مرشح العمق

يُعرَّف معدل التدفق بأنه نسبة القوة الدافعة إلى مقاومة المرشح. يعمل النوعان التقليديان من تصميمات مرشحات العمق، وهما المرشحات السريعة والبطيئة، بسرعات تتراوح بين 5-15 متر/ساعة و0.1-0.2 متر/ساعة على التوالي؛ بينما تتميز مرشحات الرمل المضغوطة بمعدلات تدفق تصميمية تبلغ 238 لتر/دقيقة. ^{[ 11 ]} أثناء التشغيل، ينخفض ​​معدل الترشيح نتيجةً لزيادة مقاومة المرشح بسبب تراكم الجسيمات داخل وسائط الترشيح. يؤثر معدل الترشيح على معدل الانسداد، حيث تؤدي معدلات الترشيح العالية إلى تراكم أسرع. تُظهر الاختبارات التجريبية أنه كلما زاد معدل الترشيح، قلت مساحة المرشح، بينما يؤدي زيادة معدل الترشيح إلى تقليل زمن الاختراق، وتقليل زمن فقدان الضغط (زيادة فقدان الضغط)، مما ينتج عنه مسارات أقصر وأعماق مثلى أقل. كما تُظهر هذه الاختبارات أنه يمكن تحقيق معدلات ترشيح أعلى باستخدام وسائط ترشيح ذات قطر أكبر وعمق أكبر. تعتمد معدلات الترشيح العالية على تصميم وسائط الترشيح، حيث يبلغ أعلى معدل ترشيح مُصمم قيد التشغيل 13.5 جالون/دقيقة/قدم مربع. ^{[ 11 ]}

المصدر: ^{[ 12 ]}

تُعدّ عملية الغسيل العكسي عمليةً مهمةً لإزالة المواد الصلبة المُرشّحة، إذ يُؤدي تراكمها إلى زيادة مقاومة الترشيح مع مرور الوقت. تتضمن هذه العملية عكس اتجاه تدفق السائل باستخدام سائل نظيف. ^{[ 13 ]} تُستخدم هذه العملية لفترات تتراوح بين 5 و15 دقيقة، بمعدلات تدفق نموذجية لكل وحدة مساحة تتراوح بين 6.8 و13.6 لتر/م²·ث. ^{[ 13 ]} تُجرى معظم عمليات الغسيل العكسي مرةً واحدةً يوميًا. تتميز مرشحات العمق بدورية تشغيلها نظرًا لضرورة إزالة تراكم المواد الصلبة أثناء العملية، ولذلك يُستخدم عادةً وحدتان أو أكثر لضمان عدم تداخل الغسيل العكسي مع عملية الترشيح. يتحقق الغسيل العكسي الفعال عند تمييع وسط الترشيح، حيث تتراوح معدلات تدفق التمييع عمومًا بين 20 و50 جالون/دقيقة/قدم². ^{[ 13 ]}

 وقد تم الإبلاغ عن معدلات إزالة الجسيمات الصغيرة التي يصل حجمها إلى 6  ميكرومتر باستخدام مرشحات الرمل المضغوطة ذات الوسائط التي يتراوح حجمها عادةً بين 0.3 و 0.5 مم، حيث بلغت نسبة الإزالة 95% للجسيمات الصغيرة التي يصل حجمها إلى 15 ميكرومتر عند استخدام وسائط بحجم 0.3  مم، و95% للجسيمات الصغيرة التي يصل حجمها إلى 15  ميكرومتر عند استخدام وسائط بحجم 0.5  مم. ^{[ 14 ]}

تتوفر أنواع مختلفة من وسائط الترشيح التي يمكن استخدامها في عمليات الترشيح العميق، وأكثرها شيوعًا الرمل. يؤثر اختيار وسائط الترشيح على معدل الترشيح، والعكارة، ومساحة سطح المرشح. يتأثر فقدان الضغط في طبقة الترشيح النظيفة بقطر الوسائط، حيث يؤدي زيادة قطر الوسائط إلى زيادة زمن الوصول إلى فقدان الضغط التصميمي. ^{[ 11 ]} ومع ذلك، فإن زيادة قطر الوسائط ومعدل الترشيح يؤدي إلى تدهور عكارة المياه الخارجة. ^{[ 13 ]} وللتعويض عن ذلك، يمكن زيادة عمق الوسائط لتقليل تأثير ذلك على عكارة المياه الخارجة. تبلغ القيمة القصوى لعمق الوسائط المستخدمة في التصاميم الحالية للترشيح عالي المعدل 100 بوصة، بينما يبلغ الحد الأقصى لحجم الوسائط المستخدمة في المشاريع التجريبية 2 مم في القطر. ^{[ 11 ]} يُعد الرمل، والماغنيتيت، وفحم الكوك، والأنثراسيت من أكثر وسائط الجسيمات استخدامًا في الصناعة، وذلك لتوافرها الواسع.

الجدول [1] خصائص العملية / التصميم لأسرّة الترشيح أحادية الوسط لمعالجة مياه الصرف الصحي (سرير عميق): ^{[ 13 ]}

الجدول [2] معايير التصميم لمرشحات عمق الضغط: ^{[ 13 ]}

لا تُمثل العلاقة بين الاحتجاز وحجم الجسيمات دالة خطية. فالجسيمات الأكبر حجماً تُحتجز بسهولة بواسطة وسائط الترشيح؛ ومع ذلك، فإن الجسيمات التي تقع ضمن النطاق المتوسط ​​بين حجم الجسيمات الاسمي ومكونات النفايات يصعب الحفاظ عليها، ونتيجة لذلك غالباً ما تُفقد كمكون من مكونات النفايات.

لتحقيق أقصى قدر من الاحتجاز لمجموعة متنوعة من أحجام الجسيمات، تُرتّب طبقات وسائط الترشيح بحيث تكون الأجزاء ذات المسام الأكبر أقرب إلى تيار المدخل، ما يسمح باحتجاز الجسيمات الأكبر حجمًا. وتقل أحجام المسام كلما اقتربنا من تيار المخرج. وباعتماد هذه الطريقة، تُغطي وسائط الترشيح نطاقًا أوسع من أحجام الجسيمات، ما يُتيح تحكمًا أفضل في الاحتجاز ويُطيل عمر المرشح. ^{[ 15 ]}

يعتمد اختيار المرشح على عدد من المتغيرات، مثل الحمل، والمدة، وشكل وحجم وتوزيع المادة المراد ترشيحها. في الوضع الأمثل، إذا كانت المادة كبيرة جدًا، فسيكون المرشح رديء الجودة لأنه لن يتمكن من تجميع الجسيمات داخل بنيته. وعلى العكس، إذا كانت المادة صغيرة جدًا، ستتراكم المواد الصلبة على سطح الخرطوشة، مما يؤدي إلى انسدادات شبه فورية. أما بالنسبة للشكل، فإن الحبيبات المستديرة تميل إلى التآكل بسبب ضغط تيار المدخل على النظام، بينما الحبيبات المسطحة (التي قد تزيد من مساحة السطح) قد تطفو خارج النظام أثناء الغسيل العكسي. غالبًا ما يُنصح باستخدام الجسيمات ذات الصلابة العالية على مقياس موس، والتي تتمتع بكثافة نوعية عالية نسبيًا، كوسائط ترشيح. كلما كانت المادة أنعم وأخف وزنًا، زادت قابليتها للتآكل والتمييع. لذلك، تُستخدم جسيمات مثل السيليكا والرمل غالبًا لأنها متوفرة بأسعار معقولة، وفي الوقت نفسه مقاومة للتدفقات العالية للسائل الداخل. معامل التوحيد هو مقياس لتجانس المادة المستخدمة داخل المرشح. وهو نسبة بين حجم مسام المنخل الذي يسمح بمرور 60% من المادة، وحجم مسام آخر يسمح بمرور 10% فقط. كلما اقتربت النسبة من واحد، دلّ ذلك على تقارب أحجام الجزيئات. يُفضّل أن يكون معامل التوحيد في النظام المثالي بين 1.3 و1.5، ويجب ألا يتجاوز 1.7. أي قيمة أقل من 1.3 تُشير إلى عدم جدوى هذا المعامل في النظام، وقد تُؤدي إلى ارتفاع التكاليف دون أي تحسين إضافي. أما القيمة التي تتجاوز 1.5 فتُشير إلى احتمال انخفاض الضغط بشكل أكبر، وكما ذُكر سابقًا، قد تُؤدي إلى انسداد المرشح، وتسرب مياه الصرف، وانخفاض معدل الترشيح. ^{[ 16 ]} كإرشادات عامة، يُنصح بوضع أصغر الجزيئات المستخدمة في مرشحات العمق على بُعد 150  مم على الأقل من مخرج التيار لمنع حدوث التمييع. ^{[ 16 ]}

تعمل مرشحات العمق كمرشحات مغلقة، حيث تُعد سرعة تدفقات المدخل عاملاً حاسماً في أدائها. قد تتسبب تدفقات المدخل عالية السرعة، التي تحتوي على جزيئات كبيرة نسبياً، في انسداد وسائط الترشيح وتآكلها، مما يؤدي إلى زيادة انخفاض الضغط في النظام. في حال انسداد وسائط الترشيح واستمرار ارتفاع انخفاض الضغط، فمن الشائع أن تتسرب جزيئات النفايات وتياراتها عبر المناطق داخل الخرطوشة وتمر عبر تيار المخرج، مما يؤدي إلى عدم تنقية المياه.

لتقليل آثار الانسداد وتراكم الجسيمات، يجب أن يستوعب نظام التنظيف العكسي ما يقارب 1-5% من التدفق الكلي كتنظيف عكسي، ويعمل عند ضغط يتراوح بين 6 و8 بار تقريبًا. خارج هذا النطاق، قد تتفتت الجسيمات مما يصعب إزالتها من النظام، وقد يتسبب ذلك في زيادة سيولة النظام. ^{[ 14 ]}

يتمثل الغرض الرئيسي من مرشح العمق في العمل كمُصفٍّ، حيث يفصل المواد الصلبة العالقة عن تيار السائل المتدفق، ولذلك يُستخدم في المرحلة النهائية من عملية الفصل. يتكون مرشح العمق عادةً من تيار مخرج واحد لسائل مُنقّى، يحتفظ بجزيئات النفايات داخل نظامه. وبفضل طوله، يتمتع بقدرة أكبر على احتجاز الرواسب مقارنةً بالمرشحات القياسية. أما بالنسبة لتيار النفايات، فغالبًا ما يُعاد تدوير تيار المخرج إلى مرشح لاحق لضمان خلوه من الجسيمات. كما قد ينتج تيار نفايات عند تنظيف وسائط الترشيح، حيث يمر الماء في الاتجاه المعاكس، وقد تخرج الرواسب العالقة داخل وسائط الترشيح، أو جزيئات الوسائط التي أُزيحت، من الوحدة قبل التخلص منها بشكل مناسب. ^{[ 12 ]}