Эффективность песчаной фильтрующей установки, смешанной с различными набивочными материалами, при очистке сточных вод в Египте | СпрингерЛинк

Фильтрация используется в дополнение к обычной коагуляции и отстаиванию для удаления твердых частиц из поверхностных или сточных вод. Это подготавливает воду для использования в качестве питьевой, котловой или охлаждающей подпитки. Фильтрация сточных вод помогает пользователям выполнять более строгие требования разрешений на сброс сточных вод.

Фильтрация, обычно считающаяся простым механическим процессом, на самом деле включает в себя механизмы адсорбции (физической и химической), процеживания, осаждения, улавливания, диффузии и инерционного уплотнения.

Фильтрация не удаляет растворенные твердые вещества, но может использоваться вместе с процессом умягчения, который снижает концентрацию растворенных твердых веществ. Например, антрацитовая фильтрация используется для удаления остаточных осажденных солей жесткости, остающихся после осветления при умягчении осадков.

В большинстве процессов осветления или умягчения воды, в которых происходит коагуляция и осаждение, по крайней мере часть осветленной воды фильтруется. Сточные воды очистителя с 2-10 NTU могут быть улучшены до 0.1-1.0 NTU с помощью обычной песчаной фильтрации. Фильтрация обеспечивает приемлемые концентрации взвешенных веществ в готовой воде даже при сбоях в процессах осветления.

Обычные гравитационные и напорные быстрые фильтры работают с нисходящим потоком. Фильтрующая среда обычно представляет собой слой песка или антрацита глубиной 15-30 дюймов. Можно использовать один или несколько сортов песка или антрацита.

Большой слой частиц поддерживает фильтрующий материал, чтобы предотвратить попадание мелкого песка или антрацита в дренажную систему. Опорный слой также служит для распределения воды обратной промывки. Типичные опорные слои состоят из гравия или антрацита толщиной 1 8-1 дюйм в градуированных слоях на глубину 12-16 дюймов.

В качестве фильтрующей среды можно использовать кварцевый песок, кварцевый песок, антрацит, гранат, магнетит и другие материалы. Кварцевый песок и антрацит являются наиболее часто используемыми типами. Когда диоксид кремния не подходит (например, в фильтрах после умягчителя горячего процесса, где очищенная вода предназначена для питания котла), обычно используется антрацит.

Размер и форма фильтрующего материала влияют на эффективность удаления твердых частиц. Острые, угловатые среды образуют большие пустоты и удаляют меньше тонкого материала, чем закругленные среды такого же размера. Среда должна быть достаточно грубой, чтобы твердые частицы могли проникнуть в слой на глубину 2-4 дюйма. Хотя большинство взвешенных твердых частиц задерживается на поверхности или на первых 1-2 дюймах глубины слоя, необходимо некоторое проникновение, чтобы предотвратить быстрое увеличение в перепаде давления.

Песок и антрацит для фильтров оцениваются по эффективному размеру частиц и однородности. Эффективный размер таков, что примерно 10% от общего веса зерен меньше, а 90% больше. Следовательно, эффективный размер — это минимальный размер большинства частиц. Однородность измеряется путем сравнения эффективного размера с размером, при котором 60% зерен по весу меньше, а 40% больше. Этот последний размер, разделенный на эффективный размер, называется коэффициентом однородности: чем меньше коэффициент однородности, тем более однородны размеры частиц среды.

Более мелкие пески приводят к более мелким зонам для удержания взвешенных веществ. Наиболее желательный размер среды зависит от характеристик взвешенных твердых частиц, а также требований к качеству сточных вод и конкретной конструкции фильтра. Как правило, в быстрых песчаных фильтрах используется песок с эффективной крупностью 0.35–0.60 мм (0.014–0.024 дюйма) и максимальным коэффициентом однородности 1.7. Грубые среды, часто 0.6–1.0 мм (0.024–0.04 дюйма), используются для тщательно контролируемой коагуляции и осаждения.

Термины «многослойный», «глубокий» и «смешанная среда» относятся к типу фильтрующего слоя, который классифицируется по размеру и плотности. Крупные, менее плотные частицы находятся вверху фильтрующего слоя, а мелкие, более плотные – внизу. Фильтрация с нисходящим потоком обеспечивает глубокое и равномерное проникновение твердых частиц и обеспечивает высокую скорость фильтрации и длительный срок службы. Поскольку мелкие частицы на дне также более плотные (между частицами меньше пространства), они остаются на дне. Даже после интенсивной обратной промывки слои остаются на своих местах в фильтрующем слое со смешанной средой.

В Таблице 6-1 перечислены четыре среды, которые используются в многослойной фильтрации. Несколько других комбинаций смешанных материалов также были протестированы и эффективно использовались. Использование слишком большого количества различных слоев среды может вызвать серьезные трудности с обратной промывкой. Например, если все четыре материала, перечисленные в таблице 6-1, использовались в одном и том же фильтре, скорость промывки, достаточно высокая для расширения слоя магнетита, могла бы вымыть антрацит из фильтра. Это также приведет к высоким требованиям к промывочной воде.

Антрацитовые/песчаные фильтрующие слои обычно обладают всеми преимуществами однокомпонентной фильтрации, но требуют меньше воды для обратной промывки, чем только песок или антрацит. Аналогичные заявления были сделаны для блоков смешанного антрацита/песка/граната. Основными преимуществами фильтрации с двумя средами являются более высокая скорость и более длительный срок службы. Слои антрацита/песка/граната работали с нормальным расходом приблизительно 5 галлонов в минуту/фут² и пиковым расходом до 8 галлонов в минуту/фут² без потери качества сточных вод.

Скоростные песочные фильтры можно переоборудовать для работы со смешанной средой, чтобы увеличить производительность на 100%. Стоимость такой переделки намного ниже, чем установка дополнительных скорых песчаных фильтров.

Укупорка предполагает замену части песка антрацитом. При таком преобразовании слой песка толщиной 2–6 мм (0.4–0.6 дюйма) толщиной 0.016–0.024 дюймов удаляется с поверхности пласта и заменяется слоем антрацита толщиной 4 мм (8 дюйма) толщиной 0.9–0.035 дюймов. Если требуется увеличение производительности, заменяют большее количество песка. Должны быть проведены пилотные испытания, чтобы гарантировать, что уменьшение глубины более мелкого песка не ухудшит качество сточных вод.

Гравитационные фильтры (см. Рисунок 6-1) представляют собой открытые сосуды, работа которых зависит от гравитационного напора системы. Помимо фильтрующего материала, основными компонентами гравитационного фильтра являются:

• Корпус фильтра из бетона или стали, может быть квадратным, прямоугольным или круглым. Наибольшее распространение получили прямоугольные железобетонные блоки.
• Опорный слой, предотвращающий потерю мелкого песка или антрацита через дренажную систему. Поддерживающий слой, обычно глубиной 1-2 фута, также распределяет воду обратной промывки.
• Система подземного дренажа, обеспечивающая равномерный сбор отфильтрованной воды и равномерное распределение воды обратной промывки. Система может состоять из коллектора и отводов с отверстиями или фильтрами, расположенными на соответствующем расстоянии друг от друга. Ложные днища резервуаров с сетчатыми фильтрами, расположенными на соответствующем расстоянии, также используются для систем с поддоном.
• Желоба для промывочной воды, достаточно большие, чтобы собирать воду обратной промывки без затопления. Желоба расположены так, чтобы горизонтальный ход промывочной воды не превышал 3-3 фута. В обычных установках с песчаным слоем промывочные желоба располагаются примерно на 2 фута выше поверхности фильтра. Должен быть обеспечен достаточный надводный борт, чтобы предотвратить потерю части фильтрующего материала во время работы с максимальными скоростями обратной промывки.
• Устройства управления, максимально повышающие эффективность работы фильтра. Регуляторы расхода, управляемые трубками Вентури в линии сточных вод, автоматически поддерживают равномерную подачу отфильтрованной воды. Также используются регуляторы расхода обратной промывки. Датчики расхода и потери напора необходимы для эффективной работы.

Напорные фильтры обычно используются с умягчителями горячего процесса, чтобы обеспечить работу при высоких температурах и предотвратить потери тепла. Использование напорных фильтров исключает необходимость повторной перекачки отфильтрованной воды. Напорные фильтры аналогичны гравитационным фильтрам в том, что они включают в себя фильтрующий материал, опорный слой, дренажную систему и устройство управления; однако корпус фильтра не имеет желобов для промывочной воды.

Напорные фильтры вертикального или горизонтального исполнения имеют цилиндрические стальные корпуса и выпуклые днища. Вертикальные напорные фильтры (см. рис. 6-2) имеют диаметр от 1 до 10 футов и пропускную способность до 300 галлонов в минуту при скорости фильтрации 3 галлона в минуту/фут². Горизонтальные напорные фильтры, обычно диаметром 8 футов, имеют длину 10-25 футов и пропускную способность от 200 до 600 галлонов в минуту. Эти фильтры разделены на отсеки для индивидуальной обратной промывки. Вода обратной промывки может быть возвращена в осветлитель или умягчитель для восстановления.

Напорные фильтры обычно работают при рабочем расходе 3 галлона в минуту/фут². Двойные или мультимедийные фильтры рассчитаны на 6–8 галлонов в минуту/фут². При температуре окружающей среды рекомендуемая скорость обратной промывки фильтра составляет 6–8 галлонов в минуту/фут² для антрацита и 13–15 галлонов в минуту/фут² для песка. Для антрацитовых фильтров, связанных с умягчителями горячего процесса, требуется скорость обратной промывки 12–15 галлонов в минуту/фут², поскольку при повышенных рабочих температурах плотность воды снижается. Холодную воду нельзя использовать для обратной промывки горячего технологического фильтра. Это вызовет расширение и сжатие металлургической системы, что приведет к усталости металла. Кроме того, насыщенная кислородом холодная вода ускорит коррозию.

Установки с восходящим потоком содержат один фильтрующий материал — обычно песок фракционного состава. Самый мелкий песок находится в верхней части пласта, а самый крупный внизу. Гравий удерживается сетками в фиксированном положении на дне агрегата. Функция гравия заключается в обеспечении надлежащего распределения воды во время рабочего цикла. Другая сетка над градуированным песком предотвращает псевдоожижение среды. Впрыск воздуха во время очистки (обратная промывка не считается, поскольку направление потока такое же, как и при эксплуатации) способствует удалению твердых частиц и изменению классификации фильтрующего материала. Во время работы более крупные грубые твердые частицы удаляются со дна слоя, в то время как более мелкие частицы твердых частиц могут проникать дальше в среду. Типичный рабочий расход составляет 5-10 галлонов в минуту/фут². Пример этого блока показан на рисунке 6-3.

Некоторые производители разработали гравитационные фильтры, которые автоматически промываются при заданной потере напора. Потеря напора (уровень воды над средой) приводит в действие сифон обратной промывки и вытягивает промывочную воду из хранилища вверх через слой и через сифонную трубу в отходы. Низкий уровень в накопительной секции обратной промывки ломает сифон, и фильтр возвращается в строй.

Доступны автоматические гравитационные фильтры диаметром до 15 футов. При оснащении высокопроизводительной многослойной средой один блок большого диаметра может фильтровать до 1,000 галлонов в минуту. Пример показан на рис. 6-4.

Системы фильтров с непрерывной очисткой исключают периоды обратной промывки в автономном режиме за счет непрерывной обратной промывки секций фильтра или частей фильтрующего материала в режиме реального времени. Были представлены различные конструкции. Пример показан на рис. 6-5.

Периодическая промывка фильтров необходима для удаления накопившихся твердых частиц. Недостаточная очистка приводит к образованию постоянных комков, которые постепенно снижают пропускную способность фильтра. Если загрязнение сильное, носитель необходимо очистить химически или заменить.

Для очистки быстродействующих фильтров с нисходящим потоком чистая вода подается обратно вверх и через фильтрующий материал. В обычных самотечных установках вода обратной промывки поднимает твердые частицы со слоя в промывочные желоба и уносит их в отходы. Можно использовать любой из двух методов обратной промывки, в зависимости от конструкции опорной конструкции для среды и доступного дополнительного оборудования:

• Высокоскоростная обратная промывка, расширяющая среду не менее чем на 10 %. Скорость обратной промывки 12-15 галлонов в минуту/фут² или выше является обычной для песка, а скорость для антрацита может варьироваться от 8 до 12 галлонов в минуту/фут².
• Низкоскоростная обратная промывка без видимого расширения слоя в сочетании с продувкой воздухом.

Если для обратной промывки используется только вода, обратной промывке может предшествовать поверхностная промывка. При поверхностной промывке сильные струи воды под высоким давлением из стационарных или вращающихся форсунок помогают разрушить корку на поверхности фильтра. После поверхностной мойки (при наличии возможности для поверхностной мойки) установка промывается обратной промывкой в ​​течение примерно 5-10 мин. После обратной промывки небольшое количество промывочной воды отфильтровывается, и фильтр возвращается в эксплуатацию.

Высокоскоростная обратная промывка может вызвать образование комков грязи внутри фильтрующего слоя. Высокая скорость обратной промывки и обусловленное этим расширение слоя могут создавать случайные потоки, в которых определенные зоны расширенного слоя движутся вверх или вниз. Инкрустированные твердые частицы с поверхности могут быть унесены вниз, образуя грязевые шары. Эффективное мытье поверхности помогает предотвратить это состояние.

Промывка воздухом с малой обратной промывкой может разрушить поверхностную корку, не создавая случайных потоков, если подземная дренажная система рассчитана на равномерное распределение воздуха. Твердые вещества, удаленные из среды, собираются в слое воды между поверхностью среды и промывными каналами. После прекращения подачи воздуха эта грязная вода обычно вымывается за счет увеличения расхода воды обратной промывки или поверхностного дренажа. Расход промывочной воды примерно одинаков при использовании только воды или обратной промывки воздухом/водой.

Поточное осветление представляет собой удаление взвешенных веществ путем добавления поточного коагулянта с последующей быстрой фильтрацией. Этот процесс также называют поточной фильтрацией или контактной фильтрацией. Процесс удаляет взвешенные вещества без использования отстойников. Коагуляция может быть достигнута в процессе осветления одним из двух способов:

• неорганическая соль алюминия или железа, используемая отдельно или с высокомолекулярным полимерным коагулянтом
• сильно катионный органический полиэлектролит

Поскольку гидроксиды металлов образуют осадок, в программах с неорганическими коагулянтами следует использовать только двухслойные фильтры. Частицы хлопьев необходимо обрабатывать в фильтрах с градуированной средой от крупной до мелкой, чтобы предотвратить быстрое засорение фильтра и устранить трудности с обратной промывкой. При использовании полимерного коагулянта с высокой молекулярной массой скорость подачи менее 0.1 ppm обеспечивает максимальное удаление твердых частиц за счет увеличения размера хлопьев и содействия абсорбции частиц фильтром. Этот метод фильтрации легко обеспечивает мутность сточных вод менее 0.5 NTU. Рисунок 6-6.

Второй метод предварительной обработки коагулянтом включает использование одного химического вещества, сильно заряженного катионного полиэлектролита. Эта обработка не приводит к образованию хлопьевидных частиц в осадке, и, как правило, хлопьевидные хлопья не видны на входе фильтра. Твердые частицы удаляются внутри слоя путем адсорбции и флокуляции коллоидных веществ непосредственно на поверхности песка или антрацитовой среды. Этот процесс можно представить как заполнение поверхности фильтрующего слоя положительными зарядами катионов, что приводит к сильному притяжению отрицательно заряженных частиц. Поскольку в этом процессе не образуются осадки желеобразного гидроксида, для осветления полиэлектролитов подходят фильтры с одной средой или фильтры с восходящим потоком.

Поточное осветление обеспечивает отличный способ повысить эффективность удаления твердых частиц из мутных поверхностных вод. Уровень мутности сточных вод менее 1 NTU является обычным для этого метода.

Предварительная фильтрация используется для удаления из воды очень мелких твердых частиц, частиц масла и даже бактерий. Этот метод практичен только для относительно небольших количеств воды, которые содержат низкие концентрации загрязняющих веществ.

Предварительная фильтрация может использоваться после обычных процессов осветления для получения воды с очень низким содержанием взвешенных твердых частиц для конкретных требований применения. Например, предварительные фильтры часто используются для удаления масла из загрязненного конденсата.

При фильтрации с предварительным покрытием среда предварительного покрытия, обычно диатомовая земля, действует как фильтрующая среда и образует осадок на проницаемом основании или перегородке. Основание должно препятствовать прохождению грунтовки, не ограничивая при этом поток фильтрованной воды, и должно выдерживать высокие перепады давления. В качестве основных материалов используются фильтровальные ткани, пористые каменные трубки, пористая бумага, проволочные сетки и проволочные трубки.

Поддерживающий основной материал сначала предварительно покрывают суспензией грунтовки. Дополнительная суспензия (корм для тела) обычно добавляется во время работы фильтра. Когда скопление вещества, удаленного фильтрацией, создает большой перепад давления на фильтре, покрытие фильтра удаляется обратной промывкой. Затем на фильтрующий слой наносят предварительное покрытие и возвращают в эксплуатацию. Химические коагулянты обычно не нужны, но они используются там, где требуется сверхчистый сток.

Эффективность песчаной фильтрационной установки, смешанной с различными набивочными материалами, при очистке сточных вод в Египте.

В попытке улучшить качество сельскохозяйственных стоков в Египте для их повторного использования в ирригации в этом исследовании было использовано недорогое решение, такое как песчаный фильтр, вместе с другими фильтрующими материалами или без них. В результате этого экспериментальная установка песчаного фильтра, смешанного с другими фильтрующими материалами, была испытана на способность улучшать характеристики песка при удалении взвешенных твердых частиц и органических веществ из сельскохозяйственных дренажных вод стока Бельбейс (в провинции Шаркия в Египте). Только песок, песок, смешанный с губкой, песок, смешанный с активированным углем, и песок, смешанный с керамическими цилиндрами, были протестированы для определения наилучшего сочетания наполнителей, оптимального соотношения песка и наполнителя и оптимальной скорости инфильтрации. Работа выполнена в четыре прогона. Было обнаружено, что песок, смешанный с керамическими цилиндрами, давал наилучшую эффективность удаления по отношению к общему химическому потреблению кислорода и химическому потреблению кислорода для раствора, которые составляли 77, 74 % соответственно, тогда как песок, смешанный с губкой, имел наилучшую эффективность удаления по отношению к общему потреблению кислорода. взвешенных веществ – 89%. Кроме того, все протестированные комбинации сред имели качество сточных вод, соответствующее египетскому закону № 48 от 1982 года, касающемуся сброса сточных вод в сельскохозяйственные стоки (химическое потребление кислорода ≤ 80 мг/л, общее содержание взвешенных веществ ≤ 50 мг/л).

Работаете над рукописью?

Введение

В настоящее время Египет почти полностью зависит от вод Нила с долей 55.5 млрд куб. м в год, как указано (Bedawy 2014; MWRI 2005, 2014). С ростом населения Египта на 1.3 миллиона человек каждый год потребность в воде для удовлетворения основных потребностей человека и выращивания сельскохозяйственных культур пропорционально возрастает (Alnaggar 2003; Swain 2008; Bedawy 2014).

Общее водоснабжение составляет 66 млрд кубометров (млрд кубометров), а общая текущая потребность в воде для различных секторов составляет 79.5 млрд кубометров в год. Следовательно, текущая нехватка воды в Египте составляет 13.5 млрд кубометров в год и, как ожидается, будет постоянно увеличиваться. В настоящее время эта нехватка воды компенсируется за счет повторного использования дренажных вод, что, как следствие, ухудшает качество воды (Mohie and Ahmed 2016).

Сельское хозяйство является основным потребителем воды в Египте. Он преимущественно орошается и использует большую часть доступной воды (около 85%) (Мохамед и Хассан, 2007 г.) (MWRI, 2014 г.). Сельскохозяйственное производство является основным фактором экономического роста в Египте, на его долю приходится примерно 20% валового внутреннего продукта (ВВП) страны. Более того, средства к существованию около 55% населения зависят от этого сектора (MWRI 2014).

В настоящее время подавляющее большинство существующих очистных сооружений (ОСОС) в Египте сбрасывают в сельскохозяйственные стоки, так как качество очищенных сточных вод не позволяет сбрасывать их в каналы. Это означает, что очищенная вода (и содержащиеся в ней питательные вещества) теряется для повторного использования в сельском хозяйстве (Rashed et al. 2007).

Очистка сточных вод осуществляется различными методами. Песчаный фильтр является одним из наиболее распространенных методов очистки сточных вод с начала 1800-х годов и считается простым и недорогим вариантом для удаления органических и неорганических твердых частиц. (Онодера и Сьюцубо, 2015 г.), (Брайант и Тетте, 2015 г.).

Основные характеристики, влияющие на эффективность песчаных фильтров, включают характеристики потока сточных вод, скорость загрузки и конструкцию фильтра (Huisman and Wood 1974). Скорость загрузки определяется временем взаимодействия воды с поверхностью, а более высокие скорости загрузки предназначены для сокращения продолжительности фильтрации (Huisman and Wood 1974). Канг и др. (2007) оценили очистку сточных вод в индейке при трех скоростях загрузки: 66, 132 и 264 л м -2 сут -1 ; они обнаружили, что, хотя каждая скорость имеет одинаковую биологическую потребность в кислороде (БПК) и общее удаление органического углерода, две более высокие скорости загрузки начали снижать эффективность на 10 дней в ходе исследования, тогда как самая низкая скорость была на одном уровне на протяжении всего исследования. исследование эффективности очистки непрерывно затопленных проточных (горизонтальных) песчаных фильтров, остающихся после сточных вод только после мощного внедрения способа. Такая архитектура фильтра увеличивает время взаимодействия между отходами и песком внутри фильтра и сохраняет анаэробные условия. Для сравнения, ненасыщенные (вертикальные или проточные) песчаные фильтры вызывают эффект просачивания через ненасыщенные среды в воздухе, что приводит к очень короткому периоду (при прочих равных условиях) контакта и удержания (Sun et al. 2006). Цикл загрузки конструкции ненасыщенного фильтра создает чередующиеся условия насыщения (влажность/обеднение кислородом) и аэрации (сухость) на поверхности песка, что может создать условия, подходящие как для нитрификации, так и для денитрификации (Li et al. 2008; ‏Nurk и др., 2009). Обычно при насыщении грунта все пустоты заполнены водой и влажность численно равна пористости. Содержание влаги в основном влияет на движение раствора вниз. Как правило, более низкое содержание влаги, как в песчаных почвах, обеспечивает большее движение внутри почвенной среды (Ahmed et al. 2018; Sabry et al. 2010a, b). Для обработки загрязненной речной воды в Иране для питья ‏(Dastanaie et al. 2007) использовался горизонтальный гравийный фильтр со скоростью фильтрации 1.8 мч-1, что позволило снизить концентрацию на 90 % для общего содержания взвешенных твердых частиц (TSS), 94 %. на фекальные колиформы и 16% на железо. Эти результаты сопоставимы с результатами Kang et al. (2007), которые очищали сточные воды от производства индейки с помощью вертикальной фильтрации с использованием слоев крупного песка, мелкого песка и гравия. Эти авторы снизили общий органический углерод на 94% и БПК5 на 98% при дозировке 132 л м -2 сут -1 (Kang et al. 2007). Босак и др. (2016) построили рандомизированный полный блочный дизайн с четырьмя повторами (блоками), каждый с шестью фильтрами (всего 24). Каждая повторность содержала все комбинации двух обработок: тип фильтра (насыщенный или ненасыщенный) и скорость загрузки (150, 300 или 600 мл в сутки) (Bosak et al. 1).

В эксперименте по проверке эффективности фильтрующего материала при очистке бытовых сточных вод пластиковый наполнитель, смешанный с песчаным наполнителем, имел самую низкую эффективность удаления загрязняющих веществ, а губчатый наполнитель, смешанный с песчаным наполнителем, имел самую высокую эффективность удаления загрязняющих веществ, а оптимальная глубина фильтрации составила 140 см (Ахмед и др., 2018).

Поэтому основной целью данного исследования является применение повторного использования дренажных вод в сельском хозяйстве путем улучшения их качества за счет очистки сточных вод с помощью малозатратной системы, такой как песчаная фильтрация. Также исследование посвящено эффективности блока фильтрации песка, смешанного с двумя различными набивочными материалами (губкой и активированным углем) при очистке сточных вод, в котором будет проведен анализ переменных параметров, оптимизация конструкции блока и исследование наиболее эффективная конфигурация фильтрующей установки.

Экспериментальная установка подключена к стоку Бильбейс в поселке Адлия. Дренаж Бильбейса – одна из двух ветвей, образующих основной сток Бахр-эль-Бакр, который заканчивается у озера Манзала. Эксперимент проводился с 1 сентября 2018 года по 1 февраля 2019 года.

Материал и методы

Поступающая вода перекачивалась из дренажа Бильбейса в экспериментальную установку.

В этом исследовании оптимальные расчетные параметры для песчаной фильтрации в предыдущих исследованиях были получены путем изучения предыдущих исследований (Sabry et al. 2010a, b), (Onodera and Syutsubo 2015), (Ahmed et al. 2018), где следующие критерии В качестве оптимальной схемы песчаной фильтрации была выбрана: песчаная среда с эффективной крупностью (D10) = 0.8 ~ 1.2 мм, скоростью инфильтрации 4 м 3 /м 2 /сутки и глубиной фильтрации 140 см.

Таким образом, в текущем эксперименте, чтобы оптимизировать эффективность очистки, были протестированы различные соотношения смешивания (и способа смешивания) песка с губкой, а также исследованы дополнительные скорости фильтрации. В этом исследовании был выбран экспериментальный активированный уголь для тестирования и сравнения с губчатой ​​средой при очистке сельскохозяйственных дренажных вод из-за ее более сильных сил притяжения, чем силы, которые удерживали бы загрязнители в воде, а также из-за ее высокой поверхности. площади для адсорбции и его способности удалять широкий спектр загрязнений (Брайант и Тетте, 2015 г.). Кроме того, песок, смешанный с керамическими цилиндрами, как местная доступная среда, был протестирован и сравнен с другими комбинациями сред.

Экспериментальная установка

Для оптимизации конструкции установки и исследования наиболее эффективной конфигурации установки фильтрации были изготовлены три фильтрационные колонны одинакового диаметра и глубины. Блок фильтрации представляет собой три колонны из ПВХ, закрепленные структурной рамой, внутри которых размещена фильтрующая среда, а дренажная вода просачивается через среду вниз с различными скоростями потока и соотношением смешивания сред, как показано на рис. 1.

Колонна песчаной фильтрации (1).

Песок смешанный с губчатой ​​фильтрующей колонной (2).

Песок смешивают с фильтрующей колонной с активированным углем (3).

Перепускной клапан фильтрующей колонны.

Сточные воды при глубине фильтрации 60 см.

Сточные воды при глубине фильтрации 90 см.

Сточные воды при глубине фильтрации 120 см.

Клапаны под слоем гравия для очистки системы и замены среды.

a Экспериментальная установка песочного фильтра, b схематическая диаграмма расположения экспериментальной установки

6-дюймовые трубы из ПВХ были построены вертикально, в них трубы были заполнены 120-сантиметровым песчаным фильтрующим материалом над 20-сантиметровым слоем гравия, чтобы обеспечить фильтрацию на всю глубину песчаного носителя. Во время эксперимента существующий напор дренажной воды над песком поддерживался на уровне 60 см за счет установки переливной трубы на этом уровне для обеспечения непрерывности. Напор дренажной воды над песком не постоянной глубины, так как на 60 см остались остатки столба. Из-за небольшого соотношения пустот в слоях песка песчаная среда создавала глубину воды более 60 см над поверхностью песка (Anggraini 2018). Для стабилизации напора воды над песком на высоте 60 см над слоем песка установлена ​​переливная труба. Также были протестированы различные типы сред, смешанных с песком, чтобы найти оптимальную среду (наиболее надежную среду, которая дает высокую эффективность при ее доступности по низкой цене). Полная конструкция песчаного фильтра показана на рис. (2). Каждая колонка из трех колонок экспериментальной установки заполнялась одним типом фильтрующей среды. Колонка с песчаной средой заполнялась путем послойной подсыпки песка в колонку. Каждый слой уплотнялся перед добавлением следующего слоя до достижения желаемой средней глубины. Колонна со смесью песка и губки была заполнена путем добавления сначала губки до заполнения желаемой глубины фильтрующей среды. Затем насыпали песок, чтобы заполнить щели, окружающие губчатую среду. Колонна с песком и активированным углем заполнялась путем смешивания песка и активированного угля в ранее указанном соотношении, а затем смесь заливалась в колонку. Основной целью третьего запуска является проверка использования керамических цилиндров для повышения эффективности фильтрации и удаления загрязняющих веществ из сточных вод. В этом цикле были проверены три соотношения смешивания керамики и песка. Это в дополнение к контролю, который включает только песок. Протестированные соотношения смешивания: песок/керамические цилиндры (1:0.06), (1:0.14), (1:0.27) по объему (рис. 3).

Медленная фильтрация песка

Медленная песчаная фильтрация является разновидностью централизованной или полуцентрализованной системы очистки воды. Хорошо спроектированный и правильно обслуживаемый медленный песочный фильтр (SSF) эффективно удаляет мутность и патогенные организмы с помощью различных биологических, физических и химических процессов за одну стадию очистки. Только при преобладании значительно высокой степени помутнения или загрязнения водорослями становятся необходимыми меры предварительной обработки (например, отстаивание). Системы медленной песчаной фильтрации отличаются высокой надежностью и относительно низкой стоимостью жизненного цикла. Более того, ни строительство, ни эксплуатация, ни техническое обслуживание не требуют более чем базовых навыков. Следовательно, медленная песчаная фильтрация является многообещающим методом фильтрации для малых и средних сельских населенных пунктов с достаточно хорошим качеством исходного поверхностного источника воды. По заявлению ВОЗ, медленная песчаная фильтрация является простым, но очень эффективным и относительно дешевым инструментом, который может способствовать устойчивой системе управления водными ресурсами.

Очень эффективное удаление бактерий, вирусов, простейших, мути и тяжелых металлов в загрязненной пресной воде

Простота конструкции и высокая совместимость с самопомощью: конструкция, эксплуатация и техническое обслуживание требуют только базовых навыков и знаний и минимальных усилий.

Требуется минимальное качество и постоянный приток пресной воды: мутность (

Необходим очень регулярный уход; некоторое базовое оборудование или готовые тестовые наборы, необходимые для контроля некоторых физических и химических параметров

Возможная потребность в изменении отношения (вера в то, что вода, протекающая через зеленый и слизистый фильтр, безопасна для питья без применения химикатов), химические соединения (например, фтор) не удаляются

Природные органические вещества и другие предшественники ДБФ не удалены (могут образоваться, если для окончательной дезинфекции применяется хлор)

Требование большой площади земли, большого количества фильтрующего материала и ручного труда для очистки, низкая скорость фильтрации

Введение

Медленная песчаная фильтрация была эффективным методом очистки воды для предотвращения распространения желудочно-кишечных заболеваний на протяжении более 150 лет, сначала она использовалась в Великобритании, а затем и в других европейских странах (LOGSDON 2002). SFF до сих пор используются в Лондоне и до недавнего времени были относительно распространены в Западной Европе и до сих пор распространены в других странах мира. Отход от медленной песчаной фильтрации в промышленно развитых странах в значительной степени был вызван ростом цен на землю и затрат на рабочую силу, что привело к увеличению стоимости воды, получаемой из SSF. Там, где это не так, SSF по-прежнему представляют собой экономически эффективный метод очистки воды (WHO ny). Поскольку эти условия преобладают во многих развивающихся странах, это очень перспективный метод очистки воды и, следовательно, развития устойчивой системы водоснабжения.

Масштабная медленная фильтрация песка. Портсмут, 1927 г. Источник: PORTSMOUTH WATER (NY).

Основные принципы проектирования

Обработка

Принцип медленного песочного фильтра. Источник: ВОЗ (штат Нью-Йорк).

Основной принцип процесса очень прост. Загрязненная пресная вода течет через слой песка, где она не только физически фильтруется, но и подвергается биологической очистке. Таким образом удаляются как отложения, так и болезнетворные микроорганизмы. Этот процесс основан на способности организмов удалять болезнетворные микроорганизмы.

В связи с этим важно различать медленную и быструю песчаную фильтрацию. Разница между ними заключается не только в скорости фильтрации, но и в концепции, лежащей в основе процесса очистки. Медленная песчаная фильтрация — это, по сути, биологический процесс, тогда как быстрая песчаная фильтрация — это процесс физической очистки (ВОЗ ny). Чтобы узнать больше о быстрой песчаной фильтрации, ознакомьтесь с информационным бюллетенем: быстрая песчаная фильтрация.

Хотя физическое удаление отложений является важной частью процесса очистки, важным аспектом является биологическая фильтрация. Верхние слои песка становятся биологически активными за счет образования микробного сообщества на верхнем слое песчаного субстрата, также называемого «шмуцдеке». Эти микробы обычно поступают из исходной воды и создают сообщество в течение нескольких дней. Мелкий песок и медленная скорость фильтрации способствуют созданию этого микробного сообщества. Большую часть сообщества составляют бактерии-хищники, питающиеся переносимыми водой микробами, прошедшими через фильтр (WHO ny). Следовательно, основной принцип SSF эквивалентен фильтрации биопеска. В то время как первый применяется для полуцентрализованной очистки воды, последний в основном служит для бытовых нужд.

Структура

Как и сам процесс, базовая структура очень элементарна. По сути, требуется только фильтровальная камера, тип резервуара и трубы. Фильтрующая камера может быть выполнена в виде открытой или закрытой коробки. В зависимости от климатических и других факторов целесообразнее тот или иной вариант (например, холодный климат требует закрытого бокса, так как низкие температуры снижают производительность процесса).

Иллюстрация медленного песчаного фильтра с регулирующим клапаном и последующим резервуаром. Источник: ХУИСМАН (1974).

После того, как объект SSF построен, для периодической замены требуется только чистый песок. Слои песка укладываются постепенно в зависимости от размера их зерен: более крупные зерна внизу и мелкие зерна вверху. Песчаное дно обычно покрыто одним метром надосадочной воды (LOGSDON 2003). Поскольку процесс биологической фильтрации требует достаточного количества времени для достаточной очистки воды, SSF обычно работают с низкой скоростью потока в пределах 0.1–0.3 м 3 /ч на квадратный метр поверхности (WHO ny). Таким образом, вода остается в пространстве над средой в течение нескольких часов, и более крупные частицы могут отделиться и осесть (см. также осаждение). Затем он проходит через песчаный слой, где проходит ряд процессов очистки (HUISMAN 1974).

Вода требует некоторого физического давления, чтобы преодолеть сопротивление, создаваемое слоями песка. С точки зрения конструкции возможны два различных типа. Давление может создаваться либо насосами, либо самотеком. В то время как насосные системы требуют определенного типа двигателя и более сложной конструкции, гравитационные системы работают без каких-либо высокотехнологичных средств (HUISMAN 1974).

Аспекты здоровья

Медленная песчаная фильтрация является чрезвычайно эффективным методом удаления микробного загрязнения и обычно не содержит бактерий-индикаторов на выходе. SSF также эффективны для удаления простейших и вирусов (WHO ny). Если мутность сточных вод ниже 1.0 нефелометрических единиц мутности (NTU), достигается снижение количества бактерий и вирусов на 90–99 % (NDWC 2000). Тем не менее, медленная песчаная фильтрация, как правило, неэффективна для большинства химических веществ (WHO ny). Однако можно утверждать, что химические стандарты для питьевой воды имеют второстепенное значение при водоснабжении, подверженном сильному бактериальному загрязнению (ВОЗ, 1996 г.).