فیلتر شنی شامل یک یا چند لایه از شن یا سیلیس می باشد که آب با عبور از این لایه فیلتر می شود. کاربرد فیلترهای شنی جهت جداسازی ناخالصی های معلق موجود در آب می باشد و معمولا به عنوان اولین مرحله از تصفیه در سیستم های تصفیه آب متعارف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
نحوه عملکرد فیلتر شنی
فیلتر های شنی از طریق پدیده ها و مکانیزم های گوناگونی موجت فیلتراسیون و تصفیه آب می شوند که این فرایندها به شرح زیر می باشند :
غربالگری مکانیکی : ذرات بزرگتر از فضای منافذ بستر صافی به صورت مکانیکی حذف می شوند.
تماس تصادفی : ذرات کوچکتر از فضای منافذ از طریق تماس تصادفی در درون فیلتر شنی به دام می افتند.
ته نشینی : ذرات بر روی بستر موجود در صافی ته نشین می شوند.
گیر افتادن : ذرات سنگین از خطوط جریان (Streamline) تبعیت نمی کنند.
برخورد : ذراتی که در طول خطوط جریان حرکت می کنند، به هنگام تماس با سطح بستر فیلتر شنی حذف می شوند.
چسبندگی : ذرات به موازات عبور از سطح بستر فیلتر به آن میچسبند. به دلیل نیروی آب جاری، مقداری از مواد پیش از اتصال به بستر به طرف پایین فیلتر حرکت می کنند. مقداری مواد ممکن است در کف صافی شکسته شده و منجر به ظهور ناگهانی کدورت در پساب خروجی شود.
لخته سازی : لخته های تشکیل شده از طریق مکانیسم های مختلف حذف می شوند.
جذب شیمیایی پیوند (Bonding) واکنش شیمیایی – جذب فیزیکی نیرو های الکترواستاتیک ، نیروهای الکتروکینتیک و نیروهای واندروالس : به محض اینکه ذره با سطح بستر تماس پیدا کند یکی از مکانیسم های جذب فیزیکی یا شیمیایی یا هر دو ممکن است مسئول نگه داشتن ذره در آنجا شود.
رشد بیولوژیکی : رشد بیولوژیکی در درون فیلتر شنی حجم منافذ را کاهش داده و ممکن است حذف ذرات را با هر یک از مکانیسم های فوق ارتقا دهد.
پارامتر های طراحی فیلتر شنی
ملاحظات هنگام طراحی سیستم فیلتر شنی به شرح زیر می باشد.
شرایط محلی
کیفیت آب خام
انواع فرآیندهای پیش تصفیه
انواع فیلترهای جدید و پیشرفته
انواع سیستم های شستشوی فیلتر
کنترل نرخ فیلتراسیون
انواع بستر فیلترها
توپوگرافی محل
انواع مدیای بستر فیلتر شنی
موادی که به طور معمول به عنوان بستر فیلتر شنی استفاده می شود به شرح زیر می باشد :
شن
ذغال آنتراسیت
گارنت : کانی با فرمول شیمیایی X3Y2(SiO4)3 با وزن مخصوص ۴/۲ – ۳/۶
ایلمنیت : کانی با فرمول شیمیاییFeTiO3 با وزن مخصوص ۴/۶ – ۴/۲)
کربن فعال گرانوله : قابلیت انجام فرآیند فیلتراسیون و جذب معمولا برای حذف بو و رنگ
پارامتر های مربوط به انتخاب جنس بستر فیلتر
اندازه ذرات تشکیل دهنده فیلتر و توزیع آنها : اندازه ذرات روی عملکرد فیلتر شنی و نیاز سیستم به شست و شوی معکوس تاثیر بسزایی دارد. هرچه اندازه ذرات تشکیل دهنده بستر کوچکتر باشد ، عملکرد فیلتر افزایش می یابد. هرچه خلل و فرج بین ذرات کاهش یابد ، میزان افت فشار در سیستم افزایش می یابد. هرچه اندازه ذرات بیشتر باشد اندازه خلل و فرج ها نیز افزایش می یابد در نتیجه میزان افت فشار فیلتر شنی کاهش می یابد.
شکل ذرات
چگالی ذرات
سختی ذرات
میزان تخلخل ذرات
توزیع ذرات : این نوع از بستر معمولا دارای ذراتی دانه درشت در حدود ۰/۵ تا ۶ میلی متر است ( معمولا ۱/۲– ۱/۳ ). عمق این نوع از بستر معمولا ۱/۸ – ۱/۲ متر است ( در بعضی موارد عمق فیلتر به ۲/۴ متر نیز می رسد ). این فیلترها برای شست و شوی معکوس استفاده می شود ( هوا – آب/ هوا ). درجه بندی ذرات بر پایه دو پارامتر زیر توصیف می شود.
اندازه موثر ES : اندازه موثر بستر فیلتر شنی به عنوان اندازه ای تعریف می شود که ۱۰ درصد جرمی ذرات از آن عبور کرده و با d10 نمایش داده می شود.
ضریب یکنواختی UC : ضریب یکنواختی به عنوان نسبت اندازه ۶۰ درصد به اندازه ۱۰ درصد تعریف می شود. UC=d60/d10 میزان شست و شوی معکوس برای یک فیلتر از طریق پارامتر d90 محاسبه می شود که طبق فرمول D90=d10101.67logUC محاسبه می شود.
انواع ضریب یکنواختی در بستر فیلتر شنی به شرح زیر است.
دانه بندی با ضریب یکنواختی پایین Low UC : تخلخل زیاد موجود در این نوع از دانه بندی باعث انتشار هرچه بیشتر اکسیژن در بین ذرات شن می شود.
دانه بندی با ضریب یکنواختی بالا High UC : جای گرفتن ذرات ریز در فضای خالی موجود بین ذرات بزرگتر باعث افزایش میزان گرفتگی در فیلتر می شود.
شستوی معکوس یا بکواش فیلتر شنی
برای تمیز کردن یک بستر فیلتر شنی تند تمیز کردن لایه بالایی کافی نیست. تمیز کردن فیلترهای تند به وسیله بک واش انجام م یشود. این عمل به وسیله هدایت و برگشت جریان بالای آب از میان بستر فیلتر میباشد که در نتیجه آن فیلتر تمیز می شود. تمیز کردن یک فیلتر شنی تند میتواند سریع باشد و برای این کار بیشتر از نیم ساعت زمان نیاز نیست. شستشو را می توان هر چند وقت یک بار و در صورت نیاز هر روز انجام داد. آب مورد نیاز برای شستشو باید از آب فیلتر شده تولید شود.
انواع فیلترهای شنی از نظر فرایند فیلتراسیون
انواع این فیلترها از لحاظ سرعت و نرخ فیلتراسیون شامل فیلتر شنی تند و فیلتر شنی کند می باشد.
انواع فیلترهای شنی از نظر جنس
فیلتر شنی تند به صورت استوانه های تحت فشار طراحی شده و بدنه آن ها عموما از جنس FRP یا فلزی میباشد.
فیلتر شنی کند در ابعاد بزرگتر معمولا از جنس بینی و در ابعاد کوچکتر عموما از جنس فلزی ساخته می شوند.
انواع فیلتر شنی تند
انواع مختلف فیلتر های شنی تند
فیلتر شنی باز ( ثقلی )
فیلتر شنی بسته ( تحت فشار )
فیلترشنی تند یا Rapid Sand Filter یا RSF
داخل ستون ها به وسیله شن سیلیسی و آنتراسیت پر می گردد که معمولا یک لایه از ذرات درشت روی نازل ها جهت جلوگیری از گرفتگی و سپس یک لایه ذرات ریز بر روی آنها و ذرات درشت‌تر در بالا ریخته میشود. آب از قسمت بالای ستون فیلتر شنی وارد شده و پس از گذشتن از بستر شنی فیلتر از قسمت زیرین خارج میگردد.
این موضوع به این دلیل است که شن بسیار سنگین با اندازه دانه مؤثر در محدوده ۰/۴ تا ۱/۲ میلی متر استفاده می شود و میزان فیلتراسیون بسیار بالاتر است و معمولا بین m3/m2.h 10-5 می باشد. با توجه به استفاده از شن درشت ، منافذ بستر فیلتر شنی نسبتا درشت است و ناخالصی های موجود در آب خام ، به عمق بستر فیلتر نفوذ می کنند.
کاربرد فیلتر شنی تند
در تصفیه آب جهت تأمین آب آشامیدنی چندین کاربرد مختلف از فیلتراسیون شنی تند وجود دارد. در تصفیه آب های زیرزمینی برای حذف آهن و منگنز از فیلتراسیون شنی تند استفاده می شود. جهت کمک به فرآیند فیلتراسیون ، هوادهی اغلب به عنوان یک پیش تصفیه برای تشکیل ترکیبات نامحلول آهن و منگنز ، انجام می شود. برای آب های با میزان کدورت پایین ، که اغلب در دریاچه ها و گاهی در رودخانه ها یافت میشود ، فیلتر شنی تند باید قادر باشد آب آشامیدنی تولید کند ، هر چند ممکن است آب هنوز دارای میکروارگانیسم های بیماری زا باشد.
پس از آن، یک تصفیه نهایی مانند کلرزنی جهت حصول آب با سطح باکتریایی مطلوب ، نیاز است. در تصفیه آب رودخانه با کدورت بالا، فیلتراسیون تند میتواند به عنوان یک پیش تصفیه به منظور کاهش بار در فیلترهای شنی آهسته، استفاده شود. هم چنین میتواند در تصفیه آب حاصل از انعقاد ، لخته سازی و رسوب گذاری مورد استفاده قرار گیرد. در چنین مواردی کلرزنی نهایی نیاز می باشد.
مزایای فیلتراسیون شنی تند
شدت جریان حجمی بسیار بیشتری از فیلتر شنی
کند دارد ( در حدود ۱۴۰ تا ۱۹۰ هزار لیتر آب در هر متر مربع در روز )
نیاز به سطح زمین نسبتا کمی دارد.
حساسیت کمتری به تغییرات در کیفیت آب خام ( مثل کدورت ) دارد.
نیاز به شن کمتری نسبت به فیلتر شنی کند دارد.
این فیلترها در حذف ذرات معلق بسیارموثر هستند و برخلاف فیلترهای کند حجم زمین کمی را اشغال میکنند اما هزینه های اجرایی آنها بالا می باشد که این هزینه ها با پیش تصفیه آب قبل از ورود به فیلتر تند بیشتر هم میشود.
معایب فیلتراسیون شنی تند
اندازه منافذ بزرگ، بدون انعقاد و لخته سازی قادر نیست پاتوژن های کوچکتر از ۲۰ میکرومتر را حذف کند.
نیاز به نگهداری بیشتری از یک فیلتر شنی کند دارد. به همین علت، معمولاً به عنوان تکنولوژی مناسب طبقه بندی نمی شود.
در مقابل مشکلات طعم و بو بی اثر است.
حجم زیادی از لجن و فاضلاب که باید دفع شوند را تولید می کند.
تصفیه آب خام با مواد شیمیایی ضروری است.
نیازمند نظارت ماهرانه می باشد.
هزینه تعمیر و نگهداری بالا است.
نرخ فیلتراسیون در فیلتر شنی تند
نرخ فیلتراسیون در این نوع از فیلترها معمولا در حدود m3/m2.h 10-5 در نظر گرفته میشود که این عدد باتوجه به شرایط پروژه قابل تغییر است. در استفاده از این نوع فیلترها عموما به پیش تصفیه ی آب خام ( برای ته نشینی ذرات آب ) نیاز است و معمولا ، آب بعد از عبور از فیلتر شنی ضدعفونی میگردد.
معیارهای طراحی فیلتر شنی تند
مبانی طراحی فیلتر شنی و آنتراسیت تک بستر به شرح زیر است :
معیار های طراحی فیلتر های Dual-Media به شرح زیر است :
معیارهای طراحی فیلترهای Mixed-Media به شرح زیر است :
فیلتر شنی کند یا Slow Sand Filter یا SSF
سرعت فیلتراسیون این نوع فیلترها پایین است. این نوع فیلتر ها به صورت کاملا موثر، باکتری ها ، ویروس ها، پروتوزآ ، کدورت و فلزات سنگین را حذف میکند اما فضای زیادی را اشغال می کنند و کاهش دمای محیط ، به علت آسیب به لایه ی بیولوژیکی ، روی بازده فیلتر شنی کند تاثیر منفی می گذارد.
فیلتر شنی کند ذرات معلق موجود در آب را از طریق عبور از میان یک بستر شنی و یا سایر مواد متخلخل، حذف میکند. فیلتر شنی کند از هر دو مکانیسم کنترل فیزیکی و شیمیایی پاتوژن ها استفاده میکند. این فیلترها شامل حوضچه هایی هستند که در کف آن لوله های مشبک زهکش ، در میانه آن ذرات شنی و در بالای آن آب قرار دارد. آب ضمن عبور از بستر شنی، ذرات معلق و ناخالصی های خود را در بین ذرات شن باقی می گذارد و از لوله های کف حوضچه خارج می شود.
فرآیندهای تصفیه اضافی جهت ورود آب سخت و آب با کدورت غیر معمول و همچنین آب با میزان جامدات محلول بالا مانند سدیم ، نیترات ، نیتریت ، سولفات و فلوراید به فیلتر شنی کند نیاز است. معمولا آب هایی که ممکن است ترکیبات آلی آهنی تولید کنند، باید سطح کربن آلی بیش از ۲ میلی گرم در لیتر داشته باشند و همچنین باید حاوی آمونیاک نیز باشند. آب حاوی کربن آلی TOC بیش از ۵ میلی گرم در لیتر ممکن است باعث مشکلات طعم و رنگ و بو شود. فیلتر شنی کند نمی تواند به طور مؤثری کربن آلی حل شده را حذف کند. جهت ارزیابی کارآیی فیلتراسیون ، تجزیه و تحلیل کیفیت روزانه آب مورد نیاز است.
مزایای فیلتر شنی کند
یک فناوری نسبتا ساده می باشد.
هیچ گونه مواد شیمیایی مضری استفاده نمی شود، در نتیجه هیچ گونه خطری برای گیاهان و محیط زیست وجود ندارد.
هزینه های عملیاتی بسیار کم است.
نظارت فنی کمی مورد نیاز است.
اجرا ، نگهداری و تعمیرات فیلتر شنی کند آسان است بنابراین به تخصص خاصی نیاز ندارد و برای استفاده در مناطق روستایی و مناطق کوچک خارج شهر مناسب است.
قابلیت اطمینان بالا و همچنین هزینه های پایین دارند.
معایب فیلتر شنی کند
فضای زیادی را اشغال می کنند
هزینه نصب فیلتر شنی کند بالا است
بسته به مقدار آبی که باید فیلتر شود، فیلتر کند ممکن است نیازمند فضای زیادی باشد که در نتیجه نیازمند زیرساخت زیادی می باشد.
تخلخل فیلتر در تمام طول بستر ، یکنواخت نیست. اگر تنوع زیادی وجود داشته باشد ، ممکن است عملکرد فیلتراسیون کاهش یابد.