TEMEL İŞLEMLER-1 DOÇ. DR. SENAR AYDIN 1
7. FİLTRASYON (FILTRATION) Su veya atıksuyun kum, antrasit v.b. granül maddeler kullanılarak oluşturulan gözenekli bir ortamdan geçirerek katı parçacıkları ayırma operasyonuna filtrasyon denir. 2
7. FİLTRASYON (FILTRATION) Su arıtımında: o Askıda katı ve koagülasyonla oluşturulan katıların gideriminde, o Çöktürülmüş Fe ve Mn gideriminde, o Sertlik gideriminde yumuşatma kimyasal işleminden sonra, o Her türlü bulanıklık gideriminde, 3
7. FİLTRASYON (FILTRATION) Atıksu arıtımında: o Bakteri gideriminde, o Çöktürülmüş fosforun vb kimyasalların ayrıştırılmasında, o Kimyasal çöktürme (koagülasyon) sonrasında kalan bulanıklığı gidermek için filtrasyon prosesi kullanılmaktadır. 4
7. FİLTRASYON (FILTRATION) Gözenekli ortam kum, çakıl, antrasit kömür, perlit, granül aktif karbon veya bunların kombinasyonu şeklinde olabilir. Filtrasyonla parçacık giderimi bazı mekanizmalar yardımıyla olur. Bu mekanizmalar: Suyun fiziksel ve kimyasal özelliklerine, Filtre malzemesinin özelliklerine bağlı olarak farklılık gösterir. 5
7. FİLTRASYON (FILTRATION) Filtrasyon işleminin mekanizmaları: 1) Mekanik süzme, 2) Çökelme, 3) Adsorpsiyon, 4) Kimyasal reaksiyon, 5) Biyolojik faaliyet. 6
a. Mekanik süzme Mekanik olarak süzme işlemi, kullanılmış suların filtre yatağından geçerken bazı kirleticilerin filtre malzemesi tarafından tutulması işlemidir. Süspansiyon halindeki katıların boyutları, yatak malzemesi gözeneklerinden büyük olduğundan burada tutulurlar. Ancak kum malzemenin çapı 0,4 mm olsa dahi, küre şeklindeki kumların yan yana dizilmesi halinde arada kalan boşluk 0,l55x400 μm = 62 μm çapındadır. 7
a. Mekanik süzme Kolloidlerin çaplarının (0.001-0,1 μm), bakterilerin çaplarının (1-10 μm) olduğu dikkate alınırsa bunların 0.4 mm çaplı malzemeyle teşkil edilmiş filtrelerde tutulamayacakları anlaşılır. Hatta küçük çaplı alüminyum ve demir yumaklarının (mesela 20-50 μm) da tutulması mümkün görülmemektedir. 8
a. Mekanik süzme Ancak süzülme sırasında bazı daneciklerin birbiriyle temas etmesi neticesi büyük yumaklar teşekkül eder, böylece kirletici maddelerin filtre yatağından süzülüp çıkış suyuna karışması engellenir. Hızlı kum filtrelerinde mekanik süzme, diğer giderme mekanizmaları yanında ihmal edilebilecek mertebededir. Bu yüzden çabuk tıkanmalara meydan vermemek için bu filtrelerde kum yatağının dane çapı daha büyük seçilir. 9
b. Çökelme Filtrede filtre yatağının üzerinde bir durgun su sütunu bulunmaktadır. Burada normal çökelme işleminde olduğu gibi bazı danecikler filtre yatağının üzerine çökelir. Çökeltme havuzlarında, çökelen maddeler tabanda birikirler. Halbuki filtrelerde, filtre yüzeyine ilave olarak daneciklerin toplam yüzey alanı da bahis konusudur. 10
b. Çökelme Yatağın porozitesi p ile, dane çapı d ile gösterilirse, p= 0,4, d= 0,8 mm alınırsa 1 m filtre malzemesinin toplam yüzey alanı 4500 m2 bulunur. Süzülme sırasında çökelen malzemeler, gözenek hacmini azaltır, suyun geçtiği kesit daraldığından su hızı artar, filtre yatağındaki malzeme artan su hızı ile aşağıya taşınır, filtre yatağı kalınlığı sınırlı olduğundan çıkış suyu kalitesi bozulur. Böyle durumlarda hızlı kum filtrelerinin geri yıkanması gereklidir. 11
c. Adsorpsiyon Adsorpsiyon (tutulma), kolloidlerin ve küçük asılı daneciklerin sudan uzaklaştırılmasında en mühim işlemlerden birisidir. Adsorpsiyon kuvvetleri, en fazla 0,01-1 μm gibi çok kısa mesafeler için tesirli olmaktadır. Hâlbuki kum daneciklerini saran film tabakasının kalınlığı, bu mesafeden çok daha büyüktür. Bu husus dikkate alınırsa adsorpsiyonun, daneciklerin tutulmasında bir rolü olmayacağı anlaşılır. 12
c. Adsorpsiyon Ancak durum farklıdır. Adsorbsiyon işlemine yardım eden, taşınma mekanizmaları ile suda bulunan partiküller filtre malzemesini teşkil eden kum danesine doğru yaklaştırılır. Böylece mesafe azaldığından partiküller tutulur. Taşınma mekanizmaları, kesişme, atalet, yerçekimi, difüzyon ve hidrodinamik tesirler olarak sınıflandırılabilir. Parçacıkların taşınma mekanizmalarının basitleştirilmiş gösterilişleri Şekil 7.6 da verilmiştir. 13
c. Adsorpsiyon 14
d. Kimyasal Reaksiyon Filtrasyon işlemi sırasında bazı reaksiyonlar cereyan eder. Böylece çözünmüş haldeki kirletici maddeler ayrışır, daha az zararlı maddeler haline dönüşür veya çözünmeyen maddelere dönüşerek çökelme ve adsorpsiyon ile sudan uzaklaşır. Suda oksijen mevcut ise organik maddeler, aerobik olarak ayrışır. 15
d. Kimyasal Reaksiyon 16
d. Kimyasal Reaksiyon 17
e. Biyolojik Faaliyet Filtre yatağında ve yatak yüzeyinde yaşayan mikroorganizmalar biyolojik faaliyet gösterirler. Suda bulunan besin maddelerin bir kısmı, bu mikroorganizmaların yaşamaları için gerekli olan enerjiyi temin için (dissimilasyon), bir kısmı ise kendilerinin büyümeleri için (assimilasyon) harcanır. Bu mikroorganizmalardan bir kısmı süzme, çökelme ve adsorpsiyon ile kum daneciklerin yüzeyinde tutulur. 18
e. Biyolojik Faaliyet Ancak hızlı kum filtreleri ve yavaş kum filtrelerindeki bakteriyolojik faaliyetler birbirinden farklıdır. Hızlı kum filtrelerinde bakteriyolojik bakımdan emniyetli bir çıkış suyu temin edilemez. Bu filtrelerde E koli için azalma faktörü 2 ila 10 arasında değişir. Bu değer çok küçük bir değerdir. Yavaş kum filtrelerinde filtre yüzeyinde teşekkül eden biyofilm tabakası sebebiyle bakteriyolojik faaliyet fazladır. Ayrıca bakteri azalma faktörü hızlı kum filtrelerine göre çok iyidir. 19
7. FİLTRASYON (FILTRATION) Filtrede parçacık giderimi filtre derinliği boyunca bu mekanizmaların kombinasyonu ile gerçekleşir. Ayrıca filtre keki olarak adlandırılan yüzeyde oluşan birikim de yüzeyde filtrasyon yapar. Su arıtım uygulamalarında kullanılan hızlı kum filtreleri genellikle yer çekimiyle ve yaygın olarak açık beton havuzlarda inşa edilirler. Şekil 7.12 de yerçekimli üç filtrenin çizimi ve filtrenin kumunu, altındaki çakılı ve alt akış düzeneğini gösteren bir kesiti gösterilmiştir. 20
7. FİLTRASYON (FILTRATION) Şekil 7.1. Yerçekimli filtre ve ek birimleri 21
7. FİLTRASYON (FILTRATION) Şekil 7.2. Bir hızlı kum filtresinin boyuna kesiti 22
7.1. Filtre Sistemlerinin Sınıflandırılması: Sınıflandırma: Akımın yönüne, Debiye (Hidrolik yüke), Filtre yatağının türüne (malzemesine), Suyu hareket ettiren kuvvete, Akım kontrol metoduna, Filtrasyon mekanizmasına bağlı olarak yapılır. 23
7.1. Filtre Sistemlerinin Sınıflandırılması: Akım yönüne göre filtreler: 1) Yukarı akımlı, 2) Aşağı akımlı, 3) İki yönlü akımlı. 24
7.1. Filtre Sistemlerinin Sınıflandırılması: Yukarı akışlı filtre süzme yönünün iriden ince tanecikli ortama doğru olduğu ideal bir filtre elde etmenin diğer bir yöntemidir. Yük kaybı ortamı genişletecek olursa yatağın akışkanlaşması gerçekleşecek ve yumaklar yukarıya ulaşacaktır. Yatak derin yapılarak yada yatak üzerine bir kafesle bastırılarak akışkanlaşma önlenebilir. Bu nedenle yukarı akışlı filtrelerin içme suları için kullanımı sınırlıdır, endüstriyel ve atıksu arıtımında yaygın kullanılır. 25
7.1. Filtre Sistemlerinin Sınıflandırılması: Debiye göre filtreler: 1. Yavaş kum filtreleri: 0.05-0.15 gpm/ft 2 2. Hızlı kum filtreleri: 2-5gpm/ft 2 3. Yüksek seviyeli filtreler: 5-15 gpm/ft 2 Bunlardan en yaygın kullanılanları hızlı kum filtreleridir. Daha çok içme ve kullanma suyu arıtımında tercih edilirler. Yavaş kum filtreleri ise özellikle atıksu arıtımında kullanılmıştır. Ancak operasyon zorluğu ve alan gereksinimi sebebiyle alternatif yöntemlere geçilmiştir. Aşağıda yavaş ve hızlı kum filtrelerinin genel özellikleri ve tipik tasarım bilgileri kıyaslamalı olarak verilmektedir. 26
7.1. Filtre Sistemlerinin Sınıflandırılması: Yavaş kum filtreleri (YKF): İngiliz filtresi de denir, 1829 da Simpson tarafından geliştirilmiştir. Etkin büyüklüğü 0.2-0.4 mm olan kum kullanılır. Çabuk tıkanmayı önlemek için önceden çökeltme uygulanır. Geniş saha gerektirir. Maliyeti yüksektir. Operasyonu daha zordur (yüzey temizlemesi gerektirir). 27
7.1. Filtre Sistemlerinin Sınıflandırılması: Hızlı kum filtreleri (HKF): 1895 Amerika da George Fuller tarafından geliştirilmiştir. Etkin büyüklüğü 0.35-1.0 mm tipik 0.5 mm kum kullanılır. Öncesinde kimyasal koagülasyon ve çökeltme uygulanan arıtımda yer alır. 5-10 NTU giriş bulanıklığında % 90-98 verim sağlar. 28
7.1. Filtre Sistemlerinin Sınıflandırılması: Tablo 7.1. Yavaş ve hızlı kum filtreleri boyutlandırma kriterleri Karakteristik Özellik YKF HKF Filtrasyon seviyesi, gpm/ft 2 Yatak derinliği, cm Kum Çakıl Etkin kum boyutu, mm Eşboyutluluk sabiti Kum büyüklük dağılımı Filtrasyon süresi Temizleme şekli Temizlikte kullanılan su 0.05-0.15 10-60 30 0.2-0.4 2.0-2.5-3.0 Düzensiz 20-30-60 gün Yüzey sıyırma % 0.2-0.6 süzülen su 2-5 60 45 0.35-1.0 < 1.7 Boyuta göre düzenli 12-24-48 saat Geri yıkama % 1-6 süzülen su Gerekli ön arıtım Bulanıklık < 40 ppm Bulanıklık < 10-20 ppm Tamamlayıcı son arıtım Bazen çökeltme Cl 2 Koag.-flok. Sedim. Cl 2 29
7.1. Filtre Sistemlerinin Sınıflandırılması: Filtre yatağının türüne göre filtreler: Tek ortamlı, İki ortamlı, Üç ortamlı (karışık ortamlı) 30
7.1. Filtre Sistemlerinin Sınıflandırılması: Tek ortamlı filtreler: Tek malzeme kullanılır, en yaygın ve uygulamada tercih edilen malzeme kumdur. Kum yerine parçalanmış taş kömürü de kullanılabilir. Kum yatak genellikle 610-760 mm derinliğinde, altındaki çakıl tabakası da 380-610 mm kalınlığındadır. Tek bir tane boyutu kullanılabileceği gibi farklı tane boyutlarının da kullanılması farklı büyüklüklerde gözenekler elde edilmesini sağlar. Bu durumda filtre yatağı derinliğinde kumun tanecik büyüklük dağılımı aşağıdaki gibidir. 31
Filtre yatağının türüne göre filtreler: İdeal şartlarda: Akım yönünde gözenek büyüklüğü maksimumdan minimuma doğru olmalı. Şekil 7.3. Tek ortamlı filtre 32
Filtre yatağının türüne göre filtreler: İki ortamlı filtreler: Genellikle kum ve antrasit kömür yada kum ve aktif karbon birlikte kullanılır. Kömür üstte, kum altta yerleştirilir (Sg büyük, boyut küçük olacak şekilde) ve tabakalarda tanecik büyüklük dağılımı aşağıdaki gibidir. Şekil 7.4. İki ortamlı filtre 33
Filtre yatağının türüne göre filtreler: Tablo 7.2. Kullanılan malzeme tanecik özellikleriyle ilgili bilgiler Kum Kömür Yatak derinliği 6-12 in (0.15-0.4 m) 18-24 in (0.3-0.6 m) Etkin boyut 0.5-0.55 0.9-1.0 Eşboyut sabiti (U.C.) < 1.65 < 1.8 Spesifik gravite (sg) 2.85 1.2-1.6 İki ortamlı filtrelerde süzme hızı 1.36-6.79 L/s.m 2 arasında değişmekle birlikte, 2.04-4.08 L/s.m 2 aralığındaki bir hız yaygın olarak kullanılmaktadır. İdeal uygulamalarda filtre yatağı malzemesi ne olursa olsun parçacık büyüklük dağılımının aşağıdaki gibi olması verimli olacaktır. 34
Filtre yatağının türüne göre filtreler: Şekil 7.5. İdeal filtre 35
Filtre yatağının türüne göre filtreler: Karışık (çok) ortamlı filtreler: Birden fazla ortama sahip olan bu filtreler açık yer çekimli yada basınçlı filtreler olabilir. Su arıtımında son yıllarda daha çok kullanılmaya başlanmıştır. İleri ve üçüncül atık arıtımında başarıyla kullanılan başlıca filtre tipleridir. Çok ortamlı filtre yataklarında genellikle taş kömürü, kum, granat (garnet, lal taşı) kullanılır. 36
Filtre yatağının türüne göre filtreler: Karışık (çok) ortamlı filtreler: Aktif karbon, kum ve garnetin kullanıldığı yataklarda vardır. Aktif karbon çözünmüş organik bileşikleri de gidermektedir. Bütün malzemeler karışıktır. Spesifik graviteden (4.2) dolayı garnet en altta kalır. Yukarıdan aşağıya parçacıklar büyükten küçüğe sıralanırlar ve aşağıdaki grafikte görüldüğü gibi bir yerleşim gösterirler. 37
Filtre yatağının türüne göre filtreler: Şekil. Karışık (çok) ortamlı filtreler: 38
Filtre yatağının türüne göre filtreler: Çok ortamlı filtrelerin tek ortamlı filtrelere göre başlıca üstünlüğü daha uzun işletme süresi, daha yüksek süzme hızları ve daha yüksek bulanıklığa ve askıda katı maddeye sahip suları süzebilmesidir. Bu üstünlükler ortamların tanecik boyutu, ortamların farklı özgül ağırlıkları ve ortamların boyut dağılımları ile ortaya çıkmaktadır. 39
Filtre yatağının türüne göre filtreler: Tek ortamlı filtrede katı maddeleri toplamak için kullanılabilir gözenek hacmi yatağın üst kısmındayken çok ortamlı filtrelerde yatağın derinlerine genişler. Biriken yumakların derine inmesi nedeniyle bu filtreler sıkça derin yatak filtreler olarak adlandırılır. 40
Suyu hareket ettiren kuvvete göre filtreler : Yerçekimiyle çalışan filtreler uygun yük 8-12 ft Basınçlı filtreler 150 psi geri yıkama daha seyrek gerekir. 41
Suyu hareket ettiren kuvvete göre filtreler : Debi kontrolü: Sabit düzeyli filtrasyon Debi kontrol vanası ile sabit akım sağlanır 42
Suyu hareket ettiren kuvvete göre filtreler : Açık ve yer çekimiyle çalışan filtreler yaygın olsa da basınçlı filtrelerde kullanılmaktadır. Şekil 7.6. Yatay bir basınçlı filtrenin yan kesiti Şekil 7.7. Yatay bir basınçlı filtrenin dikey kesiti 43
Suyu hareket ettiren kuvvete göre filtreler : Şekil 7.8. Düşey bir basınçlı filtrenin dikey kesiti 44
Filtrasyon Operasyonu Operasyon halindeki bir kum filtresinin plan ve kesit örneği aşağıdaki şekilde görülmektedir. Kumun üzerinde yaklaşık 0.91-1.2 m (3-4 ft) su vardır ve su filtre ortamından aşağı doğru geçerek drenaj bölümüne akar. Buradan suyun filtrasyon hızının ölçüldüğü debi kontrol birimine akar. Giriş ve çıkış vanaları açık (1 ve 4), geri yıkama suyu giriş ve çıkış vanaları (2 ve 3) kapalıdır. 45
Filtrasyon Operasyonu 46
Filtrasyon Operasyonu L W 1.5 2.0 47
Filtrasyon Operasyonu Temiz bir filtre işletmeye alındığında kumun en üst katmanında katı madde birikimi olur. İşlem süresi uzadıkça filtrede tutulan bu maddeler filtre yatağında daha derine giderler. Bu birikim hidrolik yük kaybında artışa neden olur. Geri yıkama gerekliliği filtrelerdeki yük kaybına göre belirlenir. Yük kaybının arttığı filtre üzerindeki su seviyesinin yükselmesinden anlaşılır. Belli bir yüksekliğe eriştiğinde otomatik sinyalle filtre geri yıkama operasyonuna geçer. 48
Filtrasyon Operasyonu Bu durumun grafiksel gösterimi ise aşağıdaki gibidir. 49
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Şekil 7.9. Geri yıkama sırasında filtreyi gösteren çizim 50
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Yük kaybının büyüklüğü su düzeyi üzerindeki 1 noktası ile çıkış suyu hattının merkezindeki 2 noktası arasında Bernoulli enerji denklemi yazılarak gösterilir. 2 V1 P1 V2 P2 z1 z2 2g 2g 2 h l V 1, V 2 : 1 ve 2 noktalarındaki hız P 1, P 2 : 1 ve 2 noktalarındaki basınç z 1, z 2 : Referans seviyeye göre uzaklık : Suyun özgül ağırlığı h l : Yük kaybı 51
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: z 2 = 0 V 1 = 0 olduğunda P 1 = 0 P 2 z 1 2 V2 2g h l Yaygın kullanılan ölçüler: Yatak üzerindeki su yüksekliği = 4 ft (1.22 m) Kum kalınlığı = 2.5 ft (0.60 m) Çakıl kalınlığı = 1.5 ft (0.49 m) Dip drenaj için boşluk = 1 ft (0.3 m) z 1 = 4 + 2.5 + 1.5 + 1 = 9 ft yada 1.22 + 0.60 + 0.49 + 0.15 = 2.62 m 52
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Borular 4 ft/s (1.22 m/s) su hızına göre dizayn edilirse, Temiz filtrede (filtrasyon düzeyine göre) 53
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Filtrasyon gerçekleştikçe h l artar h l 8.75 P2 0 Akım yok, filtrasyon yok h l 8.75(2.54 m) P 2 negatif Geri akım başlar (emilme) h l 6 8 ft Pratikte Geri yıkama gerekli! h l 1.8 2. 4m Pratikte Geri yıkama gerekli! 54
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Filtreyi yıkamak için giriş suyu vanası ve filtre içerisindeki su süzülüp bittiğinde çıkış suyu vanası kapatılır. Geri yıkama suyu vanası açılır ve yaklaşık 0.34 L/s.m (0.5 gal/dak.ft 2 ) hızda yüzey yıkama başlatılır. Yaklaşık 1 dak bir yüzey yıkamadan sonra yıkama suyu giriş vanası yavaş yavaş açılarak geri yıkama akımı başlatılır. Yatağın belirli bir yüksekliğe kadar genişlemesi istenir. 55
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Yatağın en altındaki kum taneciklerinin asıltıya geçmesi için geri yıkama hızı 10.2-13.6 L/s.m 2, yatak genişlemesi de %20-50 arasında olmalıdır. En uygun geri yıkama debisi yıkama suyunun sıcaklığına bağlıdır çünkü soğuk su yatağı sıcak sudan daha fazla genişletir. 56
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Geri yıkama işlemi atık geri yıkama suyu temiz görününceye kadar sürdürülür. Genelde tam bir yıkama için 3-10 dak bir geri yıkama gereklidir ve toplam devre dışı kalma süresi 20 dak kadar çıkabilir. Geri yıkamadan sonra süzülen ilk su kabul edilebilir çıkış suyu bulanıklık değerine ulaşana dek atılır. 57
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Gerekli yıkama suyu miktarı, süzülen suyun %1 ile 5 i arasında değişirken en çok kullanılan değer %2-3 dür. Şekil 7.10. Geri yıkama sırasında filtreyi gösteren çizim 58
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Filtrelerde kullanılan kumlar, etkin boyut ve eşboyutluk katsayısı ile tanımlanır. Etkin boyut kumun (ağırlıkça) %10 unun geçtiği elek boyutuna eşittir. Eşboyutluk katsayısı, kumun %60 ının geçtiği elek boyutunun %10 unun geçtiği elek boyutuna bölünmesiyle bulunur. Çoğu hız kum filtresinde etkin boyutu 0.35-0.50 mm olan kum kullanılırken, bazıları 0.70 mm ye kadar çıkan etkin boyuttaki kuma sahip olabilir. Boyut dağılımının bir ölçüsü olan eşboyutluk katsayısı genellikle 1.3 ile 1.7 arasındadır. 59
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Çakıl kum yatağına destek sağlar ve birkaç katmandan oluşur. Toplam derinlik 15-60 cm arasında olmakla birlikte en çok karşılaşılan değer 460 mm dir. Çakılın en üst katmanının boyutu kumun boyutuna, en alt katmanının boyutu da alt boşaltım düzeneğinin tipine bağlıdır. Genellikle beş katman kullanılır ve en üstte 1.6 mm den küçük, en altta da 25-50 mm boyutlu çakıllar yer alır. 60
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Alt boşaltım düzeneği süzme süresince yataktan süzülen suyu toplama, geri yıkama esnasında da geri yıkama suyunu dağıtma görevi yapar. Geri yıkama akış hızı süzme hızından birkaç kez daha büyük olduğu için filtrenin hidrolik tasarımını belirler. Standart süzme hızı filtre yatağı alanı için 1.36 L/s.m 2 olarak alınır. Ancak hız 3.4 L/s.m 2 ye kadar yükseltilebilir. Çoğu filtreler sabit bir süzme hızında çalışırken bazen azalan süzme hızı da kullanılır. 61
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Bu tür işletmede süzme işlemi sürdükçe süzme hızı düşürülür ve tutulmanın derecesi artırılır. Bu genellikle daha uzun işletme süresi ve daha iyi çıkış suyu kalitesi ile sonuçlanır. 62
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Tek filtre veya her havuzda ikili filtre şeklinde uygulanabilir. En yaygın olan tek filtre düzenlemesidir. Ve uzunluk/genişlik oranı 1/1.5 ile1/2 arasında değişir. İkili filtre uzunluk/genişlik oranı 1/1 olan kare şeklinde yapılır. İnşa edilen en büyük filtrenin yüzey alanı 195 m 2 dir. Şekil 7.11. Tek filtre için üstten görünüş ve drenaj Şekil 7.12. İkili filtre için üstten görünüş ve drenaj 63
64
Filtredeki yük kaybı miktarının hesaplanması: Filtre en uygun durumda işletildiğinde izin verilebilir en yüksek yük kaybı h l (H a ) izin verilebilir en büyük çıkış suyu bulanıklığı C e ile eş anlı gerçekleşir. Filtrenin işletim süresi besleme suyunun niteliğine bağlıdır ve filtrasyon süresi en fazla birkaç gün sürer. Şekil 7.13. En uygun işletimde süzme süresine karşı yük kaybı ve çıkış suyu bulanıklığı 65
Filtrasyon Hidroliği: Filtre hidroliği iki kategoride incelenebilir: 1. Asıl filtrasyon operasyonu 2. Geri yıkama operasyonu Granül filtrelerde akım laminerdir ve Darcy kanununa uyar. Darcy Kanunu: 66
Filtrasyon Hidroliği: Yük kaybının hesaplanması için çeşitli bağlantılar kullanılır. Rose eşitliği: 67
Filtrasyon Hidroliği: Carmen Kozeny eşitliği: Bu eşitlikler tek bir parçacık büyüklüğünde yani uniform filtreler için geçerlidir. Eğer filtrede farklı boyutlu parçacıklardan veya farklı bir malzemeden oluşan katmanlar mevcutsa her bir katmanın yük kaybı hesaplanıp toplanır. 68
Filtrasyon Hidroliği: şekil faktörü: düzensizliğin göstergesidir. Küre için: 69
Filtrasyon Hidroliği: Küre olmayan parçacıklarda: d 6V. A Bu durumda uniform granüllerden oluşan filtrelerde 70
Filtrasyon Hidroliği: Parçacık büyüklüğüne göre katmanlanmış filtre yataklarında Burada; i: Katman numarası n: Katman sayısı P i : d i büyüklüğündeki parçacıkların ağırlıkça oranı Her bir d i için Re, E ve C D hesaplanmalıdır. 71
Filtrasyon Hidroliği: Bu eşitlikler temiz filtre için oluşmuş eşitliklerdir. Belli bir poroziteye bağlıdırlar. Farklı tıkanma seviyelerinde yeni bir porozite oluşmaktadır. Bunu takip etmek ve hesaplamak da zordur. Bu yüzden başka yaklaşımlar ortaya çıkmıştır. 72
Filtrasyon Hidroliği: Yük kaybı ile filtre tarafından giderilen materyal miktarı arasındaki bağıntıdan yararlanılarak: 73
Filtrasyon Hidroliği: 74
Uzamış Filtre Yatağının Hidroliği Derinliği l olan uniform bir filtre yatağı geri yıkama sırasında uzayarak (genişleyerek) l e derinliğine ulaşır. Bu durumda yük kaybı; 75
Uzamış Filtre Yatağının Hidroliği Bu durumda uniform parçacıklardan oluşan bir filtre yatağı; V V. p b s e hızında su verildiği zaman uzayacaktır. Uzamış filtre yatağında kum hacmi = Uzamamış filtrede kum hacmi 76
Uzamış Filtre Yatağının Hidroliği Geri yıkama su hızı istenilen l e uzunluğuna ve parçacık çökme hızına göre ayarlanır. Eğer parçacık büyüklükleri farklıysa V s en küçük parçacığın Stoke kanununa göre hesaplanmış hızıdır. 77
Yıkama Suyu Toplama Kanalı Tasarımı: Yıkama olukları birbirinden 1.52-1.83 m uzaklıkta yerleştirilir. Geri yıkama suyunun uzaklaştırılmasını sağlarlar. Yıkama oluklarının tabanı geri yıkama süresince genişlemiş yatağın en az 150 mm üstünde olmalıdır. Şekil 7.14. Yıkama düzeneğinin üstten görünüşü 78
Yıkama Suyu Toplama Kanalı Tasarımı: Şekil 7.15. Geri yıkama oluğu (kanalı) ayrıntıları 79
Yıkama Suyu Toplama Kanalı Tasarımı: Toplam deşarj (debi): 80
Yıkama Suyu Toplama Kanalı Tasarımı: Su kanaldan toplama haznesine düşerken y c kritik derinliğindedir. Dikdörtgen kanal için; 81
Yıkama Suyu Toplama Kanalı Tasarımı: Sürtünmeli ortamda; H 0 = H 0 (sürtünmesiz) + (0.06 0.16).H 0 (sürtünmesiz) Sürtünmeden doğan kayıplar H 0 değerini % 6-16 oranında artırır. 82
Filtre Tabanı Drenaj Sistemi: Sistemin iki fonksiyonu vardır. 1. Süzülen suyun toplanması 2. Geri yıkama suyunun dağıtılması Taban sisteminde ana boru, manifold ve lateral sistemler bulunur. Filtre büyüklüğüne göre bunların sayısı değişebilir. 83
Filtre Tabanı Drenaj Sistemi: Şekil 7.16. Filtre borularının yerleşimi 84
Filtre Tabanı Drenaj Sistemi: Lateral üzerinde delikler bulunan ince borulardır. Geri yıkama yapılırken lateralden verilen su daha iyi dağılsın ve filtrasyon yapılırken deliklere kum kaçmasın diye laterallerin delikli kısmı filtre tabanına bakacak şekilde yerleştirilir. 85
Filtre Tabanı Drenaj Sistemi: Geri yıkama hem hava hem su ile yapılıyorsa; Önce hava ile geri yıkama yapılır, 18-90 m/sa hızda hava verilir. Sonra genişletme ve yıkama için 13-54 m/sa hızda su verilir. Drenaj sisteminin bir alternatifi filtre inşası sırasında dipte betonarme gözenekli bir yapının oluşturulması. 86
Filtrasyon Verimi: Filtrasyonla giderilebilen maddeler: Bulanıklık Bakteriler Alg Renk Oksitlenmiş Fe, Mn Radyoaktif parçacıklar Eklenen kimyasallar (koagülan vs) Ağır metaller 87
Filtrasyon Verimi: Filtrasyon verimini etkileyebilecek su karakteristiği: Sıcaklık Askıda katı madddelerin Büyüklüğü Yapısı Konsantrasyonu 2. maddeye bağlı olarak süzülebilirlik 88
Filtrasyon Verimi: Filtrasyon verimini etkileyebilecek filtre yatağı özellikleri: Filtre granüllerinin şekil ve büyüklüğü Yatak porozitesi Parçacık büyüklüğüne göre filtredeki yerleşim (büyükten küçüğe vs) Yatak derinliği Yatak boyunca yük kaybı 89
İşletme Sorunları Hızlı kum filtrelerinde karşılaşılan başlıca sorunlar çamur yumakları yada çamur topakları, yatak büzülmesi ve hava bağlanmasıdır. Çamur yumakları oluşumu filtreye beslenen su topaklaşmış yumaklar içerdiğinde ve filtre uygun bir şekilde yıkanmadığından oluşabilir. Topaklaşmış yumaklar kum yatağın yüzeyinde kumun üstündeki herhangi bir çatlaktan sızabilen bir çamur örtüsü oluşturarak birikir. 90
İşletme Sorunları Eğer yüzey yıkama yapılmazsa geri yıkama süresince çamurun bir kısmı küçük çamur topakları oluşturacak şekilde sıkışıp bir araya toplanabilir. Daha sonraki süzme ve geri yıkama ile birlikte bu topaklar büyür ve kumla kekleşerek sonunda çakıl tabakasında çökelir. Bu ise süzmeyi engeller ve geri yıkamanın yetersiz olmasına neden olur. Çamur topaklarının oluşumu çamur örtüsünü parçalayan yüzey yıkama uygulanarak engellenebilir. 91
İşletme Sorunları Kum taneleri ince balçıkla kaplanırsa yatak büzülmesi gerçekleşebilir. Buda süzme sırasında yatağın sıkışmasına neden olur ve yatak yüzeyinde ve filtrenin yan duvarları boyunca çatlakların oluşması ile sonuçlanır. Bu çatlaklar suyun yataktan uygun olmayan şekilde süzülmesine izin verebileceği için istenmez. Çok ince çamur yumakları çatlakların içine dolup çamur topakları oluşturmak üzere birikebilir. Filtre kumunun ince çamurla kaplanması yüzey yıkama ile en aza indirilebilir. 92
İşletme Sorunları Yatağın hava bağlamasına azot ve oksijen gibi suda çözünen hava gazlarının kum yatağın hava kabarcıkları oluşturarak çıkışı neden olur. Hava bağlama genellikle filtre negatif basınçta çalıştığında ortaya çıkar ve süzme hızını etkiler. Yine geri yıkamanın başında hava kabarcıkları yükselirken gerçekleşen kuvvetle karıştırma kum kaybına neden olur. Başlıca kontrol yöntemi negatif yük yada basınçlardan kaçınmaktır. 93
Filtre Yerleşimi, Ek Donanım ve Ayrıntılar Yer çekimli filtreler genellikle betonarme olarak yapılır. En az filtre sayısı genellikle iki olmakla birlikte dört olması tercih edilir. Filtreler bir sırada yan yana yerleştirilir ve gerekli tüm boruları, vanaları ve benzeri donanımı içeren boru galerisi filtre sırasına paralel olarak yer alır. 94
Filtre Yerleşimi, Ek Donanım ve Ayrıntılar Soğuk iklimlerde filtreler kapalı bir binada bulunurken her bir filtre yatağının hemen üstündeki ıslak alanın etrafında yer alan ve hava kabarcıkları üreten delikli bir boru bulunursa açıkta da olabilir. Hava kabarcıkları ile yavaşça karıştırma donmayı önler. 95
Filtre Yerleşimi, Ek Donanım ve Ayrıntılar Boru galerisi ve işletme katı çalışanların ve donanımın korunması için her zaman kapalı bir alandan olmalıdır. Nemsiz bir boru galerisi kontrol vanaları ve diğer donanımın bakım gereksinimlerini azaltır. Basınçlı filtreler genellikle silindir biçiminde ve en fazla 3.05-3.66 m çapta ve 18.29 m uzunlukta çelikten yapılır. Geri yıkama sırasında filtre yatağının gözlenmesi için cam kısımlar vardır ve gerekli bakımın yapılması için giriş bacaları bulunur. 96
Filtre Yerleşimi, Ek Donanım ve Ayrıntılar Elle veya tümüyle otomatik olmak üzere başlıca iki kontrol düzeni vardır. Çıkış suyu bulanıklığı veya yük kaybı önceden belirlenen bir değere ulaştığında programlayıcı filtreyi devre dışına alır yıkar ve devreye sokar. Havayla yıkama olarak adlandırılan yıkama düzeneği yüzey yıkama yerine kullanılır. Filtre yatağının altından 0.61-1.52 m 3 /m 2.dak hızla ve 3-10 dak hava uygulanır ve 1.36-3.40 L/m 2.s hızda geri yıkama başlatılır. 97
Su Arıtımında Filtrasyon Önceleri yavaş kum filtreleri kullanılırdı. Filtrasyondan önce genellikle basit çökelme uygulanırdı. Tek ortamlı (kum) dp = 0.2-0.4 mm etkin boyut Filtrasyon düzeyi = 0.05-0.15 gal/dk.ft 2 (0.034-0.11 L/s.m 2 ) 4-6 haftada bir tıkanan kumun üst yüzeyi elle temizlenir. (kumun tıkanmış üst tabakası sıyrılarak yıkanır) Geniş alan gerektirir. İnsan gücü gereksinimi fazladır. 98
Su Arıtımında Filtrasyon Daha sonra hızlı kum filtrelerinin özellikle koagülasyon-flokülasyonsedimantasyon arıtımında daha verimli ve uygun olduğu görüldü. Tek veya iki ortamlı filtreler kullanılır. 99
Su Arıtımında Filtrasyon 1.36 L/m 2.s hızda çalıştırılan ilk filtreler bir çakıl tabakası üzerinde bulunan kuvars kumdan oluşmuştur. Giriş suyu bulanıklığı 5-10 NTU olduğunda 90-98 lik bir bulanıklık giderimine ulaşılmaktadır. Çoğu hızlı kum filtresi 2.04-3.40 L/m 2.s hızda çalıştırılır. Hızlı kum filtrelerinde birincil filtre etkisi genellikle derinde gidermedir. 100
Su Arıtımında Filtrasyon Kireç soda ile yumuşatma yapılırken kum tanelerinin üzerinde kalsiyum karbonatın oluşturduğu kireçlenme gerçekleşebilir. Bu kum tanelerini istenmeyen bir şekilde büyütür. Kireçlenme, aşırı kirecin uzaklaştırılması ve suyun kararlı hale getirilmesi için süzmeden önce karbondioksit kullanılarak ph ın düşürülmesi ile önlenebilir. 101
Su Arıtımında Filtrasyon Tablo 7.3. Su arıtımı için tek ortamlı filtre özellikleri 102
Su Arıtımında Filtrasyon Tablo 7.4. Su arıtımı için iki ortamlı filtre özellikleri 103
Su Arıtımında Filtrasyon Tablo 7.5. Su arıtımı için karışık ortamlı filtre özellikleri 104
Atıksu Arıtımında Filtrasyon Son çökeltme tankı çıkış suyuna Biyolojik arıtım sonrasında uygulanan kimyasal arıtım suyuna Kimyasal arıtılmış ham su veya ön arıtım çıkış suyuna filtrasyon uygulanabilir. İleri arıtımda kullanılan filtrasyon genelde iki ortamlı veya karışık ortamlıdır. İçme suyu arıtımı ile atıksu arıtımında kullanılan filtrelerin farkı granül boyutudur. Atıksu arıtımında d p daha büyük olur. 105
Atıksu Arıtımında Filtrasyon Filtrenin performansını etkileyen parametreler: Flok mukavemeti AKM konsantrasyonu Biyolojik flok yüzeyde giderilir. Kimyasal flok derinlik boyunca giderilir. Biyolojik flokların kesme kuvvetlerine karşı dayanıklılığı kimyasal floklardan daha fazladır. Özellikle kimyasal flok mukavemetini artırmak için filtrasyon girişinde polimer yardımcı kullanılır. 106
Atıksu Arıtımında Filtrasyon İkincil arıtımdan çıkan ve herhangi bir işlem görmemiş suyun süzülmesinde temel fitre davranışı yüzeyde giderimdir ve bunun sonucunda ortaya çıkan aşırı yük kayıpları filtre işletiminin durdurulmasına neden olur. Süzüntünün niteliğindeki bozulma filtre işletiminin sonunu belirler. 107
Atıksu Arıtımında Filtrasyon Atıksular süzülürken filtre ortamı üzerinde mikroplardan kaynaklanan bir tabakanın oluşmasını önlemek için yüzey yıkama yada havayla yıkama şeklinde yardımcı yıkama sistemi kullanılır. Yüksek ph da kireçle pıhtılaştırma yapılırken filtre ortamı üzerinde kalsiyum karbonat nedeniyle kireç taşı oluşumu gerçekleşebilir. İşletme sorunlarının önüne geçmek için stabilizasyon gereklidir. 108
Atıksu Arıtımında Filtrasyon Tablo 7.6. İleri yada üçüncül atıksu arıtımı için iki ortamlı filtre özellikleri 109
Atıksu Arıtımında Filtrasyon Tablo 7.7. İleri yada üçüncül atıksu arıtımı için çok yada karışık ortamlı filtre özellikleri 110
Vakum Filtrasyon Arıtımda kullanılan vakum filtre bir kısmı suya batmış durumda, üzeri filtre malzemesiyle kaplanmış bir silindir şeklindedir. 111
Vakum Filtrasyon Silindirik kazanın yaklaşık ¼ ü suya batar. Kazan içerisinden vakum uygulanır. Su içeriden alınırken dış yüzeyde ıslak çamur keki oluşur. Sudan çıkan bölümde devam eden vakumdan dolayı daha fazla susuzlaştırılır. Sıyırılarak toplanır. 112