فیلتراسیون بستر عمیق چیست؟

فیلتراسیون بستر عمیق

در تصفیه آب، فیلتراسیون فرآیندی برای کاهش غلظت جامدات معلق (ذرات) است. فیلترها انواع مختلفی دارند و هر کدام کاربرد خود را دارند که بستگی به اندازه ذراتی دارد که باید حفظ شوند. در شکل 1 انواع مختلف فیلتراسیون و اندازه معمولی ذرات را نشان می دهد.

شکل 1. فرآیندهای فیلتراسیون و محدوده اندازه (وینر، 2012)

فیلترهای رسانه گرانول “عمیق” هستند. این بدان معناست که آنها عملکرد خود را در امتداد عمق مشخصی از رسانه انجام می دهند. معمولاً این فیلترها با ارتفاع بستر بین 15 تا 30 اینچ طراحی می شوند. ذرات باقی مانده ممکن است کوچکتر از فضاهای منافذ در بستر باشند.

این فیلترها می توانند تحت گرانش یا فشار کار کنند. اولی شبیه استخر با بستر فیلتر است.

فیلترهای فشار معمولاً استوانه‌ای عمودی، با پوشش‌های شکل‌دار (توری کروی، بیضوی یا موارد دیگر) هستند. آنها از کربن یا فولاد ضد زنگ و در پلی اتیلن داخلی و فایبرگلاس بیرونی ساخته می شوند. آب از بالا وارد فیلتر شده و از بستر در جهت پایین جریان می یابد. آب در پایین بستر (شکل 2) با استفاده از دیفیوزرها جمع آوری می شود. پس از مدتی کارکرد، فیلتر باید شستشوی معکوس انجام شود تا مواد جامد باقیمانده خارج شود و بستر گسترش یابد تا از سیمان شدن، ترک خوردن و متعاقب آن عبور آب فیلتر شده جلوگیری شود. شستشوی معکوس شامل جریان دادن آب به سمت بالا است.

شکل 2. فیلتر در حال کار

رسانه های گرانول چیست؟

متداول ترین محیط های دانه ای مورد استفاده در فیلترهای بستر عمیق عبارتند از شن سیلیس، آنتراسیت و گارنت (گارنت ؛ دومی به عنوان ماسه با چگالی بالا نیز شناخته می شود. استاندارد B100 انجمن کار آب آمریکا (AWWA) نمونه برداری، ارزیابی، نصب را فراهم می کند. بسته بندی و الزامات دارایی برای این مواد.

اندازه ذرات محیط فیلتر دانه ای باید به اندازه ای بزرگ باشد که درصد قابل توجهی از جامدات معلق نگه داشته شود تا به عمق دو تا چهار اینچ در بستر نفوذ کند. محیط‌های زبر و زاویه‌دار حفره‌های بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهند که اجازه می‌دهند ذرات ریز بیشتری نسبت به یک محیط دانه‌ای گرد با همان اندازه عبور کنند.

اندازه محیط گرانول از نظر اندازه ذرات موثر و ضریب یکنواختی مشخص می شود. اندازه موثر ذرات یک منفذ مشبک است که به 10 درصد وزنی ذرات در محیط گرانول اجازه عبور می دهد. ضریب یکنواختی حاصل تقسیم دهانه مش است که اجازه می دهد 60 درصد وزنی ذرات موجود در محیط گرانول t بر اندازه ذرات موثر عبور کند. اندازه ذرات موثر معمولاً بر حسب میلی متر گزارش می شود و ضریب یکنواختی بدون بعد است.

هر چه ضریب یکنواختی به واحد نزدیکتر باشد، یکنواختی در اندازه ذرات در محیط بیشتر است. اندازه ایده آل برای یک محیط گرانول به ویژگی های جامدات معلق و همچنین الزامات کیفی پساب فیلتر بستگی دارد.

به منظور افزایش زمان عملکرد بستر فیلتر تشکیل شده توسط یک محیط گرانولی، می توان دو یا سه مدیا گرانولی برای فرم دهی آن نصب کرد. در قسمت فوقانی، محیط گرانولی ذرات بزرگتر و چگالی ذرات کمتر قرار داده شده است. در قسمت پایین این ذرات کوچکتر و چگالی ذرات بالاتر قرار می گیرد. این مدیاها به گونه ای انتخاب می شوند که هنگام شستشوی معکوس هر سه یا هر سه منبسط شوند و پس از اتمام شستشوی معکوس به موقعیت اولیه خود بازگردند. به این ترتیب، محیط گرانول بالایی ذرات معلق بزرگتر حمل شده توسط آب را حفظ می کند و محیط گرانول پایینی ذرات کوچکتر را حفظ می کند. به همین دلیل است که طول می کشد تا چندتختی گرفتگی کند و نیاز به شستشوی معکوس داشته باشد.

جداول 1، 2 و 3 مواد مورد استفاده برای فیلتراسیون چند تخته را فهرست می کنند که توسط نویسندگان مختلف توصیه شده است.

 

جدول 1. مشخصات مواد برای فیلترهای چند تخته: AWWA. (2016). مواد فیلتر گرانول ANSI/AWWA B100-16. انجمن کار آب آمریکا

محیط گرانول	اندازه ذرات	ضریب یکنواختی	وزن مخصوص	حلالیت اسیدی
آنتراسیت	0.6 – 1.6 میلی متر	<1.7	> 1.4	<5%
ماسه سیلیس	0.35 – 0.65 میلی متر	<1.7	> 2.5	<5%
گارنت	0.18 – 0.60 میلی متر	<2.2	> 3.8	<5%

 

جدول 2. مشخصات مواد برای فیلترهای چند تخته: DeZuane, J. (1997). کتابچه راهنمای کیفیت آب آشامیدنی. جان وایلی و پسران، شرکت

محیط گرانول	اندازه ذرات	ضریب یکنواختی	وزن مخصوص	حلالیت اسیدی
آنتراسیت	0.80 – 0.85 میلی متر	<1.5	1.5-1.65	<5%
ماسه سیلیس	0.52 – 0.55 میلی متر	<1.5	2.65	<5%
گارنت	گزارشی وجود ندارد	گزارشی وجود ندارد	گزارشی وجود ندارد	گزارشی وجود ندارد

جدول 3. مشخصات مواد برای فیلترهای چند تخته: AWWA. (1999). کیفیت و تصفیه آب، کتابچه راهنمای تامین آب جامعه. مک گراو هیل.

محیط گرانول	اندازه ذرات	ضریب یکنواختی	وزن مخصوص	حلالیت اسیدی
آنتراسیت	0.9 – 1.1 میلی متر	گزارشی وجود ندارد	1.45-1.73	<5%
ماسه سیلیس	0.45 – 0.55 میلی متر	گزارشی وجود ندارد	2.65	<5%
گارنت	0.2 – 0.3 میلی متر	گزارشی وجود ندارد	3.6-4.2	<5%

رسانه های پشتیبانی گرانول و سیستم های توزیع آب.

عملکرد دیفیوزرها در یک فیلتر پشتیبانی از رسانه فیلتر، جمع آوری و هدایت آب به خارج از فیلتر، و همچنین توزیع آب (و هوا، در موارد نادر) برای شستشوی معکوس است. در سال های اخیر در بازار ظاهر شده است و در زیر توضیح داده شده است.

پیش از این، سیستم های توزیع آب از آرایش لوله هایی با سوراخ های مته تشکیل شده بود. این سوراخ ها قبلاً قطر ¼ و ½ اینچ داشتند. لوله سوراخ شده در لایه ای از شن غوطه ور شد که ذرات کوچکتر آن باید حداقل دو برابر اندازه سوراخ ها باشد. یک لایه شن در بالای لوله سوراخ شده قرار داده شد، با ذرات کوچکتر و کوچکتر تا لایه ای که محیط فیلتر دانه ای را نگه می داشت (شکل 3). راهنمای انتخاب اندازه و عمق لایه های پشتیبان شن برای فیلتر رسانه ای دانه ای را می توان در پیوست D استاندارد AWWA B100-16 یافت.

شکل 3. سیستم توزیع با لایه های شن.

دیفیوزرهای مدرن سیستم های میکرو شیاردار با طراحی خاص (مانند شکاف نوع جانسون، شکل 4 ) هستند که از عبور مواد فیلتر به داخل دیفیوزر بدون استفاده از شن جلوگیری می کنند. این دیفیوزرها می توانند شکل های مختلفی داشته باشند، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 4. طراحی عنصر از نوع جانسون.

 

برای دستیابی به توزیع یکنواخت جریان شستشوی معکوس، موارد زیر توصیه می شود:

1. دهانه سوراخ ها باید به اندازه ای کوچک باشد که افت فشار کنترل شده داشته باشد. افت فشار در توزیع کننده ها در طول شستشوی معکوس از 0.1 تا 3 متر ستون آب متغیر است. این بستگی به طراحی شیرها و سرعت شستشوی معکوس دارد.
2. سرعت جریان در لوله سیستم توزیع باید در کل سطح مقطع فیلتر یکنواخت باشد.

 

شکل 5. (الف) نازل فولاد ضد زنگ جانسون، (ب) هیدروسفر ABS نوع جانسون، (ج) دیفیوزر Bajonet Pentair

شستشوی معکوس.

شستشوی معکوس بخشی ضروری از عملکرد تمام فیلترهای رسانه ای دانه ای است که شامل سیال شدن بستر می شود (درصدی که بستر باید در آن منبسط شود به هر محیط گرانولی بستگی دارد). اجرای نادرست یا حذف شستشوی معکوس شایع ترین علت مشکلات در فیلترهای مدیا گرانول است. مشکلاتی که ممکن است در اثر شستشوی معکوس نادرست ایجاد شود به شرح زیر است:

• تشکیل لجن روی سطح که باعث کاهش سطح در دسترس برای فیلتراسیون می شود. این باعث افزایش بار هیدرولیک (سرعت سطح) و افت فشار می شود.
• نشت ذرات حمل شده توسط پساب.
• با عدم شستشوی معکوس بستر به اندازه کافی (یعنی دستیابی به گشاد شدن بستر)، دانه ها به هم می چسبند. وقتی این اتفاق می افتد، گفته می شود که تخت سنگ شده است . یک بستر سنگ‌شده در نهایت می‌شکند و باعث می‌شود که جریان از طریق شکاف‌ها جریان یابد و نشت نکند.