1.6: Фільтрація

Цілі навчання

Прочитавши цю главу, ви зможете визначити та пояснити наступне:

• Технології лікування
• Конфігурації та типи фільтруючих матеріалів
• Робота фільтра і зворотна промивка
• Математика фільтрації

Фільтрація є остаточною і найважливішою вимогою видалення, що вимагається Правилом обробки поверхневих вод (SWTR). Вода проходить через такі матеріали, як пісок, гравій та антрацитове вугілля, щоб видалити флоки та хвороботворні мікроорганізми з готової води. Фізичне видалення колоїдів також досягається під час осідання, але ця фільтрація є завершальним етапом. Це процес, коли з води видаляються зважені колоїдні частинки. Поряд з видаленням можливого патогенного матеріалу у воді досягається і видалення каламутності, яка могла б приховати патогенні організми і додати кольору готової воді.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зображення очищення води EPA знаходиться у відкритому доступі

SWTR встановлює керівні принципи для всіх державних водних агентств, які використовують поверхневі води як джерело. Поверхневі води були покриті в розділі #1 і є будь-якою водою, відкритою для атмосфери, яка сприйнятлива до стіку. Мінімальними вимогами до обробки є дезінфекція, але більшість джерел води не відповідають цим дуже суворим рекомендаціям.

Ефективність фільтрації заснована на декількох важливих факторах. Правильна фільтрація відбувається виходячи з якості вхідної вихідної води. Наприклад, штормова подія біля вихідної води може спричинити вищу вхідну каламутність, ніж очисна споруда використовується для обробки. Можуть знадобитися експлуатаційні зміни, такі як промивні фільтри. Фізико-хімічні характеристики суспензійного матеріалу також вступають в дію під час обробки. Занадто багато або занадто мало хімічної речовини може призвести до неефективної фільтрації. Щоб наслідувати приклад події шторму, оператору може знадобитися внести зміни в дози коагулянту та полімеру, щоб врахувати підвищену каламутність та частинки, що надходять на очисну споруду. Нарешті, тип фільтрації, що використовується очисним спорудом, також дуже важливий. Це рішення в основному виходить з рук операторів, оскільки інженери та експерти з якості води вирішать, який найбільш ефективний процес очищення вихідної води перед будівництвом очисного споруди.

На фото нижче представлений фільтр в нормальному режимі роботи.

Малюнок\(\PageIndex{2}\)

Технології лікування

У Сполучених Штатах існує чотири затверджені технології лікування. Найбільш широко використовувані технології обробки включають звичайну обробку, пряму фільтрацію, обробку діатомовою землею та повільну фільтрацію піску. Нижче наведені описи:

Установки для повільної фільтрації піску стають все рідше через велику кількість часу, необхідного для обробки води та великої кількості простору, необхідного для споруд. Швидкість фільтрації для повільної фільтрації піску становить від 0,05 до .10 ГПм/кв. Фут. Частинки адсорбуються в хімічному шарі, відомому як шмуцдеке. Через деякий час біологічний шар повинен бути вручну видалений оператором або обслуговуючим персоналом. Повільний час та інтенсивна праця роблять цей метод лікування найменш ідеальним, особливо в районах з більшою популяцією.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Зображення Відкритого університету ліцензовано відповідно до CC BY-NC-SA

Діатомова фільтрація землі здійснюється за допомогою фільтрації під тиском. Його також можна назвати фільтрацією попереднього покриття. Фільтруючий матеріал в цьому випадку додається у вигляді суспензії в посудину для обробки. Всередині посудини прокладається труба, відома як перегородка. Суспензія прикріплюється до перегородки і вода проходить через посудину, де патогенний і підвішений матеріал захоплюється і напружується з готової води. Цей процес лікування дуже поширений для компаній з лікування басейнів та напоїв. Цей тип методу обробки, як правило, не використовується більшими муніципалітетами через велику кількість утилізації мулу та постійну закупівлю фільтруючого матеріалу.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Зображення COC OER ліцензовано відповідно до CC BY

Гравітаційна фільтрація складається з двох остаточних затверджених технологій очищення води. Пряма фільтрація та звичайна обробка є найбільш широко використовуваними технологіями лікування в Сполучених Штатах. Він описується як гравітаційна фільтрація, оскільки тиск напору води змушує воду подорожувати через фільтровані середовища, щоб видалити домішки з питної води. Пряма фільтрація відрізняється від звичайної обробки тим, що процес осідання пропускається. Райони з джерельною водою вищої якості можуть вибрати пряму фільтрацію, щоб зменшити витрати, а кількість земельної площі для басейнів відстійників може бути значною. Середня швидкість фільтрації для гравітаційних фільтраційних ліжок становить 3,0 ГПм/кв. фут. - 6,0 GPM/кв. фут.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Пряма фільтрація - зображення EPA знаходиться у відкритому доступі

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Звичайне лікування - Зображення EPA знаходиться у відкритому доступі

Альтернативні методи очисних споруд можуть бути затверджені в кожному конкретному випадку. Нові технології, такі як мембранна фільтрація та зворотний осмос, були використані, оскільки технологія покращилася, а витрати, пов'язані з проведенням цих конкретних операцій, зменшилися. Вода в долині Санта-Кларіта (SCV) використовує альтернативну технологію, відому як уточнення висхідного потоку. SCV Water здатна використовувати цю технологію через дуже низький рівень каламутності у воді, що забезпечується озером Кастаїк. Це більш конденсований варіант звичайної обробки і вимагає набагато менше місця через відсутність відстійників.

Фільтруючий матеріал

Тип середовища, що використовується в гравітаційних фільтрах, - пісок, антрацитове вугілля і гранат. Гранат - це мінеральний пісок червоного кольору, що складається з силікатів (кальцію, заліза, марганцю та магнію) і його щільність більша, ніж пісок. Гравій також використовується як фільтр під шаром нижче використовуваного фільтруючого матеріалу. Він повинен бути важчим, ніж фільтруючий матеріал, щоб він міг осідати назад під середовищем після завершення циклу промивання фільтра.

При виборі фільтруючого матеріалу важливо підбирати носій, який має хороші гідравлічні характеристики, довговічний, не має домішок, не розчиняється у воді, не розчиняється і не вступає в реакцію зі складовими у водопроводі. Медіа класифікуються за чотирма параметрами, включаючи його ефективний розмір, рівномірну ефективність, питому вагу та твердість середовища. Ефективний розмір - це отвір сита в середовищі, яке дозволяє воді проходити, збираючи домішки у воді. 90 відсотків частинок повинні бути більшими за отвір для фільтрації частинок.

При вирішенні питання про те, який носій вибрати для фільтра, важливо враховувати кількість часу, необхідного для прориву каламутності фільтра. Наприклад, ви експлуатуєте очисну споруду, яка вимагає індивідуальних фільтрів, скажімо, нижче 0.3 NTU (або нефелометричних одиниць каламутності). Після того, як індивідуальний фільтр виходить за цю межу, його потрібно промити. По-друге, втрата напору повинна бути врахуванням. Втрата напору відбувається після того, як матеріал накопичується з часом під час процесу фільтрації. Втрата напору призведе до більш тривалого часу фільтрації та призведе до підвищення рівня фільтра. Після того, як фільтр досягає термінальної втрати напору, його потрібно знову промити. Засоби масової інформації не завжди є причиною втрати напору і прориву каламутності. Як обговорювалося раніше, оператори повинні переконатися, що вони правильно дозують хімічні речовини, оскільки неправильне дозування може спричинити вищезгадану втрату голови та прорив.

Рівномірний коефіцієнт - це співвідношення між різними розмірами середовищ, що складаються в фільтрувальному шарі. Чим менше рівномірний коефіцієнт означає, що носій ближче до того ж розміру, ніж якби він був вище. Нижчий показник ефективності додає до вартості носія.

Виробництво фільтра - це кількість води, яку даний фільтр може виробляти за добу. Цей потік зазвичай припадає на мільйон галонів на день (MGD). Індивідуальні швидкості фільтрації розраховуються шляхом ділення витрати фільтра в галонів в хвилину на площу поверхні фільтра. Швидкість фільтрації для гравітаційних фільтрів може бути між 2gpm-10gpm/квадратний фут. Ця тема буде розглянута більш детально під час математичної частини цієї глави.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Швидкий гравітаційний пісочний фільтр - Зображення Відкритого університету ліцензовано відповідно до CC BY-NC-SA

Типи фільтруючих носіїв
Гравій Зображення Мартіна Олссона ліцензовано відповідно до CC BY-SA 3.0	Пісок Зображення Юга знаходиться у відкритому доступі	Гранат Зображення від Siim ліцензовано відповідно до CC BY-SA 4.0	Антрацит Зображення знаходиться у відкритому доступі

Існує кілька різних типів конфігурацій носіїв. Фільтраційні установки можуть використовувати мономедіа, дуелі та мультимедійні конфігурації. Мономедійний завод має лише один тип середовищ, який може бути крупнозернистим піском або антрацитовим вугіллям. Одиночні фільтри для носіїв, можливо, доведеться мити частіше, оскільки вони, як правило, менші та мають частіші проблеми з втратою голови. Подвійні медіафільтри складаються з нижнього рівня піску та верхнього шару антрациту з порами більшого діаметру, що дозволяють глибше проникати тверді речовини. Нарешті, мультимедійні фільтри використовуються в застосуваннях для обробки посудин під тиском. Мультимедійні фільтри мають пісок, антрацит, верхній гранатовий шар. Недоліком посудин під тиском є неможливість перегляду фільтруючого матеріалу всередині посудини під тиском.

Фільтр роботи і зворотного промивання фільтрів

Протягом усієї глави підійшла тема «миття». Час роботи фільтра залежить від трьох факторів, але спочатку важливо знати, як вимірюється ефективність фільтра. Ефективність фільтра вимірюється мутністю стічних вод фільтра. А загальна ефективність установки вимірює комбіновану мутність стоків всіх фільтрів. Неправильна коагуляція та фільтрація можуть призвести до стрибків каламутності, а в гіршому випадку може призвести до кризи охорони здоров'я.

На фото нижче представлена фотографія типової фільтрувальної колоди на водоочисній споруді.

Малюнок\(\PageIndex{8}\)

Перший фактор, який оператор використовує для визначення того, чи потрібна промивка фільтра, - це індивідуальна каламутність фільтра. Кожна очисна споруда матиме свої умови експлуатації та дозволи дотримуватися. Якщо індивідуальний фільтр не відповідає цілям або обмеженням каламутності, фільтр необхідно поставити в цикл зворотного промивання. Фільтри, які продовжують зменшувати час роботи, може знадобитися запустити профіль фільтра, щоб з'ясувати, чому фільтри не відповідають стандартам.

Високі втрати напору - другий фактор, який призведе до промивання фільтра. Після того, як фільтр використовується протягом певного періоду часу, він засмічується твердими речовинами, знімається фільтр. Ця умова також призведе до підвищеної каламутності, оскільки тверді речовини, які повинні бути захоплені, «проривають» стоки в очищений водопровід. Нарешті, промивка фільтра буде виконана через певний проміжок часу незалежно від умов експлуатації. Це ідеальний сценарій промивання фільтра.

Процедура зворотного промивання - це зворотний потік води через фільтр. Цей процес видаляє тверді речовини з фільтра після прориву або часу роботи фільтра потрапляє. Оператори повинні керувати швидкістю зворотного промивання в оптимальному діапазоні, оскільки неадекватні показники не будуть належним чином видаляти тверді речовини з фільтра, а надмірні показники можуть спричинити утворення грязьових куль та насипів всередині фільтра.

Промита вода може бути перероблена, відправляючи потік відходів у збірні басейни. Потім воду можна повернути в головні роботи рослини і змішати з сирою водою для повторної обробки. Правило зворотного промивання фільтра обмежує кількість води, яку можна повернути в головні роботи заводу в даний момент часу. Повернення занадто великої кількості переробленої води може збільшити шанси дозволити мікроорганізмам, таким як Cryptosporidium, в очисну споруду.

Малюнок\(\PageIndex{9}\)

Фільтр зліва знаходиться в процесі зворотного промивання фільтра. Вода рухається в зворотному напрямку і переливається над водосливом і направляється до сміттєвого басейну, де вона збирається і в кінцевому підсумку повертається в головні роботи заводу для повторної обробки. Дії оператора

Як оператор очищення води, ви повинні мати знання про те, як правильно використовувати обладнання, пов'язане з фільтрацією. Під час роботи очисної споруди ви будете регулярно:

• Монітор продуктивності фільтра
• Перевірте рівень каламутності за допомогою онлайн-аналізаторів та візьміть зразки
• Відрегулюйте витрати хімічних речовин
• Фільтри зворотної промивки
• Візуально огляньте фільтри

Фільтри працюють по-різному при зміні водних умов. Завод не завжди працюватиме так само, як перепади температур і штормові події змусять операторів час від часу вивчати важливі експлуатаційні міркування. Важливо подивитися на погоду і зрозуміти, як це може вплинути на очисну споруду. Сильний дощ біля вихідної води може збільшити рівень каламутності, що надходить у рослину. У цих умовах операторам, можливо, доведеться частіше мити фільтри та вносити коригування хімічних доз.

Існують інші ненормальні умови, які слід враховувати при моніторингу продуктивності фільтра. Монітор фільтра миє, щоб шукати грязьові кульки, надмірне кипіння в певних місцях, і носії зміщуються і відправляються в сміттєві басейни. Ці умови вказували б на те, що потік зворотної промивки занадто високий. Також визначте коротший час роботи фільтра, фільтри, які можуть бути не чистими, та зростання водоростей. Ці фактори можуть бути пов'язані з неправильним дозуванням хімічних речовин і занадто низьким потоком зворотного промивання.

Математика фільтрації

Швидкість фільтрації

Розрахунок швидкості фільтрації фільтрів на вашому заводі є важливою функцією. Експлуатаційні плани та дозволи обмежують кількість води, яку може виробляти фільтр, тому важливо мати розуміння швидкості фільтрів, також відомих як швидкості завантаження. Швидкість фільтрації також дасть оператору базове розуміння середньодобового виробництва очисних споруд.

Формула швидкості фільтрації являє собою рівняння швидкості. Ці формули легко сплутати з проблемами потоку, тому переконайтеся, що ви звернете увагу на одиниці, які ви додаєте до формули, і зверніть увагу на те, що запитує проблема. Формула швидкості фільтрації така:

Швидкість фільтрації = Витрата ÷ Площа

Рівняння швидкості фільтрації використовуватимуть GPM та площу заданого фільтра. Площа фільтра - довжина х ширина. Проблема може дати вам глибину фільтра, щоб заплутати вас. Приділіть дуже пильну увагу формулюванню в задачі.

Приклад 1

Яка швидкість фільтрації очисної споруди, яка має 3 фільтри шириною 20 футів і довжиною 20 футів на заводі, що виробляє 1 MGD?

Швидкість фільтрації = (20 футів х 20 футів х 3) ÷ 1 МГД

1,000,000 гал/1 день х 1 день/24 години х 24 години/60 хв = 694 GPM1

* Примітка: Швидкий ярлик для майбутніх рівнянь, є 1,440 хвилин в день.

Швидкість фільтрації = 1200 футів ² ÷ 694 GPM

Швидкість фільтрації = 1.73 gpm/фут ²

Швидкість зворотного промивання

Як обговорювалося в розділі, після того, як фільтр досягає своєї потужності через втрату напору, прорив каламутності або максимальну кількість годин роботи, фільтр необхідно промити. У циклі промивання фільтра швидкість води буде набагато більше, ніж кількість води, яка протікає через фільтр при нормальній роботі. Багато математичних рівнянь матимуть оператор вирішувати швидкість підйому, яка виражається як в/хв. Зворотна промивка - це потік води в протилежному напрямку, де вода рухається вгору, а не вниз.

Приклад 2

Максимальна швидкість зворотного промивання фільтра становить 5000 GPM. Фільтр шириною 20 футів і довжиною 20 футів. Яка швидкість підйому фільтра?

Швидкість підйому = Швидкість потоку ÷ Площа

Швидкість зростання = 5,000 GPM ÷ 400 футів ²

Швидкість зростання = 12,5 GPM/кв. /фут

12,5 галл/хв (фути) /1 х 12 дюймів/1 фут х 1 фут ³/7,48 гал = 20 дюймів підйом/хв

Відсоток зворотного промивання

Водоочисні споруди дуже ефективні при переробці стічних потоків води. Вода, що відправляється в сміттєві басейни та лагуни, здатна бути перероблена, але лише певну кількість за раз. Відсотки математичних задач зворотного промивання порівнюють загальне виробництво заводу з кількістю готової води, що використовується для зворотного промивання фільтра.

Приклад 3

Очисна споруда лікує 2 МГД. Він має 2 фільтри, які миються щодня, і кожен використовує 10 000 галонів під час прання. Який відсоток води зворотного промивання?

2 фільтри х 10 000 галонів = 20,000 галонів

20 000 галлонів/2,000,000 гал = 0,01

100 × 0,01 = 1%

1% води, яку використовує рослина, припадає на воду зворотного промивання.

Огляд глави

1. Тверді речовини, видалені з фільтра, найчастіше видаляються яким методом?
   1. Адсорбція
   2. Напруження
   3. Деактивація
   4. Флокуляція
2. Яка типова швидкість фільтрації для повільних піщаних фільтрів?
   1. 2.0-6.0 Гм/кв. фут
   2. 6.0-10.0 Гм/кв. фут
   3. 1,0-2,0 г/кв.м
   4. 0,5-0,10 г/кв. фут
3. У типовому звичайному очисному споруді помутніння готової води для індивідуального фільтра повинна бути менше ___________.
   1. 1.0 НТУ
   2. 0.3 НТУ
   3. 5.0 НТУ
   4. 3.0 НТУ
4. Фільтр, що працює в нормальних умовах, побачить втрати напору в фільтрі ___________.
   1. Залишайтеся постійними
   2. Збільшуйте повільно
   3. Швидко збільшуються
   4. Зменшуватися повільно
5. Фільтр необхідно промити, якщо дотримано цю умову:
   1. Втрата голови
   2. Прорив каламутності
   3. Максимальний час роботи фільтра
   4. Все вищесказане
6. Продуктивність фільтра вимірюється зняттям ___________.
   1. Кисень
   2. Втрата голови
   3. Помутніння
   4. хлор
7. Як називається біологічно активний шар повільного піщаного фільтра?
   1. Змішана техніка
   2. Поєдинок ЗМІ
   3. Шар шламу
   4. Шмуцдеке
8. Падіння тиску в фільтрі називається ___________.
   1. Прорив каламутності
   2. Втрата голови
   3. Фільтрація
   4. Зворотна промивка
9. Яка найпоширеніша причина введення фільтра в цикл прання?
   1. Втрата голови
   2. Час роботи фільтра
   3. Прорив каламутності
   4. Зниження рівня води
10. Освіта грязьових кульок і надмірне кипіння при митті - показник ___________.
    1. Правильна швидкість зворотного промивання
    2. Занадто низька швидкість зворотного промивання
    3. Надмірна швидкість зворотного промивання
    4. Неправильна хімічна доза
11. Важливими процесами, які відбуваються під час фільтрації є ___________.
    1. осідання
    2. Адсорбція
    3. Напруження
    4. Все вищесказане
12. Типові швидкості фільтрації для звичайної очисної споруди становлять ___________.
    1. 0,2-0,6 Гм/кв.фут
    2. 2,0-10,0 Гм/кв.фут
    3. 10,0-20,0 Гм/кв.фут
    4. 200-400 Гм/кв.фут
13. На водоочисній споруді встановлено чотири фільтри. Фільтри вимірюють 20 футів в ширину на 30 футів в довжину. Яка швидкість фільтрації, якщо установка обробляє 8,0 МГД?
    1. 1,51 Гм/кв.фут
    2. 2.31 Гм/кв.фут
    3. 2,61 Гм/кв.фут
    4. 2.91 Гм/кв.фут
14. Водоочисна споруда обробляє 6,0 МГД чотирма фільтрами. Фільтри використовують 60 000 галонів на одне прання. Який відсоток зворотного промивання на заводі?
    1. 10%
    2. 8%
    3. 6%
    4. 4%
15. Фільтр очисної споруди омиває зі швидкістю 10 000 GPM. Фільтр вимірює 18 футів. шириною на 24 фути. довгий. Яка швидкість підйому виражається в дюймах в хвилину?
    1. 17 дюймів/хв
    2. 27 дюймів/хв
    3. 37 дюймів/хв
    4. 47 дюймів/хв