Optimization of the backwashing for triple media alkalizing filters used in drinking water treatment

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-06-23
Department
Major/Subject
Environmental technology within process industries
Mcode
PUU-127
Degree programme
Master's Programme in Forest Products Technology
Language
en
Pages
79+36
Series
Abstract
The purpose of this Master’s thesis is to optimize backwashing of the alkalizing triple media filters consisting of anthracite, quartz sand and crushed limestone, used in contact filtration process in the Svartediket drinking water treatment plant in Bergen, Norway. This thesis was done in co-operation with Bergen Water KF. Currently filters are washed in separate air and water stages. The water used for backwashing is treated drinking water. This study was conducted by observing two full-scale filters. The results compared turbidity and the number of particles in filtrate and ripening water, suspended solids content from the backwashing water, and head loss development during the filter run. In addition, head loss distribution through the filter bed in the test filter was monitored with four pressure gauges. It was established that the top layer of the anthracite captures most suspended particles, partly because the used anthracite is fine-fractioned but mainly because the high rate backwashing causes surface fouling. The air stage was successfully reduced from two minutes to one minute, and the pauses between the air and water backwashing stages were also reduced. In addition, the results showed that it is possible to reduce the time taken to backwash from five minutes to four minutes when the water temperature is 3-4°C, which means that 20% less backwashing water is needed to clean the filters. When the water backwashing length was kept at 5 minutes, but the water backwashing rate was adjusted with the backwashing water temperature from 67m/h to 50m/h, a significant improvement was detected on the head loss development during the subsequent filter run as well as an improvement in ripening water quality and shorter ripening time. By backwashing with a rate at 50m/h compared to 67m/h, the filtrate during the subsequent filter run contained 67% less particles. The head loss accumulation rate was 23% lower for the 50m/h water backwashing stage, and when using combined air and water backwashing followed by 50m/h water backwashing the head loss buildup was 42% lower compared to the existing backwashing regime. In addition, using lower backwashing rate meant that 20-23% less backwashing water is needed for backwashing when the water temperature is 3-4°C. It was found that the most efficient way to backwash, in terms of agitation and circulation achieved in the filter bed, is combined air and water backwashing followed by high rate water backwashing. However, the most significant effect on filter performance was achieved by adjusting the backwashing water rate with backwashing water temperature, independent of whether the air alone, or combined air and water regime was used. With lower backwashing rate 20-23% less backwashing water is needed to clean the filters, which results that up to 500m3 less treated drinking water is needed daily to clean the filters.

Tämän diplomityön tarkoitus on optimoida Svartediketin vesihuoltolaitoksella juomavedenpuhdistukseen käytettävien alkalisoivien kolmikerrossuodattimien pesu. Suodatinpatjat koostuvat antrasiitista, hiekasta sekä murskatusta kalkkikivestä. Diplomityö toteutettiin yhteistyössä Bergen Vann KF:n kanssa. Suodattimien pesuun käytetään erillistä ilmapesua ja vesipesua. Pesuvetenä käytetään puhdistettua juomavettä. Koeohjelmaa varten valittiin kaksi vierekkäistä suodatinta. Ensimmäiseen suodattimeen kokeiltiin useita pesutapoja ja samaan aikaan toista vertailusuodatinta ajettiin normaalisti. Tutkimustuloksissa tarkasteltiin suodatetun- sekä kypsymisveden sameutta, partikkelilukua, pesuveden kiintoainepitoisuutta ja paine-eron kehittymistä seuraavan suodatusjakson aikana. Lisäksi neljän paineanturin avulla seurattiin suodatinpatjan sisällä paine-eron kehitystä eri syvyyksissä. Tutkimuksissa todettiin, että suurin osa paine-eron kehittymisestä tapahtuu suodattimen yläkerroksessa. Tähän vaikuttavat erityisesti suuri pesuveden nopeus ja antrasiitin pienentynyt raekoko. Ilmapesun kestoa vähennettiin kahdesta yhteen minuuttiin ja taukoja pesuvaiheiden välillä vähennettiin. Tulokset osoittivat, että vesipesun kestoa nopeudella 67m/h voi vähentää viidestä minuutista neljään minuuttiin, kun pesuveden lämpötila on 3-4°C. Tällöin pesuveden kulutusta voidaan vähentää 20%. Koejakson aikan merkittävin muutos suodattimen toiminnassa saatiin, kun pesuveden nopeus laskettiin tasolle 50m/h tai 53m/h ja vesipesun kestona pidettiin viittä minuuttia. Paine-eron kehitys suodatusjaksossa 50m/h nopeudella suoritetun vesipesun jälkeen oli 24% pienempi kuin suodatusjaksossa, jossa vesipesu suoritettiin nopeudella 67m/h. Yhdistetty ilma-vesipesu ja sitä seuraava vesipesu 50m/h nopeudella vähensi seuraavan suodatusjakson paine-eron kehittymistä 42% verrattuna 67m/h nopeudella suoritetun vesipesun jälkeiseen suodatusjaksoon. Lisäksi suodattimen kypsymisaika oli lyhyempi 50m/h nopeudella suoritetun vesipesun jälkeen. Esisuodatusveden veden parttikeliluku väheni 67% verrattuna 67m/h nopeudella suoritetun vesipesun seuraavaan esisuodatusveden laatuun. Lisäksi 50m/h tai 53m/h nopeudella suoritettu vesipesu johti 23% vähennykseen pesuveden kulutuksessa. Kaikista tehokkain tapa pestä suodattimia on yhdistetty ilma-vesipesu. Yhdistetyllä ilma-vesipesulla suodatinpatjassa syntyy enemmän hankausta. Kaikista suurin vaikutus suodattimen toimintaan saatiin alentamalla pesuveden nopeutta suhteessa pesuveden lämpötilaan. Kolmen viikon koejakson aikana tulokseen ei merkittävästi vaikuttanut se käytettiinkö suodattimen ensimmäisessä pesuvaiheessa ilmapesua vai yhdistettyä ilma-vesipesua. Käyttämällä alenettua pesuveden nopeutta pesuveden tarve väheni 20-23%, joka vastaa jopa 500m3 vähennystä päivittäisessä pesuveden kulutuksessa.
Description
Supervisor
Dahl, Olli
Thesis advisor
Vahala, Riku
Seim, Arne
Keywords
backwashing, drinking water treatment, combined air and water backwashing, limestone filter, deep-bed filter, air scouring, filter ripening, molde-process, suodattimen pesu, juomaveden puhdistus, ilmapesu, ilma-vesipesu, kalkkikivisuodatus, syväpatjasuodatus, esisuodatus, molde-prosessi
Other note
Citation