Filteri, kao ključni uređaji u području pročišćavanja vode, naširoko se koriste u raznim postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda, industrijskom pročišćavanju otpadnih voda, pročišćavanju pitke vode i drugim scenarijima. Međutim, u stvarnoj upotrebi, filtri često imaju lošu izvedbu, kao što je spora brzina filtracije, lako začepljenje filtarskog medija, slab učinak povratnog ispiranja, mali kapacitet pročišćavanja, nestabilna kvaliteta otpadnih voda, a može čak dovesti do ne-usklađenosti sa standardima ispuštanja ili sekundarnog onečišćenja. Ovi problemi ne samo da utječu na učinkovitost tretmana, već također povećavaju operativne troškove i poteškoće u održavanju. Stoga je potrebno istražiti načine poboljšanja performansi filtra kako bi se osigurao njegov stabilan i učinkovit rad. Ovaj članak dijeli načine poboljšanja performansi filtra za stručnjake za obradu vode.
I. Uska grla jedno-slojnih medija za filtriranje
Tradicionalni jedno{0}}slojni pješčani filtri uglavnom koriste kvarcni pijesak kao filtarski medij, s veličinom čestica dizajniranom da se postupno povećava od vrha prema dolje (sitni na vrhu, grubi na dnu). Naizgled, čini se da filtrira nečistoće sloj po sloj, ali u stvarnom radu često nastaju problemi. Kapacitet filtra-za zadržavanje prljavštine ključna je mjera učinka, a odnosi se na količinu nečistoća zadržanih po jedinici volumena filtarskog medija (jedinica: kg/m³ ili g/cm²). Snažan kapacitet-zadržavanja prljavštine znači da sloj filtera igra značajnu ulogu, što rezultira visokom učinkovitošću filtriranja, dugim radnim ciklusom i velikim kapacitetom obrade vode. Međutim, raspodjela nečistoća zarobljenih u jednom sloju filtarskog medija izrazito je neravnomjerna: površina (gornji sloj) nakuplja najviše nečistoća, smanjujući ih prema dolje, s gotovo nikakvim zadržavanjem ispod 30 cm. To uzrokuje da se gubitak visine (otpor protoku) koncentrira uglavnom u površinskom sloju, značajno skraćujući ciklus filtracije i često dovodeći do začepljenja unutar nekoliko sati. To je zato što se smjer protoka vode usklađuje s povećanjem veličine čestica, uzrokujući brzo nakupljanje nečistoća u gornjem sloju. Ako se veličina čestica promijeni tako da se postupno smanjuje duž smjera protoka vode (od velikih prema malim), tj. filtracija "obrnute veličine čestica", nečistoće se mogu ravnomjerno rasporediti, povećavajući kapacitet-zadržavanja prljavštine, smanjujući gubitak glave, produžujući radni ciklus, pa čak i povećavajući brzinu filtracije.
II. Filtracija uzlaznog toka
Konvencionalni filterski mediji imaju sitnije čestice na vrhu i grublje na dnu, pri čemu voda ulazi s vrha i izlazi s dna. Filtriranje uzlaznog toka održava istu veličinu čestica, ali mijenja smjer protoka vode: voda ulazi s dna i izlazi s vrha, stvarajući način rada "obrnute veličine čestica".
Prednosti ovog dizajna su: ravnomjerna raspodjela nečistoća u sloju filtera, poboljšana sposobnost-zadržavanja prljavštine, sporije povećanje otpora protoka vode i produženi radni ciklus. Međutim, potrebno je kontrolirati brzinu filtracije, jer visoke stope filtracije mogu uzrokovati širenje sloja filtera, gubitak finog pijeska iz gornjeg sloja i utjecati na kvalitetu otpadne vode. Stoga u površinski sloj radi zaštite treba dodati mrežicu ili rešetku. Iako ova metoda ima prednost obrnute raspodjele veličine čestica, ona pati od problema kao što je ograničeno širenje sloja filtera tijekom ispiranja, poteškoće u uklanjanju mulja i nepotpuno uklanjanje mulja zbog toga što je protok vode za povratno ispiranje usklađen sa smjerom filtracije. Te je probleme teško potpuno otkloniti, pa se u praksi pročišćavanja otpadnih voda ne koristi široko.
III. Dvo{1}}filtracija protoka
Nedovoljno povratno ispiranje kod filtracije uzlaznog toka dovelo je do razvoja dvo-smjerne filtracije toka. Voda istovremeno ulazi s dna i s vrha spremnika filtera i izlazi iz sredine. Gornji sloj filtera koristi metodu protoka prema dolje, dok donji sloj koristi obrnutu raspodjelu veličine čestica s protokom prema gore, kao što je prikazano na dijagramu. Gornji dio stabilizira donji dio, sprječavajući prekomjerno širenje sloja filtera. Ovaj dizajn može povećati kapacitet-zadržavanja prljavštine medija za filtriranje i produžiti ciklus filtriranja. Međutim, struktura filtarskog spremnika je složena, rukovanje je glomazno, a troškovi održavanja visoki, pa se rijetko koristi u praksi.
Iako gornje dvije metode imaju ograničenja, one pokazuju da promjena smjera protoka vode i rasporeda medija za filtriranje može značajno poboljšati učinkovitost filtera.
IV. Dvo-slojni filtarski medij
Trenutačno je najpopularnija vrsta dvoslojni-filtarski medij. Njegova je struktura slična jedno-slojnom modelu, ali je sastav sloja filtera promijenjen. Gornji sloj koristi lagani filterski medij niske specifične težine i velike veličine čestica; donji sloj koristi teške filterske medije visoke specifične težine i male veličine čestica. Tijekom povratnog ispiranja, zbog razlike u specifičnoj težini, lakši medij je na vrhu, a teži medij je na dnu, prirodno tvoreći dvostruki sloj.
Veličina čestica svakog sloja ostaje finija na vrhu i grublja na dnu, ali prosječna veličina čestica gornjeg sloja veća je od veličine donjeg sloja, čime se postiže ukupni obrnuti učinak veličine čestica. Stvarna mjerenja pokazuju da je kapacitet-zadržavanja prljavštine dvoslojnih-slojnih filtarskih medija više nego dvostruko veći od jedno-slojnih medija. Uz istu brzinu filtracije, ciklus filtracije se produljuje; a pri istom ciklusu filtracije, brzina filtracije može se povećati. Usporedna krivulja na donjoj slici jasno pokazuje da je površina-zadržavanja prljavštine dvoslojnog-slojnog filtarskog medija mnogo veća od one-jednoslojnog-slojnog filtarskog medija, što pokazuje da je kapacitet zadržavanja-prljavštine udvostručen kada je debljina sloja filtra ista. Ako je kvaliteta ulazne vode dosljedna, radni ciklus dvo-slojnog filtarskog medija dvostruko je veći od jedno-slojnog filtarskog medija.
Ova se tehnologija naširoko koristi u postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda u zemlji i inozemstvu, sa značajnim rezultatima i praktičan je način za poboljšanje učinkovitosti filtera.
V. Više-slojni medij za filtriranje
Više{0}}slojni filtarski medij obično se odnosi na tri sloja: gornji sloj od velikih-čestica, laganog materijala (kao što je antracit), srednji sloj od srednje-čestica, srednje-materijala gustoće (kao što je kvarcni pijesak) i donji sloj od malih-čestica, teškog materijala (kao što je granat ili granulirani magnetit). Veličina čestica se smanjuje odozgo prema dolje, potpuno mijenjajući distribuciju veličine čestica.
Ovaj dizajn značajno poboljšava sposobnost zadržavanja prljavštine-medija filtera, dok fini medij filtera na dnu osigurava stabilnu kvalitetu otpadne vode. Stopa filtracije može biti veća nego kod dvo-slojnih filtara. Kada je mutnoća otpadne vode niska i kvaliteta vode stabilna, može se provesti izravna filtracija (eliminirajući proces sedimentacije) kako bi se postiglo primarno pročišćavanje. Trenutno se za izravnu filtraciju obično koriste dvo-slojni i više-slojni filtri. Kako bi se osiguralo da efluent zadovoljava standarde ispuštanja ili ponovne upotrebe, mogu se prethodno-dodati pomoćna sredstva za filtriranje velike-molekularne-težine, poput poliakrilamida ili aktiviranog silicija. Izravna filtracija pojednostavljuje proces i štedi investiciju. Sastav i debljinu filtarskih slojeva treba prilagoditi kvaliteti otpadne vode, a brzina filtracije treba biti niska, približno 5 m/h. Nakon ovih procesa predtretmana, kvaliteta otpadnih voda općenito zadovoljava standarde; neki se koriste za industrijsku ponovnu upotrebu, neki zadovoljavaju naknadne zahtjeve obrade, a neki zahtijevaju daljnju naprednu obradu.
Sažetak
Od nedostataka jedno-slojnih filtarskih medija, do inspiracije obrnutom filtracijom čestica, a zatim do evolucije uzlaznog toka, dvosmjernog toka, dvo-slojnih i više-slojnih filtara, tehnologija pročišćavanja otpadnih voda razvija se prema visokoj učinkovitosti i niskoj potrošnji. Ovi pristupi mogu poboljšati kapacitet-zadržavanja prljavštine medija za filtriranje, produžiti ciklus filtriranja, optimizirati kvalitetu otpadnih voda i doprinijeti zaštiti okoliša. U praksi, dvo-slojni i više{7}}slojni filtri su najpraktičniji-jednostavni za rukovanje i visok-povrat. U budućnosti, s napretkom u materijalima i optimiziranim dizajnom distribucije vode, filtri će postati još moćniji.
