فیلتر شنی دستگاهی است که با صاف نمودن ( فیلتراسیون ) فیزیکی آب باعث حذف ذرات معلق موجود در آن نظیر گل، رنگ، مواد آلی، پلانگتون، باکتری‌ها و ذرات حاصل از خوردگی می‌شود. دستگاه فیلتر شنی به صورت استوانه‌های تحت فشار طراحی می‌شوند. داخل ستون‌ها به وسیله شن سیلیس و یا آنتراسیت پر می‌گردد که معمولا یک‌لایه ذرات درشت روی نازل‌ها جهت جلوگیری از گرفتگی و سپس یک‌لایه ذرات ریز بر روی آنها ریخته می‌شود. در اثر عبور آب از خلل و فرج بین ذرات شن، مواد معلق آب گیر کرده و آب تقریبا عاری از مواد معلق، در خروجی فیلتر شنی به دست می‌آید. البته جمع شدن ذرات معلق در خلل و فرج فیلتر شنی ، باعث افزایش افت فشار می‌گردد که اگر این افت فشار از حد معینی تجاوز نماید، باید صافی را شستشو داد .
فیلتر شنی جهت تصفیه آب های سطحی (رودخانه‌ها یا چاه‌ها) آب استخر، حذف رنگ‌ها، آب برگشتی برج‌های خنک‌کن، فیلتراسیون نهایی فاضلاب‌های صنعتی و انسانی، فیلتراسیون مصارف آشامیدنی و صنعتی (تصفیه خانه‌های شهر و صنعتی) مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مشکلات ناشی از عدم استفاده از فیلتر شنی به عنوان مثال در استخرها، به علت باز بودن سطح استخر، چنانچه آب استخر متناوباً تعویض یا فیلتر نگردد، ساکن ماندن و آلوده شدن آب به علت وجود مواد خارجی از قبیل برگ، خاک، گرد و غبار و رشد و تکثیر میکروب‌ها، انواع قارچ های میکروبی و تخم انگل‌ها باعث بیماری‌هایی از قبیل یرقان، تب‌های روده، اسهال خونی، بیماری‌های پوستی و غیره می‌گردد که بخصوص در استخرهای عمومی باید این موضوع شدیدا مورد توجه قرار گیرد.
فیلتر شنی از دو نوع می‌باشند
- فیلترهای ثقلی GRAVITY FILTERS
- فیلترهای تحت فشار PRESSURE FILTERS
با دو انتخاب مسیر آب از پایین به بالا UP FLOW و از بالا به پایین DOWN FLOW و به صورت دستی MANUAL و تمام اتوماتیک FULL AUTOMATIC قابل تهیه می‌باشد.
شستشوی فیلتر شنی و جدول محاسبه
بعد از مدتی جمع شدن ذرات معلق در خلل و فرج فیلتر شنی ، باعث افزایش افت فشار می‌گردد که اگر این افت فشار از حد معینی تجاوز نماید، باید فیلتر شنی موردنظر را احیا کرد.
احیا فیلترهای شنی مختلف روش های مختلفی دارد. احیا فیلتر شنی کند از طریق برداشت لایه 10 cm از بالایی آن انجام می شود. اما احیا فیلتر شنی تند (ثقلی و تحت فشار) از طریق شستشوی معکوس (Back Wash) انجام می شود.
برای شستشوی معکوس فیلتر شنی ، شیر آب ورودی بسته شده و شیر شستشوی معکوس باز می گردد. جریان معکوس آب (از پایین به بالا ) باعث شناور شدن بستر و جدا شدن گل و لای و ذرات چسبیده به فیلتر شنی می شود.
این آلودگی به وسیله جریان شستشوی معکوس از فیلتر خارج شده و فیلتر آماده سرویس دهی مجدد می شود. در فیلتر شنی بزرگ معمولا همراه آب از هوا نیز استفاده می شود تا اغتشاش در داخل فیلتر افزایش یافته و ذرات گل ولای بهتر از فیلتر خارج شوند. شدت جریان آب در شستشوی معکوس معمولا 1 الی 2 برابر جریان آب طراحی فیلتر است و جریان هوا (در صورت طراحی) حدود(m3 air/hr) 50 به ازا هر متر مربع از سطح فیلتر می باشد.
مکانیزم های فیلتراسیون
حذف ذرات معلق و شناور آب به وسیله فیلتر شنی تحت مکانیزم های مختلفی صورت می گیرد که عبارت است از:
1. مکانیزم غربالی
همان طور که از نام آن پیداست، مکانیزم غربالی مانع از حرکت ذرات با قطر بزرگتر از لابلای منافذ با قطر کوچکتر شن می شود و به این ترتیب ذرات شناور در لا به لای منافذ شن حبس شده و هنگام شستشو توسط آب از فیلتر شنی خارج می گردد.
2. مکانیزم جذب سطحی
ذرات معلق موجود در آب تحت تاثیر نیروهای واندروالسی، الکترواستاتیکی و جذب سطحی، جذب سطح شن شده و داخل خلل و فرج آن نفوذ می کند. این نیروها باعث تثبیت ذرات معلق روی بستر شنی شده و مانع از شناور سازی مجدد آن می شود.
انواع فیلتر شنی
- فیلتر شنی کند (Slow Sand Filter)
- فیلتر شنی ثقلی تند (Rapid Sand Gravity Filter)
- فیلتر تند شنی تحت فشار (Rapid Sand Pressure Filter)
فیلتر شنی کند
فیلتر شنی کند نسل اول از فیلتر شنی بودند که اولین بار در سال 1804 در تصفیه خانه های اسکاتلند به کار برده شدند و به سرعت رواج یافتند به طوری که تا اواخر قرن نوزدهم میلادی تمام تصفیه خانه های اروپا و آمریکا به این سیستم مجهز شدند.
در فیلتر شنی کند همچنان که از نام آن پیداست سرعت جریان آب بسیار آهسته است، به طور متوسط این فیلتر شنی در روز به ازا هر متر مربع از سطح فیلتر تنها سه متر مکعب آب (3 m3/m2.day) را فیلتر می کنند که برای دبی های بالا احتیاج به مساحت بسیار زیادی (300-800 m2) برای استفاده از این فیلتر است.
افت فشار و هزینه نگهداری این فیلترها کمتر از دو نوع دیگر است اما امروزه به دلیل سرعت کم و همچنین مساحت زیاد فقط در برخی تصفیه خانه های روستایی مورد استفاده قرار می گیرند و در مراکز صنعتی و تصفیه خانه های شهری جای خود را به فیلتر تند شنی داده است.
فیلتر تند شنی ثقلی
این نوع فیلتر شنی از لحاظ ظاهری شبیه به فیلتر شنی های کند هستند اما در مساحت های به مراتب کمتر (40-100 m2) احداث می شوند. سرعت فیلتراسیون این فیلتر شنی در حدود 100-300 (m3/m2.day) است و برای تصفیه خانه های بزرگ آب توصیه می شوند.
هزینه احداث این واحد بسیار کمتر از واحد های فیلتر کند شنی است اما با توجه نحوه شستشو، فاصله بین دو شستشو (12-72 hr) و افت فشار بیشتر نسبت به واحد های فیلتر کند شنی هزینه نگهداری و استهلاک در آن بیشتر است.
فیلتر های تند شنی تحت فشار
با توجه به محدودیت فضا و سرمایه گذاری در تصفیه خانه های کوچک و مراکز صنعتی این نوع از فیلتر شنی توسعه پیدا کردند. سرعت بالای فیلتراسیون (100-300 m3/m2.day) ، اندازه مناسب (استوانه ای به قطر 1 الی 3 متر)، کیفیت بالای آب خروجی، شستشوی آسان و در نهایت هزینه کم احداث و نگه داری، این نوع فیلتر شنی را گزینه مناسبی برای استفاده در صنایع، کارخانه ها، استخرها، باغ ها و دیگر مراکز مشابه کرده است.
فیلتر شنی تند بصورت استوانه های تحت فشار طراحی می‌شوند که داخل استوانه بوسیله شن پر می‌گردد. جریان آب از بالا وارد شده و سپس با عبور از بستر شنی ذرات معلق،گل و لای، مواد آلی، رنگ، جلبک، باکتری و به صورت کلی TSS و کدورت خود را از دست می دهد.
آب زلال و تصفیه شده از انتهای بستر توسط نازل ها جمع آوری شده و از سیستم خارج می شود. معمولا برای محافظت از نازل ها و نگه داری بستر شن یک لایه ذرات درشت روی نازل ها قرار می گیرد.
یکی از پارامترهای مهم در طراحی فیلتر شنی ، سرعت خطی آب ورودی به فیلتر شنی است. هر چه آب دارای کدورت پایین تری باشد لذا سرعت خطی پایین تری دارد و در نتیجه می توان از فیلتر شنی کوچکتری برای تصفیه آن بکار برد. برای مثال در استخرهای شنا سرعت خطی آب ورودی به فیلتر شنی را 20 الی 25 متر بر ساعت در نظر می گیرند.
جهت انتخاب فیلتر شنی بر اساس ظرفیت محاسبه شده می توان از جداول محاسبه فیلتر شنی استفاده نمود. در صنعت نیز فیلتر شنی کاربرد بسیاری دارد، زیرا آب بی کیفیت و دارای کدورت بالا می تواند لطمات جبران ناپذیری را به تاسیسات واحد صنعتی بزند.
فیلتر شنی در دو نوع فلزی و FRP عرضه می شوند، فیلتر شنی تحت فشار از جنس FRP برای سایزهای کوچک و فیلتر شنی با ظرفیت های پایین بهتر است، علت آن هم این است که فیلتر شنی نیازی به ارتفاع بستر ندارد و بیشتر برای ما در بحث فیلتراسیون سطح اهمیت دارد و به علت اینکه این نوع از مخازن با ابعاد مشخصی ساخته می شوند لذا برای فیلتر شنی های با ظرفیت بالا بکار نمی آیند.
ارتفاع مفید بستر سنگ سیلیس 105سانتی متر در مراجع ذکر شده است، که در فیلتر شنی های با ظرفیت پایین 70 سانتی متر و برای دبی های بالا تا 150 سانتی متر نیز استفاده می شود. در فیلتر شنی های تک لایه یا SINGLE LAYER استفاده از سه یا چهار سایز سنگ سیلیس مختلف توصیه می شود، دانه بندی سنگ های سیلیس به شرح ذیل است
- سایز درشت 8-10 که تقریبا 10 درصد وزنی کل سیلیس فیلتر شنی است
- سایز درشت5-8 که تقریبا 10 درصد وزنی کل سیلیس فیلتر شنی است
- سایز متوسط 3-5 که تقریبا 10 درصد وزنی کل سیلیس فیلتر شنی است
- سایز ریز 0.5 -1.5 که تقریبا 70 درصد وزنی کل سیلیس فیلتر شنی است
نحوه شارژ سیلیس داخل مخزن فیلتر شنی نیز به گونه ای است که در ابتدا سایز درشت را می ریزیم و سپس سایز متوسط و در آخر نیز سایز ریز را به داخل مخزن فیلتر شنی وارد می کنیم، زیرا عملا لایه های متوسط و درشت تنها وظیفه زه کشی آب از فیلتر شنی را بر عهده دارند و وظیفه اصلی فیلتراسیون را لایه ریز انجام می دهند.
جهت ساخت فیلتر شنی تحت فشار از نوع فلزی در ابتدا با توجه به قطر فیلتر ورق آهنی برش داده می شود و سپس توسط دستگاه نورد، مخزن گرد می شود. سپس برای بالا و پایین مخزن عدسی بریده می شود و سپس توسط دستگاه لبه زن عدسی های آن را درست می کنند و در گام بعد عملیات جوشکاری آغاز می شود. یک دریچه بازدید در بالا و یک دریچه دسترسی در پایین ایجاد می کنیم.
ماده صافی این فیلتر ها متشکل از ماسه الک شده یا خرده های کوارتز و خرده سنگ به عمق 36 اینچ (90 سانتی متر) می باشد.در فیلتر شنی نتیجه مطلوب زمانی به دست می آید که اندازه ذرات ماسه 0.4 میلیمتر و با ضریب یکنواختی 1.75 باشد. ماسه های درون فیلتر باید از خاک رس، مواد ارگانیک و مواد قابل انحلال شسته شود . در بالای سطح بستر ماسه، باید یک فاصله آزاد تقریبا 18 اینچی ( 50 سانتی متری) ایجاد نمود تا هنگام پس شویی ( back wash بک واش ) کردن فیلتر ها از هدر رفتن زیاد از حد ماده صافی جلوگیری کرد. فیلتر شنی ممکن است افقی یا عمودی ساخته شوند ولی در هر دو صورت جهت جریان آب در هنگام تصفیه از بالا به پایین و هنگام پس شویی ( back wash بک واش ) از پایین به بالاست .
بدون یک ماده منعقد کننده، صافی ماسه ای، فقط برای جدا کردن مواد جامد درشت از آب در گردش موثر است. اما در صورت اضافه کردن یک ماده منعقد کننده، ماسه، صافی بسیار موثری خواهد شد که جهت جدا کردن مواد جامد معلق و باکتری ها برای یک تصفیه خوب مناسب می گردد. آلوم (سولفات آلمینیوم )، ماده منعقد کننده معمول، قبل از فیلتر به داخل آب استخر تزریق می شود تا به خوبی مواد معلق آب را منعقد نموده و آن ها را به اجزا بزرگتری که به راحتی توسط فیلتر جدا می گردند، تقسیم نماید. وقتی ماده منعقد کننده به آب اضافه شود، در اثر واکنش مواد قلیایی آب، یک ماده رسوبی غیر قابل انحلال ژله مانند موسوم به فلاک تشکیل می شود. فلاک، مواد خوب تقسیم شده مواد ارگانیک، ترکیبات رنگی و باکتری ها را به خود جذب کرده و به دام می اندازد. غربال ماسه ای فیلتر، این فلاک را از آب جدا می کند و نتیجتا آب زلال و تمیز از فیلتر خارج می گردد. یک مدت معین برای انجام واکنش شیمیایی باید قائل شد. در غیر این صورت ممکن است فلاک در داخل استخر تشکیل گردیده و آب را کدر کند. بنابراین آلوم را باید طوری به مخزن مکش وارد کرد که فرصت لازم برای تشکیل فلاک موجود باشد.
آلوم PH آب استخر ار پایین می آورد، چرا که یک ترکیب اسیدی بوده و با ترکیبات قلیایی در داخل آب استخر واکنش های شیمیایی صورت می دهد. این شاخصPH که جهت اندازه گیری خاصیت اسیدی آب استخر مورد استفاده قرار می گیرد باید بین 7 تا 7.6 ثابت نگه داشته شود تا تیزی آب ، چشم را ناراحت نکند و اندام های مخاطی را تحریک نکند. در چنین تاسیساتی باید جهت ثابت نگه داشتن PH مطلوب به آب قلیا اضافه کرد. این کار ممکن است با تزریق کربنات سدیم به خط آب جریانی فیلتر با خط مکش پمپ، توسط تغذیه کننده های شیمیایی یا محلول پاش ها صورت می گیرد و یا با قرار دادن بی کربنات قالبی مستقیما در داخل آب استخر عملی گردد. با استفاده از کلسیت به عنوان ماده صافی به جای ماسه، می توان اسیدیته ای را که استفاده از آلوم را ایجاب کند، خنثی نمود . کلسیت همچنان که خاصیت اسیدی آلوم را خنثی می کند، به تدریج تحلیل می رود و از آین رو باید وقت به وقت دانه های تازه کلسیت به صافی اضافه نمود. شدت جریان در فیلتر ماسه ای باید از 2 گالن بر دقیقه بر هر فوت مربع سطح فیلتر بیشتر نباشد.
فیلتر شنی برج خنک کن
فیلتر شنی که برای برج های خنک کن مورد استفاده قرار می گیرند بایستی دو ویژگی داشته باشند، یکی این است که از سیلیس درجه یک درون فیلتر استفاده نمود و آب با کیفیت بالایی استحصال شود و مورد دیگر این است که سرعت خطی آب عبوری از فیلتر را 25 متر بر ساعت در نظر گرفته شود.
فیلتر شنی مورد استفاده برای فیلتراسیون آب برج خنک کن می تواند از جنس فولادی و کربن استیل و یا کامپوزیتی باشد و با توجه به ظرفیت فیلتر شنی جنس آن نیز تعیین می شود.
فیلتر شنی واحد مسکونی
به طور عمده در مناطق شمالی کشور که آب حاوی آهن و منگنز می باشد بایستی پس از اکسیداسیون یون آهن رسوبات تولیدی را توسط فیلتر شنی از آب مصرفی جدا نمود. در این حالت سرعت خطی آب عبوری را 10 الی 15 متر بر ساعت در نظر می گیرند.
در حالتی دیگر، بسیاری از واحدهای مسکونی مخصوصا مسکن مهرهایی که در کنار رودخانه و یا آبهای سطحی احداث شده است، آب کیفیت لازم را برای مصرف شرب ندارد و بایستی کدورت آب کاهش پیدا کند که این کار توسط فیلتر شنی تحت فشار انجام می گردد. در بسیاری از ساختمان ها بر سر راه لوله اصلی ورودی ساختمان فیلتر شنی را نصب می کنند.
فیلتر شنی به عنوان تصفیه ثالثیه فاضلاب
یکی از عمده ترین مصارف فیلتر شنی استفاده از آن برای فیلتراسیون پساب تصفیه شده تصفیه خانه ها می باشد. پساب خروجی از تصفیه خانه ها معمولا دارای کدورت بالایی هستند که از تجهیز فیلتر شنی فلزی برای کاهش کدورت استفاده می کنند. سرعت خطی آب ورودی به فیلتر شنی را در این حالت بین 7 تا 10 متر بر ساعت در نظر می گیرند و طراحی فیلتر شنی بر این اساس انجام می گردد.
در بسیاری موارد از فیلتر کربنی پس از فیلتر شنی به عنوان تجهیز تکمیلی استفاده می کنند. شن سیلیس مورد استفاده در این فیلتر شنی ها در چهار سایز انتخاب می گردد که در برخی موارد از زغال آنتراسیت نیز بهره می گیرند .
فیلتر شنی یک دستگاه از نوع فیلتراسیون دانه‌ای است و به شکل مخزن استوانه‌ای تحت فشار شامل بستری از شن دانه‌بندی شده و ماسه (شن سیلیسی و یا آنتراسیت) می‌باشد که با صاف نمودن (فیلتراسیون) فیزیکی آب موجب حذف ذرات معلق موجود در آن نظیر گل، رنگ، مواد آلی، پلانکتون، باکتری‌ها و ذرات حاصل از خوردگی می‌شود. بدنه این فیلترها، از فولاد بر اساس استانداردهای معتبر ساخته شده است که دارای دو دریچه بازدید بوده و برای جلوگیری از خوردگی، کلیه سطوح مجاور با آب در داخل مخزن دستگاه با دو لایه رنگ اپوکسی و کلیه سطوح بیرونی دستگاه که در مجاورت هوا قرار دارند با رنگ روغنی پوشش داده می‌شود. فشار استاندارد در این فیلترها بین 7-3 اتمسفر است و اگر فشار بیش از این باشد باعث ایجاد پدیده شیارسازی می‌شود.
این فیلترها هم به صورت عمودی و هم به صورت افقی ساخته می‌شوند. قطر فیلترهای عمودی استاندارد از حدود 5/0 تا 3 متر و ارتفاع آن بین 7/0 الی 5/1 متر است. فیلترهای عمودی به لحاظ اینکه در تمام راستای ارتفاع آنها عمل تصفیه فیزیکی انجام می‌گیرد به فیلترهای افقی ارجحیت دارند. در فیلترهای افقی و عمودی، آب ورودی و آب حاصل از شستشو از طریق شبکه نازل در بالا و پایین دستگاه تقسیم و یا جمع‌آوری می‌گردد.
آب از قسمت فوقانی ستون وارد شده و پس از گذشتن از بستر فیلترشنی، شن دانه‌بندی شده با خلوص 98% و یک صفحه مشبک با 50 تا 70 عدد پستانک در هر متر مربع که جهت آبکشی و جلوگیری از خروج ذرات شن از دستگاه تشکیل شده است، از قسمت تحتانی خارج می‌گردد.
اندازه ذرات شن که بصورت دانه‌بندی شده و طبقاتی برروی صفحه مشبک قرار گرفته‌اند بر حسب اندازه ذرات معلق در آب تعیین می شود. ترتیب قرارگیری اندازه این ذرات از بالای بستر به سمت پایین بستر به ترتیب درشت به ریز است.
بطور کلی هرچه ضخامت بستر فیلتر بیشتر باشد، راندمان حذف مواد معلق در آن نیز بیشتر خواهد شد اما در عمل ضخامت این فیلترها در محدوده 150-70 سانتیمتر قرار داد. بسته به قطر ذرات بستر دانه‌ای و فشار روی بستر، به ازای هر مترمربع از سطح بستر 20-5 مترمکعب آب را در هر ساعت می‌توان تصفیه نمود.
در سیکل تصفیه، ذرات معلق در بستر فیلتراسیون رسوب نموده و بتدریج خلل و فرج بستر را پر می‌کنند.
بدین ترتیب با گذشت مدت زمان معینی از شروع بهره برداری بر حسب میزان کدورت و مواد معلق آب ورودی، تدریجا افت فشار افزایش می یابد.
هنگامیکه افت فشار دو سر فیلتر شنی در حدود 8/0- 6/0 بار ثبت گردد، زمان آن رسیده است که فیلتر از حالت سرویس خارج شده و با ورود جریان آب به صورت معکوس(Back Wash)، بسترها مورد شستشو قرار بگیرند. مدت زمان شستشو بستگی به میزان کدورت آب ورودی دارد.
این فیلترها زمانی که درست طراحی شوند می‌توانند ذرات تا 10 میکرون را حذف نمایند و در صورتی که به آب ورودی مواد منعقد کننده تزریق شود حذف ذرات تا 2-1 میکرون نیز امکان‌پذیر خواهد بود. بازده معمول این سیستم ها حذف 50 تا 60 درصد از مواد کلوئیدی با اندازه 15-10 میکرون است. کدورت آب ورودی به سیستم پیش تصفیه RO باید کمتر از 10NTU باشد. در کدورت بالای 10NTU دوره Backwash این سیستم ها برای بدست آوردن آب با کیفیت مناسب و قابل قبول بسیار کم خواهد بود.
کاربرد دستگاه فیلتر شنی :
الف: تصفیه آب رودخانه‌های با کدورت بالا پس از واحدهای انعقاد، لخته سازی و ته نشینی جهت تهیه آب شرب، بهداشتی و صنعتی
ب: جهت تصفیه آب استخر برای جلوگیری از کدر شدن آب و زلال سازی آن
ج: تصفیه نهایی فاضلاب‌های صنعتی و انسانی
د: تصفیه آب برج خنک کن از مواد معلق نفوذی از هوا به آب، مانند گرد و خاک