Filtri kot temeljne naprave na področju čiščenja vode se pogosto uporabljajo v različnih čistilnih napravah, čiščenju industrijskih odpadnih voda, čiščenju pitne vode in drugih scenarijih. Toda pri dejanski uporabi imajo filtri pogosto slabo delovanje, kot je počasna stopnja filtracije, enostavno zamašitev filtrirnega medija, slab učinek povratnega izpiranja, majhna zmogljivost čiščenja, nestabilna kakovost odplak, in lahko celo povzroči ne-skladnost s standardi izpustov ali sekundarno onesnaženje. Te težave ne vplivajo samo na učinkovitost zdravljenja, ampak tudi povečajo obratovalne stroške in težave pri vzdrževanju. Zato je treba raziskati načine za izboljšanje delovanja filtra, da se zagotovi njegovo stabilno in učinkovito delovanje. Ta članek deli načine za izboljšanje delovanja filtra za strokovnjake za čiščenje vode.
I. Ozka grla eno-plastnih filtrirnih medijev
Tradicionalni enoslojni-peščeni filtri v glavnem uporabljajo kremenčev pesek kot filtrirni medij, katerega velikost delcev se postopoma povečuje od zgoraj navzdol (fini na vrhu, grobi na dnu). Na prvi pogled se zdi, da filtrira nečistoče plast za plastjo, vendar se pri dejanskem delovanju pogosto pojavijo težave. Zmogljivost filtra-za zadrževanje umazanije je ključno merilo učinkovitosti, ki se nanaša na količino nečistoč, zadržanih na prostorninsko enoto filtrskega medija (enota: kg/m³ ali g/cm²). Močna zmogljivost-zadrževanja umazanije pomeni, da ima plast filtra pomembno vlogo, kar ima za posledico visoko učinkovitost filtracije, dolg delovni cikel in veliko zmogljivost čiščenja vode. Vendar pa je porazdelitev nečistoč, ujetih v posamezno plast filtrirnega medija, izjemno neenakomerna: največ nečistoč se nabere na površini (zgornji sloj), nižje pa jih je vse manj, pod 30 cm pa jih skoraj ni. To povzroči, da se izguba višine (upor proti pretoku) koncentrira predvsem v površinski plasti, kar znatno skrajša cikel filtracije in pogosto povzroči zamašitev v nekaj urah. To je zato, ker se smer toka vode ujema z naraščajočo velikostjo delcev, zaradi česar se nečistoče hitro kopičijo v zgornji plasti. Če se velikost delcev spremeni tako, da se postopoma zmanjšuje vzdolž smeri vodnega toka (od velikih k majhnim), tj. filtracija "obrnjene velikosti delcev", se lahko nečistoče enakomerno porazdelijo, kar poveča zmogljivost-zadrževanja umazanije, zmanjša izgubo glave, podaljša delovni cikel in celo poveča hitrost filtracije.
II. Filtriranje navzgor
Običajni filtrirni mediji imajo manjše delce na vrhu in grobejše na dnu, pri čemer voda vstopa od zgoraj in izstopa od spodaj. Filtriranje toka navzgor ohranja enako velikost delcev, vendar obrne smer toka vode: voda vstopa od spodaj in izstopa od zgoraj, kar tvori način "obratne velikosti delcev".
Prednosti te zasnove so: enakomerna porazdelitev nečistoč v filtrirnem sloju, izboljšana zmogljivost-zadrževanja umazanije, počasnejše povečevanje upora pretoka vode in podaljšan delovni cikel. Vendar pa je potrebno nadzorovati stopnjo filtracije, saj lahko visoke stopnje filtracije povzročijo razširitev filtrske plasti, izgubo drobnega peska iz zgornje plasti in vplivajo na kakovost odplak. Zato je treba površinskemu sloju za zaščito dodati mrežo ali mrežo. Čeprav ima ta metoda prednost obratne porazdelitve velikosti delcev, ima težave, kot so omejeno širjenje filtrirne plasti med povratnim izpiranjem, težave pri odstranjevanju blata in nepopolno odstranjevanje blata, ker je pretok vode za povratno izpiranje poravnan s smerjo filtracije. Te težave je težko popolnoma odpraviti, zato se v praksi čiščenja odpadnih voda ne uporablja veliko.
III. Dvo{1}}filtracija pretoka
Nezadostno povratno izpiranje pri filtraciji z navzgornjim tokom je povzročilo razvoj dvo{0}}smerne filtracije s tokom. Voda priteka hkrati z dna in vrha rezervoarja filtra ter ven iz sredine. Zgornji sloj filtra uporablja metodo toka navzdol, medtem ko spodnji sloj uporablja obratno porazdelitev velikosti delcev s tokom navzgor, kot je prikazano na diagramu. Zgornji del stabilizira spodnji del in preprečuje prekomerno širjenje filtrirne plasti. Ta zasnova lahko poveča zmogljivost-zadrževanja umazanije filtrskega medija in podaljša cikel filtriranja. Vendar pa je zgradba filtrskega rezervoarja zapletena, delovanje okorno, stroški vzdrževanja pa visoki, zato se v praksi redko uporablja.
Medtem ko imata zgornji dve metodi omejitve, dokazujeta, da lahko spreminjanje smeri vodnega toka in postavitve filtrskega medija znatno izboljša delovanje filtra.
IV. Dvo{1}}plastni filtrirni mediji
Trenutno je najbolj priljubljena vrsta dvoslojni-filtrirni medij. Njegova struktura je podobna eno-plastnemu modelu, vendar je sestava filtrirne plasti spremenjena. Zgornji sloj uporablja lahke filtrirne medije z nizko specifično težo in veliko velikostjo delcev; spodnji sloj uporablja težke filtrirne medije z visoko specifično težo in majhno velikostjo delcev. Med povratnim izpiranjem je zaradi razlike v specifični teži lažji medij na vrhu, težji medij pa na dnu in naravno tvori dvojno plast.
Velikost delcev vsake plasti ostaja drobnejša na vrhu in bolj groba na dnu, vendar je povprečna velikost delcev zgornje plasti večja od tiste v spodnji plasti, s čimer se doseže celoten učinek obratne velikosti delcev. Dejanske meritve kažejo, da je zmogljivost-zadrževanja umazanije dvo-slojnih filtrirnih medijev več kot dvakrat večja kot eno-plastnih medijev. Pri enaki hitrosti filtracije se cikel filtracije podaljša; in pri istem ciklu filtracije se lahko stopnja filtracije poveča. Primerjalna krivulja na spodnji sliki jasno odraža, da je površina-zadrževanja umazanije dvo-slojnega filtrirnega medija veliko večja kot pri eno-slojnem filtrirnem mediju, kar kaže, da se zmogljivost-zadrževanja umazanije podvoji, ko je debelina filtrirne plasti enaka. Če je kakovost vtočne vode dosledna, je delovni cikel dvo-slojnega filtrirnega medija dvakrat daljši od eno-enoplastnega filtrirnega medija.
Ta tehnologija se pogosto uporablja v čistilnih napravah za odpadne vode tako doma kot v tujini, s pomembnimi rezultati in je praktičen način za izboljšanje delovanja filtra.
V. Več-plastni filtrirni mediji
Več{0}}slojni filtrirni medij se običajno nanaša na tri plasti: zgornja plast iz velikih-delcev, lahkega materiala (kot je antracit), srednja plast iz srednje-delcev, srednje-gostote (kot je kremenčev pesek) in spodnja plast iz majhnih-delcev, težkega materiala (kot je granat ali zrnat magnetit). Velikost delcev se zmanjšuje od zgoraj navzdol, kar popolnoma obrne porazdelitev velikosti delcev.
Ta zasnova znatno izboljša zmogljivost filtrirnega medija-za zadrževanje umazanije, medtem ko fini filtrirni medij na dnu zagotavlja stabilno kakovost odplak. Stopnja filtracije je lahko višja kot pri dvo-plastnih filtrih. Kadar je motnost odpadne vode nizka in je kakovost vode stabilna, lahko izvedemo direktno filtracijo (odstranimo proces sedimentacije), da dosežemo primarno čiščenje. Trenutno se za neposredno filtriranje običajno uporabljajo dvo-slojni in več-plastni filtri. Da bi zagotovili, da odpadna voda ustreza standardom za izpust ali ponovno uporabo, je mogoče predhodno-dodati filtre z visoko-molekularno-težo, kot sta poliakrilamid ali aktivirani silicijev dioksid. Neposredna filtracija poenostavi postopek in prihrani naložbo. Sestava in debelina filtrirnih plasti naj bosta prilagojeni kakovosti odpadne vode, hitrost filtracije pa mora biti nizka, približno 5 m/h. Po teh postopkih predobdelave kakovost odpadne vode na splošno ustreza standardom; nekateri se uporabljajo za ponovno industrijsko uporabo, nekateri izpolnjujejo zahteve za naknadno obdelavo, nekateri pa zahtevajo nadaljnjo napredno obdelavo.
Povzetek
Od pomanjkljivosti eno-slojnih filtrirnih medijev do navdiha pri obratni filtraciji delcev in nato do razvoja filtrov navzgor, dvosmernega toka, dvo-slojnih in več-slojnih filtrov se tehnologija čiščenja odpadne vode razvija proti visoki učinkovitosti in nizki porabi. Ti pristopi lahko izboljšajo-zmožnost zadrževanja umazanije filtrirnih medijev, podaljšajo cikel filtracije, optimizirajo kakovost odplak in prispevajo k varstvu okolja. V praksi so dvo{6}}slojni in več{7}}plastni filtri najbolj praktični-preprosti za uporabo in visok-donos. V prihodnosti bodo z napredkom materialov in optimizirano zasnovo distribucije vode filtri postali še močnejši.