Filters worden, als kernvoorzieningen op het gebied van waterzuivering, veel gebruikt in verschillende rioolwaterzuiveringsinstallaties, industriële afvalwaterzuivering, drinkwaterzuivering en andere scenario's. Bij daadwerkelijk gebruik vertonen filters echter vaak slechte prestaties, zoals een trage filtratiesnelheid, gemakkelijke verstopping van filtermedia, slecht terugspoeleffect, kleine behandelingscapaciteit, onstabiele effluentkwaliteit, en kunnen zelfs leiden tot het niet- naleven van lozingsnormen of secundaire vervuiling. Deze problemen hebben niet alleen invloed op de efficiëntie van de behandeling, maar verhogen ook de bedrijfskosten en de onderhoudsproblemen. Daarom is het noodzakelijk om manieren te onderzoeken om de filterprestaties te verbeteren om de stabiele en efficiënte werking ervan te garanderen. In dit artikel worden manieren besproken om de filterprestaties voor waterbehandelingsprofessionals te verbeteren.
I. Knelpunten van filtermedia met één-laag
Traditionele enkel-zandfilters gebruiken voornamelijk kwartszand als filtermedia, waarbij de deeltjesgrootte is ontworpen om geleidelijk van boven naar beneden toe te nemen (fijn aan de bovenkant, grof aan de onderkant). Oppervlakkig gezien lijkt dit de onzuiverheden laag voor laag te filteren, maar in de praktijk doen zich vaak problemen voor. De vuilopnamecapaciteit van het filter- is een belangrijke prestatiemaatstaf, verwijzend naar de hoeveelheid onzuiverheden die wordt vastgehouden per volume-eenheid filtermedia (eenheid: kg/m³ of g/cm²). Een sterk vuil-vasthoudvermogen betekent dat de filterlaag een belangrijke rol speelt, wat resulteert in een hoge filtratie-efficiëntie, een lange werkcyclus en een grote waterbehandelingscapaciteit. De verdeling van de onzuiverheden die in een enkele laag filtermedia zijn opgevangen, is echter uiterst ongelijkmatig: het oppervlak (de bovenste laag) verzamelt de meeste onzuiverheden, die verder naar beneden afnemen, met vrijwel geen insluiting onder de 30 cm. Hierdoor concentreert het drukverlies (stromingsweerstand) zich voornamelijk in de oppervlaktelaag, wat de filtratiecyclus aanzienlijk verkort en vaak binnen enkele uren tot verstopping leidt. Dit komt omdat de richting van de waterstroom overeenkomt met de toenemende deeltjesgrootte, waardoor onzuiverheden zich snel ophopen in de bovenste laag. Als de deeltjesgrootte wordt gewijzigd om geleidelijk af te nemen in de richting van de waterstroom (van groot naar klein), dat wil zeggen, 'omgekeerde deeltjesgrootte'-filtratie, kunnen de onzuiverheden gelijkmatig worden verdeeld, waardoor de vuilopnamecapaciteit wordt vergroot, het drukverlies wordt verminderd, de werkcyclus wordt verlengd en zelfs de filtratiesnelheid wordt verhoogd.
II. Opwaartse stroomfiltratie
Conventionele filtermedia hebben een fijnere deeltjesgrootte aan de bovenkant en een grovere deeltjesgrootte aan de onderkant, waarbij water van boven naar binnen komt en van onderen naar buiten komt. Opwaartse stromingsfiltratie handhaaft dezelfde deeltjesgrootte, maar keert de richting van de waterstroom om: water komt van onderaf binnen en gaat van boven naar buiten, waardoor een "omgekeerde deeltjesgrootte" -modus ontstaat.
De voordelen van dit ontwerp zijn: uniforme verdeling van onzuiverheden in de filterlaag, verbeterd vermogen om vuil- vast te houden, langzamere toename van de weerstand tegen waterstroming en langere werkcyclus. Het is echter noodzakelijk om de filtratiesnelheid te controleren, omdat hoge filtratiesnelheden kunnen leiden tot uitzetting van de filterlaag, verlies van fijn zand uit de bovenste laag en de kwaliteit van het effluent kunnen beïnvloeden. Daarom moet ter bescherming een gaas of rooster aan de oppervlaktelaag worden toegevoegd. Hoewel deze methode het voordeel heeft van een omgekeerde deeltjesgrootteverdeling, heeft deze te kampen met problemen zoals een beperkte uitzetting van de filterlaag tijdens het terugspoelen, problemen bij het verwijderen van slib en een onvolledige verwijdering van slib doordat de terugspoelwaterstroom in één lijn ligt met de filtratierichting. Deze problemen zijn moeilijk volledig te elimineren en daarom wordt het niet veel gebruikt in de afvalwaterzuiveringspraktijk.
III. Twee-filtratie in twee richtingen
Onvoldoende terugspoeling bij opwaartse stromingsfiltratie leidde tot de ontwikkeling van twee- stromingsfiltratie. Het water stroomt gelijktijdig via de onder- en bovenkant van de filtertank in en vanuit het midden naar buiten. De bovenste filterlaag maakt gebruik van een neerwaartse stroommethode, terwijl de onderste laag een omgekeerde deeltjesgrootteverdeling gebruikt met een opwaartse stroom, zoals weergegeven in het diagram. Het bovenste deel stabiliseert het onderste deel, waardoor overmatige uitzetting van de filterlaag wordt voorkomen. Dit ontwerp kan het vuilvasthoudend vermogen van de filtermedia vergroten- en de filtratiecyclus verlengen. De structuur van de filtertank is echter complex, de bediening is omslachtig en de onderhoudskosten zijn hoog, dus deze wordt in de praktijk zelden gebruikt.
Hoewel de bovenstaande twee methoden beperkingen hebben, tonen ze aan dat het veranderen van de waterstroomrichting en de lay-out van de filtermedia de filterprestaties aanzienlijk kan verbeteren.
IV. Dubbel-filtermedia met twee lagen
Momenteel is het meest populaire type het dubbel-laagse filtermateriaal. De structuur is vergelijkbaar met het model met één-laag, maar de samenstelling van de filterlaag is gewijzigd. De bovenste laag maakt gebruik van lichtgewicht filtermedia met een laag soortelijk gewicht en een grote deeltjesgrootte; de onderste laag maakt gebruik van zware filtermedia met een hoog soortelijk gewicht en een kleine deeltjesgrootte. Tijdens het terugspoelen bevindt het lichtere materiaal zich, vanwege het verschil in soortelijk gewicht, bovenaan en het zwaardere materiaal onderaan, waardoor op natuurlijke wijze een dubbele laag ontstaat.
De deeltjesgrootte van elke laag blijft aan de bovenkant fijner en aan de onderkant grover, maar de gemiddelde deeltjesgrootte van de bovenste laag is groter dan die van de onderste laag, waardoor een totaal omgekeerd deeltjesgrootte-effect wordt bereikt. Uit werkelijke metingen blijkt dat het vuil-vasthoudvermogen van dubbel- filtermedia meer dan twee keer zo groot is als dat van enkel- enkellaags media. Bij dezelfde filtratiesnelheid wordt de filtratiecyclus verlengd; en bij dezelfde filtratiecyclus kan de filtratiesnelheid worden verhoogd. De vergelijkingscurve in de onderstaande afbeelding laat duidelijk zien dat het vuil-vasthoudoppervlak van de dubbel-laagse filtermedia veel groter is dan dat van de enkel-laagse filtermedia, wat aangeeft dat de vuil-vasthoudcapaciteit wordt verdubbeld als de dikte van de filterlaag hetzelfde is. Als de kwaliteit van het influentwater consistent is, is de werkcyclus van de dubbel-filtermedia twee keer zo groot als die van de enkel-laags filtermedia.
Deze technologie wordt zowel nationaal als internationaal veel gebruikt in afvalwaterzuiveringsinstallaties, met aanzienlijke resultaten, en is een praktische manier om de filterprestaties te verbeteren.
V. Meer-laagse filtermedia
Filtermedia met meerdere- lagen verwijzen doorgaans naar drie lagen: een bovenste laag van grote- deeltjes, lichtgewicht materiaal (zoals antraciet), een middelste laag van materiaal met gemiddelde- deeltjes, medium- dichtheid (zoals kwartszand), en een onderste laag van kleine- deeltjes, zwaar materiaal (zoals granaat of korrelig magnetiet). De deeltjesgrootte neemt van boven naar beneden af, waardoor de deeltjesgrootteverdeling volledig wordt omgekeerd.
Dit ontwerp verbetert de vuilopnamecapaciteit van het filtermateriaal aanzienlijk, terwijl het fijne filtermateriaal aan de onderkant zorgt voor een stabiele afvoerkwaliteit. De filtratiesnelheid kan hoger zijn dan bij dubbel-laagfilters. Wanneer de troebelheid van het afvalwater laag is en de waterkwaliteit stabiel is, kan directe filtratie worden uitgevoerd (waarbij het sedimentatieproces wordt geëlimineerd) om primaire zuivering te bereiken. Momenteel worden dubbel-laags- en meer-laagsfilters vaak gebruikt voor directe filtratie. Om ervoor te zorgen dat het effluent voldoet aan de lozings- of hergebruiknormen, kunnen filterhulpmiddelen met hoog-moleculair-gewicht, zoals polyacrylamide of geactiveerde silica, vooraf- worden toegevoegd. Directe filtratie vereenvoudigt het proces en bespaart investeringen. De samenstelling en dikte van de filterlagen moeten worden aangepast aan de afvalwaterkwaliteit en de filtratiesnelheid moet laag zijn, ongeveer 5 m3/uur. Na deze voorbehandelingsprocessen voldoet de effluentkwaliteit doorgaans aan de normen; sommige worden gebruikt voor industrieel hergebruik, sommige voldoen aan de vereisten voor latere behandeling en sommige vereisen een verdere geavanceerde behandeling.
Samenvatting
Van de tekortkomingen van enkel-laagse filtermedia tot de inspiratie van omgekeerde deeltjesfiltratie, en vervolgens tot de evolutie van opwaartse, bidirectionele stroming, dubbel-laags- en meer-laagsfilters: de afvalwaterzuiveringstechnologie ontwikkelt zich richting hoge efficiëntie en een laag verbruik. Deze benaderingen kunnen het vuilvasthoudende vermogen van filtermedia verbeteren, de filtratiecyclus verlengen, de kwaliteit van het afvalwater optimaliseren en bijdragen aan de bescherming van het milieu. In de praktijk zijn dubbel-laags- en meer-laagsfilters het meest praktisch-eenvoudig te bedienen en hoog-rendement. In de toekomst zullen filters, dankzij de vooruitgang in materialen en het geoptimaliseerde ontwerp van de waterdistributie, nog krachtiger worden.
