فیلترهای شنی و کربنی در آب و فاضلاب
فیلترهای شنی، همانطور که از نام آنها پیداست، از بسترهای شنی تشکیل یافته‌اند. فیلترهای شنی برای حذف جامدات معلق و ذرات شناور به کار می‌روند. جریان آب یا فاضلاب به صورت عمودی از بستر شنی عبور داده می‌شود. ذرات موجود در داخل سیال، توسط فرآیند جذب حذف می‌گردند.
این فیلترها، همچنین برای حذف آهن و منگنز موجود در آب‌های زیرزمینی استفاده می‌شوند. بعد از یک دوره زمانی مشخص، فیلتر توسط ذرات اشباع شده و نیاز به پاکسازی خواهد داشت. تمیزسازی فیلترها توسط فرآیند شستشوی معکوس (Backwashing) با آب و/یا هوا صورت می‌گیرد.
نکته‌ای که بایستی به آن توجه نمود این است که یک فیلتر شنی قادر به حذف نمک‌های محلول از آب نمی‌باشد و تنها می‌تواند ذرات جامد را (مانند جلبک و مواد آلی) حذف نماید. همچنین، یک فیلتر شنی برای حذف باکتری و ویروس به کار نمی‌رود.
اجزای مختلف فیلترهای شنی به شرح زیر می‌باشد:
- بستر فیلترهای شنی شامل ماسه ریز و درشت می‌باشد. سنگریزه‌ها و شن‌های کوچک نیز در کف فیلتر قرار گرفته و به نگه داشتن بستر فیلتر کمک می‌کنند.
- سنگ‌های کوچک در پایین قرار می‌گیرند و به دنبال آن، سنگریزه‌ها و بستر فیلتر روی لایه بالایی قرار می‌گیرند.
- جهت جریان آب یا فاضلاب از بالا به پایین می‌باشد به طوری که آب خام از بالا وارد بستر فیلتر شد و از پایین آب یا فاضلاب فیلتر شده خارج می‌شود (به شکل زیر توجه نمایید).
فیلترهای شنی به دو دسته تند و کند تقسیم‌بندی می‌شوند. تفاوت اصلی این دو فیلتر در این است که در فیلتر شنی کند، علاوه بر فرآیندهای مکانیکی حذف، به دلیل وجود لایه بیومس در فیلتر، مواد آلی بیولوژیکی نیز حذف می‌گردند. در فیلتر شنی کند، نمی‌توان از فرآیند شستشوی معکوس برای احیای فیلتر استفاده کرد. دلیل این امر، حذف لایه بیومس تشکیل یافته در فیلتر می‌باشد.
تفاوت دیگر آنها، همانطور که از نام شان پیداست، نرخ فیلتراسیون می‌باشد. نرخ فیلتراسیون در فیلتر شنی کند کمتر از فیلتر شنی تند می‌باشد. همچنین بایستی به این نکته نیز اشاره نمود که در فیلتر شنی تند، فیلتراسیون در عمق بستر فیلتر انجام می‌شود، اما در فیلتر شنی کند، عمل فیلتراسیون در سطح بستر (در عمق 2 تا 3 سانتی‌متری= لایه بیولوژیکی تشکیل شده) اتفاق می‌افتد.
فیلتر شنی کند به دلیل داشتن لایه بیولوژیکی، راندمان بالایی در حذف باکتری‌ها و سایر پاتوژن‌ها مانند ژیاردیا و کریپتوسپوریدیوم دارد. در واقع، باکتری‌ها و پروتوزوئرهای موجود در لایه بیولوژیکی این فیلترها، نقش بسزایی در حذف سایر باکتری‌ها و پاتوژن‌ها دارند. بنابراین، به دلیل این راندمان بالای حذف، نیاز به اضافه کردن سایر ترکیبات شیمیایی و مواد گندزدا کاهش می‌یابد.
وجود موادآلی درآب باعث کاهش کیفیت آن شده و بو و طعم آب را تحت تاثیر قرار می دهد. کربن اکتیو موجود در فیلترهای کربنی مواد آلی موجود در آب را حذف کرده و باعث کاهش آلاینده های موجود در آب می شود.
در فیلترهای شنی تند نیز، به منظور افزایش راندمان حذف، فیلتر از دو یا سه بستر ساخته می‌شود. موادی که در ساخت این بسترها استفاده می‌شوند (به جز شن)، شامل آنتراسیت و گارنت می‌باشند. تفاوت این مواد به کار رفته، در دانسیته و اندازه منافذ آنها می‌باشد. هر کدام که دانسیته بالاتری داشته باشند، یا به عبارت دیگر هر کدام که سنگین‌تر باشند، در کف بستر قرار می‌گیرند.
فاکتورهای تاثیرگذار بر کارایی فیلترهای شنی:
- پیش تصفیه: پیش تصفیه فاضلاب قبل از ورود به فیلتر حائز اهمیت است. در حقیقت قبل از این که فاضلاب وارد صافی شود، جامدات معلق آن توسط فرآیندهایی مانند آشغالگیر، سپتیک تانک و تانک هوادهی حذف می‌شود. در غیر این صورت جامدات معلق موجود در فاضلاب منجر به گرفتگی زودهنگام فیلتر خواهند شد.
- بستر فیلتر: خصوصیات بستر فیلتر به کار رفته در فیلترهای شنی نیز، تاثیر بسزایی در راندمان آن دارد. این خصوصیات شامل: اندازه ذرات، ترکیب و یکنواختی بستر فیلتر می‌باشد. به طور ایده‌آل، اندازه ذرات بستر فیلتر یا صافی بین 3/0 تا 3 میلی‌متر می‌باشد. اگر ذرات خیلی درشت باشند، فیلتر قائر به حذف ذرات ریزتر موجود در فاضلاب نخواهد بود. از طرف دیگر، اگر اندازه ذرات خیلی کوچک باشد، مجر به گرفتگی بستر و افزایش هزینه‌ها می‌شود. بنابراین، انتخاب اندازه ذرات می‌تواند نقش مهمی را در راندمان صافی مورد نظر داشته باشد.
- بارگذاری آلی: از دیگر پارامترهای تاثیرگذار بر کارایی فیلتر، میزان بارگذاری آلی ورودی به فیلتر می‌باشد. اگر میزان بارگذاری آلی بیشتر از حد موردنظر باشد، قادر به حذف موثر ناخالصی‌های فاضلاب نخواهد بود.
- شرایط بهره‌برداری: شرایط بهره‌برداری از جمله دما و شرایط آب و هوایی نیز می‌توانند روی راندمان بستر تاثیر بگذارند. به عنوان مثال، در مناطق سردسیر در ایران مانند استان اردبیل، استفاده از فیلترهای روباز با مشکلاتی مانند یخ‌زدگی همراه خواهد بود.
مزایای فیلترهای شنی:
- دارای راندمان بالا در حذف جامدات معلق
- قابلیت اطمینان بالا
- راه‌اندازی آسان
- بهره‌برداری آسان
- طول عمر بالا
- به تعمیر و نگهداری کمی نیاز دارند و از نظر انرژی کارآمد هستند.
معایب فیلترهای شنی:
- فیلترهای روباز پس از استفاده‌های طولانی مدت کثیف شده و راندمان کمتری خواهند داشت و برای محافظت از آنها نیاز به پوشش دارند.
- استفاده از فیلترهای روباز در مناطق سردسیر با مشکلات یخ‌زدگی همراه خواهد بود.
- اگر این بستر ها به صورت مستقل به کار روند (بدون پیش تصفیه) راندمان کمتری خواهند داشت و سریع‌تر گرفته خواهند شد.
- تولید پسابی که نیاز به تصفیه دارد (افزایش هزینه)
- عدم‌توانایی در حذف ویروس‌ها
برای خرید پکیج تصفیه فاضلاب کلیک کنید.
فیلترهای کربنی
فیلترهای کربن مانند همه فیلترهای آب، موانعی هستند که موادی را که آب آشامیدنی را آلوده می‌کنند، را جذب می‌نمایند. مصریان باستان اولین کسانی بودند که قدرت سم زدایی کربن را کشف کردند. کربن هنوز هم امروزه برای حذف آلاینده ها از آب و فاضلاب استفاده می‌شود.
منشا فیلترهای کربنی مواد کربنه مانند ذغال سنگ بیتومینوس، ذغال سنگ نارس و پوسته نارگیل می‌باشد. از بین منابع کربنی که ذکر شد، پوسته نارگیل بیشترین استفاده را داشته و بسیار تجدید پذیر است.
روش ساخت فیلترهای کربنی:
برای تهیه فیلتر، مواد در غیاب اکسیژن تا 1000 درجه سانتی‌گراد گرم می‌شوند تا ناخالصی‌ها از بین بروند. سپس این ماده در معرض بخار 1600 درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد تا کربن را “فعال کند”. درجه حرارت بالا، منجر به تشکیل شکاف ها و منافذ بر روی گرانول‌های کربن شده و آنها را قادر می سازد مقادیر زیادی از مواد شیمیایی و آلاینده‌ها را بر روی خود جذب کنند.
مکانیسم عملکرد فیلترهای کربنی:
فیلترهای کربنی، آلاینده‌ها را از طریق مکانیسم جذب (Adsorption)، حذف می‌نمایند. فیلترهای کربنی همچنین می‌توانند به عنوان یک کاتالیست عمل کرده و برای تغییر ساختارهای شیمیایی بعضی آلاینده‌ها به کار روند. کربن فعال برای حذف کلر، مواد آلی مانند حشره‌کش‌ها، تری‌هالومتان‌ها و ترکیبات آلی فرار، یک گزینه ایده‌آل محسوب می‌شود.
فیلترهای کربن فعال عموماً در فرآیند حذف ترکیبات آلی و/یا استخراج کلر آزاد از آب استفاده می‌شوند و در نتیجه آب را برای تخلیه یا استفاده در فرآیندهای تولیدی مناسب می‌سازند. فیلتر کربن فعال (AC)، مانند هر روش دیگر تصفیه آب، قادر به حذف هر نوع آلودگی ممکن نیست.
به عنوان مثال، سدیم، میکروب‌ها، فلوراید و نیترات‌ها را نمی‌توان با فیلتراسیون AC حذف کرد. حذف سختی آب نیز با فیلترهای AC امکان پذیر نیست. علاوه بر این، فلزات سنگین، مانند سرب، تنها با نوع خاصی از فیلترهای کربن فعال حذف می‌شوند.
فیلترهای کربنی بسیار متخلخل هستند و سطح وسیعی دارند که باعث کاهش طعم و بو و سایر ذرات موجود در آب می‌شوند. منافذ ریز بر حسب میکرون اندازه گیری می‌شوند. هرچه اندازه ذرات بستر فیلتر کوچکتر باشد، راندمان فیلتراسیون بیشتر است. دبی و فشار کم به آلاینده‌ها زمان بیشتری برای چسبیدن به کربن می‌دهد. هر چه زمان تماس آب با سطح فیلتر کربن بیشتر باشد، فیلتراسیون کارآمدتر است.
انواع فیلترهای کربنی:
فیلترهای کربن فعال دانه‌ای (GAC)با اندازه ذرات 5/0 تا 4 میلی‌متر:
این فیلترها از دانه‌های ریز کربن ساخته شده‌اند. فیلترهای GAC معمولاً به عنوان “فیلتر پولیش” در فرآیند تصفیه آب استفاده می‌شوند و در بهبود طعم و بوی آب آشامیدنی بسیار موثر هستند. فیلترهای کربن فعال گرانولی، قابلیت جذب بسیار بالایی دارند و می‌توانند طیف گسترده‌ای از آلاینده‌ها را حذف کنند. فیلترهای GAC اغلب برای حذف VOC ها، آفت‌کش‌ها، نیترات‌ها، سولفید هیدروژن و موارد دیگر استفاده می‌شوند.
تصفیه‌خانه‌های آب شهری از مواد ضدعفونی کننده مانند کلر و کلرامین استفاده می‌کنند که می‌تواند طعم و بوی نامطلوبی در آب آشامیدنی ایجاد کند. فیلترهای GAC قادر به بهبود طعم و بو هستند و بنابراین معمولاً به عنوان یک یا دو مرحله در سیستم اسمز معکوس استفاده می‌شوند.
فیلترهای کربن فعال پودری (PAC):
کربن فعال پودری (PAC) را می‌توان قبل از انعقاد، در طول افزودن مواد شیمیایی، یا در مرحله ته نشینی، قبل از فیلتراسیون شنی اضافه کرد. کربن فعال اضافه شده در مورد اول در طی فرآیند انعقاد و در مورد دوم از طریق فیلتراسیون از آب خارج می شود.
همانطور که از نام آن پیداست، PAC به شکل ذرات است و اندازه ذرات آن معمولا بین 10 تا 100 میکرومتر قطر دارد. یکی از مزایای PAC این است که می‌توان آن را برای دوره‌های کوتاه، زمانی که مشکلاتی به وجود می‌آیند، اعمال کرد، سپس زمانی که نیازی به اضاف کردن آن نباشد، متوقف می‌شود. یک نقطه ضعف PAC این است که در حال حاضر نمی‌توان از آن استفاده مجدد کرد و با لجن تصفیه یا آب شستشوی معکوس دفع می‌شود.
تصفیه با کربن فعال پودری (PACT) یک تکنولوژی تصفیه فاضلاب نیز محسوب می‌شود که در آن کربن فعال پودر شده به یک سیستم تصفیه بی‌هوازی یا هوازی اضافه می‌شود. کربن موجود در فرآیند تصفیه بیولوژیکی، ترکیبات مقاوم را جذب می‌کند که به آسانی قابل تجزیه زیستی نیستند، در نتیجه نیاز شیمیایی به اکسیژن فاضلاب را کاهش داده و سموم را حذف می‌کند.
کربن همچنین به عنوان یک “بافر” در برابر اثرات مواد آلی سمی در فاضلاب عمل می کند. در چنین سیستمی، تصفیه بیولوژیکی و جذب کربن در یک مرحله تصفیه واحد ترکیب می‌شوند. این سیستم در مقایسه با گزینه‌های تصفیه لجن فعال و کربن دانه‌ای کاهش هزینه قابل توجهی را ارائه می‌دهد.
افزودن کربن فعال پودری، سیستم‌های بیولوژیکی را در برابر شوک‌های آلی و هیدرولیکی حفاظت کرده و رنگ و بو را نیز کنترل می‌کند و ممکن است هزینه‌های دفع را کاهش داده و در عین حال مواد آلی محلول را حذف کند.
مزایای فیلترهای کربنی:
- طعم، بو و کاهش کلر موثر
- سطح جذب بسیار بالا
- کاهش خطرات سلامتی
- حفاظت در برابر سایر سیستم‌های فیلتراسیون
معایب فیلترهای کربنی:
- جامدات محلول و سایر ترکیبات معدنی را حذف نمی‌کند
- نیاز به تعویض مکرر فیلتر
راندمان جذب فیلترهای کربنی بستگی به پارامترهای زیر دارد:
جرم مولکولی:
با افزایش جرم مولکولی، کربن فعال به طور موثرتری جذب می‌کند. زیرا مولکول‌ها در آب قابل حل هستند. با این حال، ساختار منافذ کربن باید به اندازه‌ای بزرگ باشد که به مولکول‌ها اجازه مهاجرت به داخل بستر را بدهد.
pH:
اکثر مواد آلی حلالیت کمی دارند و در pH پایین‌تر به راحتی جذب می‌شوند. با افزایش pH، راندمان حذف کاهش می‌یابد. یک قانون کلی این است که برای هر واحد pH بالاتر از حد خنثی (0/7)، اندازه بستر کربن را بیست درصد افزایش می‌دهند.
غلظت آلاینده:
هر چه غلظت آلاینده بیشتر باشد، ظرفیت حذف کربن فعال بیشتر است. احتمال انتشار مولکول آلاینده در منافذ و جذب شدن نیز بیشتر است. البته، غلظت بالاتر آلاینده ممکن است به زمان تماس بیشتری با کربن فعال نیاز داشته باشد.
همچنین، حذف مواد آلی با وجود سختی در آب افزایش می‌یابد، بنابراین در صورت امکان، واحدهای کربن فعال را در بالادست واحدهای حذف یون قرار می‌دهند. این پدیده معمولا رخ می‌دهد زیرا کربن فعال اغلب در بالادست فرآیند تبادل یونی یا غشاها برای حذف کلر استفاده می‌شود.
اندازه ذره:
کربن فعال معمولاً در مش 8 در 30 (بزرگترین)، مش 12 در 40 (متداول ترین) و مش 20 در 50 (بهترین) موجود است. مش ریزتر منجر به سطح تماس بیشتر و حذف بهتر می‌شود، اما به قیمت افت فشار بیشتر.
دبی جریان:
به طور کلی، هرچه سرعت جریان کمتر باشد، آلاینده باید زمان بیشتری برای انتشار در منافذ و جذب داشته باشد. زمان تماس طولانی‌تر معمولا منجر به افزایش جذب توسط کربن فعال می‌شود.
دما:
دمای آب بالاتر، ویسکوزیته محلول را کاهش داده و در نتیجه جذب را افزایش می‌دهد. دماهای بالاتر همچنین می‌تواند پیوند جذب را مختل کرده و جذب را اندکی کاهش دهد. این پدیده، بستگی به ترکیب آلی حذف شده دارد، اما به طور کلی، به نظر می‌رسد دماهای پایین‌تر به جذب سطحی کمک می‌کند.
رطوبت:
رطوبت نسبی عامل مهمی است که می تواند بر کارایی فیلتر تأثیر بگذارد. به طور کلی، رطوبت نسبی همیشه باید زیر 60٪ نگه داشته شود.
زمان ماند:
زمان ماند، زمان مورد نیاز سیال برای عبور از فیلتر است که در طی آن با خود کربن در تماس است. در واقع زمانی است که در طی آن مولکول‌های سیال می‌توانند توسط منافذ کربن قبل از خروج از آن جذب شوند. این زمان باید تا حد امکان طولانی باشد. برای به حداکثر رساندن زمان، ضخامت فیلتر باید به حد کافی زیاد باشد و سرعت عبور سیال نیز باید به حداقل برسد.
سن فیلتر:
به طور معمول، اگر فیلتر قبل از استفاده به درستی ذخیره نشود، با گذشت زمان به دلیل “مسمومیت” زغال چوب با گازهای موجود در جو و همچنین تأثیر رطوبت در محیط، کارایی کمتری خواهد داشت.
بهترین خدمات تصفیه فاضلاب و تصفیه آب را از شرکت آرکا گستر رسام سفارش دهید و از مشاوره ی رایگان بهره ببرید.