فیلتراسیون

• مهندسی آب
• آخرین بروزرسانی: 10 شهریور 1395

صاف کردن یا فیلتراسیون یک روش فیزیکی برای حذف ذرات معلق در هر مایع از جمله آب است. این ذرات معلق می توانند گل، رنگ، مواد آلی، پلانکتون، باکتری، ذرات حاصل از سختی گیری و…. باشند. فیلترها را به دو دسته می توان تقسیم نمود:

الف) فیلترهای عمقی: عمل جدا شدن ذرات معلق از مایع در اعماق بستر انجام می شود، مثل فیلترهای ثقلی یا فیلترهای فشاری.

ب) فیلترهای سطحی: عمل جدا شدن ذرات معلق از مایع فقط در عمق بسیار کم که همان سطح فیلتر می باشد، انجام می شود. مثل کاغذ صافی.

از فیلترهای عمقی در تصفیه آب استفاده می شود. آب حاوی ذرات معلق از بستر ذرات یک ماده که می تواند شن و یا ذغال آنتراسیت باشد، عبور نماید. در اثر عبور آب از خلل و فرج بین این ذرات، مواد معلق به دام افتاده و آب تقریباً عاری از مواد معلق، بدست می آید. جمع شدن ذرات معلق در خلل و فرج صافی، باعث افزایش افت فشار (اختلاف سطح آب روی صافی و آب خروجی از صافی) می گردد. اگر این افت فشار از حد معینی تجاوز نماید، باید صافی را شستشو داد. در شروع کار، فیلترها باید به آهستگی با آبی که از پایین به بالا جریان نی یابد، پر شوند تا آنکه ذرات بستر در آب غوطه ور شوند. این کار برای خارج کردن هوای محبوس بین ذرات بستر لازم می باشد تا از انسداد مسیر آب توسط هوا جلوگیری شود.

انواع صافی های ماسه ای

الف) صافی ماسه ای کند (Slow Sand Filter)

ب) صافی ماسه ای تند (Rapid Sand Filter)

صافی ماسه ای می تواند به صورت صافی ثقلی و یا صافی تحت فشار (Pressure Filter) طراحی و ساخته شود. حذف ذرات در صافی ها بر اساس اعمال زیر است:

1. تصفیه مکانیکی: ذرات معلق با ابعاد درشت تر از فواصل دانه های ماسه، گرفته می شوند.
2. ته نشینی و جذب: ذرات کلوئیدی و باکتری ها در فواصل شن ها ته نشین و یا جذب دانه های شن می شوند.
3. تصفیه بیولوژیکی: در سطح روی ماسه یک لایه از عوامل بیولوژیک که اصطلاحاً پوسته صافی یا لایه بیولوژیک نامیده می شود، باعث جذب میکروارگانیسم های مواد آلی موجود در آب شده و آنها را تجزیه می نمایند.

صافی ماسه ای کند (S.S.F)

در واقع استفاده از صافی شنی کند، یکی از عملیات اولیه تصفیه آب در جوامع کوچک می باشد که به عنوان یک روش استاندارد برای خالص کردن آب پذیرفته شده است.

این نوع صافی ها از حوضچه های بتونی تشکیل شده است. در کف آنها مجاری با آجر و سیمان یا لوله های خروجی آب تعبیه گردیده است و بر روی آنها به ترتیب ماسه های لایه نگهدارنده (به ارتفاع ۰/۲ تا ۰/۴ متر) و ماسه های لایه فعال را (به ارتفاع ۰/۶ تا ۱/۲ متر) قرار می دهند. طرز قرار گرفتن بستر به این ترتیب است که شن های درشت تر در پایین و ماسه های ریزتر در بالاترین قسمت قرار می گیرند. آب روی بستر صافی که حدود ۱ تا ۱/۵ متر ارتفاع دارد از عمق بستر صافی به کمک نیروی ثقل عبور و سپس از کف بستر خارج، و جهت گندزدایی هدایت می شود.

در طی روز و تحت تابش خورشید جلبکها در آب رشد کرده و موادی نظیر دی اکسید کربن، نیترات ها، فسفات ها و سایر مواد مغذی را از آب جذب نموده و اکسیژن تولید می کنند. اکسیژن آزاد شده به صورت محلول در آب وارد واکنشهای شیمیایی مختلف شده و سبب تجزیه ناخالصی های آلی می گردد.

یک صافی ماسه ای کند در هر مترمکعب از حجم بستر دارای حدود ۱۵۰۰۰ مترمربع یا حدود ۱/۵ هکتار سطح است و فضاهای خالی بین ماسه ها حدود ۴۰ درصد از حجم بستر را تشکیل می دهند. آب عبوری از بستر حاوی مواد معلق، کلوئیدی، میکروارگانیسم های مختلف و نمک های محلول است که در طی عبور از عمق ۴۰ تا ۶۰ سانتیمتری بستر آنها را به جا می گذارد و آب پس از این عمق حاوی مقادیر کمی نمک های محلول معدنی ساده و نسبتاً بی ضرر است. فعالیت باکتریایی معمولاً تا عمق ۶۰ سانتیمتری بستر گسترش می یابد. در صافی ماسه ای کند نه تنها بیشتر میکروارگانیسم های مضر جدا می شوند، بلکه مواد مغذی محلول که رشد بعدی باکتریها در لجن را سبب می شوند، حذف می گردند. بعد از مدتی کار که بستگی به نوع و درجه آلودگی آب دارد، صافی کثیف شده به طوری که میزان آبدهی آن کم می شود. در این موقع، جریان آب ورودی به بستر را قطع کرده و چند سانتیمتر از ماسه روی آن را (۰/۵ تا ۲ سانتیمتر) جمع آوری می نمایند. ماسه های جمع آوری شده را ممکن است بلافاصله شسته و به صافی برگردانند یا اینکه آن را در جای مناسبی نگهداری کرده با ماسه های جمع آوری شده در دفعات بعدی یکجا به بستر برگردانند.

کاربرد صافی های شنی کند

الف) برای تصفیه آب های حاوی جامدات معلق

ب) برای حذف آهن و منگنز قابل رسوب پس از عمل هوادهی روی آبهای زیرزمینی

ج) تصفیه آب های سطحی با کدورت متوسط (هرچند قادر به تحمل کدورت های ۲۰۰-۱۰۰ mg/L بر حسب SiO_۲ هستند، اما در زمان طولانی، حداکثر قدرت تحمل آبهای با کدورت ۵۰mg/L SiO_۲ را داشته و بهترین زلال سازی را در کدورت ۱۰mg/L SiO_۲ دارند).

مکانیسم های تصفیه در صافی شنی کند

1. مکانیسم های انتقال: برخی فرآیندهای اساسی ذرات را در تماس با دانه های ماسه قرار می دهند. بعضی از این فرآیندها عبارتند از غربال شدن، ته نشینی، نیروهای اینرسی و سانتریفوژ، انتشار یا حرکت شناوری، واندروالس و جذب الکترواستاتیکی.
2. مکانیسم های چسبندگی: از این گروه می توان به مکانیسم های جذب الکترواستاتیک، نیروی واندروالس یا جذب جرمی و چسبندگی یا پیوستگی اشاره نمود.
3. مکانیسم های پالایش: این مکانیسم اساساً شامل اکسیداسیون های بیولوژیکی و شیمیایی می باشد.

شکل ۱ – نمایی از صافی شنی کند

صافی های ماسه ای تند

ساختمان این نوع صافی ها تقریباً مشابه صافی های شنی کند است. بطوری که در کف این نوع صافی ها پستانک هایی نصب می شود (حدود ۵۰ تا ۷۰ عدد در هر مترمربع). طرز قرار گرفتن ماسه ها (لایه نگهدارنده  و فعال) مانند صافی های شنی کند است. ضخامت لایه نگهدارنده ۰/۶-۰/۳ متر و ضخامت لایه فعال ۱/۲-۱ متر در نظر گرفته می شود. آب روی بستر صافی که حدود ۱/۵-۱ متر ارتفاع دارد، از عمق بستر صافی به کمک نیروی ثقل عبور و از کف بستر خارج می شود. بدیهی است به علت درشت تر بودن ماسه های لایه فعال (۰/۵-۰/۳۵ میلیمتر) و نگهدارنده (۲۵-۲ میلیمتر) میزان آب تصفیه شده در هر ساعت بیشتر از صافی های شنی کند است. در صافی های مدرنی که امروز ساخته می شوند بجای لایه نگهدارنده از شن و ماسه درشت و لوله های زهکشی معمولاً از پستانک هایی استفاده می شود. این پستانک ها در کف صافی پیچ می شوند. پستانک ها ممکن است از جنس پلاستیک و یا فلزی باشند. پستانک ها دارای شیارهایی هستند که از آن راه، آب تصفیه شده به قسمت زیر صافی جریان می یابد. به علت کوچکی این شیارها (۰/۳۵-۰/۷ میلیمتر) دانه های ماسه نمی توانند از آن گذر نمایند.

بعد از مدتی کار، سطح صافی ها کثیف و میزان آبدهی کاهش (افت فشار در صافی از ۲ تا ۶ متر ارتفاع آب بیشتر شود) می یابد. در این صورت بایستی به روش شستشوی معکوس اقدام به تمیز کردن آنها نمود. مراحل مختلف شستشوی صافی های ماسه ای تند به قرار زیر است:

1. پس از قطع آب ورودی به بستر صافی، جریان هوای فشرده (۶۰ تا ۹۰ مترمکعب در ساعت برای هر مترمربع از سطح صافی) را از پایین بستر به مدت بین ۲-۱ دقیقه وارد می نمایند تا در اثر حرکت دادن دانه های ماسه در داخل آب ذرات چسبیده از آنها جدا شود.
2. به مدت بین ۱۱-۸ دقیقه از همان مجرا علاوه بر هوای فشرده حدود ۲۵-۱۸ مترمکعب آب در ساعت برای هر مترمربع سطح صافی با فشار بین ۱-۰/۵ اتمسفر وارد می کنند تا ذرات شسته شده را به کانال تصفیه آب گل آلود هدایت نماید.
3. در این مرحله هوای فشرده را قطع کرده و جریان آب را ادامه می دهند (معمولاً ۲-۱ دقیقه)، تا هنگامی آب صاف از سرریزهای اطراف جاری شود (در تصفیه خانه های معمولی حدود ۲ تا ۳ درصد از حجم آب تصفیه شده صرف شستشوی فیلترها می شود و معمولاً در ماه های گرم و سرد سال به ترتیب ۲% و ۳% می باشد).

کاربرد صافی ماسه ای تند

الف) پس از هوادهی به منظور جداسازی اشکال نامحلول آهن و منگنز، در این روش معمولاً آب را در بالای صافی از ارتفاع مناسبی پخش می نمایند.

ب) تصفیه آب رودخانه های با کدورت بالا پس از واحدهای انعقاد، لخته سازی و ته نشینی.

ج) تصفیه آب رودخانه های با کدورت بالا به عنوان پیش تصفیه قبل از صافی ماسه ای کند.

د) تصفیه آبهای با کدورت پایین مثل دریاچه ها و رودخانه ها. در این روش گندزدایی بعد از عمل صاف سازی ضروری است.

مکانیسم تصفیه در صافی های شنی تند

در این صافی ها نیز مکانیسم های مختلفی از قبیل غربال شده، ته نشینی، جذب الکترواستاتیک و فرآیندهای شیمیایی در جداسازی ناخالصی ها مؤثر هستند. در مکانیسم اول به دلیل اینکه سرعت عبور آب بسیار زیاد است، چندان در حذف ناخالصی ها مؤثر نیستند و در این صافی ها مؤثرترین مکانیسم جداسازی همان جذب می باشد.

پارامترهای مورد نیاز در صافی شنی کند و تند در جدول ۱ آمده آست.

جدول ۱

 ضریب یکنواختی و اندازه مؤثر

ضریب یکنواختی یا یکسانی (Uniformity Coefficient) اصطلاحی است که برای به دست آوردن آن از نسبت P_۶۰/P_۱۰ استفاده می شود. اندازه مؤثر (Effective Size) درمورد ذرات داخل فیلتر، آن اندازه ای است که ۱۰% وزنی از ذرات داخل فیلتر کوچکتر از آن و ۹۰% وزنی از ذرات بزرگتر از آن باشد. بنابراین اندازه مؤثر، تقریباً حداقل اندازه ذرات داخل فیلتر می باشد. اما اندازه مؤثر حد نهایی درشتی ذرات و نیز میزان گوناگونی قطر ذرات داخل فیلتر را مشخص نمی کند. برای آنکه مطمئن باشیم که میزان گوناگونی اندازه ذرات در محدوده معینی است، از ضریب یکنواختی استفاده می نماییم.

اندازه ای را در نظر بگیرید مثلا (X)، که ۶۰% وزنی از ذرات، کوچکتر از آن (X) و ۴۰% بقیه بزرگتر از آن (X) باشد. اگر این مقدار (X) را بر اندازه مؤثر تقسیم نمایند، ضریب یکنواختی ذرات بدست می آید. روش کار به این صورت است که ۱۰۰ تا ۵۰۰ گرم ماسه را وزن کرده و آن را روی الک های مخصوص و استاندارد می ریزند و حدود ۲۰ دقیقه آن را تکان می دهند، وزن ماسه عبور کرده از هر الک را برحسب درصد وزنی و درصد وزن باقیمانده ماسه بر روی الک را نیز حساب می کنند (اندازه سوراخ های الکها برحسب میلیمتر است). بدین ترتیب روی یک محور مختصات که ستون عمودی آن قطر سوراخهای الک و محور افقی آن درصد ماسه عبور کرده می باشد، یک منحنی حاصل می شود. با استفاده از این منحنی نقاط مربوط به ۱۰% عبور ماسه و ۶۰% عبور ماسه را تعیین می کنند و از تقسیم اعداد مربوط به ۶۰% عبور به ۱۰% عبور ضریب یکنواختی را بدست می آورند.

مثال:

آنالیز غربال کردن نمونه ای از ذرات داخل یک فیلتر نشان دهنده آن است که ۱۰% ذرات کوچکتر از ۰/۴ میلیمتر و ۶۰% ذرات از ۰/۶ میلیمتر است. اندازه مؤثر و ضریب یکنواختی آن را محاسبه نمایید.

راه حل:

اندازه مؤثر برابر است با ۰/۴ میلیمتر

بهترین اندازه مؤثر و ضریب یکنواختی ذرات بستگی به شرایط کار و کیفیت مورد نظر برای آب خروجی از فیلتر دارد. ولی ضریب یکنواختی را نباید بیشتر از ۱/۷۵ در نظر گرفت.

مزایا و محدودیت های صافی شنی (تند و کند)

– کیفیت آب تصفیه شده در صافی شنی کند بهتر از تند است.

(هیچ فرآیند تصفیه ای به تنهایی نمی تواند کیفیت فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آب را به اندازه صافی ماسه ای کند بهبود بخشد).

– در صورت خوب کار کردن، صافی کند قادر به کاهش میکروبها در حدود ۹۹/۹ تا ۹۹/۹۹ درصد است.

– هزینه ساخت صافی های شنی کند بخصوص در جایی که زمین ارزان باشد بسیار کمتر و احداث آن آسانتر از صافی شنی تند است.

– بهره برداری از صافی های کند آسان است و هزینه های بهره برداری آن در مقایسه با صافی شنی تند بسیار پایین است.

– اتلاف آب در سیستم صافی شنی کند بسیار کم است، چون شستشوی مداوم انجام نمی شود؛ در حالی که در صافی های ماسه ای تند به دلیل شستشوی معکوس و مداوم ۲ تا ۳ درصد آب تصفیه شده هدر می رود.

– در صافی های شنی کند نگهداری لجن، آبگیر و دفع آن بسیار آسانتر از صافی ماسه ای تند است و خطر آلودگی محیط زیست ناشی از لجن صافی ماسه ای کند وجود ندارد و می توان به عنوان اصلاح کننده خاک از آن استفاده نمود.

– نیاز به زمین در صافی های شنی کند نسبت به شنی تند بسیار بیشتر است.

– تغییرات ناگهانی در کیفیت آب در کار صافی های شنی کند به طور جدی ایجاد اختلال نمی کند.

– طول عمر صافی های شنی تند بیشتر از صافی های شنی کند است.

– صافی های شنی تند فضای کمتری را نسبت به کند اشغال می کنند

راندمان فیلترها به عوامل مختلفی بستگی دارد که به شرح ذیل عبارتند از:

1. تخلخل بستر فیلتر
2. نسبت عمق بستر فیلتر به اندازه و شکل آن (خواص سطحی ذرات فیلتر)
3. دمای هوا (با افزایش دما، ویسکوزیته آب کاهش می یابد و با کاهش ویسکوزیته دبی جریان بیشتر می شود)
4. کنترل عملکرد فیلتر، دستگاه هایی که برای کنترل عملکرد فیلتر به کار می روند عبارتند از:

• کدورت سنج: حداکثر کدورت مجاز آب خروجی از صافی ها و جهت ورود آن به مرحله گندزدایی با کلر ۲۰NTU توصیه می شود.
• pH سنج
• نمایشگر توزیع افت فشار فیلتر
• طول زمان سرویس دهی فیلتر (فاصله زمانی دو شستشو)، که بستگی به اندازه ذرات بستر و کیفیت آب ورودی به فیلتر دارد.

فیلترهای شنی فشاری

برای کاهش هزینه های ساخت و احداث صافی های تند و روباز، از صافی های تند تحت فشار استفاده می شود. سرعت جریان آب را در صافی به ۸ تا ۱۵ متر در ساعت می رسانند. درنتیجه صافی به قدرت تصفیه ای برابر ۱۹۲ تا ۳۶۰ مترمکعب آب در شبانه روز برای هر مترمربع از سطح صافی می رسد. به علت بالا بودن سرعت تصفیه، عملاً هیچگونه تصفیه زیستی انجام نمی پذیرد.

بدنه این فیلترها استوانه ای شکل و از فولاد ساخته می شود. فشار استاندارد در این فیلترها بین ۷-۳ اتمسفر می باشد. اگر فشار بیش از این حد باشد، پدیده شیارسازی (Channeling) ایجاد می شود. فیلترهای فشاری به صورت افقی و یا عمودی در بازار موجود است، و لیکن فیلترهای عمودی بخاطر آنکه در تمام راستای ارتفاع آنها عمل تصفیه فیزیکی انجام می گیرد، بر فیلترهای افقی ترجیح دارند. قطر فیلترهای عمودی استاندارد از حدود یک تا چهار متر و ارتفاع آنها از حدود یک تا چند متر است. ذرات ریز در بالای فیلتر و ذرات درشت تر در لایه های پایین تر قرار دارند. ضخامت و اندازه لایه های مختلف شن و ماسه یا آنتراسیت در فیلترهای فشاری به ترتیب به شرح ذیل عبارتند از:

1. لایه ۰/۳ متری از ذرات ماسه با اندازه مؤثر ۰/۴۵-۰/۵ میلیمتر
2. لایه ۰/۲۵ متری از ذرات ماسه با اندازه مؤثر ۰/۸-۱/۲ میلیمتر
3. لایه ۰/۱ متری از ذرات ماسه با اندازه مؤثر ۰/۳-۰/۶ سانتیمتر
4. لایه ۰/۲ متری از ذرات ماسه با اندازه مؤثر ۱/۲۵-۲/۵ سانتیمتر
5. لایه ۰/۱ متری از ذرات ماسه با اندازه مؤثر ۲/۵-۳/۸ سانتیمتر

برای شستشوی هر مترمربع از سطح صافی مقدار ۱۵ تا ۲۰ مترمکعب آب و ۶۰ مترمکعب هوا در ساعت لازم است. شکل ۲ صافی تند تحت فشار را نشان می دهد.

شکل ۲ – صافی تند تحت فشار

برابر شکل، قسمت های مختلف صافی به شرح ذیل هستند:

A = ورودی آب خام

B = شیر فلکه خروجی آب شستشو

C = شیر فلکه برای ورود هوا جهت شستشو

D = مجرای انتقال هوای فشرده به قسمت بالای صافی

E = مجرای انتقال آب حاصل از شستشو

F = تشکیلات ورود هوای فشرده برای شستشو

G = خروج آب تصفیه شده

H = ورود آب برای شستشو

J = دریچه آدم رو برای بازدید

K = پستانک ها

L = تاج پستانک ها

M = لایه ماسه فعال

مثال:

یک صافی به طول ۱۲ متر و عرض ۴ متر جریانی به میزان ۷ مترمکعب در دقیقه دریافت می کند. میزان صاف سازی این بستر برحسب لیتر در دقیقه بر مترمربع چقدر است؟

مشخصات منبع مورد استفاده:

[restrict level=1]
نام کتاب: اصول تصفیه و بهداشت آب

مؤلف: مهندس حسن امیربیگی

ناشر: انتشارات اندیشه رفیع

نوبت چاپ: چهارم

تاریخ نشر: ۱۳۸۸

صفحات مورد استفاده: ۱۲۳ تا ۱۳۲ (فصل پنجم)

[/restrict]