La sedimentació i la flotació resolen el problema dels contaminants que "s'enfonsen" i "floten". Però hi ha un altre tipus d'impuresa a l'aigua-sòlids en suspensió, partícules col·loïdals i substàncies dissoltes-que no s'enfonsen ni suren. Què fer?
Aquí és on entra en joc la filtració. En poques paraules, la filtració implica deixar que les aigües residuals flueixin a través d'una capa de medi filtrant, basant-se en la intercepció física, l'adsorció i l'acció química del medi filtrant per atrapar els contaminants residuals.
La filtració és el procés de "gatekeeping" a les unitats de tractament físic i un moment de conca en molts processos de tractament d'aigües residuals, marcant la transició del "pretractament" al "tractament avançat". Molts processos de tractament d'aigües residuals que tenen com a objectiu la reutilització de l'aigua recuperada i els efluents estables i de baixa-terbolesa depenen en gran mesura de la filtració. En aquest article s'expliquen els tres mitjans filtrants més utilitzats-sorra de quars, carbó activat i sorra de manganès-què fan, com utilitzar-los al lloc-i com regenerar-los i mantenir-los quan s'obstrueixen o es saturen.
I. Principis bàsics de la filtració
No penseu en la filtració simplement com a "sorra tamisadora"; en realitat implica diverses funcions que treballen conjuntament.
Intercepció mecànica: les partícules més grans que els buits del medi de filtre s'intercepten directament. Aquest és el mètode de filtració més intuïtiu, però ineficaç per a partícules més petites que els buits.
Impacte inercial: a mesura que l'aigua flueix al voltant de les partícules del medi filtrant, les partícules fines es desvien de les seves línies de corrent a causa de la inèrcia i xoquen amb la superfície del medi filtrant i s'adhereixen. Com més fort sigui el cabal d'aigua, més significatiu serà l'efecte d'intercepció.
Adsorció i adhesió: les interaccions fisicoquímiques (forces de Van der Waals, forces electrostàtiques) a la superfície del medi de filtre adsorbeixen partícules diminutes a la superfície. L'estructura porosa del carbó actiu també proporciona una forta capacitat d'adsorció física. Aquest és un mecanisme clau per filtrar i eliminar les partícules fines i les substàncies dissoltes.
Biofloculació: després de la formació d'un biofilm a la superfície del medi de filtre, els polímers extracel·lulars secretats pels microorganismes poden adherir-se als sòlids en suspensió a l'aigua, alhora que biodegraden part de la matèria orgànica, millorant la qualitat de l'efluent.
Sedimentació: la velocitat del flux d'aigua és extremadament lenta als porus de la capa de filtre i algunes petites partícules s'instal·len a la superfície del medi de filtre a causa de la gravetat.
II. Filtració de sorra de quars: un mètode de pre-filtració que s'utilitza habitualment
La sorra de quars és el medi filtrant més utilitzat. La sorra de quars es caracteritza per una gran duresa, propietats estables, baix cost i àmplia disponibilitat.
Adequat per: Eliminar sòlids en suspensió, terbolesa i algunes partícules col·loïdals de l'aigua. La terbolesa de l'efluent es pot reduir de manera estable per sota d'1 NTU. Es pot utilitzar com a unitat de tractament profund per a efluents de tancs de sedimentació secundari o com a pre-filtre per a filtres de carbó actiu i sistemes de membrana.
Paràmetres de funcionament: la mida efectiva de les partícules que s'utilitza habitualment és de 0,5 ~ 1,2 mm, el gruix del llit de filtre és de 0,7 ~ 1,5 m i la velocitat de filtració és de 5 ~ 10 m/h. Una velocitat de filtració massa alta comporta un ràpid augment de la pèrdua de càrrega i un temps de cicle reduït; una velocitat massa baixa provoca una baixa utilització de l'equip.
Tipus habituals: Dipòsits de filtres a pressió (tancats i pressuritzats, accionats per una bomba) i filtres de gravetat (tipus oberts, que depenen de la diferència de nivell d'aigua per al flux de gravetat).
Punts clau de manteniment: el nucli es renta a contracor. A mesura que augmenta la quantitat de material atrapat, la pèrdua de capçal augmenta i el flux d'efluents disminueix, la qual cosa requereix un rentat a contracor-utilitzant un flux d'aigua invers per dispersar el llit del filtre i eliminar les impureses atrapades. La intensitat del rentat és típicament de 12-15 litres/(m²·s), amb una taxa d'expansió d'aproximadament 25%-45%, amb una durada de 5-10 minuts. S'utilitza aigua neta per al rentat a contracor; pot ser necessari fregar amb aire per millorar l'efecte de rentat. Durant el funcionament, l'alçada del llit del filtre s'ha de revisar periòdicament per detectar una disminució (pèrdua o desgast de sorra). Si la disminució supera el 10%, cal afegir sorra per evitar l'aprimament del llit filtrant i la posterior penetració de sòlids en suspensió a l'efluent.
III. Filtració de carbó activat: un mitjà de filtre de forces especials per a la decoloració i l'eliminació d'olors
El carbó actiu posseeix una gran superfície específica (500-1500 m² per gram) i una estructura microporosa ben desenvolupada, que presenta una capacitat d'adsorció extremadament forta de la matèria orgànica, el color i l'olor.
Adequat per a: Eliminar matèria orgànica dissolta (DQO), color, clor residual i olor de l'aigua. El carbó activat té una capacitat de reducció ràpida del clor lliure i s'utilitza sovint per a la decloració per protegir els sistemes de membranes aigües avall; té un efecte d'eliminació important sobre colorants sintètics, substàncies húmiques i altres substàncies-que desenvolupen color; també té una important capacitat d'adsorció de substàncies-que causen olors com ara tiols i fenols.
Paràmetres de funcionament: els tipus de carbó activat que s'utilitzen habitualment són a base de carbó-i de closca de fruita-. El gruix del llit del filtre és d'1-2 metres, la velocitat de filtració és de 4-10 metres/hora i l'aigua ha de romandre entre els mitjans de filtre durant almenys 6-15 minuts; un temps de contacte insuficient redueix significativament l'eficiència d'adsorció.
Regeneració i substitució: el carbó actiu requereix tractament després de la saturació de l'adsorció. La regeneració tèrmica és el mètode més complet-pirolitzant i gasificant la matèria orgànica adsorbida a 800-900 graus restaura la capacitat d'adsorció, aconseguint una taxa de regeneració del 85%-95%. Aquest mètode implica una inversió i uns costos operatius elevats, adequats per a la regeneració centralitzada en grans sistemes. La regeneració química utilitza àcids, àlcalis o dissolvents orgànics per desorbir l'adsorbat; és senzill d'operar però té una baixa taxa de regeneració (50%-70%) i genera líquids residuals de regeneració que requereixen tractament. En equips de tractament d'aigua a petita escala, substituir directament el carbó actiu saturat per carbó nou és més econòmic; El carboni residual pot ser eliminat per organitzacions professionals o utilitzat com a combustible per a la incineració.
Punts de manteniment: els filtres de carbó actiu també requereixen un rentat periòdic a una intensitat de 10-12 litres/m²·segon per evitar el desgast excessiu de les partícules de carbó actiu. Controlar regularment el DQO o el color de l'efluent. Si es detecten signes de penetració, canvieu ràpidament a un dipòsit de carbó activat de reserva o prepareu-vos per a la regeneració. Els microorganismes creixen fàcilment a la superfície del carbó actiu; per tant, el clor residual a l'afluent s'ha de controlar durant el funcionament i la capa de carboni s'ha de desinfectar regularment si cal.
IV. Filtració de sorra de manganès: específicament per eliminar els ions de ferro i manganès de l'aigua
La sorra de manganès és un medi de filtre especial, compost principalment per diòxid de manganès (MnO₂). No es basa en la intercepció física sinó en l'oxidació catalítica química.
Adequat per: Eliminar específicament ions de ferro i manganès de les aigües subterrànies o aigües residuals industrials. El ferro existeix en forma de Fe²⁺ dissolt, i el manganès en forma de Mn²⁺ dissolt, que no es pot eliminar mitjançant la sedimentació i filtració convencionals. La pel·lícula activa de diòxid de manganès a la superfície del medi de filtre de sorra de manganès oxida catalíticament Fe²⁺ i Mn²⁺, generant precipitats d'hidròxid de Fe³⁺ i Mn⁴⁺, que després són retinguts i eliminats per la capa de filtre.
Paràmetres de funcionament: mida efectiva de partícules de sorra de manganès: 0,6 ~ 2,0 mm; gruix de la capa de filtre: generalment 0,8 ~ 1,2 m. La velocitat de filtració es controla generalment a 5-8 metres per hora; una velocitat massa ràpida donarà lloc a una reacció d'oxidació insuficient, donant lloc a la penetració de ferro i manganès. El pH de l'afluent no ha de ser inferior a 6,5 (la reacció d'oxidació gairebé s'atura per sota del pH 6,0) i l'oxigen dissolt hauria de ser suficient (generalment, cal airejar abans d'entrar al llit del filtre).
Punts de manteniment: durant el procés d'eliminació de ferro i manganès mitjançant un filtre de sorra de manganès, l'hidròxid de ferro (de color vermell{0}}marró) es dipositarà contínuament a la superfície del llit del filtre, per la qual cosa caldrà rentar-lo regularment per eliminar-lo. La intensitat del rentat a contracor sol ser de 15-18 litres/(m²·s), lleugerament superior a la de la sorra de quars, amb la taxa d'expansió controlada al 30%-50%. Després d'un funcionament a llarg termini, la pel·lícula activa a la superfície de la sorra de manganès pot envellir o separar-se, reduint l'eficiència del tractament. La regeneració de la membrana es pot aconseguir afegint periòdicament una petita quantitat de permanganat de potassi, que regenera la membrana activa de MnO₂ sota l'efecte d'oxidació del permanganat de potassi. Si l'efecte encara és insatisfactori després de múltiples regeneracions, cal substituir alguns o tots els mitjans de filtre. Els filtres de sorra de manganès no es poden utilitzar simultàniament amb el clor, el clor danyarà la pel·lícula catalítica activa a la superfície de la sorra de manganès, provocant la pèrdua de la funció d'eliminació de ferro i manganès.
V. -Registre d'operació i manteniment al lloc del sistema de filtració
El contrarentat és necessari quan augmenta la pressió diferencial; no espereu fins que l'efluent estigui ennuvolat abans de començar.
Controleu la intensitat del rentat amb cura; un rentat a contracor insuficient no netejarà correctament, mentre que un rentat a contracor excessiu farà que es perdi el medi de filtre.
Comproveu regularment el gruix del medi de filtre i ompliu-lo ràpidament si cal. A més, comproveu els taps de distribució d'aigua i la capa de suport en funció de l'estat de l'efluent.
Si l'equip s'ha d'apagar durant un període prolongat, mantingueu l'aigua al dipòsit per evitar que el medi de filtre s'agrupi i s'endureixi.
Comproveu el valor de iode del carbó actiu a l'arribada; si és inferior al valor de disseny, l'efecte d'adsorció es reduirà i el carbó actiu s'hauria de rebutjar.