İçme suyu arıtımında, askıdaki maddelerin sudan uzaklaştırılmasını sağlayan temel işlemlerin en önemlilerinden biri de filtrasyondur. Filtrasyonla uzaklaştırılabilen başlıca askıdaki maddeler, kil ve silt tanecikleri, mikroorganizmalar, kolloidal ve çökebilir hümik maddeler, bitkisel döküntülerin çürümesinden ortaya çıkan diğer organik tanecikler, koagülasyon sonucunda ortaya çıkan aluminyum ve demir çökeltileri, kireç-soda metoduyla su yumuşatmada meydana gelen, kalsiyum karbonat ve mağnezyum hidroksit çökeltileri ve oksidasyon sonucu meydana gelen demir ve mangan çökeltileridir.
FİLTRE ÇEŞİTLERİ
İçme suyu filtrasyonunda farklı tipte filtreler kullanılabilir.
Filtre malzemesine göre 4 çeşit filtre vardır:
Kum filtreler
Antrasit kömürlü filtreler
Karışık yataklı filtreler
Diatomit filtreler
FİLTRE ÇEŞİTLERİ
Hidrolik şartlara veya inşa şekillerine göre çalışan 2 çeşit filtre vardır
1. Yerçekimi ile çalışan filtreler: Bunların üstü açık olup, su filtre ortamından yerçekimi etkisiyle geçer.
2. Basınçlı filtreler: Bunlarda filtre ortamı basınçlı bir kap içinde bulunur. Su filtre ortamından basınç altında geçer ve basıncı biraz azalmış olarak çıkar.Basınçlı filtre şeması Şekil 4.1 de görülmektedir.
3. Kaplamalı (precoat) filtreler: Bu filtrelerde ,daire şeklinde düz bölümler destek olarak kullanılır. Bu desteklere ince taneli diatome toprağı, ince bir tabaka halinde kaplanır. Bu tabaka, belli bir süre sonra atılarak yenilenir. Şekil 4.2 de kaplamalı bir filtre şekli verilmiştir.
BASINÇLI FİLTRELER
PRECOAT FİLTRELER
FİLTRE ÇEŞİTLERİ
Filtrasyon hızına göre 2 çeşit filtre vardır;
Yavaş filtreler:bu filtrelerde filtrasyon hızı 0,1-0,5 m3/m2.saat civarındadır
Hızlı filtreler:Bu çeşit filtrelerde filtrasyon hızı yüksek olup, 5-15 m3/m2.saat civarındadır.
Son olarak filtrasyon işlemini,
1.Derin filtrasyon,
2. Kek filtrasyonu
Şeklinde iki gruba ayırmak mümkündür.
FİLTRE ÇEŞİTLERİ
Derin filtrasyonda sudaki tanecikler, filtre yatağının içinde tutulurken, kek filtrasyonunda filtre yüzeyinde tutulurlar. Hızlı kum filtrelerinde derin filtrasyon olurken, yavaş kum filtrelerinde kek filtrasyonu meydana gelir. Kek filtrasyonu, taneciklerin yüzeye bağlanmasıyla meydana gelen fiziksel bir işlemdir. Yavaş kum filtrelerinde filtre yüzeyinde toplanan taneciklerin oluşturduğu yüzey keki etkili olmaktadır.Bu kek tabakası, canlı veya ölü mikro ve makro organizmaları da ihtiva eder. Organizmaların biyolojik metabolizması, suyun kimyasal bileşiminde bazı değişikliklere yol açabilir.Yüzeyde meydana gelen bu kek tabakasına ”kirli deri tabakası” adı verilmektedir.
FİLTRE ÇEŞİTLERİ
Bu tabaka geliştikçe, taneciklerin sudan uzaklaşması daha iyi olur. Filtrasyonda en önemli rolü, bu kek tabakası oynar. Bu yüzden filtre kalitesi, filtrasyon süresince artar. Yavaş kum filtrelerinde, filtre edilen suyun kalitesinde hiçbir zaman bozulma olmaz. Şekil 4.3 de yavaş kum filtresi görülmektedir.
YAVAŞ KUM FİLTRESİ
FİLTRE ÇEŞİTLERİ
Hızlı kum filtrelerinde, yani derin filtrasyonda, sudaki taneciklerin uzaklaştırılması daha kompleks bir takım mekanizmalarla gerçekleşir. Filtre yatağını oluşturan tanelerin arasındaki gözenek çaplarından daha küçük çaptaki askıdaki maddeler de sudan uzaklaştırılabilir. Bir takım taşınma mekanizmaları ile sudaki tanecikler, filtre yatağını oluşturan tanelerin üzerine taşınır. Taşınma olayının arkasından, bir takım tutma mekanizmaları etkili olur ve böylece askıdaki tanecikler filtre ortamını teşkil eden tanelerin yüzeyinde tutulur.
HIZLI FİLTRASYON
FİLTRE ORTAMI
Granüler yatak filtrelerde kullanılan en yaygın filtre ortamı, silis kumu, antrasit kömürü, garnet veya ilmenittir. Bunlar yalnız başlarına, ikili ve hatta üçlü ortamlar teşkil edecek şekilde kullanılabilirler. Garnet ve ilmenit tabiatta mevcut olan yüksek yoğunluklu minerallerdir. Bazen yukarıda sayılanların dışında, daha başka filtre ortamları da kullanılabilir. Mesela granül aktif karbon (GAK), filtre ortamı olarak kullanılabilir. GAK hem filtrasyon hem de adsorpsiyon işlemlerini bir arada gerçekleştirir. Kaplamalı (precoat) filtrelerde, filtre ortamı olarak diatome toprağı veya perlit kullanılır.
Filtre ortamının özellikleri
Filtre ortamının özellikleri filtrasyonun verimini etkiler. Bu özellikler tane büyüklüğü, biçimi,yoğunluğu ve porozitesidir.Tane boyutu, filtrasyon verimi ve geri yıkama işlemlerini etkileyen en önemli özelliktir. Bu özellik elek analizleriyle tayin edilir. Filtre ortamının, çöktürme havuzundan gelen flokların tutulmasını sağlayacak tane büyüklüğünde olması istenir. Diğer taraftan filtre çalışma süresinin uzun olmasını sağlamalı ve filtre yıkandığı zaman çamurlar, taneler üzerinden kolayca atılabilmelidir. Taneler kolayca yıkanıp temizlenmezse, geri yıkama suyunun hızını daha da arttırmak gerekir ki, o zaman taneler de su ile birlikte dışarı kaçar ve zayi olur. İnce kum, yumakların geçmesine mani olur ve gayet berrak bir su verir. Fakat filtre uzun zaman çalışamaz, hemen tıkanır ve yıkamak da daha zor olabilir.
Filtre ortamının özellikleri
Halbuki daha iri taneli kumda durum bunu tersidir. Kum çok ince olursa, aynı geri yıkama hızında, kalın kuma nazaran daha fazla kabarır. Bu takdirde ise kum tanelerinin birbirine sürtünerek üzerindeki çökelti maddeleri atma imkanı azalır ve yıkama zorlaşmış olur. Bunun aksine, kum taneleri iri olursa, yıkama sırasında bunlar birbirine daha hızlı çarpar ve böylece daha iyi temizlenirler. Kum büyük taneli olursa filtre daha uzun çalışır, daha temiz yıkanabilir ve daha az çamur topu meydana gelir. Ancak kum çapı arttıkça filtre edilen suyun bulanıklığını gidermek zorlaşır. Bu yüzden filtrede optimum kum çapını bulmak gerekir.
ELEK ANALİZİ
Filtre yatağı olarak kullanılacak olan kumu tanımlamak için, elek analizi yapılır. Bunun için kurutulmuş olan kumdan birkaç yüz gram tartılır ve bir seri standart elek grubundan geçirilir. Eleme sonunda her eleğin üstünde kalan miktarlar tartılır. Sonra en üstteki elekten itibaren, her eleğin üstünde kalan miktarlar birbirine ilave edilmek suretiyle toplanarak Tablo 4.1 de görüldüğü gibi yazılır. Şekil 4.6 da bir elek analiz sisteminin resmi görülmektedir. Şekil 4.7. de ise Tablo 4.1 deki değerlerle çizilen grafik görülmektedir.
Kum elek analizi sonuçları
Kum analizi eğrisi
Elek analiz sistemi
ELEK ANALİZİ
Elek analizi sonucunda filtre malzemesinin özelliği;
1.Efektif çap (E)
2 Uniformluk katsayısı (U)
şeklinde iki ayrı büyüklük ile tanımlanır.
Efektif çap, kumun sadece %10 unu geçiren eleğin göz açıklığıdır. Bu değer d10 şeklinde de gösterilir.
Uniformluk katsayısı, ortamın tane boyutu aralığının bir ölçüsüdür. Kumun %60 ını geçiren (%40 ını üzerinde tutan) elek göz açıklığının %10 unu geçiren ( %90 ını üzerinde tutan) elek göz açıklığına oranı uniformluk katsayısını verir.Yani,
Uniformluk katsayısı = d60 / d10 (4.1)
EFEKTİF ÇAP-ÜNİFORMLUK KATSAYISI
Genellikle hızlı kum filtrelerinde kullanılan kumun efektif çapı 0.4-0.55 mm arasında olup, uniformluk katsayısı 1.75 den büyük, 1.35 den küçük olmamalıdır. Kum tabakasının uniform olması gerekir. Ancak bu şekilde kum tabakasının alt kısmı da üst kısmı kadar etkili olabilir. Diğer taraftan çeşitli büyüklükteki kum taneleri, filtrenin geri yıkanması sırasında kendi aralarında tabakalaşarak çeşitli tabakalar teşkil ederler ve ince kumların teşkil ettiği tabaka da en yukarıda kalır. Kalın kum tabakası üzerinde biriken ince kum tabakası da filtrenin kısa zamanda tıkanmasına sebep olabilir.
EFEKTİF ÇAP-ÜNİFORMLUK KATSAYISI
Efektif çapa göre filtre yatağının seçiminde aşağıdaki hususlar göz önünde tutulur;
Efektif çap 0.3-0.5 mm: Filtrasyon hızı 25 m/saat e kadar olan bütün hızlı filtrasyonlarda kullanılabilir. Bulanıklığı 200 NTU ya kadar olan sularda, çökeltme yapmadan, sadece filtre girişine koagülant verilmek suretiyle kullanılabilirler.
Efektif çap 0.6-0.8 mm: Filtrasyon hızı 15 m/saat e kadar çıkabilir. Bulanıklığı 50 NTU dan daha az olan suların filtrasyonunda, direkt koagülasyonlu veya hiç koagülant vermeden bu kumları kullanmak mümkündür.
EFEKTİF ÇAP-ÜNİFORMLUK KATSAYISI
Efektif çap 0.9-1.0 mm: Mükemmel çökeltme tesislerinden sonra kullanılacak olan filtreler için standart çaptır. Daha ziyade havalı yıkamalar için uygundur
Efektif çap 1.3-1.5 mm: Ham suyun kaba filtrasyonuna yarar.
efektif çap 2.0-2.5 mm: Endüstrideki su arıtmada koagülantsız kullanılır.
Efektif çap 3.5-25 mm: Sadece taşıyıcı alt tabaka olarak kullanılır.
EFEKTİF ÇAP-ÜNİFORMLUK KATSAYISI
Filtre ortamının karakterize edilmesinde;
geometrik ortalama (Mg)
standart sapma (σg)
değerleri de ortalama bir fikir edinmek bakımından faydalı parametrelerdir. Mg kümülatif %50 ye karşılık gelen çaptır. σg ise kümülatif %50 nin %15.8 e oranına karşılık gelen sayıdır. Efektif çap(E), Uniformluk katsayısı (U), geometrik ortalama (Mg) ve geometrik standart sapma (σg) arasında aşağıdaki bağıntılar mevcuttur.
E = d10 = Mg . σg- 1.282 (4.2.)
EFEKTİF ÇAP-ÜNİFORMLUK KATSAYISI
(4.3)
Örnek 4.1: Şekil 4.5. de verilen kumun aşağıdaki parametrelerini hesaplayınız
Geometrik ortalama çap ve geometrik standart sapmadan E ve U değerlerini hesaplayınız.
Çözüm:
a) Şekil 4.5 den E = d10 olduğundan ordinat eksenindeki kümülatif %10 ağırlık noktasından eğriye çizilen doğrunun eğriyi kestiği noktanın apsis değeri;
Hidrolik çap, elek analizi yardımıyla aşağıdaki eşitlikte hesaplanabilir
(4.9)
Burada, Si = Elek çapı
Wi = Elek üzerinde kalan kumun ağırlıkça yüzdesi
Örnek 4.2. Bir filtre malzemesinin hidrolik tane çapını bulmak için yapılan elek analizinde aşağıdaki değerler bulunmuş ve küresellik katsayıları verilmiştir. Bu malzemenin hidrolik çapını bulunuz.
HİDROLİK ÇAPIN BULUNMASI
Tablo 4.2. Bir filtre malzemesinin elek analizi sonuçları
Çözüm: Tabloda verilen değerler (4.9) denkleminde yerine yazılırsa,
FİLTRE KUMUNUN HAZIRLANMASI
Dere yataklarında kumlar çok iri, çok ince yahut da çok değişik çaplarda bulunur. Bu kumların uniformluk katsayıları çok büyük olabilir. Ekonomik sınırlar içinde kalacak şekilde, ocaktan alınan kum, elemek suretiyle çok iri taneleri, yıkamak suretiyle de çok ince taneleri ayırarak, çap ve uniformluk bakımından normal hale sokulur. Hızlı filtrelerde kullanılacak kumun, istenmeyen çok ince kısmı, ters yıkama ile üste çıkarıldıktan sonra kazınarak dışarı atılır. Ocak kumunun elek analizi yapılır. E ve U değerleri bulunduktan sonra, bu kumun istenilen şekle getirilmesi için atılması gerek kısımlar P1 ve P2 terimlerine göre belirlenmektedir
FİLTRE KUMUNUN HAZIRLANMASI
P1, ocak kumunun olması istenen efektif çap değerinden daha ince olan kumun % miktarını göstermektedir. P2 ise, arzu edilen %60 çapından daha ince olan kumun % miktarını göstermektedir. Buna göre, ocak kumunun kullanılabilecek % miktarı, P3, aşağıdaki eşitlik ile ifade edilir
(4.10)
d60 ve d10 çapları arasındaki kum miktarı istenilen özel filtre kumunun yarısını teşkil eder. d10 çapından daha ince 0.1P3 kadar kum mevcut olduğundan, ocak kumunun P4 yüzde değerinden daha az miktarı, filtrede kullanılmayacak kadar incedir,
FİLTRE KUMUNUN HAZIRLANMASI
(4.11)
ocak kumunun P4 yüzdesine tekabül eden çap, filtreye girecek kumdaki en küçük çaptır. O halde ocaktan alınan kumun yüzde (P3+P4) miktarını ayırmış olduk. Çok iri olduğu içinkullanılmayacak kum miktarının yüzdesi ise P5 ile gösterilirse, bu miktar,
(4.12)
olarak hesaplanır.
Ocaktan alınan kum, filtreye konulmadan evvel, ince taneleri ayırmak için kum yıkama teknelerinde yıkanır.
FİLTRE KUMUNUN HAZIRLANMASI
Örnek 4.3: Şekil 4.5 de elek analizi yapılan kumun, efektif çapı 0.02 inç ve uniformluk katsayısı U=1.5 olan filtre kumu haline getirebilmek için gerekli işlemleri açıklayınız.
Çözüm:
Şekil 4.5 den, arzu edilen 0.02 inç efektif çaptan daha ince tanelerin kümülatif yüzde ağırlık miktarı P1, %43 olarak bulunur. Diğer taraftan istenilen % 60 miktarının çapı olan ,
ŞEKİL 4.5
FİLTRE KUMUNUN HAZIRLANMASI
0.03 inç değerinden daha küçük tanelerin ağırlık oranı da Şekil 4.5 den %68 olarak bulunur. Böylece kullanılacak kum miktarı (4.10) denkleminden,
olarak bulunur. Yani ocak kumunun ancak %50 si bizim işimize yarayacaktır. Diğer bir kısmı çok ince, bir kısmı da çok kalındır.
b) Kumun kullanılmayacak kadar ince olan P4 miktarı (4.11) denkleminden,
FİLTRE KUMUNUN HAZIRLANMASI
c) Kullanılmayacak kadar iri olan kum miktarı ise (4.12) denkleminden,
dir. O halde ocaktan çıkan, Şekil 4.5 de elek analizi verilmiş olan kumun 0.018 inç çapından daha ince olanları ile 0.05 inçten daha kalın olanları işimize yaramayacaktır.
FİLTRE ORTAMI
Gözenekli filtre malzemesinin içinden geçen sıvıya karşı gösterdiği direnç, ince boruların içinden geçen sıvıya karşı gösterdikleri dirence benzer. Bu etki bir sıvı içinde çöken taneler karşı, sıvının gösterdiği dirence de benzemektedir.
Gözenekli bir ortamda, bir sıvının akışı sırasındaki filtrasyon hızı (V), yük kaybına bağlı olarak değişir. Darcy’ye göre laminer akıştaki filtrasyon hızı;
(4.13)
şeklinde verilmiştir.
Burada, V= Filtre hızı (Q/A)
k = Geçirimlilik katsayısı
H = Yük kaybı
L = Yatak kalınlığı
FİLTRE ORTAMI
Bir filtre yatağındaki yük kaybı Şekil 4.5 de gösterilmiştir.
Şekil 4.5. a) Gözenekli bir ortamda akış b) Filtrasyondaki yük kaybı
Darcy ifadesinden yük kaybı çekilirse;
FİLTRE ORTAMI
(4.14)
bağıntısı elde edilir. Ancak, filtrasyonda yük kaybı hesaplarında Darcy formülü yeterli olmaz. Bu yüzden Carman-Kozeny denklemi kullanılmaktadır. Carman-Kozeny denklemine göre, temiz bir filtrenin başlangıçtaki yük kaybı,
(4.15)
Burada, Ho= Temiz filtre yatağının yük kaybı
g = Yerçekimi ivmesi
FİLTRE ORTAMI
ε = Porozite
V= Filtrasyon hızı (m/s)
ν = Kinematik viskozite (m2/s)
L = Yatak kalınlığı (m)
Carman-Kozeny denklemi laminer akımlar için geçerlidir.Yatağı teşkil eden kumun çapı 0.5-1.0 mm ve filtrasyon hızı 4-12 m/s civarında ise, hızlı kum filtrelerinde akımın laminer bölgede olduğu kabul edilir.Yük kaybı porpziteye çok bağlıdır. Filtre kirlendikçe porozitenin azalması nedeniyle yük kaybı artar.
FİLTRE ORTAMI
Örnek 4.4. Şekil 4.5 de verilmiş olan filtre kumuyla oluşturulan 0.91 m yükseklikteki bir filtre yatağının yükkaybını hesaplayınız. Filtrasyon hızı 14.6 m/saat, su sıcaklığı 20oC, porozite 0.42 dir.ν = 1.01.10-6 m2/s
Çözüm: Şekil 4.5 den görüldüğü gibi kum tanelerinin çapları muhteliftir ve bunlar geri yıkama esnasında ayrı tabakalar oluştururlar. Yatağın 5 eşit tabakaya ayrıldığını ve formülde çap terimi için ortalama elek açıklığını kullanıldığını düşünelim.
FİLTRE ORTAMI
FİLTRE ORTAMI
FİLTRASYON MEKANİZMALARI
Hızlı filtrasyon esnasında katıların tutulmasında etkili olan filtrasyon mekanizmaları oldukça karışıktır. Birçok araştırıcı, taneciklerin tutulmasında rol oynayan çeşitli faktörleri tartışmışlardır. Filtrasyon sırasında etkili olan mekanizmalar süspansiyonun ve ortamın fiziksel ve kimyasal özelliklerine filtrasyon hızına ve suyun kimyasal karakteristiklerine bağlıdır.
Hızlı filtrasyonda suda nispeten büyük çaplı tanecikler, filtre yatağının gözenekleri içinde basit mekanik süzülme ile tutulurlar. Daha küçük taneciklerin tutulmasında ise adsorpsiyon ön plana çıkar. Diğer bir tutma mekanizması da çökelmedir Küçük taneciklerin filtre yatağının tutulmasında, önce tanecikleri filtre ortamına yaklaştıran taşınma mekanizmaları rol oynar. Taşınma mekanizmaları çökelme, difüzyon, kesişme, atalet ve hidrodinamik etkileri kapsar.
Mekanik tutulma
Suda bulunan askıdaki tanecikler, filtre ortamının gözeneklerinden daha büyükse, mekanik olarak tutulurlar. Taneciklerin birikmesi sonucunda zamanla gözeneklerin kapanması durumunda da mekanik tutulma daha önemli olmaya başlar. Suda bulunan askıdaki taneciklerin çapları, genellikle filtre ortamını oluşturan taneciklerin oluşturduğu gözeneklerin çaplarından daha küçüktür. Mesela, yatak malzemesini oluşturan tanelerin çapları 0.4 mm olsa, küre şeklindeki tanelerin yan yana dizilmesi halinde, arada kalan boşluk 62 μm olur. Suda bulunan kolloidlerin çaplarının 0.001-0.1 μm , bakterilerin çaplarının 1- 10 μm olduğu dikkate alınırsa, bunların 0.4 mm çaplı malzemeyle teşkil edilen bir filtre yatağında mekanik olarak tutulamayacakları anlaşılır. Ancak suda yüksek konsantrasyonda askıda katı madde bulunması durumunda, birçok küçük çaplı taneciğin aynı anda bir gözeneğe ulaşması söz konusu olabilir. Böyle durumlarda mekanik tutulma mekanizması önem kazanır.
Mekanik tutulma
Mekanik tutulmayla meydana gelen filtrasyonda, yük kaybı hızla artar. Bu yüzden de bu mekanizmanın etkili olması fazla arzu edilmez. Yük kaybının çabuk gelişmemesi için, filtre ortamı teşkil edilirken, mekanik tutulma mekanizması mümkün olduğu kadar minimize edilmeye çalışılır. Bunun için filtrelerde kum yatağın çapı genellikle büyük seçilir.
Çökelme
Filtre yatağı içinden suyun süzülmesi sırasında, yatak üzerinde ve içinde bir müddet bekler. Bu şekilde suyun durgun bir su sütunu olarak beklemesi sırasında sudaki küçük tanecikler kum tanelerin üzerine çöker. Kum yatakta bulunan taneckilerin toplam yüzey alanı normal bir çöktürme havuzuna nazaran çok daha büyüktür. Küresel kum taneciklerinden oluşan bir 1 m3 filtre yatağının toplam yüzey alanı (4.16) denklemiyle hesaplanabilir.
(4.16)
Burada, S = Filtre yatağının toplam yüzey alanı (m2)
d = Küresel kum tanesinin çapı (m)
p= Filtre yatağının porozitesi
Çökelme
Porozitesi %40 olan bir filtre yatağında kum tanelerinin çapı 0.8 mm ise filtre yatağının yüzey alanı (4.16) formülünden hesaplanırsa 4500 m2 bulunur. Bu sonuca göre bir filtre yatağında çok geniş bir yüzey lanı vardır ve çökelme önemli bir tutma mekanizması olarak ortaya çıkar. Filtre yatağında taneciklerin çökelme ile tutulma verimleri (4.17) denklemiyle hesaplanabilir.
(4.17)
Çökelme
Burada, g = Yerçekimi ivmesi
∆ρ = Tanecik ve su arasındaki yoğunluk farkı
Vo = Akışkanın hızı
Bir filtre sisteminde dp= 10μm, ∆ρ= 0.05 kg/m3 , t = 20oC , Vo= 0.2 m/s alınırsa ηç= 10-3 bulunur. Yani 1000 adet taneden 1 tanesi çökebilecek demektir. Sudaki taneciklerin yoğunluğu arttıkça, çökelmeyle tutulma verimi artar.
Adsorpsiyon
Bir filtre yatağındaki gözeneklerden birçok tane kolayca geçebilir. Ancak bu küçük tanecikler, eğer filtre malzemesinin çok yakınından geçerse, yüzey üzerinde adsorbe olarak tutulabilirler. Bu yüzden çok küçük tanelerin tutulmasında adsorpsiyon çok önemli bir mekanizmadır. Adsorpsiyonun gerçekleşmesi için taneciklerin yüzeye taşınmaları gerekir. Küçük çaptaki taneciklerin tutulabilmesi için bu taneciklerin, akışkan ortamdan, filtre ortamındaki tane üzerine yönlenerek ayrılmaları gerekmektedir. Başlıca taşınma mekanizmaları;
Taşınma mekanizmaları
Atalet
Hidrodinamik etki
Kesişme
Çökelme
Difüzyon
olarak belirlenmiştir. Şekil 4.7 de bazı taşınma mekanizmaları
görülmektedir.
Atalet mekanizması su filtrasyonundan çok hava filtrasyonunda etkili bir mekanizmadır
Taşınma mekanizmaları
Şekil 4.7. Taşınma mekanizmaları
Filtre ortamındaki gözenekler içinde uniform olmayan kesme kuvvetleri, lokal konsantrasyon ve genişleme etkilerinden dolayı bazı tanecikler hidrodinamik etkilere maruz kalırlar.
Taşınma mekanizmaları
Tanecikler bu güçlerin etkisiyle, akışkan ortamdan filtre ortamındaki malzeme yüzeyine doğru itilirler. Re sayısının düşük olduğu (laminer akış) şartlarında bu mekanizma önemli değildir. Hız ve türbülans artarken bu mekanizma önem kazanır.
Akışkan ortamdaki bir tanecik filtre ortamına, kendi çapının yarısı kadar bir mesafeye yaklaşırsa, filtre ortamıyla kesişir. Bu olay hem hava hem de su filtrasyonunda önemlidir. Bu mekanizmanın kantitatif ifadesi (4.18) denklemi ile verilmiştir.
(4.18)
Taşınma mekanizmaları
Burada, η = Kesişme ile taşınma oranı
dp= Kesişen taneciğin çapı
dm= Filtre malzemesinin çapı
Bu denklem, laminer akış ve küresel taneler için geçerlidir. Buna göre, tanecik çapının filtre malzemesinin çapına oranı artarken, kesişme ile taneciklerin tutulma verimi de artar. Suda bulunan taneciklerin çapı dp = 10 μm ve kum tanesinin çapı dm= 0.6 mm alınırsa, η = 10-3 bulunur. Yani 1000 adet çarpışmadan sadece 1 tanesi kesişme ile tutulur.
Taşınma mekanizmaları
Diğer taşınma mekanizmalarının yanı sıra, Brown hareketlerinden de etkilenen tanecikler, akışkan ortamdan ayrılarak, difüzyon etkisiyle, filtre ortamına taşınabilirler. Difüzyon sadece koloidal tanecikler üzerinde etkilidir. ( 1μm den daha küçük tanecikler). Difüzyon mekanizmasıyla, küresel bir filtre malzemesinin tanecikleri tutma verimi Levich (1962) tarafından aşağıdaki denklemle verilmiştir.
(4.19)
Taşınma mekanizmaları
Burada, k = Boltzman sabiti (1.38. 10-23 J.K)
T = Sıcaklık (K)
Suda bulunan taneciklerin çapı dp = 0.1 μm ve kum tanesinin çapı dm= 0.06 cm alınırsa, Vo = 0.2 cm/s alınırsa 20oC için ηD = 10-3 bulunur
TUTULAN TANECİKLERİN FİLTRE ORTAMINDAN AYRILMASI
Filtre ortamının gözenekleri içinde toplanan tanecikler, gözenek çapı gittikçe küçüldüğü için, hidrodinamik kesme güçlerine maruz kalırlar. Şayet artan kesme gücü, tanecikleri yüzeyde tutan bağların gücünü aşarsa, filtre malzemesi yüzeyinde tutulmuş olan tanecikler yüzeyden koparlar ve tekrar suya geçerler. Bu olay birçok araştırıcı tarafından gözlenmiştir. Filtrasyon sırasında, tanecikler tutuldukça, gözenek hacmi azladıkça kesit daraldığından su hızı artar. Bunun sonucunda filtre yatağında tutulmuş olan tanecikler koparak filtre yatağının alt kısmına doğru taşınırlar. Filtre yatağının kalınlığı sınırlı olduğundan en sonunda çıkış suyu kalitesi bozulur.
Tanecik büyüklüğünün tutulma verimi üzerine etkisi
Şekil 4.8 çeşitli matematik modeller ve deneysel verilerle çizilmiş bir grafiktir. Bu grafik, tek bir filtre malzemesi tanesinin tutma verimi üzerine, tanecik boyutuna etkisini göstermektedir. Burada taneciklerin destabilize edildiği farz edilmiştir. Şekil 4.8 den görüldüğü gibi, Yaklaşık 40 μm den daha büyük çaplı tanecikler, kesişme mekanizması ile tutulurlar.Filtre ortamı tane büyüklüğü 1 mm olduğunda 1 μm den daha küçük tanecikler, difüzyon mekanizması ile tutulurlar. Bu iki sınır altında ise kesişme ve çökelme etkili olmaktadır. Şekil 4.8 den görüldüğü gibi, 1-10 μm arasındaki taneciklerin tutulma verimleri , bu boyutların dışındaki taneciklere göre daha düşüktür. Bu durum birçok araştırıcı tarafından da deneysel olarak gösterilmiştir.
Tanecik büyüklüğünün tutulma verimi üzerine etkisi
Şekil 4.8. Tutulma verimi üzerine tanecik çapının etkisi.
HIZLI FİLTRASYON
Hızlı kum filtrasyonu da denilen hızlı filtrasyon işlemi, ön arıtımı yapılmış sulara uygulanır ve filtrasyon hızı genellikle 5-25 m/saat civarındadır. Akış genellikle yukarıdan aşağıya doğru olmakla birlikte, yukarı akışlı filtreler de kullanılmaktadır. İşlem sırasında katı tanecikler sudan uzaklaşırlar ve gözenekler içinde, filtre yatağının üst kısmından itibaren tutulurlar. Filtrede yavaş yavaş bir tıkanma olur. Filtre hzı azaltılmazsa, yük kaybı artar. Yük kaybı maksimuma ulaştıktan sonra, filtre geri yıkama yaparak temizlenir.
Filtrelerin geri yıkamaları 12-96 saat periyotla yapılır. Anacak bazı tesislerdedaha uzun periyotlarla çalışılmaktadır. Ancak uzun sürelerde, filtrede biriken katıların sıkışması nedeniyle, geri yıkama zorlaşmaktadır.
HIZLI FİLTRASYON
Hızlı filtrasyonda, taneciklerin etkili bir şekilde uzaklaştırılması, kimayasal koagülasyonla ön arıtım yapılmasına bağlıdır. Ayrıca, filtrasyon sırasında suya filtre yardımcısı polimerlerin ilavesi, taneciklerin filtre ortamına bağlanmasını ve daha başarılı bir filtrasyon yapılmasını sağlar. Hızlı kum filtreleri beton bir havuz olup, tabanında 15-45 cm çakıl tabakası vardır. Çakıl tabakasının içinde, delikli borulardan ibaret bir drenaj sistemi bulunur. Bazı filtrelerde çakıl tabakası yerine bir takım özel tertipler kullanılmaktadır. Şekil 4.9 da bir hızlı kum filtresi inşaatı, Şekil 4.10 da ise, işletilmekte olan bir kum filtresi görülmektedir. Drenaj boruları bir ana kolektörde birleşir.ve bu kolektörün devamı olan çıkış borusu üzerinde, çıkış debisini ayarlayan, özel bir vana tertibi bulunur. Şekil 4.11 de hızlı kum fitlersindeki drenaj boruları görülmektedir.
HIZLI FİLTRASYON
Şekil 4.9. Bir hızlı kum filtresi inşaatı.
HIZLI FİLTRASYON
Şekil 4.10. Hızlı kum filtresi.
HIZLI FİLTRASYON
Şekil 4.11. Hızlı kum filtresinin şematik görünümü.
FİLTRE MALZEMELERİ
Hızlı kum filtrelerinde kullanılan en yaygın malzemeler, kum, kırılmış antrasit kömürü, GAK, garnet veya ilmenittir. Tipik filtre ortamları Şekil 4.12 de görülmektedir. Kum yataklar daha çok kullanılmakla beraber, ikili filtre ortamları da kullanılmaktadır. Hatta soz zamanlarda 3 lü ortamlar da kullanılmaya başlanmıştır. Filtre-adsorpsiyon sistemlerinde ise, kum veya antrasit yerine GAK kullanılmaktadır. Şekil 4.12 de görülen sistemlerin ilk üçü filtre yatağının tam olarak akışkan hale getirilmesiyle geri yıkanır. Akışkanlaştırma sonucunda, malzemelerde tabakalaşma olur. Her ortamın ince taneleri daha üstte toplanır.
Şekil 4.12. Hızlı kum filtrelerinde kullanılan malzemeler. 1,2 ve 3 no lu yataklar su ile akışkan hale getirilerek geri yıkanır. 4 ve 5 no lu ortamlar ise hava+su ile akışkan hale getirilmektedir.
FİLTRE MALZEMELERİ
Şekil 4.10 da 4. tip yatak, iri taneli kumdan veya antrasit kömüründen oluşturulmuştur. Bu tip yataklar diğerlerinden iki bakımdan farklıdır. Birincisi, ortamı oluşturan taneler iri olduğundan başarılı bir filtrasyon için, daha derin bir yatak yapmak gerekir. İkincisi , başarılı bir geri yıkama için yatağı akışkan yapmak zordur. Bu yüzden, yatak akışkan hale getirilmeden, hava ve su ile birlikte bir geri yıkama yapılır. Hava ve su, ortamın karışmasını sağlar ama yatakta fazla bir tabakalaşma olmaz. Bir filtrede geri yıkama yapılacağı zaman, filtre servisten çıkarılır ve içindeki su kum tabakası yüzeyine inecek kadar boşaltılır. Sonra alttan bol miktarda yıkama suyu verilerek kum tabakası kabartılır fakat, çakıl tabakasında bir değişiklik olmaz. Böylece kum tabakasının hacmi, normal hacminin %25-50 katı kadar genişletilir.
FİLTRE MALZEMELERİ
Aşağıdan yukarı doğru hızla yükselen su, kabaran kum yatak içindeki kir, çamur ve pislikleri beraberinde sürükleyerek açık olukları doldurur. Buradan açık kanallardaki hidrolik şartlarda, çamurlu su akarak, filtre cephesindeki duvar önünde bulunan çamurlu su vanası üzerinden kanalizasyona girer. Çeşitli içme suyu uygulamaları için hızlı filtrelerde kullanılan ortamların tane boyutları Tablo 4.4 de verilmiştir.
Filtre ortamının uniformluk katsayısı (U) genellikle 1.65-1.7 değerlerinde standartlaştırılmıştır. Akışkanlaştırılarak geri yıkanan, iri taneli filtre ortamları için, daha küçük U değerleri kullanılır Böylece geri yıkama akış hızı azaltılmış olur.
Tablo 4.4 Farklı uygulamalar ait tipik filtre malzemeleri
Hızlı filtrelerde yük kaybı
Bir kum filtresinin çalışması esansında, filtre içinde meydana gelen basınç değişmeleri Şekil 4.13 de görülmektedir. Filtre yatağı üzerindeki su atmosfer basıncında hava ile doymuş bulunmaktadır. Su filtre yatağına girdiğinde, filtre tıkalı ise suyun basıncı düşer. Bu durumda suda çözünmüş olan hava gaz halinde sudan ayrılır. Bu durum negatif basıncın oluşmasına yol açar.Açığa çıkan gaz kabarcıkları kum taneleri arasında birikir. Oluşan hava boşlukları Filtrenin etkili yüzey alanını azaltır ve filtrasyon hızını arttırır. Bunun sonucunda filtrenin kalan alanında yük kaybı da artar. Hava tıkanması sonucunda gazın toplandığı hacimden su geçemez. Ayrıca biriken gazlar, kum tabakasını yararak gürültü ile dışarı çıkar ki bu durumda , gazın açtığı kanaldan süzülmeden kirli bir şekilde akıp gider.
Hızlı filtrelerde yük kaybı
Su derinliği ne kadar fazla ve kum tabakasında yük kaybı dağılımı ne kadar üniform olursa negatif basınç o kadar aşağıda bir yerde doğar. Su derinliğinin etkisi, kum tabakası üzerinde fazla basınç doğurması ve dolayısı ile filtrede tutulan maddeleri yatağın daha alt kısımlarına itebilmesiyle izah edilebilir. Eğer filtre yatağı üzerindeki su derinliği az ise, filtre çalışmaya başladıktan kısa bir süre sonra negatif bir yük meydana gelebilir. Negatif basınç nedeniyle yatakta birikmiş olan hava, geri yıkama sırasında, daha kum yatak kabarmaya fırsat bulamadan çıkar. Bu şekilde açılan yarıktan yıkama suyu aniden hücum ederek çakıl yatağın bozulmasına sebep olabilir.
Hızlı filtrelerde yük kaybı
Örnek 4.5 : Bir hızlı kum filtresinin yatak kalınlığı 0.9 m dir. Filtre malzemesi olarak, spesifik çapı 0.8 mm ve özgül ağırlığı 2640 kg/m3 olan bir kum kullanılmıştır. Bu kumun şekil faktörü 0.95 olup, temiz filtre yatağının porozitesi po = 0.42 dir. Filtrede 0.3 m lik bir negatif basınca müsaade edilmektedir. Yapılan deneyde, bu negatif basıncın, filtre tabakasının üst yüzeyinden 0.4 m aşağıda teşekkül ettiği görülmüştür. Yatak üzerinde su tabakası kalınlığı 1.2 m dir. Filtrasyon hızı 7.2 m/saat, su sıcaklığı 20oC , kinematik viskozite 1.01x10-6 m2/s olduğuna göre, filtrasyonun basınç diyagramını çiziniz. Filtre yatağında müsaade edilen en büyük yük kaybını bulunuz.
Hızlı filtrelerde yük kaybı
Çözüm: Carman-Kozeny denkleminden (Denklem 4.15), başlangıçtaki yük kaybı bulunur. DH=0.95x0.80= 0.76 mm = 0.760.10-3 m
Hızlı filtrelerde yük kaybı
Hızlı filtrelerde yük kaybı
Hızlı filtrasyonda çıkış suyunun kalitesi
Filtre edilmiş suyun kalitesi, filtrasyon kademesinin başlangıcında fazla iyi değildir. Filtre çok uzun süre çalıştırılırsa, kalite gene bozulur (Şekil 4.13). Birçok araştırmacı, hızlı kum filtrelerinde başlangıçta filtrenin üst kısmının etkili olmasına karşılık, filtrasyon işlemi ilerledikçe, filtrenin etkili kısmı daha alt tabakalara iner. İlk 30 dakikadan sonra filtrenin çalışmaya devam etmesi halinde filtre verimi artar. Ancak daha sonraki zamanlarda verim gittikçe azalır.
Hızlı filtrasyonda çıkış suyunun kalitesi
Şekil 4.13. Filtre çalışırken değişik zamanlarda hızlı bir filtrede derinliğe bağlı basınç değişimi.
Hızlı filtrelerde yük kaybı
Su derinliği ne kadar fazla ve kum tabakasında yük kaybı dağılımı ne kadar üniform olursa negatif basınç o kadar aşağıda bir yerde doğar. Su derinliğinin etkisi, kum tabakası üzerinde fazla basınç doğurması ve dolayısı ile filtrede tutulan maddeleri yatağın daha alt kısımlarına itebilmesiyle izah edilebilir. Eğer filtre yatağı üzerindeki su derinliği az ise, filtre çalışmaya başladıktan kısa bir süre sonra negatif bir yük meydana gelebilir. Negatif basınç nedeniyle yatakta birikmiş olan hava, geri yıkama sırasında, daha kum yatak kabarmaya fırsat bulamadan çıkar. Bu şekilde açılan yarıktan yıkama suyu aniden hücum ederek çakıl yatağın bozulmasına sebep olabilir.
Hızlı filtrelerde yük kaybı
Şekil 4.14. Filtrasyon işleminin başlangıcında, çıkış kalitesi.
Filtre tabanı teşkili
Filtre tabanı, filtre malzemesinin süzülmüş suya karışmasını önleyecek şekilde yapılır. Bunun için en alttaki delikli boru veya süzgeçlerden yapılmış olan drenaj sisteminin üzerine çakıl ve onun üzerine de kum yerleştirilir. Tabandaki delikli borular manifold adı verilen toplama borularına bağlıdır. Drenaj sisteminin üzerindeki kum-çakıl tabakası çok iyi tanzim edilmelidir. Filtre yatağında yukarıdan aşağıya doğru tane çapları artar. Şekil 4.15 -4.17 da filtre tabanı teşkili, Şekil 4.18 de bir filtre havuzu görülmektedir.
Filtre tabanı teşkili
Filtre tabanı teşkili
Filtre tabanı teşkili
Filtre tabanı teşkili
Filtre tabanı teşkili
Filtre tabanında delikli borular kullanılabileceği gibi,Şekil 4.19 da görüldüğü gibi süzgeç sistemleri de kullanılabilir.
Şekil 4.19. Filtre drenaj sisteminde kullanılan süzgeçler.
Filtre tabanı teşkili
Şekil 4.20 de süzgeçlerin yerleştirilme şekilleri görülmektedir.
Diğer bir drenaj sistemi de wheeler tipi drenaj sistemidir. Bu sistemlerde beton içersine yapılmış olan konik oyuklara sırsız porselen toplar yerleştirilir. Bu toplar akış dağılımını düzenler. Porselen topların üzerine iri çakıl ve onun üzerine ince çakıl yerleştirilir. Şekil 4.22 de Wheeler tip bir drenaj sistemi, Şekil 4.23 de bu sistemin filtre tabanındaki tertip şekli görülmektedir.
Filtre tabanı teşkili
Filtre tabanı teşkili
Hızlı filtrelerin geri yıkanması
Hızlı filtrelerin etkili geri yıkanması, filtrelerin uzun süreli kullanımları için temel işlemlerden biridir. Hızlı kum filtrelerinin geri yıkanması için yük kaybı maksimum seviyeye gelmeli veya filtre edilmiş suyun bulanıklığı belli bir limite gelmelidir. Geri yıkama sistemi çok sık filtre hatalarına yol açabilir. Bu yüzden geri yıkama sisteminin seçimi, uygun dizayn edilmesi, konstrüksiyonu ve bu sistemin işletilmesi, tüm sistemin başarılı bir şekilde çalışmasında çok etkilidir. Klasik geri yıkama sisteminde filtre yatağı drenaj sisteminden verilen basınçlı su ile tam olarak akışkan hale getirilir. Basınçlı suyun çakıl yatağı alt üst etmemesi için, geri yıkama suyu, 30 s lik aralıklarla yavaş yavaş arttırılarak verilir.
Hızlı filtrelerin geri yıkanması
Böylece filtre yatağı genişletilerek tam olarak akışkan hale getirilir.Geri yıkama hızı 37-50 m/h arasında değişir.Filtre yatağı %15-30 arasında genişletilir. Geri yıkama işlemi, yıkama suyunun bulanıklığı 10 NTU oluncaya kadar devam ettirilir. Geri yıkama aniden kesilir. Bu şekilde çalışmak çakıl tabakasını etkilemez.Geri yıkama yavaş yavaş kesilirse filtre yatağında tabakalaşma olur. Sadece su ile geri yıkama işlemi filtre yatağındaki kirlerin tam olarak uzaklaşması için yeterli olmayabilir. Enerjinin tüm yatak içinde dağıtılabilmesi için su ile geri yıkamaya ilaveten yüzey yıkama veya hava ile genişletme işlemi de yapılır. Böylece yataktaki hidrolik kesme güçleri artar ve kirler filtre malzemesi üzerinde koparak uzaklaşır.
Hızlı filtrelerin geri yıkanması
Filtre yatağını akışkan hale getirmek için gerekli yük kaybı
(4.20)
şeklinde ifade edilir. Burada,
ρ = Suyun yoğunluğu (kg/m3)
ρs = Malzemenin yoğunluğu (kg/m3)
L = Yatak kalınlığı (m)
p = Yatağın porozitesi
Hızlı filtrelerin geri yıkanması
g = Yerçekimi ivmesi (m/s2)
Z = Geri yıkamadaki filtre yatağındaki yük kaybı (m)
Örnek 4.5. Yoğunluğu 2600kg/m3, porozitesi %40 olan bir kum yatağın geri yıkanması sırasındaki yük kaybını bulunuz.
Çözüm:
Bu sonuç, geri yıkama sırasındaki yük kaybının yaklaşık yatak yüksekliği kadar olduğunu göstermektedir.
Hızlı filtrelerin geri yıkanması
Geri yıkama sırasında sadece filtre yatağında yük kaybı olmaz. Borularda ve filtre tabanında da önemli ölçüde yük kaybı olur. Toplam yük kaybı;
(4.22)
şeklinde ifade edilebilir. Filtre tabanındaki yük kaybı;
(4.23)
şeklinde bulunabilir. Burada, vo gerçek su hızıdır. Gerçek su hızı, filtre tabanındaki süzgeç deliğinden geçtikten sonraki hızdır. Geri yıkamada deliklere giren suyun hızı V ise, gerçek su hızı,
Hızlı filtrelerin geri yıkanması
Burada, vo gerçek su hızıdır. Gerçek su hızı, filtre tabanındaki süzgeç deliğinden geçtikten sonraki hızdır. Geri yıkamada deliklere giren suyun hızı V ise, gerçek su hızı,
(4.24)
şeklinde yazılır. Burada Af, faydalı alandır. Su delikten geçerken büzülür ve deliğin kesit alanı azalır. Faydalı alan,
(4.25)
Hızlı filtrelerin geri yıkanması
şeklinde bulunur. Burada, A, delik alanı ve μ, büzülme katsayısıdır. Hesaplamalarda büzülme katsayısı 0.7 civarında alınır. Filtre tabanında 1 m2 deki delik sayısı n, bir deliğin çapı d ise, 1 m2 deki delik alanı,
(4.26)
olur. (4.23) formülü aşağıdaki gibi yazılabilir;
(4.27)
Hızlı filtrelerin geri yıkanması
μ= 0.7 alınabilir;
Hızlı filtrelerin geri yıkanması
Örnek; Bir filtre tabanının 1 m2 sinde 60 adet delik bulunmaktadır. Geri yıkama hızı 50 m/saat, delik çapı 15 mm olduğuna göre, geri yıkama sırasında filtre tabanındaki yük kaybını hesaplayınız.
Çözüm: (4.28) denkleminden
v = 50 m/saat = 1.38.10-3 m/s
= 0.01 m
Bu değer çok düşüktür. Delik sayısı daha az olmalıdır. Filtre tabanındaki yük kaybının 1-4 m arasında olması gerekir.
Hızlı filtrelerin projelendirilmesi
Hızlı kum filtrelerinin projelendirilmesinde önce filtre hızı seçilir. Filtre hızının seçiminden sonra filtrenin toplam yüzey alanı bulunur.
(4.29)
Burada, Q = Yıllık ortalama debi
V= Filtre hızı
Hızlı kum filtrelerinde filtre hızı, 5-15 m/saat arasında seçilir. Debi sabit olmadığı için yüzey alanını hesaplarken emniyet katsayısı kullanmak uygun olur.
(4.30)
Hızlı filtrelerin projelendirilmesi
Hızlı kum filtreleri en az 4adet olarak inşa edilir. Bu yüzden toplam yüzey alanı bulunduktan sonra filtre sayısı bulunur.
(4.31)
Bir filtrenin yüzey alanı,
veya (4.32)
Burada n-1 veya n-2 alınmasının nedeni,1veya 2 filtrenin geri yıkama veya bakım sırasında servis dışı olmasındandır. Bir filtrenin yüzey alanı minimum 10-20 m2,maksimum 100-200m2olabilir. Filtreler yerleştirilirken Şekil 4.16 daki gibi simetrik bir düzenleme yapılır
Hızlı filtrelerin projelendirilmesi
Örnek 4.9: Bir hızlı kum filtresinde kullanılan filtre malzemesinin hidrolik çapı 0.9 mm, yatak kalınlığı 1.2 m, su yüksekliği 1.5 m dir. Qmax=2160 m3/saat, Vort=6 m/saat, Vmax=7 m/saat olarak verilmiştir. Filtre tabanında 1 m2 de 60 adet süzgeç vardır. Her süzgeçte 10x0.8 mm ebadında 15 adet yarık bulunmaktadır. Buna göre,
a) Filtre sayısını ve bir filtrenin alanını bulunuz
b) Filtre yatağında müsaade edilebilecek en büyük yük kaybını hesaplayınız. Filtrasyon sonunda kirlenmenin 0.30 m derinliğe kadar nüfuz ettiğini ve negatif basınca müsaade edilmediğini kabul ediniz.
c) Geri yıkama esnasında filtre yatağının genişleme yüzdesi %20 ve genişlemiş yatağın porpzitesi %50 olduğuna göre, filtre yatağının geri yıkamadaki yük kaybını bulunuz.
d) Süzgeçlerin imalat katsayısı μ= 0.65 olarak verildiğine göre, geri yıkama hızının 50 m/saat olması halinde filtre tabanının yük kaybını bulunuz.
Çözüm: Hesap debisi, ihtiyacın maksimum olduğu gündeki ortala saatlik sarfiyattır. Filtre sayısını bulmak için (4.31) denklemi kullanılır,
Buradaki Qort , ihtiyacın senelik ortalamaya eşit olduğu gündeki sarfiyattır.
