Kum filtresi

Kum filtreleri, en yaygın su filtreleri türünden biridir ve su arıtma işleminde bir basamak olarak kullanılır.^[1]

Üç ana tip vardır; hızlı kum filtreleri, yukarı akışlı kum filtreleri ve yavaş kum filtresi. Her üç yöntem de dünya genelinde su endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. İlk ikisi, topaklaştırıcı kimyasalların etkin bir şekilde çalışmasını gerektirirken, yavaş kum filtreleri% 90'dan>% 99'a (suşlara bağlı olarak) patojenlerin uzaklaştırılması, kimyasal yardımlara gerek olmadan tat ve koku ile çok yüksek kalitede su üretebilir. Kum filtreleri, su arıtma tesislerinde kullanılmasının yanı sıra, çoğu insan için mevcut olan materyalleri kullandıklarından, tekil evlerde su arıtma için kullanılabilir.^[2]

Filtre materyalleri antik dönemlerde kullanımda olduğu için ayırma tekniklerinin geçmişi çok geriye uzanıyor. Katı ve sıvı malzemeleri ayıran eleme kaplarını doldurmak için patenler ve genista bitkiler kullanıldı. Mısırlılar ayrıca içme suyunu, şarabı ve diğer sıvıları filtrelemek için gözenekli kil kaplar kullandılar.

Bir kum yatağı filtresi, bir çeşit derinlik filtresidir. Genel olarak, parçacık halindeki katı maddelerin sıvılardan ayrılması için iki tür filtre vardır:

• Partiküllerin geçirgen bir yüzeyde yakalandığı yüzey filtreleri
• Partiküllerin gözenekli bir malzeme gövdesi içinde yakalandığı derinlik filtreleri.
• Ek olarak, çökeltme tankları, kendi kendini temizleyen elek filtreleri, hidrosiklonlar ve santrifüjler gibi katı-sıvı ayrılmasına neden olan pasif ve aktif cihazlar vardır.

Bazıları elyaflı malzeme kullanan, bazıları granüler malzeme kullanan birkaç çeşit derinlik filtresi vardır. Kum yatağı filtreleri, granüler bir gevşek ortam derinlik filtresi için bir örnektir. Genellikle küçük miktarlarda (milyonda <10 parça veya metreküpte <10 g) ince katıların (<100 mikrometre) sulu çözeltilerden ayrılması için kullanılırlar. Ek olarak, genellikle saflaştırmak için kullanılırlar. Bu nedenle kullanımlarının çoğunu sıvı atık (atık su) arıtımında bulurlar.^[3]

Kum yatağı filtreleri, tanecikli katı maddelere bir kum taneciğinin yüzeyinde yakalanması için birçok fırsat sağlayarak çalışır. Akışkan, kıvrımlı bir yol boyunca gözenekli kum içinden akarken, partiküller kum tanelerine yaklaşır. Birkaç mekanizmadan biri tarafından yakalanabilirler:

• Doğrudan çarpışma
• Van der Waals kuvveti veya Londra atışı
• Yüzey yükü çekiciliği
• Difüzyon

Ek olarak, kumun yüzey yükü (Coulomb yasası), partikül katı ile aynı işarete (pozitif veya negatif) sahipse, partikül katılarının yüzey yükü itmesi ile yakalanması önlenebilir. Ayrıca, yatak içindeki daha derin bir derinlikte tekrar yakalanabilmelerine rağmen, yakalanan parçacıkları yerinden çıkarmak mümkündür. Son olarak, halihazırda parçacık halinde katı maddeler ile kirlenmiş olan bir kum tanesi daha çekici hale gelebilir ya da parçacık eklenmiş katı maddeleri püskürtemez.^[4] Bu durum, kum tanesine yapışarak partikülün yüzey yükünü kaybetmesi, ek partiküllere çekici gelmesi veya bunun tersi ve yüzey yükünün kum tanesinden başka partikülleri iten tutması halinde ortaya çıkabilir.

Bazı uygulamalarda, partiküllü katıların yakalanabilmesini sağlamak için bir kum yatağına akan atık suyun ön arıtılması gerekir. Bu, birkaç yöntemden biriyle başarılabilir:

• PH değiştirerek parçacıklar ve kum üzerindeki yüzey yükünün ayarlanması
• Koagülasyon - küçük, yüksek yüklü katyonlar eklenir (alüminyum 3+ veya kalsiyum 2+ genellikle kullanılır)
• Topaklanma - parçacık halindeki katılar arasında (onları daha büyük yapan) ya da parçacık halindeki katılar ve kum arasında bir köprü oluşturan küçük miktarlarda yüklü polimer zincirleri eklenir.

Bunlar yukarı doğru akışkan sıvılarla veya aşağı doğru akışkan sıvılarla çalıştırılabilir, ikincisi daha normaldir. Aşağı doğru akan cihazlar için, akışkan basınç altında veya sadece yerçekimi ile akabilir. Basınçlı kum yatağı filtreleri endüstriyel uygulamalarda kullanılma eğilimindedir ve genellikle hızlı kum yatağı filtreleri olarak adlandırılır. Yerçekimi beslemeli üniteler, özellikle içme suyunun su arıtımında kullanılır ve bu filtreler gelişmekte olan ülkelerde (yavaş kum filtreleri) geniş kullanım alanı bulmuştur.^[5]

Genel olarak, birkaç kum yatağı filtresi kategorisi vardır:

• hızlı (yerçekimi) kum filtreleri
• hızlı (basınçlı) kum yatağı filtreleri
• yukarı akış kum filtreleri
• yavaş kum filtreleri

Çizim, hızlı basınçlı kum filtresinin genel yapısını gösterir. Filtre kumu, odanın çoğunu kaplar. Filtrelenmiş suyun çıkmasını sağlayan nozül zeminde veya drenaj sisteminin tepesinde bulunur. Ön işlem görmüş ham su, filtre odasına üstten girer, filtre ortamından akar ve atık su, alt kısımdaki drenaj sisteminden akar.^[6] Büyük proses tesislerinde ayrıca ham suyu filtreye eşit bir şekilde dağıtmak için uygulanan bir sistem vardır. Ek olarak, hava akışını kontrol eden bir dağıtım sistemi genellikle dahil edilir. Sabit bir hava ve su dağılımına izin verir ve belirli alanlarda çok yüksek su akışını önler. Tipik bir tane dağılımı, sıklıkla geri yıkamaya bağlı olarak ortaya çıkar. Kum tabakasının üst kısmında daha küçük çaplı taneler, alt kısımlarda kaba taneler baskındır.

Bir filtrenin işlevselliğini etkileyen iki işlem olgunlaşma ve yenilenmedir. Yeni bir filtre çalışmasının başlangıcında, filtre etkinliği, ortamdaki yakalanan parçacıkların sayısıyla aynı anda artar. Bu işleme filtre olgunlaşması denir. Filtre olgunlaşması sırasında atık madde kalite kriterlerini karşılamayabilir ve tesisteki önceki adımlarında yeniden enjekte edilmesi gerekir. Rejenerasyon yöntemleri, filtre ortamının tekrar kullanılmasını sağlar.^[7] Filtre yatağından birikmiş katı maddeler uzaklaştırılır. Geri yıkama sırasında, su ve hava filtre sisteminden geriye doğru pompalanır. Geri yıkama suyu, filtre işleminin önünde kısmen yeniden enjekte edilebilir ve üretilen atık suyun atılması gerekir. Geri yıkama süresi, ayarlanmış bir eşiği geçmemesi gereken filtrenin arkasındaki bulanıklık değeri veya belirli bir değeri geçmemesi gereken filtre ortamındaki kafa kaybı ile belirlenir.

Tüm bu yöntemler, dünya genelinde su endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yukarıdaki listedeki ilk üç, etkili bir şekilde çalışmak için topaklayıcı kimyasalların kullanılmasını gerektirir. Yavaş kum filtreleri, kimyasal madde kullanmadan yüksek kaliteli su üretir.^[8]

Topaklanmış suyun hızlı bir yerçekimi kum filtresinden geçirilmesi, topakları ve içindeki tuzak parçacıklarını süzerek bakteri sayısını azaltır ve katı maddelerin çoğunu uzaklaştırır. Filtrenin ortamı çeşitli derecelerde kumdur. Tat ve kokunun bir problem olabileceği durumlarda (organoleptik etkiler), kum filtresi, bu tat ve kokuyu gidermek için bir aktif karbon tabakası içerebilir.^[9]

Kum filtreleri kullanım sırasında bir süre sonra floc ile tıkanır veya biyolojik olarak tıkanırlar, daha sonra geri floğunu alırlar veya flokı çıkarmak için basınçla yıkanırlar. Bu geri yıkama suyu topaklanma tanklarına akıtılır, böylece topak çökelebilir ve daha sonra atık malzeme olarak bertaraf edilir. Süpernatan daha sonra tekrar arıtma işlemine sokulur veya bir atık su akışı olarak atılır. Bazı ülkelerde, çamur toprak düzenleyici olarak kullanılabilir. Yetersiz filtre bakımı, ara sıra içme suyu kontaminasyonuna neden olmuştur.

Kum filtreleri, kanalizasyon işleminde ara sıra son bir parlatma aşaması olarak kullanılır. Bu filtrelerde kum artık askıda kalan malzeme ve bakterileri hapseder ve amonyak ve nitratlar dahil olmak üzere azotlu malzemenin azot gazına bakteriyel ayrışması için fiziksel bir matris sağlar.

Kum filtreleri, filtreleme işlemi (özellikle yavaş kum filtrasyonu ile) kendi saflaştırma fonksiyonlarının birçoğunda birleştiğinden en faydalı arıtma işlemlerinden biridir.^[10]

Su arıtma sürecinde, uygun şekilde muamele edilmezse ciddi sorunlara neden olabilecek bazı faktörlerin bilinmesi gerekir. Filtre olgunlaştırma ve geri yıkama gibi yukarıda belirtilen işlemler sadece su kalitesini değil, aynı zamanda tam işlem için gereken zamanı da etkiler. Geri yıkama da atık suyun hacmini azaltır. Belirli bir miktarda suyun örneğin olarak bir topluluk, bu su kaybı dikkate alınmalıdır. Ek olarak, geri yıkama atığının işlenmesi veya uygun şekilde atılması gerekir.^[11] Kimyasal açıdan bakıldığında, değişen ham su nitelikleri ve sıcaklık etkisindeki değişiklikler, arıtma işleminin etkinliğidir.

Kum filtreleri inşa etmek için kullanılan modellerle ilgili önemli belirsizlik söz konusudur. Bunun nedeni, tüm tahılların küresel olması gibi yapılması gereken matematiksel varsayımlardır. Küresel şekil, boyutun yorumlanmasını etkiler, çünkü küresel ve küresel olmayan taneler için çap farklıdır. Tahılların yatak içindeki dolgusu ayrıca tanelerin şekline de bağlıdır.^[12] Bu daha sonra gözenekliliği ve hidrolik akışı etkiler.