på toppen av et avløpssystem som gjør at det filtrerte vannet kan komme ut. Det forbehandlede råvannet kommer inn i filterkammeret på toppen, strømmer gjennom filtermediet og avløpet drenerer gjennom avløpssystemet i den nedre delen. Store prosessanlegg har også et system implementert for å fordele råvannet jevnt til filteret. I tillegg er vanligvis et distribusjonssystem som styrer luftstrømmen inkludert. Det tillater en konstant luft- og vannfordeling og forhindrer for høye vannstrømmer i bestemte områder. En typisk kornfordeling kommer ut på grunn av hyppig tilbakespyling. Korn med mindre diameter er dominerende i den øvre delen av sandlaget mens grovt korn dominerer i de nedre delene.

To prosesser som påvirker funksjonaliteten til et filter er modning og regenerering.
Ved begynnelsen av en ny filterkjøring øker filtereffektiviteten samtidig med antall fangede partikler i mediet. Denne prosessen kalles filtermodning. Under modning av filteret oppfyller kanskje ikke avløpet kvalitetskriteriene og må injiseres på nytt ved tidligere trinn i anlegget. Regenereringsmetoder tillater gjenbruk av filtermediet. Akkumulerte faste stoffer fra filtersjiktet fjernes. Under tilbakespyling pumpes vann (og luft) bakover gjennom filtersystemet. Bakvannsvann kan delvis injiseres foran filterprosessen, og generert kloakk må kastes. Tilbakespylingstiden bestemmes av enten uklarhetsverdien bak filteret, som ikke må overstige en innstilt terskel, eller av hodetapet over filtermediet, som heller ikke må overstige en bestemt verdi.

Rask trykk sand sand filter design

Hurtigtrykksfilter 1 = råvann, 2 = filtrert vann, 3 = tank, 4 = skyllevann for innløp, 5 = skyllevann for utløp, 6 = tilbaketrekksledning, 7 = renseluft, 8 = injektor, 9 = støttelag, 10 = filtersand, 11 = spylingstrakt, 12 = ventilasjon

Mindre sandkorn gir mer overflateareal og derfor en høyere dekontaminering av innløpsvannet, men det krever også mer pumpenergi for å føre væsken gjennom sengen. Et kompromiss er at de fleste hurtigtrykkssandfiltre bruker korn i området 0,6 til 1,2 mm, men for spesialiserte applikasjoner kan andre størrelser spesifiseres. Større matepartikler (> 100 mikrometer) vil ha en tendens til å blokkere porene i sengen og gjøre det til et overflatefilter som blinder raskt. Større sandkorn kan brukes for å overvinne dette problemet, men hvis det er betydelige mengder store faste stoffer i tilførselen, må de fjernes oppstrøms sandbedsfilteret ved en prosess som å sette seg.

Sanddybden anbefales til å være rundt 0,6-1,8 m (2–6 fot) uavhengig av påføring. Dette er knyttet til maksimal gjennomstrømning diskutert nedenfor.

Veiledning om utforming av raske sandlagsfiltre antyder at de skal brukes med en maksimal strømningshastighet på 9 m 3 / m 2 / t (220 US gal / ft 2 / t). Ved å bruke den nødvendige gjennomstrømningen og den maksimale strømningshastigheten kan det nødvendige området av sengen beregnes.

Det endelige nøkkeldesignpunktet er å være sikker på at væsken er riktig fordelt over sengen og at det ikke er noen foretrukne væskebaner der sanden kan vaskes bort og filteret kompromitteres.

Sandtrykkfiltre med høyt trykk drives vanligvis med et matetrykk på 2 til 5 bar (a) (28 til 70 psi (a)). Trykkfallet over et rent sandlag er vanligvis veldig lavt. Det bygger seg når partikler i fast stoff fanges opp i sengen. Partikelfaste stoffer blir ikke fanget opp jevnt med dybde, mer blir fanget høyere opp med seng med konsentrasjonsgradienten som forfaller eksponentielt.

Denne filtertypen vil fange opp partikler ned til veldig små størrelser, og har ikke en virkelig avskåret størrelse under hvilken partikler alltid vil passere. Formen på filterpartikkelstørrelseseffektivitetskurven er en U-form med høye partikelfangsthastigheter for de minste og største partiklene med en dukkert i mellom for mellomstore partikler.

Oppbyggingen av partikler av faste stoffer forårsaker en økning i trykket som går tapt over sjiktet for en gitt strømningshastighet. For et tyngdekraftsmatt seng når trykket er konstant, vil strømningshastigheten synke. Når trykktap eller flyt er uakseptabelt og filteret ikke fungerer effektivt lenger, blir sengen tilbakespylet for å fjerne de akkumulerte partiklene. For et hurtigsandfilter under trykk skjer dette når trykkfallet er rundt 0,5 bar. Bakvaskvæsken pumpes bakover gjennom sengen til den fluidiseres og har utvidet seg med opptil ca. 30% (sandkornene begynner å blandes, og når de gnider sammen, driver de av partiklene). De mindre partikkelformige faste stoffene vaskes bort med tilbakespylingsvæsken og fanges vanligvis opp i en sedimenteringstank. Væskestrømmen som kreves for å fluidisere sengen er vanligvis 3 til 10 m 3 / m 2 / t, men går ikke lenge (noen få minutter). Små mengder sand kan gå tapt i tilbakespylingsprosessen, og det kan være nødvendig å fylle opp sengen med jevne mellomrom.

Langsom sandfilterdesign

Som tittelen indikerer, endres filtreringshastigheten i det langsomme sandfilteret , men den største forskjellen mellom langsomt og raskt sandfilter er at det øverste laget av sand er biologisk aktiv, ettersom mikrobielle samfunn blir introdusert til systemet. Anbefalt og vanlig dybde på filteret er 0,9 til 1,5 meter. Mikrobiell lag dannes innen 10–20 dager fra operasjonsstart. Under filtreringsprosessen kan råvann perkulere gjennom det porøse sandmediet, stoppe og fange opp organisk materiale, bakterier, virus og cyster som Giardia og Cryptosporidium . Regenereringsprosedyren for langsomme sandfiltre kalles skraping og brukes til å fjerne de tørkede partiklene på filteret mekanisk. Imidlertid kan denne prosessen også gjøres under vann, avhengig av det enkelte system. En annen begrensende faktor for vannet som behandles er uklarhet , som er for langsomme sandfiltre definert til å være 10 NTU (nefelometriske turbiditetsenheter). Sakte sandfiltre er et godt alternativ for begrensede budsjettoperasjoner, da filtreringen ikke bruker noen kjemikalier og krever liten eller ingen mekanisk hjelp. Imidlertid, på grunn av en stadig økende befolkning i samfunn, blir sakte sandfiltre byttet ut for raske sandfiltre, hovedsakelig på grunn av lengden på løpetiden.

Kjennetegn på raske og langsomme sandfiltre

Kjennetegn Raskt sandfilter Sakte sandfilter
Filtreringshastighet [m / t] 5–15 0,08–0,25
Medieeffektiv størrelse [mm] 0,5–1,2 0,15–0,30
Sengedybde [m] 0,6-1,9 0,9–1,5
Løpslengde 1–4 dager 1–6 måneder
Modningstid 15 min - 2 timer Flere dager
Regenereringsmetode Bakvask Skraping
Maksimal råvannets uklarhet Ubegrenset med riktig forbehandling 10 NTU

Blandet sengefiltre

Filtre kan konstrueres med forskjellige lag, kalt blandede sengefiltre. Sand er et vanlig filtermateriale, men antrasitt, granulert aktivert karbon (GAC), granat og ilmenitt er også vanlige filtermaterialer. Antrasitt er et hardere materiale og har mindre flyktige forhold til andre kull. Ilmenitt og granat er tunge sammenlignet med sand. Granat består av flere mineraler som forårsaker en skiftende rød farge. Ilmenitt er et oksid av jern og titan. GAC kan brukes i adsorpsjon og filtrering samtidig. Disse materialene kan brukes både alene eller kombinert med andre medier. Ulike kombinasjoner gir forskjellig filterklassifisering. Monomedia er et filter i ett lag, ofte bestående av sand og erstattes i dag av nyere teknologi. Deep-bed monomedia er også et filter i ett lag som består av enten antrasitt eller GAC. Monomedia-filteret fra dypsengen brukes når det er en jevn vannkvalitet, og dette gir lengre kjøretid. Dobbeltmedier (to lag) inneholder ofte et sandlag i bunnen med et antrasitt- eller GAC-lag på toppen. Trimedia eller mixed media er et filter med tre lag. Trimedia har ofte granat eller ilmenitt i bunnlaget, sand i midten og antrasitt øverst.

Bruk i vannbehandling

Alle disse metodene brukes mye i vannindustrien over hele verden. De tre første i listen ovenfor krever bruk av flokkulerende kjemikalier for å fungere effektivt. Langsomme sandfiltre produserer vann av høy kvalitet uten bruk av kjemiske hjelpemidler.

Passering av flokkulert vann gjennom et raskt tyngdekraftssandfilter stammer flokken og partiklene som er fanget i den, reduserer antall bakterier og fjerner det meste av det faste stoffet. Mediumet på filteret er sand av forskjellige karakterer. Der smak og lukt kan være et problem (organoleptiske påvirkninger), kan sandfilteret inneholde et lag med aktivt karbon for å fjerne slik smak og lukt.

Sandfiltre blir tilstoppet med flokk eller biotilstoppet etter en periode i bruk. Langsomme sandfiltre skrapes deretter (se ovenfor) mens raske sandfiltre blir bakvasket eller trykkvasket for å fjerne flokken. Dette tilbakespylingsvannet kjøres i sedimenteringstanker slik at flokken kan sette seg ut og blir deretter kastet som avfall. Supernatantvannet kjøres deretter tilbake i behandlingsprosessen eller kastes som en spillvannsstrøm. I noen land kan slammet brukes som jordbalsam . Mangelfullt filtervedlikehold har vært årsaken til drikkevannsforurensning av og til.

Sandfiltre brukes av og til i kloakkrensingen som et siste poleringsstadium. I disse filtrene fanger sanden opp gjenværende suspendert materiale og bakterier og gir en fysisk matrise for bakteriell nedbrytning av nitrogenholdig materiale, inkludert ammoniakk og nitrater , til nitrogengass .

Sandfiltre er en av de mest nyttige behandlingsprosessene, ettersom filtreringsprosessen (spesielt med langsom sandfiltrering) kombinerer mange av rensefunksjonene i seg selv.

Utfordringer i søknadsprosessen

I løpet av vannbehandlingen bør man være oppmerksom på visse faktorer som kan forårsake alvorlige problemer hvis de ikke behandles riktig. Nevnte prosesser som filtermodning og tilbakespyling påvirker ikke bare vannkvaliteten, men også tiden som trengs for full behandling. Bakvask reduserer også volumet av avløpet. Hvis en viss mengde vann må leveres til for eksempel et samfunn, må dette vanntapet vurderes. I tillegg må tilbakespylingsavfall behandles eller kastes på riktig måte. Fra det kjemiske perspektivet, varierende råvannskvaliteter og endringer i temperatureffekten, allerede ved inngangen til anlegget, effektiviteten i behandlingsprosessen.

Det er betydelig usikkerhet knyttet til modeller som brukes til å konstruere sandfiltre. Dette skyldes matematiske forutsetninger som må gjøres, slik at alle korn er sfæriske. Den sfæriske formen påvirker tolkningen av størrelsen siden diameteren er forskjellig for sfæriske og ikke-sfæriske korn. Pakking av kornene i sengen er også avhengig av formen på kornene. Dette påvirker deretter porøsitet og hydraulisk strømning.

Se også

Referanser