La sedimentazione e la flottazione risolvono il problema degli inquinanti che “affondano” e “galleggiano”. Ma c'è un altro tipo di impurità nell'acqua-solidi fini sospesi, particelle colloidali e sostanze disciolte-che non affondano né galleggiano. Cosa fare?
È qui che entra in gioco la filtrazione. In poche parole, la filtrazione prevede il passaggio delle acque reflue attraverso uno strato di materiale filtrante, facendo affidamento sull'intercettazione fisica, sull'adsorbimento e sull'azione chimica del materiale filtrante per intrappolare gli inquinanti residui.
La filtrazione è il processo di "gatekeeping" nelle unità di trattamento fisico e un momento spartiacque in molti processi di trattamento delle acque reflue, segnando il passaggio dal "pretrattamento" al "trattamento avanzato". Molti processi di trattamento delle acque reflue che mirano al riutilizzo dell'acqua riciclata e a effluenti stabili e a bassa-torbidità fanno molto affidamento sulla filtrazione! Questo articolo illustra i tre materiali filtranti più comunemente utilizzati-sabbia di quarzo, carbone attivo e sabbia di manganese-cosa fanno, come utilizzarli sul-sito e come rigenerarli e mantenerli quando si intasano o si saturano.
I. Principi di base della filtrazione
Non pensare alla filtrazione semplicemente come al "setacciare la sabbia"; in realtà coinvolge diverse funzioni che lavorano insieme.
Intercettazione meccanica: le particelle più grandi degli spazi del mezzo filtrante vengono intercettate direttamente. Questo è il metodo di filtraggio più intuitivo, ma inefficace per le particelle più piccole degli spazi vuoti.
Impatto inerziale: mentre l'acqua scorre attorno alle particelle del media filtrante, le particelle fini deviano dalle loro linee di flusso a causa dell'inerzia e entrano in collisione con la superficie del media filtrante, aderendo. Quanto più forte è il flusso d'acqua, tanto più significativo è l'effetto di intercettazione.
Adsorbimento e adesione: le interazioni fisico-chimiche (forze di van der Waals, forze elettrostatiche) sulla superficie del mezzo filtrante assorbono minuscole particelle sulla superficie. La struttura porosa del carbone attivo fornisce anche una forte capacità di assorbimento fisico. Questo è un meccanismo chiave per filtrare e rimuovere le particelle fini e le sostanze disciolte.
Bioflocculazione: dopo che si forma un biofilm sulla superficie del mezzo filtrante, i polimeri extracellulari secreti dai microrganismi possono aderire ai solidi sospesi nell'acqua, biodegradando contemporaneamente parte della materia organica, migliorando la qualità dell'effluente.
Sedimentazione: la velocità del flusso d'acqua è estremamente lenta nei pori dello strato filtrante e alcune piccole particelle si depositano sulla superficie del mezzo filtrante a causa della gravità.
II. Filtrazione con sabbia di quarzo: un metodo di pre-filtrazione comunemente utilizzato
La sabbia di quarzo è il mezzo filtrante più comunemente utilizzato. La sabbia di quarzo è caratterizzata da elevata durezza, proprietà stabili, basso costo e ampia disponibilità.
Adatto per: rimuovere solidi sospesi, torbidità e alcune particelle colloidali dall'acqua. La torbidità dell'effluente può essere ridotta stabilmente al di sotto di 1 NTU. Può essere utilizzato come unità di trattamento profondo per gli effluenti dei serbatoi di sedimentazione secondaria o come pre-filtro per filtri a carbone attivo e sistemi a membrana.
Parametri operativi: la dimensione effettiva delle particelle comunemente utilizzata è 0,5~1,2 mm, lo spessore del letto filtrante è 0,7~1,5 m e la velocità di filtrazione è 5~10 m/h. Una velocità di filtrazione troppo elevata porta a rapidi aumenti delle perdite di carico e ad una riduzione del tempo di ciclo; una velocità troppo bassa comporta un basso utilizzo dell'attrezzatura.
Tipi comuni: serbatoi con filtro a pressione (chiusi e pressurizzati, azionati da una pompa) e filtri a gravità (di tipo aperto, basati sulla differenza di livello dell'acqua per il flusso per gravità).
Punti chiave di manutenzione: Il nucleo è in controlavaggio. All'aumentare della quantità di materiale intrappolato, aumenta la perdita di carico e il flusso dell'effluente diminuisce, rendendo necessario il controlavaggio-utilizzando il flusso d'acqua inverso per disperdere il letto filtrante ed eliminare le impurità intrappolate. L'intensità del controlavaggio è tipicamente di 12-15 litri/(m²·s), con un tasso di espansione di circa il 25%-45%, della durata di 5-10 minuti. Per il controlavaggio viene utilizzata acqua pulita; potrebbe essere necessario il lavaggio con aria per migliorare l'effetto di lavaggio. Durante il funzionamento, l'altezza del letto filtrante deve essere controllata regolarmente per eventuali diminuzioni (perdita di sabbia o usura). Se la diminuzione supera il 10%, è necessario aggiungere sabbia per evitare l'assottigliamento del letto filtrante e la successiva penetrazione di solidi sospesi nell'effluente.
III. Filtrazione a carbone attivo: un materiale filtrante a forze speciali per la decolorazione e la rimozione degli odori
Il carbone attivo possiede un'enorme area superficiale specifica (500-1500 m² per grammo) e una struttura microporosa ben sviluppata, che mostra una capacità di adsorbimento estremamente forte per materia organica, colore e odore.
Adatto per: rimozione di materia organica disciolta (COD), colore, cloro residuo e odori dall'acqua. Il carbone attivo ha una rapida capacità di riduzione del cloro libero ed è spesso utilizzato per la declorazione per proteggere i sistemi a membrana a valle; ha un significativo effetto di rimozione su coloranti sintetici, sostanze umiche e altre sostanze che sviluppano colore-; ha anche una significativa capacità di assorbimento delle sostanze che causano odori-come tioli e fenoli.
Parametri operativi: i tipi di carbone attivo comunemente utilizzati sono a base di carbone-e a base di guscio di frutta-. Lo spessore del letto filtrante è di 1-2 metri, la velocità di filtrazione è di 4-10 metri/ora e l'acqua deve rimanere tra i media filtranti per almeno 6-15 minuti; un tempo di contatto insufficiente riduce significativamente l'efficienza di adsorbimento.
Rigenerazione e sostituzione: il carbone attivo richiede un trattamento dopo la saturazione dell'adsorbimento. La rigenerazione termica è il metodo più completo-pirolizzare e gassificare la materia organica adsorbita a 800-900 gradi ripristina la capacità di adsorbimento, raggiungendo un tasso di rigenerazione dell'85%-95%. Questo metodo comporta elevati costi di investimento e di esercizio, adatto alla rigenerazione centralizzata in impianti di grandi dimensioni. La rigenerazione chimica utilizza acidi, alcali o solventi organici per desorbire l'adsorbato; è semplice da utilizzare ma ha un basso tasso di rigenerazione (50%-70%) e genera liquidi di scarto di rigenerazione che richiedono un trattamento. Nelle apparecchiature per il trattamento dell'acqua su piccola scala, la sostituzione diretta del carbone attivo saturo con nuovo carbone è più economica; il carbonio di scarto può essere smaltito da organizzazioni professionali o utilizzato come combustibile per l'incenerimento.
Punti di manutenzione: I filtri a carbone attivo richiedono anche un regolare controlavaggio a un'intensità di 10-12 litri/m²·secondo per prevenire un'eccessiva usura delle particelle di carbone attivo. Monitorare regolarmente il COD o il colore dell'effluente. Se vengono rilevati segni di penetrazione, passare immediatamente a un serbatoio di carbone attivo di riserva o prepararsi per la rigenerazione. I microrganismi crescono facilmente sulla superficie del carbone attivo; pertanto, il cloro residuo nell'affluente deve essere controllato durante il funzionamento e, se necessario, lo strato di carbonio deve essere disinfettato regolarmente.
IV. Filtrazione con sabbia di manganese – Specifica per la rimozione degli ioni di ferro e manganese dall'acqua
La sabbia di manganese è un mezzo filtrante speciale, composto principalmente da biossido di manganese (MnO₂). Non si basa sull'intercettazione fisica ma sull'ossidazione catalitica chimica.
Adatto per: Rimuovere in modo specifico gli ioni ferro e manganese dalle falde acquifere o dalle acque reflue industriali. Il ferro esiste nella forma disciolta di Fe²⁺ e il manganese nella forma disciolta di Mn²⁺, che non può essere rimosso mediante sedimentazione e filtrazione convenzionali. Il film di biossido di manganese attivo sulla superficie del mezzo filtrante a sabbia di manganese ossida cataliticamente Fe²⁺ e Mn²⁺, generando precipitati di idrossido di Fe³⁺ e Mn⁴⁺, che vengono poi trattenuti e rimossi dallo strato filtrante.
Parametri operativi: dimensione effettiva delle particelle di sabbia di manganese: 0,6~2,0 mm; Spessore dello strato filtrante: generalmente 0,8~1,2 m. La velocità di filtrazione è generalmente controllata a 5-8 metri all'ora; una velocità troppo elevata risulterà in una reazione di ossidazione insufficiente, con conseguente penetrazione di ferro e manganese. Il pH in ingresso non dovrebbe essere inferiore a 6,5 (la reazione di ossidazione si ferma quasi al di sotto del pH 6,0) e l'ossigeno disciolto dovrebbe essere sufficiente (generalmente è necessaria l'aerazione prima di entrare nel letto filtrante).
Punti di manutenzione: durante il processo di rimozione di ferro e manganese utilizzando materiali filtranti a sabbia di manganese, l'idrossido di ferro (di colore rossastro-marrone) si depositerà continuamente sulla superficie del letto filtrante, richiedendo un regolare controlavaggio per rimuoverlo. L'intensità del controlavaggio è tipicamente di 15-18 litri/(m²·s), leggermente superiore a quella della sabbia di quarzo, con un tasso di espansione controllato al 30%-50%. Dopo un funzionamento prolungato, la pellicola attiva sulla superficie della sabbia di manganese potrebbe invecchiare o staccarsi, riducendo l'efficacia del trattamento. La rigenerazione della membrana può essere ottenuta aggiungendo periodicamente una piccola quantità di permanganato di potassio, che rigenera la membrana attiva MnO₂ sotto l'effetto di ossidazione del permanganato di potassio. Se l'effetto è ancora insoddisfacente dopo molteplici rigenerazioni, è necessario sostituire alcuni o tutti i mezzi filtranti. I filtri a sabbia di manganese non possono essere utilizzati contemporaneamente al cloro: il cloro danneggerà il film catalitico attivo sulla superficie della sabbia di manganese, portando alla perdita della funzione di rimozione del ferro e del manganese.
V. Registro di funzionamento e manutenzione in loco del sistema di filtraggio
Il controlavaggio è necessario quando la pressione differenziale aumenta; non aspettare che l'effluente sia torbido prima di iniziare.
Controllare attentamente l'intensità del controlavaggio; un controlavaggio insufficiente non pulirà adeguatamente, mentre un controlavaggio eccessivo causerà la perdita del mezzo filtrante.
Controllare regolarmente lo spessore del media filtrante e, se necessario, ripristinarlo tempestivamente. Inoltre, controllare i tappi di distribuzione dell'acqua e lo strato di supporto in base alle condizioni dell'effluente.
Se l'apparecchiatura deve rimanere ferma per un periodo prolungato, mantenere l'acqua nel serbatoio per evitare che il mezzo filtrante si accumuli e si indurisca.
Controllare all'arrivo il valore di iodio del carbone attivo; se è inferiore al valore di progetto, l'effetto di adsorbimento sarà ridotto e il carbone attivo dovrà essere rifiutato.
