Медленный песочный фильтр

Песчаные фильтры медленного действия используются при очистке воды для обработки сырой воды с целью получения питьевого продукта. Обычно они имеют глубину 1–2 м (3,3–6,6 футов), могут быть прямоугольными или цилиндрическими в поперечном сечении и используются в основном для очистки поверхностных вод. Длина и ширина резервуаров определяются желаемой скоростью потока для фильтров, объем загрузки которых обычно составляет 200–400 литров (0,20–0,40 м). ³) за квадратный метр в час.

Медленные песочные фильтры отличаются от всех других фильтров, используемых для очистки питьевой воды, тем, что в их работе используется сложная биопленка , которая естественным образом растет на поверхности песка. Сам песок не выполняет никакой фильтрационной функции, а просто действует как подложка, в отличие от своих аналогов для ультрафиолетом обработки и давлением. Хотя во многих развивающихся странах им часто отдают предпочтение из-за их низкого потребления энергии и высокой производительности, они также используются для очистки воды в некоторых развитых странах, таких как Великобритания , где они используются для очистки воды, подаваемой в Лондон . Песчаные фильтры медленного действия в настоящее время также проходят испытания для борьбы с патогенами в питательных растворах в гидропонных системах.

История

Оригинальная карта Джона Сноу, показывающая скопления случаев холеры во время лондонской эпидемии 1854 года .

Первое задокументированное использование песчаных фильтров для очистки водопроводной воды датируется 1804 годом, когда владелец отбеливателя в Пейсли, Шотландия , Джон Гибб установил экспериментальный фильтр, созданный инженером Робертом Томом , продавая населению свои ненужные излишки. ^[1]^[2] Этот метод был усовершенствован в течение следующих двух десятилетий инженерами, работавшими в частных компаниях водоснабжения, и его кульминацией стал первый в мире очищенный общественный водопровод, установленный инженером Джеймсом Симпсоном для компании Chelsea Waterworks в Лондоне в 1829 году. ^[3]^[4] конструкция сети широко копировалась по всему Соединенному Королевству Эта установка обеспечивала фильтрованной водой каждого жителя этого района, и в последующие десятилетия .

Практика очистки воды вскоре стала общепринятой, и достоинства системы стали совершенно очевидными после исследований врача Джона Сноу во время вспышки холеры на Брод-стрит в 1854 году . Сноу скептически относился к господствовавшей в то время теории миазмов , утверждавшей, что болезни вызываются вредным «плохим воздухом». Хотя микробная теория болезней еще не была разработана, наблюдения Сноу заставили его отказаться от преобладающей теории. Его эссе 1855 года «О способах распространения холеры» убедительно продемонстрировало роль водоснабжения в распространении эпидемии холеры в Сохо . ^[5] с использованием карты распределения точек и статистических доказательств, чтобы проиллюстрировать связь между качеством источника воды и случаями холеры. Его данные убедили местный совет отключить водяной насос, что быстро положило конец вспышке.

Закон о воде мегаполиса ввел регулирование деятельности компаний водоснабжения в Лондоне впервые , включая минимальные стандарты качества воды. Закон «предусматривал обеспечение снабжения Метрополиса чистой и полезной водой» и требовал, чтобы вся вода была «эффективно фильтрована» с 31 декабря 1855 года. ^[6] За этим последовал закон об обязательной проверке качества воды, включая комплексный химический анализ, в 1858 году. Этот закон создал мировой прецедент для аналогичных государственных мер общественного здравоохранения по всей Европе . над шлюзом Тогда же была образована Столичная комиссия по канализации, по всей стране была введена фильтрация воды, а новые водозаборы на Темзе были установлены Теддингтон .

Очистка воды пришла в Соединенные Штаты в 1872 году, когда в Покипси, штат Нью-Йорк , была открыта первая установка медленной песчаной фильтрации. ^[7] резко сократилось количество случаев холеры и брюшного тифа, которые серьезно повлияли на местное сообщество. Критерии проектирования Покипси использовались по всей стране в качестве модели для других муниципалитетов. Первоначальное очистное сооружение Покипси работало непрерывно в течение 87 лет, прежде чем было заменено в 1959 году. ^[8]

Метод работы

Песчаные фильтры медленного действия работают за счет образования студенистого слоя (или биопленки ), называемого гипогеальным слоем или Шмуцдеке, в верхних нескольких миллиметрах мелкого слоя песка. Шмуцдеке . формируется в первые 10–20 дней операции ^[9] и состоит из бактерий , грибов , простейших , коловраток и ряда личинок водных насекомых. По мере старения эпигеальной биопленки наблюдается тенденция к развитию большего количества водорослей и появлению более крупных водных организмов, включая некоторых мшанок , улиток и кольчатых червей. Поверхностная биопленка – это слой, который обеспечивает эффективную очистку при очистке питьевой воды, а нижележащий песок обеспечивает опорную среду для этого слоя биологической очистки. Когда вода проходит через гипогеальный слой, частицы инородных веществ задерживаются в слизистой матрице, а растворимый органический материал адсорбируется . Загрязняющие вещества метаболизируются бактериями, грибами и простейшими. Вода, получаемая с помощью образцового медленного песочного фильтра, имеет превосходное качество и снижает количество бактериальных клеток на 90–99%. ^[10] Обычно в Великобритании медленные песочные фильтры имеют глубину слоя от 0,3 до 0,6 метра и содержат песок размером от 0,2 до 0,4 мм. Пропускная способность 0,25 м/ч. ^[11]

Медленные песочные фильтры постепенно теряют свою эффективность по мере утолщения биопленки и, таким образом, снижения скорости потока через фильтр. В конце концов, необходимо отремонтировать фильтр. Для этого обычно используются два метода. В первом случае соскабливаются верхние несколько миллиметров мелкого песка, обнажая новый слой чистого песка. Затем воду декантируют обратно в фильтр и рециркулируют в течение нескольких часов, чтобы дать возможность образоваться новой биопленке. Затем фильтр заполняется до полного объема и снова вводится в эксплуатацию. ^[10] Второй метод, иногда называемый мокрым боронованием, предполагает понижение уровня воды чуть выше подземного слоя и перемешивание песка; таким образом осаждая любые твердые вещества, содержащиеся в этом слое, и позволяя оставшейся воде промыть песок. Затем колонна фильтра заполняется на полную мощность и снова вводится в эксплуатацию. Влажное боронование позволяет быстрее вернуть фильтр в эксплуатацию. ^[9]

Функции

Медленные песочные фильтры обладают рядом уникальных качеств:

В отличие от других методов фильтрации, медленные песочные фильтры используют биологические процессы для очистки воды и представляют собой системы без давления. Для работы медленных песочных фильтров не требуются химикаты или электричество.
Очистка традиционно осуществляется с помощью механического скребка, который обычно вбивается в слой фильтра после его высыхания. Однако некоторые операторы медленных песочных фильтров используют метод, называемый «мокрым боронованием», при котором песок соскребается, пока он еще находится под водой, а вода, использованная для очистки, сливается в отходы.
В муниципальных системах обычно существует определенная степень резервирования , поскольку желательно, чтобы максимально необходимая пропускная способность воды была достижима при одном или нескольких выходах из строя.
Для эффективной работы медленных песчаных фильтров требуется относительно низкий уровень мутности . В летних условиях с высокой микробной активностью и в условиях, когда сырая вода мутная, засорение фильтров из-за биозасорения происходит быстрее и рекомендуется предварительная очистка.
В отличие от других технологий фильтрации воды, которые производят воду по требованию, медленные песочные фильтры производят воду с медленной, постоянной скоростью потока и обычно используются в сочетании с резервуаром для хранения для пикового использования. Такая медленная скорость необходима для здорового развития биологических процессов в фильтре. ^[12]^: 38–41^[13]

В то время как на многих муниципальных водоочистных сооружениях одновременно используется 12 или более кроватей, в небольших населенных пунктах или домохозяйствах может быть только один или два фильтрующих слоя.

В основании каждого пласта находится ряд дрен в форме елочки , покрытых слоем гальки, которая, в свою очередь, покрыта крупным гравием. Сверху укладывают следующие слои песка, а затем толстый слой мелкого песка. Общая глубина фильтрующего материала может составлять более 1 метра, большая часть которого будет состоять из мелкого песка. На поверхности песка находится надосадочный слой неочищенной воды.

Преимущества

Поскольку они требуют мало или совсем не требуют механической энергии, химикатов или сменных деталей, а также требуют минимального обучения оператора и лишь периодического обслуживания, они часто являются подходящей технологией для бедных и изолированных районов.
Песочные фильтры медленного действия благодаря своей простой конструкции можно изготовить своими руками . Самодельные медленные песочные фильтры использовались такими организациями, как Tearfund в Демократической Республике Конго и других странах, для помощи бедным. ^[14]
Медленные песочные фильтры признаны Всемирной организацией здравоохранения . ^[15] Оксфам , ^[16] и Агентство по охране окружающей среды США ^[17] как превосходную технологию очистки поверхностных источников воды в небольших водных системах. По данным Всемирной организации здравоохранения: «При подходящих обстоятельствах медленная песчаная фильтрация может быть не только самым дешевым и простым, но и самым эффективным методом очистки воды».

Недостатки

Из-за низкой скорости фильтрации медленные песчаные фильтры требуют обширной земельной площади для крупной муниципальной системы. ^[12] Многие муниципальные системы в США первоначально использовали медленные песчаные фильтры, но по мере роста городов и из-за необходимости очистки исходной воды с высокой мутностью они впоследствии установили быстрые песчаные фильтры из-за возросшего спроса на питьевую воду. ^[18]

См. также

Банковская фильтрация
Фильтр из биопеска – метод фильтрации воды, основанный на медленных песчаных фильтрах.
Капельный фильтр - тип системы очистки сточных вод с неподвижным слоем камней или аналогичного материала.
Быстрый песочный фильтр

Примечания

^ Фильтрация воды (PDF) , Всемирная организация здравоохранения
^ Бьюкен, Джеймс. (2003). Наполненный гением: шотландское просвещение: момент ума Эдинбурга. Нью-Йорк: Харпер Коллинз.
^ «Краткая история в Снежную Эру» . Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года . Проверено 9 января 2014 г. ^{[ нужна полная цитата ]}
^ Кристман, Кейт. (1998). История хлора. Водный мир, 14 (8), 66–67.
^ Ганн, С. Уильям А.; Маселлис, Мишель (23 октября 2007 г.). Концепции и практика гуманитарной медицины . Спрингер. ISBN 9780387722641 .
^ Закон об улучшении положения, касающегося водоснабжения мегаполиса (15 и 16 Победа C.84)
^ Джонсон, Джордж (март 1914 г.). «Современная практика фильтрации воды». Американская ассоциация водопроводных предприятий . 1 (1): 31–80. Бибкод : 1914JAWWA...1a..31J . дои : 10.1002/j.1551-8833.1914.tb14045.x . JSTOR 41224153 .
^ «История | Водоочистная станция Покипси» . pokwater.com . Водоочистная станция Покипси . Проверено 18 мая 2017 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Центр доступных технологий водоснабжения и санитарии, Руководство по фильтру из биопеска: проектирование, строительство и установка», июль 2007 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Национальный информационный центр по питьевой воде (США), Моргантаун, Западная Вирджиния. «Медленная песочная фильтрация». Архивировано 6 апреля 2016 г. в журнале Wayback Machine Tech Brief четырнадцать, июнь 2000 г.
^ Центр водных исследований (1977). Очистка воды в странах ЕЭС . Оксфорд: Пергамон. п. 374. ИСБН 0080212255 . {{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )
^ Перейти обратно: ^а ^б Агентство по охране окружающей среды США (EPA) (1990). Цинциннати, Огайо. «Технологии модернизации существующих или проектирования новых сооружений очистки питьевой воды». Номер документа. EPA/625/4-89/023.
^ HDR-инжиниринг (2001). Справочник по общественным системам водоснабжения . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. п. 353. ИСБН 978-0-471-29211-1 . Проверено 28 марта 2010 г.
^ «Tearfund – Фильтры из биопеска» . Архивировано из оригинала 24 мая 2016 года . Проверено 5 октября 2020 г.
^ «ВОЗ – Медленная песочная фильтрация» . Архивировано из оригинала 6 апреля 2016 года. {{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
^ «Электронный центр УВКБ ООН» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 марта 2006 года.
^ Перечень технологий соответствия малых систем Правилам очистки поверхностных вод (Отчет). Агентство по охране окружающей среды. Август 1997 г. EPA 815-R-97-002.
^ Логсдон, Гэри С. (2011). Практика фильтрации воды . Денвер, Колорадо: Американская ассоциация водопроводных предприятий. стр. 1–2. ISBN 978-1613000847 .

Ссылки

«Подробнее: Вода (медленный песочный фильтр)» . Проект лагеря беженцев - . Врачи без границ. Архивировано из оригинала 28 июля 2007 года . Проверено 27 марта 2007 г.
Хейсман, Л. (1974). Медленная песочная фильтрация (PDF) (Отчет). Женева: Всемирная организация здравоохранения.
«Руководство Верховного комиссара ООН по делам беженцев (УВКБ ООН) по воде для ситуаций с беженцами» , Женева, ноябрь 1992 г. Рекомендации по медленным песочным фильтрам перечислены на стр. 38.
«Перечень технологий, соответствующих требованиям малых систем для Правил очистки поверхностных вод» , Агентство по охране окружающей среды США, EPA 815-R-97-002, август 1997 г. Медленная фильтрация песка указана на стр. 24.
Рейнольдс, Фрэнсис Дж., изд. (1921). «Фильтровый слой» . Новая энциклопедия Кольера . Нью-Йорк: PF Collier & Son Company.

[WHO-1] Фильтрация воды (PDF) , Всемирная организация здравоохранения

[2] Бьюкен, Джеймс. (2003). Наполненный гением: шотландское просвещение: момент ума Эдинбурга. Нью-Йорк: Харпер Коллинз.

[History_of_the_Chelsea_Waterworks-3] «Краткая история в Снежную Эру» . Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года . Проверено 9 января 2014 г. ^{[ нужна полная цитата ]}

[4] Кристман, Кейт. (1998). История хлора. Водный мир, 14 (8), 66–67.

[5] Ганн, С. Уильям А.; Маселлис, Мишель (23 октября 2007 г.). Концепции и практика гуманитарной медицины . Спрингер. ISBN 9780387722641 .

[6] Закон об улучшении положения, касающегося водоснабжения мегаполиса (15 и 16 Победа C.84)

[7] Джонсон, Джордж (март 1914 г.). «Современная практика фильтрации воды». Американская ассоциация водопроводных предприятий . 1 (1): 31–80. Бибкод : 1914JAWWA...1a..31J . дои : 10.1002/j.1551-8833.1914.tb14045.x . JSTOR 41224153 .

[8] «История | Водоочистная станция Покипси» . pokwater.com . Водоочистная станция Покипси . Проверено 18 мая 2017 г.

[cawst-9] Перейти обратно: ^а ^б Центр доступных технологий водоснабжения и санитарии, Руководство по фильтру из биопеска: проектирование, строительство и установка», июль 2007 г.

[ndwc-10] Перейти обратно: ^а ^б Национальный информационный центр по питьевой воде (США), Моргантаун, Западная Вирджиния. «Медленная песочная фильтрация». Архивировано 6 апреля 2016 г. в журнале Wayback Machine Tech Brief четырнадцать, июнь 2000 г.

[11] Центр водных исследований (1977). Очистка воды в странах ЕЭС . Оксфорд: Пергамон. п. 374. ИСБН 0080212255 . {{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )

[EPA1990-12] Перейти обратно: ^а ^б Агентство по охране окружающей среды США (EPA) (1990). Цинциннати, Огайо. «Технологии модернизации существующих или проектирования новых сооружений очистки питьевой воды». Номер документа. EPA/625/4-89/023.

[HDR-13] HDR-инжиниринг (2001). Справочник по общественным системам водоснабжения . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. п. 353. ИСБН 978-0-471-29211-1 . Проверено 28 марта 2010 г.

[14] «Tearfund – Фильтры из биопеска» . Архивировано из оригинала 24 мая 2016 года . Проверено 5 октября 2020 г.

[15] «ВОЗ – Медленная песочная фильтрация» . Архивировано из оригинала 6 апреля 2016 года. {{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )

[16] «Электронный центр УВКБ ООН» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 марта 2006 года.

[17] Перечень технологий соответствия малых систем Правилам очистки поверхностных вод (Отчет). Агентство по охране окружающей среды. Август 1997 г. EPA 815-R-97-002.

[18] Логсдон, Гэри С. (2011). Практика фильтрации воды . Денвер, Колорадо: Американская ассоциация водопроводных предприятий. стр. 1–2. ISBN 978-1613000847 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]