Filtreringsprocesser/iwa Publishing
filtreringsprocesser
filtrering är en process som tar bort partiklar från suspension i vatten. Avlägsnande sker genom ett antal mekanismer som inkluderar ansträngning, flockning, sedimentering och ytfångst. Filter kan kategoriseras med den huvudsakliga metoden för avskiljning, dvs. uteslutning av partiklar vid ytan av filtermediet, dvs. ansträngning, eller deponering i mediet, dvs. djupfiltrering.
silar består i allmänhet av en enkel tunn fysisk barriär Tillverkad av metall eller plast., Vid vattenrening tenderar de att användas vid inloppet till behandlingssystemet för att utesluta stora föremål (t.ex. löv, fisk och grova detritus). Dessa kan vara manuellt eller mekaniskt skrapade bar skärmar. Avståndet mellan staplarna varierar från 1 till 10 cm. Inloppsskärmar kan ha mycket mindre avstånd som skapas av tätt placerade plattor eller till och med fint metalltyg. De senare är vanligtvis avsedda att avlägsna fin silt och särskilt alger och kallas mikrostråiner.,
filter, som vanligen förstås i vattenrening består i allmänhet av ett medium inom vilket det är avsett att de flesta partiklarna i vattnet kommer att fångas. Sådana filter kan tillverkas som engångskassettfilter, som kan vara lämpliga för hushålls-och småskaliga industriella tillämpningar. Större former av patronfilter finns som kan rengöras. En version är precoat filtrering där en porös stödyta ges en offerbeläggning av kiselgur eller annat lämpligt material, varje gång filtret har rengjorts., Dessutom appliceras en liten mängd av diatoméjorden kontinuerligt under filtrering. I de flesta fall innehåller filter som används vid kommunal vattenrening sand eller annat lämpligt granulärt material (t.ex. antracit, krossat glas eller annat keramiskt material eller annat relativt inert mineral) som filtermedium. Filtrering med sådana filter kallas ofta djup granulär mediafiltrering.
granulära mediefilter används på något av två olika sätt som vanligtvis kallas långsam sandfiltrering och snabb gravitation eller tryckfiltrering., När filtren används som det slutliga sättet för partikelavlägsnande från vattnet, kan filtren behöva föregås av ett annat stadium av fast vätskeseparation (förtydligande), såsom sedimentering (Sedimenteringsprocesser), upplöst luftflotation (Flotationsprocesser) eller eventuellt ett preliminärt filtreringsstadium.
andra processer sker i kärl som liknar dem som används för granulär mediefiltrering, och i vissa avseenden har processerna likheter med filtrering men filtrering är inte deras enda eller primära syfte., Därför anses sådana processer inte längre i denna artikel. Exempel är kärl fyllda med granulärt aktivt kol för avlägsnande av upplösta organiska ämnen och kärl fyllda med jonbytarharts för avlägsnande av oorganiska och organiska joner. Det finns tillämpningar av filter som medan filtrering (avlägsnande av partiklar) sker en sekundär process är avsedd att också förekomma, t.ex. järn och mangan avlägsnande, och arsenik borttagning.,
silar
det finns ett stort antal silar med avseende på hur silningen utförs, med och av vad (Purchas, 1971). Spänndelen kan vara gjord av metall eller annat inert material, t.ex. plast, bomull eller keramik. Om metall, kan det vara helt enkelt en perforerad plåt, ett rutnät av stavar, en stapel skivor eller vävd tråd. Om plast, kan det vara ett rutnät, vävt eller helt enkelt en smält filt. I patronfilter kan den vanligtvis engångskassetten helt enkelt bestå av ett poröst och icke komprimerbart material eller vara sladdlindad på ett cylindriskt stöd., Patronfilter hitta tillämpning i allmänhet i småskaliga applikationer såsom för hushålls point-of-use vattenrening.
endast ett fåtal typer av silar kommer sannolikt att hitta tillämpning i kommunal vattenrening. Vissa kräver manuell rengöring andra rengörs mekaniskt och även automatiskt när tryckfallet över dem når ett visst värde. En vattenreningsverk kan ha en enkel bar sil vid dess inlopp för att hålla ut stockar, stora fiskar och simning djur., Nästa kan det finnas en fin sil med dess öppning liten nog att utesluta alla utom den minsta av fisk, löv, klumpar av alger etc. Generellt skulle denna sil måste rengöras automatiskt. Där alger kan vara ett tydligt problem då baren sil kan ha nära åtskilda barer och rengöras automatiskt följt av en mikrostrainer.
en viss typ av mekanisk sil har funnit begränsad tillämpning i mindre kommunala vattenreningsarbeten. Det ansträngande mediet är en bunt fibrer. I filtreringsläge är bunten vriden tätt., I tvättläget är bunten otvistad och den fångade detritus avlägsnas genom att vända flödet av vatten.
Prekoatfilter
vid prekoatfiltrering läggs ett tunt skikt av ett inert medium på en stödstruktur för att ge en porös spänningsyta. Prekoatskiktet kan skapas med lösa fibrer eller pulver (Purchas, 1971). En liten mängd av precoat eller annat liknande material kan tillsättas kontinuerligt under filtrering så att en viss djupfiltrering också sker., När motståndet mot flödet blir för stort släpps det ackumulerade detritus och inert medium ut och cykeln upprepas. I de flesta fall används precoat-materialet bara en gång och återvinns inte och återvinns.
precoat filtrering är osannolikt att användas i samband med koagulering och därför dess tillämpning i kommunal vattenrening är mycket begränsad.,
långsamma sandfilter
i långsam sandfiltrering är filtreringshastigheten avsiktligt långsam med användning av sand som är mindre än sand som används i snabba sandfilter, så att partiklar inte drivs långt in i bädden av sand som hålls i filterskalet. De viktigaste mekanismerna som sker i långsamma sandfilter är ackumulering av ett lager av skräp på ytan av filtret (anstränga) och fånga inom ca de övre 20 cm av sanden. Detta skräp får utveckla biologisk aktivitet som bidrar till behandlingen av vattnet som passerar genom det., Detta biologiskt aktiva skikt kallas ofta ”schmutzdecke”. Eftersom filtreringshastigheten är relativt långsam utvecklas motståndet mot flöde genom långsamma sandfilter långsamt och kan ta upp till 3 månader innan det blir oacceptabelt. Eftersom filtreringshastigheten är långsam behövs ett stort område för filtrering. Följaktligen rengörs de stora filtren genom att ta bort schmutzdecke med ca 5 cm sand vanligtvis med mekaniska medel., Så småningom blir djupet av sand som återstår för grunt och den återstående sanden avlägsnas, rengörs och ersätts med ytterligare ren sand tillbaka till det ursprungliga startdjupet.
långsam sandfiltrering var den huvudsakliga metoden för filtrering av dricksvatten innan snabb sandfiltrering utvecklades. Även om det har ett stort fotavtryck används många långsamma sandfilter fortfarande. Utvecklingen för att göra dem mer kostnadseffektiva har inkluderat:
- avlägsnande av Sand, tvättning och utbyte har mekaniserats så mycket som möjligt.,
- behovet av avlägsnande av sand har gjorts så förutsägbart som möjligt så att utrustningen och arbetskraften utnyttjas effektivt.
- Filtreringshastigheter har ökats så mycket som möjligt för att förbättra ekonomin och bidra till förutsägbarhet av behovet av sand borttagning.
- förbehandling, inklusive lagring och hantering av råvatten, tillämpas för att minska effekterna av fasta ämnen i suspension och bidra till förutsägbarhet.,
- granulärt aktivt kol har använts i vissa filter för att ersätta den nedre delen av sanden för att hjälpa till med avlägsnande av bekämpningsmedel, smak och lukt och andra spårorganiska ämnen som den biologiska mekanismen inte hanterar effektivt.
det finns två viktiga krav för att långsamma sandfilter ska fungera korrekt. För det första får vattnet som kommer in i filtren inte innehålla något desinfektionsmedel eller annan kemikalie som kan störa den biologiska aktiviteten hos schmutzdecke., För det andra, om förbehandling utförs med koagulering, måste de flesta av de resulterande floc-partiklarna avlägsnas som en del av förbehandlingen, annars kommer floc att accelerera den hastighet vid vilken resistens mot flöde genom filtret utvecklas.
snabb gravitation och Tryckfilter
djup granulär mediafiltrering kan utföras under gravitation (snabb gravitationsfiltrering) eller under tryck (tryckfiltrering). De grundläggande mekanismerna för partikelavlägsnande är i grunden desamma i både gravitations-och trycklägen., De viktigaste skillnaderna mellan de två lägena kommer sannolikt att vara hydrauliska, särskilt fördelning av flödet mellan filter och styrning av flödet genom enskilda filter.
filtermediet är vanligtvis sand, men annat relativt inert material kan användas, men valet beror på kostnader och vilka andra mål det kan finnas. I vissa fall kan en del av sanden ersättas med antracit. Antracitens lägre densitet gör det möjligt att använda en större kornstorlek så att efter backwash sitter den större antraciten ovanpå den mindre sanden., På detta sätt filtrering sker genom först en större och sedan en mindre media för att göra bättre användning av filter sängdjup.
den huvudsakliga mekanismen för djupfiltrering är ytfångst. Mediaområdet som är tillgängligt för ytfångst beror på både mediedjup och storlek. Djup och storlek styr också det tillgängliga utrymmet för lagring av fångade detritus. Kornformen hos filtermediet påverkar också fångst och lagring, eftersom vinkelpartiklar är att föredra framför avrundade partiklar., Valet av storlek måste ta hänsyn till hur snabbt mediet kan blockeras av fångade detritus och den lätthet med vilken det kan backwashed. Oavsett valet av mediematerial tenderar storleken att vara begränsad till intervallet 0,5 till 2,0 mm. Den största tillämpningen av djupfiltrering i kommunal vattenbehandling är efter koagulering, kanske också med föregående förtydligande., Valet av koagulationskemi, dess tillämpning och eventuella förtydliganden styr arten och kvantiteten av de partiklar som ska avlägsnas genom filtreringen, vilket i sin tur påverkar valet av filtermedia, djup och filtreringshastighet.
i dricksvattenbehandling är djupfiltrering ofta den sista, och ibland den enda, fysiska barriären mot partiklar. Därför är filtrets prestanda tillförlitlighet viktigt för att säkerställa kvaliteten på vattnet efter avslutad behandling uppfyller normerna., De normer som fastställs i de relevanta förordningarna har blivit betydligt strängare eftersom de har utvecklats under de senaste 50 åren. Tillförlitlighet av uteslutning av Cryptosporodium-oocyster har varit särskilt oroande.
bädden av granulärt filtermedia rengörs genom att applicera backwash., Detta innebär i allmänhet: dränera ner vattnet tills dess övre yta är på ungefär samma nivå som den övre delen av media, lossa sängen med luft( luft skura), tillämpa vatten upptvätta med en hastighet tillräckligt stor för att bara fluidisera den funktionella delen av bädden av filtermedia, tillåta en kort intervall för media att lösa, och börjar fylla på filtret med vatten från ovanför sängen samtidigt öppna utloppet så att filtreringen startar långsamt. En mer rigorös backwash kan uppnås om vattenupptvätten startas i en reducerad takt medan luften skurar uppstår (kombinerad luftvattentvätt)., Äldre filterinstallationer har ibland andra funktioner som mekaniska krattor eller yta flush som fungerar under upwash. Viskositeten hos vatten beror på vattentemperaturen. Därför är det viktigt att vattentemperaturen beaktas i uppvattenhastigheten för att säkerställa att filtermediet fluidiseras.
det är vanligt att ha minst fyra filter, så att filtreringen kan fortsätta medan ett filter är backwashed. Stora behandlingsarbeten har många fler än fyra i en grupp, och eventuellt två eller flera oberoende grupper av filter.,
problem med att använda djupgående filter inkluderar:
- förlust av media under backwash,
- ineffektiv backwashing vilket resulterar i lera-bindning av media och dess associerade symtom.
- korta filter körs på grund av antingen snabb hastighet av headloss eller tidigt genombrott av partiklar.,
dessa är vanligtvis indikatorer på lik av felaktig upwash-hastighet, problem med underdrainsystemet, överdriven dosering av polyelektrolyt, närvaro av filterblockerande alger, olämpligt val av antingen eller båda filtermediets storlek och djup, eller helt enkelt antingen eller både otillräcklig tidigare koagulering och förtydligande. Felsökning bör också kontrollera i vilken utsträckning fördelningen av flödet mellan filter i en bank eller grupp är rättvis eller inte.
nya former av granulära Mediefilter
det finns ett antal relativt nya former av granulära mediefilter., Var och en är en ”häst för en kurs” som har sin specifika uppsättning fördelar och nackdelar och därför relativ lämplighet för certan applikationer.
Uppflödesfilter
vid normal djup granulär mediafiltrering är flödet av vatten nere genom filterbädden, utom under backwashing. Vattenflöde under filtrering är möjligt; det ger en fördel men också utgör problem., Med backwashing av filtermediet uppmuntras normalt media att stratifiera med det största och tätaste materialet mot botten av filterbädden och den minsta och lättaste mot toppen. Detta innebär att filtreringen i nedåtgående filtrering gradvis genom allt större media, om inte media är tätt graderad före installationen. Detta strider mot den perfekta sänggeometrin för filtrering genom progressivt mindre media. Av detta följer att ett sätt att undvika denna situation är att filtrera uppåt., Uppåtriktad filtrering gör att mediernas kapacitet att samla in och lagra fasta ämnen kan utnyttjas bättre. Men eftersom filterbädden ackumulerar deponering och motståndet att strömma genom det ökar sängen gradvis blir mer sannolikt att vara hydrauliskt störd. Två tillvägagångssätt har använts för att begränsa denna hydrauliska störning. Immediumfiltret använder ett enkelt metallnät ca 15 cm under toppen av sängen för att hålla sängen komprimerad. Biflow-filtret applicerar nedflödesfiltrering till toppen av sängen för att hålla den nedre delen med uppflödesfiltrering komprimerad.,
en reservation för användning av uppflödesfilter som slutskedet av fasta ämnen avlägsnande i dricksvatten behandling är att backwash flödet är i samma riktning av filtrering. En annan reservation är att filter genombrott kan hända plötsligt. Följaktligen är det mer sannolikt att uppflödesfilter finns i applikationer där skyddet av behandlat vattenkvalitet inte behöver vara så rigoröst som krävs för dricksvattenbehandling, även om de kan vara lämpliga att använda som ett förtydligande steg före normal djupfiltrering.
A., Immediumfilter
Immediumfiltret utvecklades i Nederländerna på 1960 – talet. nyckelfunktionen är användningen av ett enkelt metallnät över filterbädden ca 15 cm under toppen av sanden. Gallret fördröjer uppkomsten av genombrott av partiklar i vattnet. Nätet bidrar till att upprätthålla komprimering av sanden och fördröjer starten av lokal penetration av flödet som vattnet finner vägar av minst motstånd genom sanden., En punkt nås när flödet genom en så låg motståndsväg är för stor för att partiklar ska avlägsnas och är tillräckligt stor för att fluidisera sanden i den övre delen av flödesvägen. Detta kan observeras vid sängens övre yta genom utseendet av ”blåshål”.
b. biflow-filter
Biflow-filtret utvecklades som ett alternativ till Immediumfiltret. Som namnet antyder är flödet för filtrering i två riktningar. Den större andelen flöde är uppåt från botten av filterbädden, medan den mindre andelen är nedåt från toppen av filterbädden., De två flödena möter en kort väg ner i sängen där det finns ett utloppsnät över sängen. När filtret behöver tvätta båda flödena stoppas och luft skura appliceras i några minuter innan vatten upwash utförs för att tvätta ut detritus. Kombinerad luft och vattenvatten kan endast utföras om filtret har konstruerats för detta.
C. flytande mediefilter
medan i Immedium-och Biflow-filter hålls filtersanden komprimerade, i flytande mediefilter väljs mediet att vara flytande och behålls i filtret med ett ansträngande nät ovanför media., Mediet är valt att ha en låg densitet och är följaktligen vanligtvis en plast. Under filtreringsläget är mediet i komprimerat tillstånd under kvarhållningsnätet. När media behöver tvättas för att rensa ut den fångade detritus, är uppströmningshastigheten reduceras för att frigöra tätningen och luften bubblas upp genom sängen. Flytande mediefilter har använts i vattenrening som ett förtydligande steg före normal filtrering
d. rörliga bäddfilter
alla granulära mediefilter som beskrivs ovan har flöde genom för filtrering stoppas medan de är backwashed., I ett rörligt bäddfilter rör sig filtermediet ständigt så att filtreringen inte avbryts för att sanden ska backwas. Sanden i filtreringszonen rör sig långsamt nedåt på grund av sin egen vikt mot uppflödet av det vatten som filtreras. I filtrets koniska bas transporteras sanden hydrauliskt till ett vertikalt rör upp genom filterbäddens mitt. När sanden bärs upp genom röret frigörs de filtrerade avlagringarna., På toppen av röret ovanför filterbädden lägger sig sanden ut från tvättvattnet och matar tillbaka till toppen av filterbädden medan det smutsiga tvättvattnet hålls åtskilt från det filtrerade vattnet som kommer ut från filtrets övre del. För att andelen vatten som förloras i tvättströmmen hålls liten, bör rörliga sängenheter drivas nära konstruktionskapaciteten.
cellfilter
det finns en maximal storlek som ett normalt filter kan byggas om hela filterbädden ska backwashed samtidigt., Om filterbädden kan backwashed i sektioner kan filterskalet vara större. En säng kan backwashed i sektioner genom att ha filterbädden dividerad med väggar från filtergolvet till strax ovanför sängen så att en huva kan placeras över sektionen som ska backwashed. Huven är monterad på en gantry som löper på skenor längs toppen av filterets huvudväggar. Detta tillvägagångssätt leder till minskade kostnader för anläggningsarbeten men större maskintekniska kostnader jämfört med ett större antal filter med motsvarande total filtreringsområde., Den operativa tillförlitligheten hos ett cellfilter beror mycket på gantry-och huvsystemets funktion och hur effektivt huven tätar med väggarna i en cell.
automatiska backwash-filter
eftersom avlagringar ackumuleras i en filterbädd ökar motståndet att strömma genom sängen. Flödet kan hållas konstant genom att ha en utloppsventil som gradvis öppnas och ger mindre motståndskraft mot flöde genom den för att kompensera för det ökade motståndet att strömma genom sängen. På detta sätt förblir nivån (huvudet) av vatten ovanför media relativt konstant., Alternativt hålls flödet till filtret konstant och flödet genom filtret förblir relativt konstant med vattennivån ovanför sängen ökar. Om filtret finns i ett djupt skal kan den ökande vattennivån användas för att primera en sifon. När nivån når en förutbestämd nivå aktiveras sifonen och används för att dra upp vatten genom filtret för att orsaka backwash. En risk är att vattentvätten kan vara otillräcklig för effektiv backwashing., Konstruktionen lämpar sig dock för att paketera anläggningar och situationer där kvaliteten och kvantiteten av partiklar som ska avlägsnas förblir relativt konstant. Designen är osannolikt att vara lämplig för dricksvattenbehandling.
horisontella och radiella filter
A. horisontella filter
istället för att vattenflödet är upp eller ner genom en filterbädd kan det vara horisontellt över genom sängen. Om filterbädden finns i en rektangulär tank förblir filtreringshastigheten konstant längs filtrets längd (inlopp till utlopp)., Filtret kan baktvättas hydrauliskt efter behov. Det skulle vara nödvändigt för huvudfiltermaterialet att vara så enhetligt i storlek som möjligt så att det inte finns en distinkt bias genom djupet på grund av stratifiering av media efter storlek genom backwashing, eller backwashen är anordnad för att hålla mediet Blandat. Ett horisontellt filter kan delas upp i två eller flera sektioner vardera med en annan storlek media, med ett vertikalt nät mellan varje för att hålla olika storlek media separerade. Backwash av varje avsnitt skulle behöva ta hänsyn till detta.,
horisontella filter har använts fyllda med grus (småsten) av utvalda storlekar i tredje världen situationer för användning som klar. Eftersom storleken på gruset utesluter normal backwashing rengörs de rutinmässigt genom att tömma och spola och ibland genom att ta bort gruset för tvätt.
B. radiella filter
ett radiellt filter är ett horisontellt filter men med ökande bredd på filterbädden i flödesriktningen. Den ultimata formen av filterbädden är ringformig i tvärsnitt med flöde från centrum till periferin., Filtreringshastigheten minskar när vattnet fortskrider genom filtermediet så att gradvis effektivare avlägsnande av partiklar.
membranfilter
historiskt tyg har använts för att filtrera vatten. I microstraining filtreras vattnet genom tyg tillverkat av finvävd tråd. I båda dessa fall är tyget eller tyget ett slags membran, om än en grov. Modern teknik möjliggör tillverkning av membran från syntetiska material, att vara mindre än ca 1mm tjock och vara halvpermeabel., Att vara halvgenomsläpplig innebär att membranet är selektivt i vilka submikronstora partiklar kan och inte kan passera genom det som finns i matningsströmmen. Under drift passerar genomsläppliga komponenter i vattnet genom membranet med vattnet medan ogenomträngliga submikron-storlekskomponenter hålls kvar på matningssidan. Följaktligen är produktströmmen relativt fri från de ogenomträngliga komponenterna och avfallsströmmen är rik på ogenomträngliga komponenter. Flöde av vatten genom ett sådant halvgenomsläppligt membran uppnås genom tryck, vanligtvis producerat genom pumpning.,
det finns fyra kategorier av membran löst definierade av de typer av material som avvisas, arbetstryck och nominell porstorlek. Kategoriseringen av porstorleken är ungefärlig eftersom till exempel ett high-end UF-membran kan ha liknande permeabilitet till ett low-end NF-membran:
- mikrofiltrering (MF) – ca 0,1 µm porer: ogenomtränglig för partiklar, alger, animalcules och bakterier
- ultrafiltrering (UF) – ca 0,01 µm porer: ogenomtränglig för små kolloider och virus
- nanofiltrering (NF) – ca 0.,001 µm porer: ogenomtränglig för upplöst organiskt material (DOM) och divalenta joner
- omvänd osmos (RO) – effektivt icke-porös: ogenomtränglig för monovalenta joner
den dominerande mekanismen i MF och UF spänner, eller enkel storlek uteslutning. I NF och RO separation av upplösta arter innebär massöverföring, en diffusionsprocess som beror på koncentration, tryck och flödeshastighet genom membranet (flöde). Följaktligen avser membranfiltrering vanligtvis MF och UF men inte NF och RO, medan NF vanligtvis anses vara en form av RO.,
tjockleken på membran innebär att de måste formateras på ett sätt som ger strukturell styrka, så att de inte kommer att kollapsa på grund av tryckskillnaden över dem, ge ett stort område för filtrering men är kompakta och kan rengöras effektivt. De är i allmänhet strukturerade som tunna rör (ihåliga fibrer) eller som en lindad plåt. En spole är en smörgås av det halvgenomsläppliga membranet, ett separeringsnät, ett tunt ark ogenomsläppligt material och ett andra lager av tunt nät. Lagren av nät ger kanalerna för flöde till inloppet och från membranets utloppssida.,
det är vanligt att inkludera ett preliminärt behandlingsstadium före membranfiltrering för att skydda membranet från att bli fouled för snabbt av uteslutet material, även om det också finns sätt att använda membranfilter för att sakta ner graden av nedsmutsning av membranet innan man måste applicera en rengöringsprocess. Den rutinmässiga och frekventa rengöringsprocessen spolar för att avlägsna den ackumulerade detritusen på matningssidan. Men med tiden finns det en långsam förlust i membranprestanda som endast kan återvinnas genom kemisk rengöring.,
membranfiltrering (MF, UF och low end NF) har blivit relativt vanligt i dricksvattenbehandling, såsom för avlägsnande av färg från annars relativt god kvalitet vatten så att man undviker komplexiteter i samband med koagulering, och för tillförlitlig uteslutning av Cryptosporidium.
MWh (2005) Vattenreningsprinciper och Design (2nd Edtn.), Wiley
Purchase D. B. (1971) Industriell Filtrering av Vätskor (2: a Edtn), Leonard Hill, STORBRITANNIEN
Stuetz R., (2009) Principerna för Vatten-och avloppsrening, Processer, IWA
Relaterade Publikationer
Sexvärt Krom, Borttagning med Hjälp av Anion Exchange och en Minskning Med Koagulation och Filtrering – M McGuire, N Blute, G Qin, S Kavounas, D Froelich, L Fong
publiceringsdatum: Apr 2008 – ISBN – 9781843396208