فیلتراسیون بستر دانهای
فیلتراسیون بستر دانهای برای حذف مواد ذرهای از آب پس از فرآیندهای انعقاد و لختهسازی طراحی شده است. این روش یکی از مؤثرترین روشها برای کاهش کدورت و اطمینان از ایمنی آب برای مصرف است.
تاریخچه فیلترهای بستر دانهای به دوران باستان بازمیگردد، زمانی که انسانها به دنبال راههایی برای بهبود کیفیت آب آشامیدنی خود بودند. در زیر به نقاط عطف مهم در توسعه و پیشرفت این نوع فیلترها پرداخته شده است:
۱. دوران باستان
نخستین نشانههای استفاده از فیلترهای بستر دانهای به تمدنهای باستانی، مانند مصر و هند، بازمیگردد. در این دورهها، مردم از شن و ماسه برای تصفیه آب استفاده میکردند. این فیلترهای اولیه معمولاً به صورت ساده طراحی شده بودند و آب از طریق لایهای از شن یا ماسه عبور میکرد تا ذرات معلق و آلودگیها حذف شوند.
۲. قرون وسطی
در دوران قرون وسطی، استفاده از فیلترهای بستر دانهای به تدریج در اروپا رواج یافت. آب تصفیه شده از این فیلترها به عنوان آب پاک برای مصارف آشامیدنی و پخت و پز استفاده میشد. اگرچه فناوری فیلتراسیون در این دوره نسبت به دوران باستان تغییر چندانی نکرد، اما بهبودهایی در طراحی و استفاده از فیلترها مشاهده شد.
۳. قرن هفدهم و هجدهم
در اواخر قرن هجدهم، فیلتراسیون بستر دانهای بهطور گستردهتری مورد استفاده قرار گرفت و فیلترهای شنی به عنوان یکی از ابزارهای اصلی تصفیه آب در شهرهای بزرگ اروپا مانند لندن معرفی شد.
۴. قرن نوزدهم
قرن نوزدهم دوران تحولات بزرگی در فناوری تصفیه آب بود. اولین تصفیهخانه آب عمومی با استفاده از فیلترهای شنی در سال ۱۸۰۴ در پیزلی، اسکاتلند، توسط جان گیب (John Gibb) تأسیس شد. در این تصفیهخانه، آب از طریق لایههایی از شن و ماسه عبور داده میشد تا ذرات معلق و کدورت آن کاهش یابد. این روش به سرعت در سایر نقاط اروپا گسترش یافت و به عنوان یک استاندارد برای تصفیه آب در شهرهای بزرگ پذیرفته شد.
در اواسط قرن نوزدهم، مهندس انگلیسی جیمز سیمپسون (James Simpson) فیلتر شنی آهسته را بهبود داد و اولین تصفیهخانه آب عمومی با استفاده از این فناوری را در لندن راهاندازی کرد. این تصفیهخانه نقش مهمی در کاهش شیوع بیماریهای آبزاد مانند وبا در شهر داشت.
مکانیزمهای فیلتراسیون
جدا سازی فیزیکی: هنگامی که آب از میان بستر فیلتر عبور میکند، ذراتی که بزرگتر از فواصل بین دانههای بستر هستند به صورت فیزیکی جدا شده و روی سطح یا درون بستر فیلتر به دام میافتند.
رهگیری: ذرات زمانی که با دانههای بستر برخورد میکنند و به آنها چسبیدهاند، از جریان آب جدا میشوند.
رسوبگذاری در بستر فیلتر: ذرات ریزتر به ویژه در بخشهای پایینی بستر فیلتر تهنشین میشوند.
جذب: این فرآیند شیمیایی شامل چسبیدن ذرات به سطح دانههای بستر به دلیل نیروهای الکترواستاتیک است که کارایی فیلتراسیون را افزایش میدهد.
فیلتراسیون بیولوژیکی: در برخی از فیلترها، یک لایه زیستی روی دانهها رشد میکند که به تجزیه آلودگیهای آلی و حذف برخی از پاتوژنها کمک میکند. این نوع فیلتراسیون برای حذف ترکیبات آلی خاص و کاهش بو و طعم در آب بسیار مفید است.
انواع بسترها
شن: یکی از متداولترین بسترها، شن است که برای فیلتراسیون انواع مختلف آب بسیار موثر است. اندازه دانه و یکنواختی شن بر عملکرد فیلتر تأثیر میگذارد. این ویژگیها بر روی ظرفیت نگهداری ذرات و زمان مورد نیاز برای شستشوی معکوس (backwash) تاثیر گذار است.
آنتراسیت: آنتراسیت که اغلب در فیلترهای دولایه یا چندلایه ای استفاده میشود، چگالی کمتری نسبت به شن دارد که به طبقهبندی بهتر در بستر فیلتر کمک میکند.
شنریزه: بهطور معمول به عنوان یک لایه پشتیبان زیر بسترهای ریزتر مانند شن یا آنتراسیت استفاده میشود و به توزیع یکنواخت جریان آب در سراسر بستر فیلتر کمک میکند.
گارنت: گارنت گاهی در بسترهای چندرسانهای استفاده میشود و به دلیل چگالی بالای خود، به نگهداری ذرات ریزتر و بهبود کارایی کلی فیلتراسیون کمک میکند.
انواع فیلتر
فیلترهای تکلایه: این فیلترها از یک نوع بستر مانند شن برای حذف ذرات از آب استفاده میکنند. این فیلترها ساده در طراحی و بهرهبرداری هستند اما ممکن است نیاز به شستشوی معکوس مکرر داشته باشند.
فیلترهای دولایه: این فیلترها دو نوع لایه، معمولاً آنتراسیت و شن، را ترکیب میکنند تا کارایی فیلتراسیون را افزایش داده و زمان کارکرد فیلتر را قبل از نیاز به شستشوی معکوس افزایش دهند.
فیلترهای چندلایه: این فیلترها شامل سه یا چند نوع بستر (مثلاً آنتراسیت، شن، و گارنت) هستند تا نرخهای فیلتراسیون بالاتر و عملکرد بهتری را بهویژه برای آبهایی با سطح کدورت متغیر، ارائه دهند.
فیلترهای تحت فشار: این فیلترها تحت فشار کار میکنند و این امکان را میدهند که سرعتهای فیلتراسیون بالاتر و طراحیهای فشردهتر داشته باشند. این فیلترها معمولاً در سیستمهای تصفیه آب کوچک یا مدولار استفاده میشوند.
فیلترهای ثقلی: این فیلترها سیستمهای باز هستند که آب تحت تأثیر جاذبه از میان رسانهها عبور میکند. این فیلترها به طور گسترده در تصفیهخانههای بزرگ شهری استفاده میشوند.
شستشوی معکوس
شستشوی معکوس فرآیند تمیز کردن رسانههای فیلتر است که با برعکس کردن جریان آب از طریق فیلتر، ذرات به دام افتاده را جدا کرده و آنها را از بستر فیلتر شسته و خارج میکند.
آب شستشو: آبی که برای شستشوی معکوس استفاده میشود معمولاً آب تصفیهشده است و حجم و دبی آن باید به اندازه کافی باشد تا بستر فیلتر را گسترش داده و ذرات انباشتهشده را بهطور مؤثر حذف کند.
هوادهی در شستشو: در برخی سیستمها، در طول شستشوی معکوس هوا تزریق میشود تا کارایی تمیز کردن را با شکستن رسانههای فشردهشده و اطمینان از حذف کامل ذرات افزایش دهد.
فراوانی و مدت زمان شستشوی معکوس: فراوانی و مدت زمان شستشوی معکوس به نرخ توسعه افت فشار، نوع رسانه و ویژگیهای آب ورودی بستگی دارد. شستشوی معکوس مناسب برای حفظ عملکرد و طول عمر فیلتر حیاتی است.
Reference: Water Treatment Plant Design (McGraw-Hill Handbooks) by American Water Works Association, American Society of Civil Engineers