چند-علم فیلتراسیون رسانه ای: شن و ماسه کوارتز، کربن فعال، و استفاده از فیلتر شن و ماسه منگنز و بازسازی

رسوب گذاری و شناورسازی مشکل آلاینده هایی را که «غرق می شوند» و «شناور» حل می کند. اما نوع دیگری از ناخالصی در آب وجود دارد-مواد جامد معلق ریز، ذرات کلوئیدی، و مواد محلول- که نه فرو می‌روند و نه شناور می‌شوند. چه باید کرد؟

اینجاست که فیلتراسیون وارد می شود. به زبان ساده، فیلتراسیون شامل اجازه دادن به فاضلاب از طریق یک لایه رسانه فیلتر، با تکیه بر رهگیری فیزیکی، جذب، و عملکرد شیمیایی محیط فیلتر برای به دام انداختن آلاینده های باقی مانده است.

فیلتراسیون فرآیند "دروازه نگهبانی" در واحدهای تصفیه فیزیکی و یک لحظه حوضه آبخیز در بسیاری از فرآیندهای تصفیه فاضلاب است که نشان دهنده گذار از "پیش تصفیه" به "تصفیه پیشرفته" است. بسیاری از فرآیندهای تصفیه فاضلاب با هدف استفاده مجدد از آب بازیافتی و پساب{1}}پایدار و با کدورت پایین، به شدت به فیلتراسیون متکی هستند! این مقاله درباره سه فیلتر پرکاربرد-ماسه کوارتز، کربن فعال و ماسه منگنز-چه کاری انجام می‌دهند، نحوه استفاده از آنها در{4}}سایت، و نحوه بازسازی و نگهداری از آنها در صورت گرفتگی یا اشباع شدن بحث می‌کند.

فیلتراسیون را صرفاً به عنوان "الک کردن شن" تصور نکنید. در واقع شامل چندین عملکرد است که با هم کار می کنند.

رهگیری مکانیکی: ذرات بزرگتر از شکاف های رسانه فیلتر مستقیماً رهگیری می شوند. این شهودی ترین روش فیلتراسیون است، اما برای ذرات کوچکتر از شکاف ها بی اثر است.

نهفتگی اینرسی: با جریان آب در اطراف ذرات رسانه فیلتر، ذرات ریز به دلیل اینرسی از خطوط جریان خود منحرف شده و با سطح رسانه فیلتر برخورد کرده و چسبیده می شوند. هر چه جریان آب قوی تر باشد، اثر رهگیری بیشتر است.

جذب و چسبندگی: فعل و انفعالات فیزیکوشیمیایی (نیروهای واندروالس، نیروهای الکترواستاتیکی) روی سطح رسانه فیلتر، ذرات ریز را روی سطح جذب می کند. ساختار متخلخل کربن فعال همچنین ظرفیت جذب فیزیکی قوی را فراهم می کند. این یک مکانیسم کلیدی برای فیلتر کردن و حذف ذرات ریز و مواد محلول است.

فلوکولاسیون زیستی: پس از تشکیل یک بیوفیلم بر روی سطح محیط فیلتر، پلیمرهای خارج سلولی ترشح شده توسط میکروارگانیسم ها می توانند به جامدات معلق در آب بچسبند، در حالی که به طور همزمان برخی از مواد آلی را تجزیه می کنند و کیفیت پساب را بهبود می بخشند.

ته نشینی: سرعت جریان آب در منافذ لایه فیلتر بسیار آهسته است و برخی از ذرات ریز به دلیل گرانش روی سطح محیط فیلتر می نشینند.

شن و ماسه کوارتز متداول ترین محیط فیلتر است. ماسه کوارتز با سختی بالا، خواص پایدار، هزینه کم و در دسترس بودن گسترده مشخص می شود.

مناسب برای: حذف مواد جامد معلق، کدورت و برخی ذرات کلوئیدی از آب. کدورت پساب را می توان به طور پایدار به زیر 1 NTU کاهش داد. می توان از آن به عنوان یک واحد تصفیه عمیق برای پساب مخزن ته نشینی ثانویه یا به عنوان یک فیلتر پیش{3} برای فیلترهای کربن فعال و سیستم های غشایی استفاده کرد.

پارامترهای عملیاتی: اندازه ذرات مؤثر معمولاً 0.5 تا 1.2 میلی متر، ضخامت بستر فیلتر 0.7 تا 1.5 متر و سرعت فیلتر 5 تا 10 متر در ساعت است. سرعت فیلتراسیون بسیار بالا منجر به افزایش سریع افت هد و کوتاه شدن زمان چرخه می شود. سرعت بسیار کم باعث استفاده کم از تجهیزات می شود.

انواع متداول: مخازن فیلتر فشار (بسته و تحت فشار که توسط پمپ هدایت می شود) و فیلترهای ثقلی (نوع باز، با تکیه بر اختلاف سطح آب برای جریان گرانشی).

نکات کلیدی نگهداری: هسته در حال شستشوی معکوس است. با افزایش مقدار مواد به دام افتاده، افت سر افزایش می‌یابد و جریان پساب کاهش می‌یابد، که نیاز به شستشوی معکوس-با استفاده از جریان آب معکوس برای پراکنده کردن بستر فیلتر و شستشوی ناخالصی‌های به دام افتاده دارد. شدت شستشوی معکوس معمولاً 12-15 لیتر در (m²·s) است، با نرخ انبساط تقریباً 25٪ -45٪، 5-10 دقیقه طول می کشد. آب تمیز برای شستشوی معکوس استفاده می شود. شستشوی هوا ممکن است برای افزایش اثر شستشو لازم باشد. در حین کار، ارتفاع بستر فیلتر باید به طور منظم برای کاهش (از دست رفتن یا سایش شن) بررسی شود. اگر کاهش بیش از 10٪ باشد، باید ماسه اضافه شود تا از نازک شدن بستر فیلتر و متعاقب آن نفوذ مواد معلق در پساب جلوگیری شود.

کربن فعال دارای یک سطح ویژه عظیم (500-1500 متر مربع در هر گرم) و یک ساختار ریز متخلخل به خوبی توسعه یافته است، که ظرفیت جذب بسیار قوی برای مواد آلی، رنگ و بو را نشان می‌دهد.

مناسب برای: حذف مواد آلی محلول (COD)، رنگ، کلر باقیمانده و بو از آب. کربن فعال دارای ظرفیت کاهش سریع برای کلر آزاد است و اغلب برای کلر زدایی برای محافظت از سیستم های غشایی پایین دست استفاده می شود. این یک اثر حذف قابل توجهی بر روی رنگهای مصنوعی، مواد هیومیک، و سایر مواد رنگی{1}} دارد. همچنین ظرفیت جذب قابل توجهی برای مواد ایجاد کننده بو مانند تیول ها و فنل ها دارد.

پارامترهای عملیاتی: انواع کربن فعال معمولاً بر پایه زغال سنگ-و پوسته میوه- هستند. ضخامت بستر فیلتر 1-2 متر است، سرعت فیلتراسیون 4-10 متر در ساعت است و آب باید بین رسانه های فیلتر حداقل 6-15 دقیقه باقی بماند. زمان تماس ناکافی به طور قابل توجهی کارایی جذب را کاهش می دهد.

بازسازی و جایگزینی: کربن فعال پس از اشباع جذب نیاز به تصفیه دارد. بازسازی حرارتی کامل‌ترین روش-تجزیه حرارتی و گازی کردن مواد آلی جذب‌شده در 800{10}}900 درجه است که ظرفیت جذب را بازیابی می‌کند و به نرخ بازسازی 85٪ -95٪ می‌رسد. این روش شامل هزینه های سرمایه گذاری و عملیاتی بالایی است که برای بازسازی متمرکز در سیستم های بزرگ مناسب است. در بازسازی شیمیایی از اسیدها، قلیایی ها یا حلال های آلی برای جذب مواد جذبی استفاده می شود. کارکرد آن ساده است اما نرخ بازسازی پایینی دارد (50 تا 70 درصد) و مایع زباله احیا را تولید می کند که نیاز به تصفیه دارد. در تجهیزات تصفیه آب در مقیاس کوچک، جایگزینی مستقیم کربن فعال اشباع شده با کربن جدید مقرون به صرفه تر است. کربن زباله را می توان توسط سازمان های حرفه ای دفع کرد یا به عنوان سوخت برای سوزاندن استفاده کرد.

نکات نگهداری: فیلترهای کربن فعال همچنین نیاز به شستشوی معکوس منظم با شدت 10-12 لیتر در متر مربع ثانیه دارند تا از سایش بیش از حد ذرات کربن فعال جلوگیری شود. به طور منظم COD یا رنگ پساب را کنترل کنید. اگر علائم نفوذ شناسایی شد، فوراً به مخزن کربن فعال پشتیبان بروید یا برای بازسازی آماده شوید. میکروارگانیسم ها به راحتی روی سطح کربن فعال رشد می کنند. بنابراین، کلر باقیمانده در ورودی باید در حین کار کنترل شود و در صورت لزوم لایه کربنی باید به طور مرتب ضد عفونی شود.

ماسه منگنز یک محیط فیلتر ویژه است که عمدتاً از دی اکسید منگنز (MnO2) تشکیل شده است. این متکی به رهگیری فیزیکی نیست بلکه به اکسیداسیون کاتالیزوری شیمیایی متکی است.

مناسب برای: به ویژه حذف یون های آهن و منگنز از آب های زیرزمینی یا فاضلاب های صنعتی. آهن به صورت محلول Fe2+ و منگنز به صورت منحله Mn2+ وجود دارد که با ته نشینی و فیلتراسیون معمولی حذف نمی شود. فیلم دی اکسید منگنز فعال روی سطح محیط فیلتر شنی منگنز به طور کاتالیزوری Fe2+ و Mn2+ را اکسید می کند و رسوبات هیدروکسید Fe3+ و Mn4+ ایجاد می کند که سپس توسط لایه فیلتر حفظ و حذف می شود.

پارامترهای عملیاتی: اندازه ذرات موثر ماسه منگنز: 0.6 ~ 2.0 میلی متر. ضخامت لایه فیلتر: به طور کلی 0.8 تا 1.2 متر. سرعت فیلتراسیون به طور کلی در 5-8 متر در ساعت کنترل می شود. سرعت زیاد باعث واکنش اکسیداسیون ناکافی می شود که منجر به نفوذ آهن و منگنز می شود. pH ورودی نباید کمتر از 6.5 باشد (واکنش اکسیداسیون تقریباً کمتر از pH 6.0 متوقف می شود) و اکسیژن محلول باید کافی باشد (به طور کلی هوادهی قبل از ورود به بستر فیلتر لازم است).

نکات نگهداری: در طول فرآیند حذف آهن و منگنز با استفاده از فیلتر شنی منگنز، هیدروکسید آهن (به رنگ قرمز-قهوه‌ای) به طور مداوم روی سطح بستر فیلتر رسوب می‌کند و برای حذف آن نیاز به شستشوی معکوس منظم دارد. شدت شستشوی معکوس معمولاً 15-18 لیتر/(m²·s) است، کمی بیشتر از ماسه کوارتز، با نرخ انبساط در 30٪-50٪ کنترل می‌شود. پس از عملیات طولانی مدت، فیلم فعال روی سطح ماسه منگنز ممکن است کهنه یا جدا شود و کارایی تصفیه را کاهش دهد. بازسازی غشا را می توان با افزودن دوره ای مقدار کمی پرمنگنات پتاسیم، که غشای فعال MnO2 را تحت اثر اکسیداسیون پرمنگنات پتاسیم بازسازی می کند، به دست آورد. اگر بعد از بازسازی های متعدد اثر همچنان رضایت بخش نبود، برخی یا همه رسانه های فیلتر باید جایگزین شوند. فیلترهای شنی منگنز را نمی توان به طور همزمان با کلر استفاده کرد - کلر به فیلم کاتالیزوری فعال روی سطح ماسه منگنز آسیب می رساند و منجر به از بین رفتن عملکرد حذف آهن و منگنز می شود.

هنگامی که فشار دیفرانسیل افزایش می یابد، شستشوی معکوس مورد نیاز است. قبل از شروع، صبر نکنید تا پساب پساب کدر شود.
شدت شستشوی معکوس را با دقت کنترل کنید. شستشوی معکوس کافی به درستی تمیز نمی شود، در حالی که شستشوی معکوس بیش از حد باعث از بین رفتن رسانه فیلتر می شود.
ضخامت رسانه فیلتر را به طور مرتب بررسی کنید و در صورت لزوم فورا آن را پر کنید. همچنین درپوش های توزیع آب و لایه نگهدارنده را بر اساس وضعیت پساب بررسی کنید.
اگر قرار است تجهیزات برای مدت طولانی خاموش شود، آب را در مخزن نگه دارید تا از جمع شدن و سفت شدن محیط فیلتر جلوگیری کنید.
پس از ورود، مقدار ید کربن فعال را بررسی کنید. اگر کمتر از مقدار طراحی باشد، اثر جذب کاهش می یابد و کربن فعال باید رد شود.