모래필터

Sand filter
수처리용 모래필터

모래 필터는 정수 처리 과정의 한 단계로 사용된다.

급(중력) 모래 필터, 상행(上行) 모래 필터, 저속 모래 필터 등 크게 3가지 유형이 있다. 세 가지 방법 모두 전 세계적으로 물 산업에서 광범위하게 사용되고 있다. 첫 번째 두 가지 방법은 효과적인 작용을 위해 고농축 화학 물질의 사용을 필요로 하는 반면 느린 모래 필터는 화학 원료의 필요 없이 90%에서 >99%까지 병원균을 제거하여 매우 고품질의 물을 생산할 수 있다.[1] 모래 필터는 정수처리 공장에서 사용되는 것 외에도 대부분의 사람들이 사용할 수 있는 재료를 사용하기 때문에 단수 가정에서의 정수용으로 사용될 수 있다.[2]

역사

고대에는 이미 필터 재료가 사용되었기 때문에 분리 기법의 역사는 훨씬 오래 전으로 거슬러 올라간다. 러쉬와 제니스타 식물은 고체 물질과 액체 물질을 분리하는 체를 넣는 그릇을 채우기 위해 사용되었다. 이집트인들은 또한 다공질 점토 그릇을 사용하여 식수, 와인, 그리고 다른 액체를 여과했다.[3]

모래침대 여과 개념

캘리포니아의 한 토마토 농장의 모래 필터

모래침대 필터는 일종의 깊이 필터다. 대체로 미립자 고형분과 유체를 분리하기 위한 필터에는 두 가지 유형이 있다.

  • 투과성 표면에서 미립자를 캡처하는 표면 필터
  • 다공성 물질 내에서 미립자가 포착되는 깊이 필터.[4]

이외에도 정착탱크, 자가세척스크린필터, 하이드로사이클론, 원심분리기 등 고체-액체 분리를 유발하는 수동적이고 능동적인 장치도 있다.[4]

몇 가지 종류의 깊이 필터가 있는데, 어떤 필터는 섬유 소재를 사용하고 다른 필터는 세밀한 소재를 사용한다. 모래침대 필터는 세분화된 느슨한 미디어 깊이 필터의 예다. 그것들은 보통 수용액에서 소량의 미세 고형분(<100마이크로미터당 10ppm 또는 <10g/입방미터당 10g)을 분리하는 데 사용된다.[5]: 302–303 또 고형분을 귀중한 물질로 포획하기보다는 액체를 정화시키는 데 주로 쓰인다. 따라서 그들은 대부분의 용도를 액체 방류물(폐수) 처리에서 찾는다.

미립자 고형분 포획 메커니즘

모래침대 필터는 입자 고형분에 모래알 표면에 포획될 수 있는 많은 기회를 제공함으로써 작동한다. 유체가 고르지 않은 길을 따라 다공성 모래를 통해 흐를 때, 미립자들은 모래 알갱이에 가까워진다. 다음 몇 가지 메커니즘 중 하나에 의해 포획될 수 있다.

또한 모래의 표면전하가 입자고체와 동일한 부호(양극성 또는 음극성)일 경우 표면전하 반발에 의해 입자고형 포획을 방지할 수 있다. 게다가, 비록 그들이 침대 내 더 깊은 곳에서 다시 포획될 수 있지만, 포착된 미립자를 제거하는 것은 가능하다. 마지막으로, 이미 입자 고형분에 오염된 모래 알갱이가 더 매력적이 되거나 첨가된 입자 고형물을 밀어낼 수 있다. 모래 입자에 달라붙어 미립자가 표면 전하를 잃고 추가 입자에 매력적이 되거나 반대편과 표면 전하를 유지하여 모래 입자로부터 추가 입자를 제거하면 이러한 현상이 발생할 수 있다.

일부 용도에서는 모래 침대로 유입되는 유출물을 미리 처리하여 미립자 고형물이 포획될 수 있도록 해야 한다. 이는 다음 몇 가지 방법 중 하나로 달성할 수 있다.

  • pH를 변경하여 입자 및 모래 표면 전하 조정
  • 응고 – 작고 충전된 양이온 추가(보통 알루미늄 3+ 또는 칼슘 2+가 사용됨)
  • 응고 – 미립자 고형물 사이 또는 미립자 고형물과 모래 사이에 브리지를 형성하는 소량의 충전 폴리머 체인을 추가한다.

운영 체제

위쪽으로 흐르는 유체 또는 아래쪽으로 흐르는 유체로 작동될 수 있으며, 후자가 훨씬 더 일반적이다. 아래로 흐르는 장치의 경우 유체는 압력 또는 중력에 의해서만 흐를 수 있다. 압력 모래 침대 필터는 산업용 애플리케이션에 사용되는 경향이 있으며 종종 급속 모래 침대 필터라고 불린다. 중력 공급 장치는 특히 식수에 사용되며, 이러한 필터는 개발도상국에서 광범위하게 사용된다는 것을 발견했다.

전체적으로 모래 침대 필터에는 다음과 같은 몇 가지 범주가 있다.

  • 급속(긴장) 모래 필터
  • 급속(압력) 모래 침대 필터
  • 모래 필터에 바람을 넣다
  • 느린 모래 필터

그 스케치는 급속 압력 모래 필터의 일반적인 구조를 보여준다. 여과용 모래는 실내의 대부분의 공간을 차지한다. 노즐 바닥이나 여과된 물이 빠져나갈 수 있는 배수 시스템 상단에 위치한다. 미리 처리된 생수는 상부의 여과실로 들어가 여과기를 통해 흘러가고 하부의 배수계통을 통해 유출수가 나온다. 대형 공정 공장도 원수를 필터에 고르게 분배하는 시스템을 갖추고 있다. 또한, 공기 흐름을 제어하는 분배 시스템이 일반적으로 포함되어 있다. 공기와 물의 분배를 일정하게 하고 특정 지역에서 너무 높은 물의 흐름을 방지한다. 백워싱이 잦아 전형적인 곡물 분포가 빠져나간다. 모래층 윗부분은 직경이 작은 알갱이가 우세한 반면 아랫부분은 굵은 알갱이가 우세한 편이다.

필터의 기능에 영향을 미치는 두 가지 프로세스는 숙성 및 재생이다.
새 필터 실행이 시작될 때, 필터 효율은 매체에서 캡처된 입자의 수와 동시에 증가한다. 이 과정을 필터 숙성이라고 한다. 필터가 숙성되는 동안 배출물은 품질 기준을 충족하지 못할 수 있으므로 공장의 이전 단계에서 재주입해야 한다.[6] 재생 방법을 사용하면 필터 매체를 재사용할 수 있다. 필터베드에서 축적된 고형물이 제거된다.[6] 역세척 중에는 필터 시스템을 통해 물(및 공기)을 거꾸로 펌프한다. 역세척수는 필터 공정 앞에서 부분적으로 재주입될 수 있으므로 생성된 오수는 폐기해야 한다. 역 세척 시간은 설정된 임계값을 초과해서는 안 되는 필터 뒤쪽의 탁도 값이나 필터 매체에 걸친 머리 손실로 결정되며, 이 값 역시 일정 값을 초과해서는 안 된다.

빠른 압력 모래침대 필터 설계

급압필터 1=원수, 2=필터수, 3=탱크, 4=유출수, 5=유출수, 6=수축선, 7=배출공기, 8=인젝터, 9=보조층, 10=필터모래, 11=홍수 깔때기, 12=환기

모래 알갱이가 작을수록 표면적이 많아져 유입수의 오염도가 높아지지만 침대를 통해 액체를 구동시키려면 더 많은 펌핑 에너지가 필요하다. 단점은 대부분의 급속 압력 모래 침대 필터는 0.6~1.2 mm 범위의 곡물을 사용한다는 것이다. 단, 전문 용도의 경우 다른 크기를 지정할 수 있다. 사료 입자(>100마이크로미터)가 크면 침대의 모공을 막아 빠르게 블라인드를 만드는 표면 필터로 변하기 쉽다. 이 문제를 극복하기 위해 더 큰 모래 알갱이를 사용할 수 있지만, 만약 사료가 상당량의 큰 고형물이 있다면, 정착과 같은 과정을 통해 모래 침대 필터의 상류에서 제거해야 한다.[5]: 302–303

모래 침대의 깊이는 적용에 관계없이 약 0.6–1.8m(2–6ft)가 되도록 권장한다. 이것은 아래에서 논의된 최대 처리량과 연결되어 있다.[5]: 302–303

급속 모래 침대 필터 설계에 대한 지침은 최대 유량 시속 9m3/m2(220미국 gal2/ft/hr)로 작동해야함을 시사한다.[7] 필요한 처리량과 최대 유량을 이용하여 침대의 필요한 면적을 계산할 수 있다.

최종 설계 포인트는 유체가 침대 전체에 적절하게 분포되어 있는지, 모래를 씻어내고 필터를 손상시킬 수 있는 선호하는 유체 경로가 없는지 확인하는 것이다.

급속 압력 모래 침대 필터는 일반적으로 2 ~ 5 bar(a)(28 ~ 70 psi(a))의 공급 압력으로 작동된다. 깨끗한 모래밭을 가로지르는 압력강하는 보통 매우 낮다. 그것은 침대 위에 입자 고형물이 잡히면서 만들어진다. 입자 고형물은 깊이와 함께 균일하게 포획되지 않으며, 더 많은 것이 농도 구배가 기하급수적으로 부패하는 침대와 함께 더 높은 곳에서 포획된다.[5]: 302–303

이 필터 유형은 입자를 매우 작은 크기로 캡처할 것이며 입자가 항상 통과할 수 있는 아래 진정한 컷오프 크기를 가지고 있지 않다. 필터 입자 크기 효율성 곡선의 모양은 입자 포획률이 높은 U자형으로, 중간 크기의 입자에 중간 크기의 입자를 딥인 입자가 있다.[7]

입자 고형물이 쌓이면 주어진 유량에서 침대 전체에서 손실되는 압력이 증가한다. 사용 가능한 압력이 일정할 때 중력 공급 침대의 경우 유량이 감소한다. 압력 손실이나 흐름을 받아들일 수 없고 필터가 더 이상 효과적으로 작동하지 않을 때 침대를 역세척하여 누적된 입자를 제거한다. 가압된 급속 모래 침대 필터의 경우 압력 강하가 0.5bar 정도일 때 이러한 현상이 발생한다. 백워시 액은 침대를 통해 유동화 될 때까지 거꾸로 펌핑되어 최대 30%까지 팽창한다(모래 알갱이가 섞이기 시작하고 함께 문지르면서 입자 고형분을 쫓아낸다). 더 작은 입자 고형물은 역세척액으로 씻어내고 보통 정착 탱크에 포획된다. 침대를 유동화하는 데 필요한 유체 흐름은 일반적으로 3~10m3/m2/hr이지만 장시간(몇 분) 작동되지 않는다.[5]: 224–235 백워싱 과정에서 소량의 모래가 손실될 수 있으며 주기적으로 침대를 보충해야 할 수 있다.

느린 모래 필터 설계

제목에서 알 수 있듯이 느린 모래 필터에서 여과속 속도가 바뀌지만 느린 모래 필터와 빠른 모래 필터의 가장 큰 차이점은 미생물 집단이 시스템에 유입되면서 모래 윗층이 생물학적으로 활발하다는 것이다. 필터의 권장 및 일반적인 깊이는 0.9~1.5m이다. 미생물층은 수술 시작 후 10~20일 이내에 형성된다. 여과 과정 중에 원수는 다공성 모래매체를 통해 스며들어 지아디아, 크립토스포리듐과 같은 유기물질, 박테리아, 바이러스, 낭종 등을 멈추고 가두어 놓을 수 있다. 느린 모래 필터의 재생 절차를 스크래핑이라고 하며 필터의 건조된 입자를 기계적으로 제거하는 데 사용한다. 그러나 이 과정은 개별 시스템에 따라 물밑에서도 할 수 있다. 처리 중인 물의 또 다른 제한 인자는 탁도인데, 이것은 10 NTU(Nepherhelometric Paultity Unit)로 정의되는 느린 모래 필터에 해당한다. 느린 모래 필터는 여과가 화학물질을 전혀 사용하지 않고 기계적인 도움을 거의 또는 전혀 필요로 하지 않기 때문에 제한된 예산 운용에 좋은 옵션이다. 그러나, 지역사회의 지속적인 인구 증가 때문에, 주로 가동 기간 길이에 의해 급속한 모래 필터로 느린 모래 필터가 대체되고 있다.

빠르고 느린 모래 필터의[6] 특성

특성. 래피드 샌드 필터 슬로우 모래 필터
여과율 [m/h] 5–15 0.08–0.25
미디어 유효 크기 [mm] 0.5–1.2 0.15–0.30
침대 깊이[m] 0.6–1.9 0.9–1.5
런 길이 1~4일 1~6개월
숙성기 15분 – 2시간 며칠
재생법 백워싱 스크래핑
최대 원수 탁도 적절한 전처리 기능으로 무제한 제공 10 NTU

혼합 침대 필터

필터는 혼합 침대 필터라고 불리는 다른 층으로 구성될 수 있다. 모래는 일반적인 필터 소재지만 무연탄, 미세 활성탄(GAC), 가넷, 일메나이트 등도 일반적인 필터 소재다. 무연탄은 단단한 물질이고 다른 석탄에 비해 휘발성이 적다. 일메나이트와 가넷은 모래에 비해 무겁다. 가넷은 여러 광물로 이루어져 있으며, 빨간색을 변화시킨다. 일메나이트는 철과 티타늄의 산화물이다. GAC는 흡착과 여과 과정에서 동시에 사용될 수 있다. 이러한 재료는 단독으로 사용하거나 다른 매체와 결합하여 사용할 수 있다. 조합이 다르면 필터 구분이 달라진다. 모노메디아는 일반적으로 모래로 구성되는 하나의 레이어드 필터로 오늘날에는 새로운 기술로 대체되고 있다. 딥 베드 모노메디아는 무연탄 또는 GAC로 구성된 한 겹의 필터다. 딥 베드 모노메디아 필터는 수질이 일정할 때 사용하며 이는 가동 시간을 더 길게 해준다. 이중 매체(두 겹)는 종종 하단에 무연탄 또는 GAC 층이 있는 모래 층을 포함하고 있다. 트리메디아나 혼합 미디어는 세 개의 레이어가 있는 필터다. 트리미디아는 종종 아래층에 가넷이나 일메나이트가 있고, 중간에는 모래가 있고, 위쪽에는 무연탄이 있다.

수처리 시 사용

이 모든 방법은 전 세계적으로 물 산업에서 광범위하게 사용되고 있다. 위의 목록 중 첫 번째 세 가지는 효과적인 작용을 위해 편평한 화학 물질의 사용을 요구한다. 느린 모래 필터는 화학 원료를 사용하지 않고 양질의 물을 생산한다.

빠른 중력 모래 필터를 통해 분쇄된 물을 통과시키면 분쇄기와 그 안에 갇힌 입자가 변형되어 박테리아의 수가 감소하고 고형물이 대부분 제거된다. 필터의 매체는 등급이 다양한 모래다. 맛과 냄새가 문제가 될 수 있는 경우(조직적 영향) 모래 필터는 그러한 맛과 냄새를 제거하기 위해 활성탄층을 포함할 수 있다.

모래 필터는 사용 기간이 지나면 floc 또는 bioclog로 막힌다. 그런 다음 저속 모래 필터를 긁어내는 동안(위 참조) 급속 모래 필터를 역세척하거나 압력을 가해 플록을 제거한다. 이 역청정수는 정착 탱크로 흘러 들어가 플로크가 정착할 수 있도록 한 후 폐기물로 처리된다. 그런 다음 상등수는 처리과정에 다시 흘러 들어가거나 폐수류로 처리된다. 일부 국가에서는 이 슬러지가 토양 촉진제로 사용될 수도 있다. 부적절한 필터 유지관리는 때때로 식수 오염의 원인이 되어왔다.

모래 필터는 최종 광택 단계로 하수 처리 시 가끔 사용된다. 이러한 필터에서 모래는 잔류 부유물질과 박테리아를 가두며 암모니아와 질산염을 포함한 질소성 물질의 박테리아를 질소 가스로 분해하기 위한 물리적 매트릭스를 제공한다.

모래 필터는 필터링 과정(특히 느린 모래 여과)이 그 자체 내에 많은 정화 기능이 결합되어 있어 가장 유용한 처리 과정 중 하나이다.[8]

애플리케이션 프로세스의 당면 과제

수처리 과정에서 제대로 처리하지 않으면 심각한 문제가 발생할 수 있는 특정 요인을 잘 알고 있어야 한다. 앞서 언급한 필터 숙성 및 역세척과 같은 과정은 수질뿐만 아니라 완전한 치료에 필요한 시간에도 영향을 미친다. 백워싱은 유출물의 부피도 줄인다. 만약 일정량의 물이 지역사회에 전달되어야 한다면, 이러한 물 손실을 고려할 필요가 있다. 또한, 쓰레기 역류 처리를 하거나 적절히 폐기할 필요가 있다. 화학적 관점에서 보면, 다양한 생수 품질과 온도 효과의 변화, 이미 발전소 입구에서 처리 과정의 효율성이 나타난다.

모래 필터를 제작하는 데 사용되는 모델에는 상당한 불확실성이 수반된다. 모든 곡물이 구형인 것처럼 만들어져야 하는 수학적인 가정 때문이다. 구형과 비구형 곡물의 경우 직경이 다르기 때문에 구형 모양은 크기 해석에 영향을 미친다. 침대 안의 곡물 포장도 곡물의 모양에 따라 달라진다. 이것은 다공성 및 유압 흐름에 영향을 미친다.[6]

참고 항목

참조

  1. ^ "Slow Sand Filtration" (PDF). National Drinking Water Clearinghouse.
  2. ^ "Household Sand Filters for Arsenic Removal" (PDF). EAWAG.
  3. ^ Anlauf, Harald (2003). "Mechanische Fest/Flüssig-Trennungim Wandel der Zeit". Chemie Ingenieur Technik. 75 (10): 1460–1463. doi:10.1002/cite.200303283.
  4. ^ a b c A. 러시턴, A. S. 워드, R. G. 홀디치(1996) 고체-액체 여과 및 분리 기술 소개 와일리 VCH. ISBN 978-3-527-28613-3
  5. ^ a b c d e 콜슨, J. M.; 리처드슨, J. F.; 백허스트, J. R., 하커, J. H. (1991) 케미컬 엔지니어링. 제2권, 제4권. ISBN 0-7506-2942-8
  6. ^ a b c d Crittenden, John C.; Trussell, R. Rhodes; Hand, David W.; Howe, Kerry J.; Tchobanoglous, George (2012). MWH's water treatment: principles and design (3rd ed.). Hoboken, N.J.: John Wiley & Sons. ISBN 9780470405390.
  7. ^ a b K. J. Ives(1990). "딥 베드 여과" 고체-액체 분리, 제3편, L. 스바롭스키(ed) 11장. 버터워스. ISBN 0-408-03765-2
  8. ^ Huisman, L.; Wood, W. E. (1974). Slow sand filtration. Geneva: World Health Organization. ISBN 978-9241540377.