KR20180010269A

KR20180010269A - 개선된 역세척 기능을 갖는 다층 매체 베드 필터

Info

Publication number: KR20180010269A
Application number: KR1020177037554A
Authority: KR
Inventors: 알랭 실버우드; 마르코 보시시오
Original assignee: 넵튠-벤슨,엘엘씨.
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2018-01-30
Also published as: WO2016196594A1; EP3302749A1; CN107708830A; CA2985709C; AU2016270739C1; ES2937166T3; MX2017014250A; IL255759B; AU2016270739B2; JP6935336B2; JP2018519990A; AU2016270739A1; US20220176276A1; US20180099237A1; IL255759A; CN117482596A; CA2985709A1; EP3302749B1

Abstract

최상부 상의 가장 미세한 매체에서 최하부 상의 가장 거친 매체까지의 매체 밀도가 증가하는 다층 매체 베드 필터는 매체 층의 성층화를 크게 방해하지 않으면서 공기를 사용하여 역세척된다. 공기가 멈추면, 공기 흐름에 의하여 제거된 가장 미세한 매체 위의 액체 내의 오염 물질은 매체 위에 주입된 액체로 또는 가장 미세한 매체를 제거하지 않는 매체를 통과하는 액체 흐름에 의하여 씻겨나간다. 성층화-유지 공기 역세척에도 불구하고 가장 미세한 매체 내에 남아있는 오염 물질의 양은 액체 역세척이 미세매체를 부유시키기에 충분한 유속을 사용하는지 또는 부유 유속보다 낮은 유속을 사용하는지에 관계없이 액체 역세척만을 이용하였을 때보다 현저하게 적다.

Description

개선된 역세척 기능을 갖는 다층 매체 베드 필터

본 출원은 2015년 6월 2일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/169,807호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 다층 매체 베드 필터 역세척 방법 및 장치 분야에 관한 것으로서, 특히 미세매체 다층 매체 베드 필터(micromedia multi-layer media bed filter)에 관한 것이다.

다층 매체 베드 필터는 당업계에서 잘 알려져 있다. 2014년 1월 23일자로 공개된, 본 출원인의 국제 PCT 특허출원 공개공보 WO2014/012167호에는 매체의 표면에서 적절한 흐름 특성을 제공함으로써 미세모래(microsand)의 최상층을 이용하여 여과 성능을 개선하도록 조정된 구성을 포함하는, 미세 입자를 여과하기 위한 다양한 매체 베드 필터가 설명되어 있다. 이러한 흐름 특성의 이점은 막힘 없이 미세 입자를 수집하는 매체의 능력의 증가이다.

이러한 개선된 성능은 정기적인 역세척 동안에, 가두어진 미립자 및 다른 오염 물질을 제거할 높아진 필요성을 초래한다. 감소된 성능을 경험하기 전에 미세모래층 내에서 더 깊게 가두어진 오염 물질을 갖는 미세모래의 경우, 미세모래 층 내에서의 역세척에 의한 오염 물질의 제거는 더욱 어려워진다.

필터에 의해 수집된 오염 물질을 제거하고 따라서 필터가 양호한 효율로 원 유체를 계속 여과할 수 있게 하는 종래의 역세척에서는, 액체의 흐름이 필터의 역방향으로 제공된다. 액체 역세척은 전형적으로 배출 전에 매체와 액체의 분리가 일어나면서, 매체 베드를 유동화시키고, 필터 매체 과립과 오염 물질을 필터 챔버 내의 현탁액 내로 보낸다. 가능하다면, 역세척 흐름은 그 후 감소되어 필터 매체가 다시 가라앉고 정확하게 성층화될 수 있게 한다.

미세모래의 경우, 작은 매체 입자가 비교적 낮은 액체 유속 하에서 현탁액 내에 유지되기 때문에 미세모래로부터의 오염 물질의 분리는 어렵다. 이러한 조건 하에서, 흐름은 매체로부터 오염 물질을 제거하는데 덜 효과적일 수 있다.

매체 오염 제거는 공기를 사용하여 수행하는 것으로 또한 알려져 있다. 공기 역세척은 액체 역세척보다 세척하는데 더 효과적일 수 있다. 이 경우, 매체 위의 액체 레벨이 낮아질 수 있고, 공기가 매체 아래로 도입되어 매체 베드를 통하여 액체와 공기를 가압할 수 있으며, 따라서 매체가 혼합되게 하고 매체 베드 위의 액체 내로 나아가게 한다. 공기는 그 후 필터 저장조의 최상부에서 빠져나오는 반면에, 매체 베드 위의 액체는 오염 물질과 매체의 혼합물로 채워진다. 현탁액 내의 매체는 그 후 재성층화되어 정상적인 매체 베드로 복귀된다. 이는 부유된 매체를 통한 제어된 액체 상향 흐름에 의해 달성되어 입자 크기에 따라 분류된 매체의 침전을 야기할 수 있다. 매체 베드 위의 액체 내의 오염 물질은 씻겨나갈 수 있다.

미세모래 필터 베드 매체의 경우, 공기 역세척이 문제이다. 매체를 세척하기 위하여 공기가 효과적으로 사용될 수 있는 반면에, 미세모래를 부유시키기 위하여 수반된 훨씬 낮은 유속을 고려해볼 때 보다 큰 매체를 위한 제어된 유속을 이용하여 달성되는 재성층화는 문제가 된다.

본 명세서에서 사용된 바와 같은 "미세매체(micromedia)"는 0.40㎜ 미만, 약 0.20㎜까지, 그리고 바람직하게는 약 0.10㎜까지의 유효 직경의 미세 여과 매체를 의미하는 것으로 한정되며, 물질은 규사, 유리, 플라스틱, 석영, 자갈, 금속, 세라믹 등일 수 있다. 유효 직경에 의하여, 주어진 매체를 위하여 직경의 범위가 있을 수 있다는 점 그리고 유효 직경은 평균 직경일 수 있다는 점이 이해된다. 예를 들어, 미세모래(microsand)의 경우, 0.22㎜의 평균 직경은 0.12㎜에서 0.35㎜까지 달라지는 입자를 가질 수도 있다. 유리 또는 중합체 매체의 경우, 입자 크기는 더 좁은 범위를 가질 수도 있다. 이러한 매체는 0.5 내지 20미크론 범위의 미세 오염 물질을 가두는데 효과적이다.

본 출원인은 미세매체 표면 및 최상부 상의 가장 미세한 매체로부터 최하부 상의 가장 거친 매체로 증가하는 매체 밀도를 갖는 다층 매체 베드 필터가 매체 층의 성층화를 현저하게 방해하지 않고서도 공기를 이용하여 효율적으로 역세척될 수 있다는 것을 발견하였다. 이 역세척을 위한 공기의 이용은 미세매체로부터 오염 물질을 미세매체 위 그리고 미세매체 주위의 액체 레벨 내로 제거한다. 공기가 중단될 때, 공기 흐름에 의해 제거된 미세매체 위의 액체 내의 오염 물질은 매체 위에 주입된 액체로 또는 미세매체를 제거하지 않는 매체를 통한 액체 흐름에 의하여 씻겨나간다. 액체 역세척이 미세매체를 부유시키기에 충분한 또는 부유 유속 이하의 유속을 이용하는지에 관계없이, 성층화-유지 공기 역세척으로 미세매체에서 방출된 오염 물질의 양은 액체 역세척만을 사용하였을 때보다 현저하게 크다.

본 출원인은 매체 베드의 최상부 표면을 따르는 흐름을 생성하는 노즐을 통한 원 액체 흐름을 갖는 매체 베드 필터가 매체의 역변위 없이 역세척 세정 사이클 동안에 이용되어 우수한 효율로 매체 베드의 표면으로부터 오염 물질을 제거할 수 있다는 점을 더 발견하였다. 통상적인 필터는 흐름 내로 미세매체를 보내는 위험없이 그리고 미세매체가 역세척에 유실되는 위험 없이 원 유체 유입구 노즐을 이용하여 미세매체 베드의 표면으로부터 오염 물질을 제거할 수 없을 것이다. 원 유체 유입구 노즐의 이러한 사용은 역세척 사이클의 시작 시 유용하다. 부가적으로 또는 대안적으로, 원 유체 유입구 노즐의 이러한 사용은 오염 물질을 매체 베드 위의 액체 레벨로 이동시킨 공기 흐름 역세척 후에 유용하다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대한 다음의 상세한 설명에 의해 보다 잘 이해될 것이며, 도면에서:
도 1은 여과 탱크 내에서의 매체 베드 필터의 전형적인 종래 기술에 따른 배치를 나타낸다.
도 2는 포획된 미립자 및 매체 베드의 최상부에서의 굳은 크러스트를 보여주는 여과 탱크 내에서의 매체 베드 필터의 전형적인 종래 기술에 따른 배치를 나타낸다.
도 3은 완만한 물 흐름을 이용한, 여과 탱크 내에서의 모래 필터 매체 베드와 함께 액체 역세척 작동을 도시하는 종래 기술에 따른 배치를 나타낸다.
도 4는 공기 흐름을 이용한, 모래 필터 매체 베드와 함께 역세척 작동을 도시하는 종래 기술에 따른 배치를 나타낸다.
도 5는 필터의 작동 후에 포획된 미립자와 매체 베드의 최상부에서의 굳은 크러스트와 함께 매체 베드의 최상부에서의 미세매체의 층을 포함하는, 여과 탱크 내에서의 매체 베드 필터의 설치 실시예를 도시한다.
도 6은 미세매체로부터의 오염 물질의 수반류(concomitant flow)를 나타내는, 개선된 역세척 절차의 실시예를 나타내며, 여기서 공기의 제한된 흐름은 물 층 내에 그리고 매체 베드 바로 위의 매우 좁은 구역만을 점유하는 미세매체 클라우드를 야기한다.
도 7은 매체 베드의 최상부에 축적된 굳은 크러스트의 스키밍 활동을 수행하기 위한 노즐- 및 배플-기반 액체 스키머의 실시예를 나타낸다.
도 8은 매체 베드 필터 유닛의 실시예를 나타내며, 액체 유입구를 위한 4개의 노즐 및 배플을 가지며 여과된 액체 배출구 및 역세척 유입구를 위한 최하부 원통형 스크린을 갖는 수평 원통형 탱크를 도시하는 부분 단면도로서, 명확함을 위하여 여과 매체는 도시되지 않았다.

도 1은 탱크(100) 내에 배치된 다층 매체 베드 필터 내의 모래 매체의 전형적인 배치를 도시한다. 매체 베드는 당업계에 공지된 바와 같이 다양한 매체 밀도를 갖는다. 이러한 필터에서, 가장 미세한 매체(110)는 전형적으로 최상층을 차지하면서, 탱크(100) 내에 수직으로 배치된 다양한 층을 통하여 내려감에 따라 하나 이상의 중간 스테이지(112)는 거칠기가 증가한다. 따라서, 가장 거친 매체(114)는 전형적으로 스크린에 의하여 지지된 최하층을 점유한다. 일부 경우에, 매체(114)는 탱크(100)의 최하부 상에 놓이며, 스크린은 배출구(120)와 관련되어 있다.

실행을 위한 다양한 층들 각각을 위하여 미세 매체, 중간(혹은 중앙) 매체 및 거친 매체에 대한 정확한 정의는 실행 영역, 산업, 배치 요건 및 정부 규제를 비제한적으로 포함하는 다양한 요인에 따라 달라질 수 있다는 점이 이해될 것이다. 그러나 문맥 관련 비교의 목적을 위하여, 탱크(100) 내의 다양한 매체 층을 구별하는 특성의 선택으로서 매체 밀도 또는 매체 직경같은 하나 이상의 물리적 특성을 고려할 수 있다. 예를 들어, 2.7g/㎖의 밀도를 갖는 자갈 또는 모래가 가장 거친 그리고 최하층을 구현하기에 바람직할 수도 있고, 2.0g/㎖ 내지 2.1g/㎖의 밀도를 갖는 활성탄이 중간층을 구현할 수 있는 반면에, 1.45g/㎖ 내지 1.75g/㎖ 범위의 밀도를 갖는 무연탄이 가장 미세한 그리고 최상층을 구현할 수 있다. 물질에 대한 부가적인 가능성 및 특징이 본 명세서에서 더 열거된다.

매체의 기본적인 배치 및 작동 원리

모래의 과립형의 조직적인 본질 때문에, 다양한 매체의 개별적인 층들 각각은 전형적으로 미세하게 한정된 특정 경계 내에 배치되거나 특정 경계에 의하여 기술되지 되지 않는다. 따라서, 탱크(100) 내에서의 다양한 그레인 치수를 갖는 매체의 분배는 대략적이며 전형적으로 각 층의 최상부로부터 최하부로의 점진적 전이를 뒤따른다. 여과 및 잠재적인 다른 작동으로 인한 이동 효과에 더하여, 각각의 다른 잠재적으로 구별 가능한 층 내의 매체의 입자 크기, 밀도 및 거칠기의 범위, 변화 및 공차 때문에 입자 치수에 의한 매체 층의 완전한 성층화를 달성하는 것이 전형적으로 일부 실행에서 한층 더 어렵다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 종종 중간 테이퍼 영역의 형태의 비절대적 경계는 매체의 다양한 성층화를 분리할 수 있다. 그러나 모래 입자 치수의 비이상적인 배치에도 불구하고, 여과 동작 중에 또는 언제든지 불완전한 성층화도 모래 매체가 의도하지 않게 손실되지 않는 것을 보장하는데 도움이 된다.

다양한 크기의 모래의 탱크(100) 내로의 도입 후에, 탱크(100) 내의 유체의 규칙적인 흐름을 역전시킴으로써 대략적인 성층화가 달성된다. 이렇게 하는 것은 더 작은 모래 입자를 부유시키면서, 연속적으로 더 작은 매체(110)를 탱크의 최상부로 부유시키고 더 거친 매체(114)는 최하부를 향하게 한다. 결과적으로, 모래와 물의 최상부를 향하여 가라앉는 보다 미세한 미립자 매체(110)는 혼합되고 본 명세서에서 더 설명되는 미세 스크린(116)의 작동을 방해하지 않는다.

보다 미세한 매체(110)는 매우 미세한 미립자의 침전물을 포획하기 위하여 작동하면서, 연속적으로 더 거친 층(112, 114)은 더 미세한 모래(110)가 여과된 액체와 함께 탱크(100) 밖으로 흘러나오는 것을 방지하는 역할을 하거나 대안적으로 더 미세한 모래가 여과된 액체를 위하여 과도한 저항의 증가를 생성하는 것을 방지하여 매우 미세한 스크린(116)을 통과시키는 역할을 한다. 미립자를 기계적으로 흡수하는 데 있어 모래 매체의 역할은 당업계에 공지되어 있으며 본 명세서에서는 단지 간략하게 설명될 것이다; 마찬가지로, 여과된 액체 배출구(120)로부터의 바로 상류의 영역이 막히는 것을 방지하는 스크린(116)의 역할뿐만 아니라 액체가 스크린(116)을 향하여 흘러감에 따라 매체(110, 112, 114)의 다공성을 점차적으로 그리고 연속적으로 증가시키는 개념이 이해된다.

여과될 원 액체는 원 액체 유입구(118)를 통하여 탱크(100) 내로 도입된다. 상기 원 액체는 임의의 공급원으로부터 나올 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 그 특성은 여과 탱크가 배치되는 환경뿐만 아니라 특정 여과 목적에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 원 액체 유입물(118)은 반드시 미처리 하수를 포함할 필요는 없으나, 예를 들어 산업 공정으로부터의 세정과 같은 목적으로 사용되는 공업용수로 간단히 이루어질 수도 있다. 대안적으로, 분진 및 미량의 박테리아를 함유하는 냉각수가 HVAC 시스템으로부터 도입될 수도 있다.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 특히 미세 매체(110)의 거칠기를 초과하는 치수의 오염 물질의 침전물은 매체 베드의 표면 상의 또는 그 위의 미세 매체(110)에 의하여 포획되며, 매체 베드를 통한 오염 물질의 추가 이동은 그로 인하여 방해받는다. 케이크 또는 크러스트(curst; 102)가 매체(110)의 표면에 형성될 수 있다. 미세 매체(110) 층의 입도와 유사하거나 비교할 수 있을 만큼의 크기의 다른 오염 물질은 크러스트(102)의 사전 압밀 전에 층(110)의 최상부를 관통하거나 또는 그를 가질 수 있으며 이 층을 통한 일정한 이동 거리 내에서 미립자(104)로서 갇히거나 포획될 수 있다. 제1 층 내에 갇히지 않은 오염 물질은 더 거친 매체를 연속적으로 포함하는 임의의 후속 층 내에 갇힐 것 같지 않다는 점이 이해될 것이다.

위에서 설명된 것과 본질적으로 유사한 구조를 갖는 필터는 매체 베드 위에 형성된 크러스트(102)인지 또는 더 미세한 매체(110) 층 내의 포획된 미립자(104)의 집합체인지와 관계없이 오염 물질의 증가에 의하여 그의 효율적인 작동이 방해받을 때까지 특정 일정에 따라 또는 지정된 기간 동안에 작동할 수 있다. 포획된 오염 물질의 과도한 증가 이후에 필터 내로 원 액체(118)를 계속해서 도입하는 것은 일반적으로 방해받는 그리고 비효율적인 작동을 초래한다. 역세척으로 알려진 필터 유지 관리 절차는 일반적으로 이러한 지장을 주는 조건에 도달할 때까지 의존된다. 이러한 조건은 또한 필터가 오염 물질로 막힘으로써 시간이 지남에 따라 증가하는 필터에 걸친 압력 강하를 이용하여 감지될 수 있다.

일반적인 모래 필터에서의 일반적인 액체 흐름 역세척

상술한 바와 같이, 탱크(100) 내의 유체의 규칙적인 흐름의 역전은 다양한 모래(또는 다른 과립상 물질) 매체의 성층화(또는 재성층화)를 달성하는데 유용하다. 특정 배치에서, 이는 역세척 절차에 의하여 이루어질 수도 있다. 역세척은 깨끗한 액체를 스크린 (유입구(152))의 배출구 측으로부터 매체를 통하여 역세척 배출구(154)로 위로 흐르게 하는 것을 포함할 수 있다(도 3 참조). 완만한 흐름(122)은 매체의 최상부 상의 침전물을 쉽게 제거할 수 있지만, 미세 매체 내의 갇힌 침전물을 제거하는 능력은 완만한 흐름에 의해 제한된다. 매체는 일반적으로 오염 물질 제거를 돕기 위해 첨가제의 유무에 관계없이 소위 "세척"이라는 기계적인 작용을 필요로 한다. 이러한 작용의 하나의 유형은 액체의 흐름을 제공하여 매체를 부분적인 현탁액 내에 들어가게 하는 것이다. 이는 기계식 교반기의 필요성을 방지한다.

종래의 역세척 작동 과정에서 덜 완만한 흐름이 사용될 수도 있다.

보다 격렬한 방식(124)으로 통상적인 여과 작동 중에 뒤따르는 흐름으로부터 유체의 흐름을 반전시키는 것은 탱크(100) 내의 매체의 일반적인 위치 및 배치로부터 매체의 일시적인 들어올림을 야기한다.

역류 씻어내림(flushing)은 매체에 운동 에너지를 부여하기에 충분한 유속(124)으로 수행되어야 하며 따라서 후자는 모래-물 혼합체 내에서 완전한 현탁액 및 비교적 가장 미세한 매체(110)가 연속적으로 더 거친 매체(112, 114) 위에 떠 있을 때 발생하는 현탁액을 이루지 못한다. 앞서 언급된 유속은 가장 미세한 매체(110)가 흘러나오지 않고 역류 배출구를 통해 빠져나간 임의의 모래-물 양의 일부로서 손실되지 않게 해야 한다는 점 또한 이해될 것이다.

일반적인 모래 필터에서의 일반적인 공기 흐름 역세척

당업계에 공지된 관련 역세척 공정은 공기 및 액체를 사용한 역류 내에서의 씻어 내림을 포함한다(도 4 참조). 또한, 일부 모래 필터 배치는 액체-기반 및 공기-기반 역세척 절차 모두를 구현할 수 있다. 그러나, 이중 역세척 배치는 전형적으로 양 역세척 변형을 동시에 구현하지 못할 수도 있다는 점이 이해될 것이다.

규칙적인 여과 작업 동안, 탱크(100)는 전형적으로 여과될 액체로 채워지면서, 다양한 모래 매체는 위에서 설명된 방식으로 대략적으로 그리고 연속적으로 성층화된다. 공기 역세척은 필터의 작동을 처음 중단한 후에 진행된다. 전형적으로 여과된 액체 배출구(120)를 통하여 액체를 배수시킴으로써 탱크(100) 내의 액체의 높이는 그후 낮아진다. 탱크(100) 내의 수위가 이 목적을 위해 허용 가능한 높이로 낮아질 때를 검출하기 위하여 레벨 센서가 사용될 수도 있다. 앞선 언급된 높이 낮아짐은 또한 공기 유입구/배출구(160)를 통한 다량의 공기의 도입을 통하여 진행될 수 있어 탱크(100) 내의 공기 공동(162)이 생성되고 대응하는 양의 액체는 강제로 배출된다. 공기는 펌프 또는 공기 압축기와 같은 임의의 적합한 공급원으로부터 도입될 수 있다. 공기 공동(162)이 생성되고 탱크(100) 내의 상대적인 유체 높이가 충분한 높이로 떨어지면, (제한없이, 여과된 액체 배출구(120)를 포함하는) 불필요하게 개방된 유입구 및 배출구는 일시적으로 밀봉될 수 있으며, 모래 매체 자체의 세정이 시작될 수 있다.

모래 매체를 세정하기 위해, 액체 역세척을 위하여 위에서 설명된 것과 유사한 난류 사이클링 또는 모래의 혼합을 초래하는 방식으로 공기 흐름(126)이 탱크 내로 도입된다. 마찬가지로, 이러한 난류는 액체 역세척과 함께 나타나는, 그러나 탱크(100) 밖으로 매체의 씻겨짐의 어떠한 위험 없이 현탁액 생성 작용을 반복할 목적으로 추구된다. 이렇게 하기 위해, 역세척 유체 - 이 경우에는 일반적으로 공기-는 따라서 역세척 유체 유입구(152)를 통하여 도입되어 한 순간에 기포(170)의 확산을 야기한다. 따라서 이루어진 공기 순환은 매체를 교반시키는 저렴하고 효율적인 기계적 수단을 구현한다. 역세척 유체 유입구(152)를 통하여 도입된 공기를 사용하는 매체의 혼합은 의류용 세탁기 내에서 교반기에 의해 실행되는 것과 유사한 교반을 실행한다. 또한, 예를 들어 기계적 아암 또는 전동 패들을 통해 교반을 실행하는 것과는 대조적으로, 부가적인 기계적인 부품의 비용 및 물리적 단점뿐만 아니라 접근성에 대한 추가적인 저해 요인을 제한함으로써 모래 매체 과립 직경 및 밀도를 무작위화하기 위한 공기-기반 순환의 유리한 사용은 탱크(100)로의 방해받지 않는 그리고 제약을 받지 않는 접근을 최대화하도록 시도하는 자들에게 명백할 것이다.

도 4에 도시되지 않았지만, 공기 역세척 작용으로 인하여 미세 및 중간 매체(110 및 112)는 본질적으로 균질화된다. 일부 경우에, 거친 매체가 또한 현탁액 내로 들어갈 수 있다. 매체 성층화를 회복시키기 위하여, 균질화된 매체는 이하에서 설명되는 바와 같이 액체 역세척 공정을 이용함으로써 분리 또는 성층화될 수 있다.

세정을 돕는 세정제/화학적 세제

당업계에 공지된 일부 실행은 -액체 또는 공기-기반 변형에 관계없이- 세정제 및/또는 정화제를 동시에 사용하는 가능성을 갖고 역세척을 실행하여 역세척 동작 중에 응집을 다양하게 개시하고, 용이하게 하거나 또는 촉진시킨다.

세탁을 하는 동안 비누를 사용하는 것과 유사한 방식으로, 작업자는 역세척 변형에 더하여 세정제의 선정을 선택할 수 있다. 비누가 의류 섬유로부터 기름과 얼룩을 제거하는 것과 같이, 응집제 또는 계면 활성제는 상술한 액체- 또는 공기-기반 교반 작동에 의해 생성된 난류의 과정에서 모래 매체로부터 솜털(flocks) 또는 입자 및 오염 물질을 제거할 수 있다.

공기 역세척에 뒤이은 액체 역세척

공기-기반 역세척의 완료시, 탱크(100) 내의 균질화된 매체는 혼합된 상태에서 다시 가라앉을 수 있으면서, 위에서 설명된 바와 같은 거칠기에 의한 그리고 필터의 작동을 위하여 요구되는 매체 층의 대략적인 성층화는 대체로 존재하지 않는다는 점이 이해될 것이다. 공기-기반 역세척 이후에 액체 역세척(또는 매체를 성층화시키기 위한 일부 다른 개입)이 이용되어 다양한 크기의 모래 매체의 재성층화를 보장한다. 앞서 논의된 바와 같이, 후자 액체 역세척을 위한 역류 속도가 조절되어 추진-기반 재성층화뿐만 아니라 모래 매체의 억제를 보장할 수 있다. 한편으로, 유속은 따라서 적절하게 선택되어 보다 거친 모래 입자를 매체 베드의 각각의 하부 부분에 남겨두는 반면에 작은 모래 입자를 탱크(100) 내의 그의 각각의 더 높은 지점까지 나아가게 할 정도로 유속이 충분히 높은 것을 보장하여야 한다. 다른 한편으로, 유속은 탱크(100)로부터 모래 매체를 의도하지 않게 함께 씻어 내릴 만큼 높지 않아야 한다.

미세매체

모래 매체 입자는 다른 토성(soil texture)과 유사한 방식으로, 다양한 기준에 따라 특정 크기 범위 내에서 분류될 수 있다. 이러한 기준은 기술 영역, 정부 입법 및/또는 실무 분야의 기능으로써 비제한적으로 정의될 수 있다. 미세모래는 모래의 하위 범주이며, 이 범주 내에서 매체 입자 크기는 훨씬 낮은 범위로 들어갈 수 있다. 따라서, 미세모래는 매체 베드 내에서 사용되어(도 7) 유리하게는 보다 더 미세한 필터 층(128)을 구현할 수 있으면서 크기가 부수적으로 더 작은 미립자의 포획을 가능하게 할 수 있다. 따라서 살아있는 유기체와 같은 이전에는 여과할 수 없는 종류의 오염 물질이 포획될 수 있으며, 일부의 경우 이전에는 음료로 적합하지 않은 물을 음료 가능하게 만들 수 있다. "미세모래"의 단일의 정확한 기술적 정의가 존재하지 않는 반면에, "미세매체"는 0.40㎜ 미만, 약 0.20㎜까지의, 바람직하게는 약 0.10㎜까지의 유효 직경의 미세 여과 매체를 의미하는 것으로 위에서 한정되고, 물질은 규사, 유리, 플라스틱, 석영, 자갈, 금속, 세라믹 등일 수 있으며, 용어 "미세모래"는 공지된 그리고 본 기술 분야에서 사용된 가장 미세한 입자 매체보다 우수한 치수 및 여과 특성을 갖는 임의의 여과 모래 또는 과립상 매체를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 매체에 대한 가능한 치수 범위의 선택(및 그 조성물)은 본 명세서에서 문자 그대로 그리고 표 형식으로 제공된다.

미세매체 단점

유감스럽게도, 단점은 (예를 들어, 필터의 최상층에서) 미세매체를 사용하여 더욱 작은 필터 층을 구현할 때도 존재한다. 더 작은 기공 치수는 일반적으로 기존 여과 시스템의 작동뿐만 아니라 유지 보수에도 영향을 주는 단점을 초래한다.

문제: 미세매체 조숙 크러스팅

매체 베드의 최상층의 기공 치수가 감소하면서, 예를 들어 미세매체를 함유하는 여과 탱크를 통해 원 액체에 힘을 가하기 위해 더 큰 압력이 요구된다는 것이 이해될 것이다. 부가적으로, 가장 미세한 층이 상대적으로 거친 매체를 포함하는 선행 기술 시스템보다 더 많은 수의 오염 물질이 미세매체(128)를 포함하는 최상층에서 또는 최상층의 부분 내에서 포획될 수 있다. 비슷한 기간 당 가두어진 오염 물질의 수가 더 많을수록 필터 시스템을 통한 원 액체의 흐름이 더 빈번하게 또는 더 빠르게 방해받는다. 최상층의 일부분 내에서 크러스트의 형성 및 오염 물질의 증가의 방지는 마찬가지로 작동적으로 중요하다. 크러스트(202; 도 5 참조) 및 미립자(204)의 증가가 진행됨에 따라, 미세매체의 사용에 의하여 초기에 제공된 다공성은 급속히 감소하며 계속되는 (비록 지연되기는 하지만) 작동 동안에 증가된 압력을 요구한다. 따라서, 여과 성능은 가장 미세한 매체가 더 거친 종래의 모래 여과 시스템보다 훨씬 큰 정도로 손상된다. 따라서, 역세척 세정의 필요성은 규칙적인 모래 베드 필터 위의 미세매체 필터의 경우에 더욱 빈번해진다.

문제: 미세매체 역세척

미세매체의 더 미세한 성질은 기존의 액체 역세척에 대해 이전에 논의된 보다 큰 상대물보다 훨씬 쉽게 현탁액으로 들어갈 수 있는 모래 입자의 대응 범위를 도입한다. 결과적으로, 유입구(118, 152) 흐름류를 위한 수용 가능한 범위의 보다 세심한 관리가 요구된다. 부가적으로, 배치 요원 및 작업자(또는 자동화된 제어 시스템)는 모래 매체의 현탁액을 이루기에 충분히 높은 유속이 (일반적으로 접하는 것(105)과 유사한 모래와 물 혼합물을 포함하는 슬러리로부터) 마찬가지로 모래를 배출시키지 않고 역세척 유체 배출구(154)로부터 역세척 유체 유입구(152)에서 가해진다는 점을 보장해야 한다. 이는 일반적으로 미세매체 층이 존재하지 않는 여과 시스템 기구에서 보여지는 것보다 훨씬 더 제한적인 (그리고 양뿐만 아니라 각각의 성능 면에서도 더 낮은) 역세척 유입구(152) 액체 유속의 범위를 암시한다. 낮은 사용 가능한 역세척 유체 유입구 유속은 모래 매체를 적절히 세정할 수 있는 유지 보수 작업자의 능력을 마찬가지로 악화시킨다. 따라서, 통상적인 모래와 함께 사용할 수 있는 적합한 유속은 허용 가능한 세정 수준이 그 부류의 여과 시스템에 대해 달성될 수 있게 하는 반면에, 미세매체가 여과 매체로서 존재할 때 사용하기에 적합한 현저하게 낮은 유속은 대부분의 경우에 이러한 매체와 함께 역세척을 거의 쓸모 없게 만드는 이러한 제약을 제기한다. 허용 가능한 유속의 더 낮은 범위는 비록 현저하게 낮은 역세척 액체의 유속이 유입구(152)에서 사용될 때에도 존재하는 훨씬 더 작은 미세매체 입자가 탱크(100)로부터의 배출을 통해 쉽게 분실될 수 있다는 사실 때문이다. 역세척 과정에서 탱크(100) 내에 존재하는 모든 형태의 모래의 혼합으로부터 일어날 수 있는 것과 같은 모래 매체의 불량 세정은 악영향을 더 심각하게 만들 수 있다.

재성층화 후에도, 이전에 처리된 원 액체로부터 존재하는 다량의 오염 물질을 (미세모래 범위의 모래 입자가 배출되지 않도록 충분히 낮은 역세척류로) 역세척한 후에 다시 가라앉은 모래 매체가 남아 있을 것이다. 다공성에서 기인하는 세척 특성을 갖는-매체 베드에 미세매체를 포함시키는 순수 효과는 따라서 여과 시스템의 전체적인 효율성의 역설적인 저하를 야기할 수 있다.

또한, 특히 미세매체의 경우 액체만의 역세척은 매체 베드를 효과적으로 세정하지 못한다. 본 출원인은 미세매체가 가장 미세한 여과층을 포함하는 탱크를 이용하여 제1 실험을 수행하였다. (잔류물이 남아 있지 않는 것을 보장하도록 시스템을 세정하기 위한 여과 사이클을 포함하는) 2개의 10분 역세척 주기가 수행되었으며, 출원인은 세정 공정이, 매체가 세정되었다는 점을 암시하는, 5개의 비탁법 탁도 단위(NTU)의 측정된 최고 탁도를 갖는 세척수를 야기한다는 것을 관찰하였다. 표면 매체의 분석은 카올린이 여전히 매체에 갇혀 있음을 보여 주었으며, 이는 세척이 효과적이지 않았다는 것을 입증한다. 후속 관찰이 본 명세서에서 더 설명된다.

액체-기반 미세매체 역세척 절차의 경우처럼, 미세매체가 여과 매체인 여과 시스템에 대한 종래의 공기-기반 역세척 절차를 적용하는 것은 마찬가지로 문제가 있고 물리적인 고려사항에 의하여 제 기능을 못한다.

일반적인 공기 역세척은 젖은 모래 입자(105) 및 오염된 세척수(140)의 슬러리를 수집하는 목적을 갖는다. 공기 기포 발생이 중단되면 모래(또는 매체)가 아래로 가라앉는다. 깨끗한 물은 그후 역세척 유체 유입구(152)를 통해 도입되어 오염된 물을 씻어 내릴 수 있다.

미세매체(128)가 여과 매체 내에 존재할 때의 슬러리의 침전은 미세매체가 존재하지 않을 때보다 현저히 느린 속도로 발생하여 미세매체를 위한 비교적 긴 침전 시간을 야기한다. 더 중요한 것은, 공기 세척은 미세매체가 거친 지지 매체와 균질화되도록 하며, 그 결과 미세매체는 공기 세척 후에 거친 매체와 섞여있는 상태를 유지할 것이다. 이는 하부 지지 매체 및/또는 배출구 내로의 미세매체의 손실로 이어질 수 있다. 따라서 탈층화 (destratification)가 요구된다. 상술한 바와 같이, 미세매체와 그 하부 지지 매체의 탈층화는 문제가 있다. 또한, 미세매체가 존재하는 상태에서의 침전 공정은 침전이 일어남에 따라 더 많은 수의 오염 물질을 최상층 내로 집중시킨다. 따라서, 미세매체가 존재할 경우에는 심지어 정기적인 공기 역세척도 실패한다. 개선된 공기 역세척 절차가 적절하게 고려될 수 있다-기포의 세기 및 난류는, 여과 매체로부터의 오염 물질의 분리를 가져오는 동안에, 여과 매체를 지나치게 건드리지 않고 충분한 효과를 제공한다.

미세매체 역세척 해결책

도 6에 도시된 바와 같이, 본 출원인에 의하여 제안된 해결책은 필터 베드 매체 내에서의 적어도 다음으로 가장 작은 입자 크기의 밀도보다 작은 밀도를 갖는 미세매체의 사용을 포함한다. 정기적인 필터 베드 매체 성층화에 사용된 액체 유속은 미세매체에 비해서 단순히 너무 높다. 본 출원인은 성층화를 돕기 위하여 매체의 밀도가 입자 크기에 따라 증가하고 혼합을 생성하지 않도록 공기 흐름이 제어되는 한, 공기 역세척 동안에 매체의 층이 성층화된 상태를 유지할 수 있다는 점을 알아냈다. 이 공기 역세척 동안에, 매체의 하부 층은 건드려지지 않으며, 미세매체는 하부 층 위의 액체 현탁액 내에 남아있을 수 있다. 액체 흐름이 미세매체를 저장조 밖으로 나오지 않게 하는 한 낮은 높이의 액체 역세척 흐름이 조합될 수 있다. 더 높은 밀도는 성층화 동안에 미세매체가 더 큰 입자 크기 매체에서 분리된 상태를 유지하는 것을 도와주며, 따라서 미세매체가 나머지 매체 내에 갇히는 것을 방지한다. 공기와 액체 역세척이 정지되면, 미세매체는 나머지 성층화된 매체의 최상부 상에 있다.

실시예에서, 공기 유속은 전형적으로 40㎥/㎡/시간 내지 55㎥/㎡/시간 사이에서 변화할 수 있으며, 예를 들어, 더 큰 입자를 갖는 특정 용도에 대해 또는 더 큰 접착 특성을 갖는 미립자를 위하여 더 큰 여과 매체를 혼합할 때 60㎥/㎡/시간까지의 유속이 바람직할 수 있을지라도, 예를 들어, 0.15㎜ 미세모래에 대해 55㎥/㎡/시간의 유속이 적절하다. 공기는 유체 유입구(152) 또는 다른 유입구를 통해 주입될 수 있다. 공기 흐름 제어기(도시되지 않음)가 제공되어 원하는 공기 흐름을 설정할 수 있으며, 예를 들어, 로터미터 또는 질량 유량계 또는 피토 튜브 미터(pitot tube meter)가 공기 흐름을 제어하는데 사용될 수 있다. 공기 분배는 스크린(116)을 사용하거나 디퓨저(미도시)를 사용하여 달성될 수 있다. 후자의 공기 흐름은 미세매체가, 수위(220)가 매체 베드의 최상부 위의 비교적 현저한 높이에 도달하는 액체(예를 들어, 깨끗한 물) 층(225)과 혼합되도록 하는 버블링을 발생시킨다 (즉, 이는 공기 기포(170)가 매체 베드 내에서 이동하게 한다). 공기 흐름이 높을 때 미세매체는 미세 매체(110) 그리고 가능한 한 중간 매체(112)와 균질화될 것이다.

그러나, 미세매체(128)가 물 층(225)에 부유되어 있는 동안에 매체(110 및 112)는 성층화된 상태로 남아있다. 상술한 바와 같이, 작은 액체 흐름(예를 들어, 높이(220)를 일시적으로 배출구(154)에 가깝게 상승시키는 흐름)은 또한 미세매체 클라우드(240) 및 미세매체(128)를 미세 매체(110)로부터 분리된 상태로 유지하도록 사용될 수 있다.

기포(170)가 탱크(100) 내의 물 층(225) 내로 위로 밀림에 따라, 종래의 공기 역세척에서 보여지는 강력한 관통 흐름을 생성하지 않고 물의 역류가 아래로 흐른다. 따라서, 이러한 작용은 전체 흐름 교환을 작동시키며, 여기서 오염 물질은 매체 베드로부터 점차적으로 위로 흐르고(226) 따라서 액체 높이(220)와 매체 베드의 최상부 사이의 물 층(225) 내로 수집된다. 기포(170) 작용은 미세매체 입자에 부착되거나 미세매체 입자들 사이 붙잡힌 오염 물질이 물 층(225) 내로 들어 올려지게 한다. 이러한 흐름 교환의 결과로서, 물 층(225)에 수집된 오염 물질은 공기가 정지될 때 매체 베드의 미세매체 층 내로 다시 갇히지 않는다. 대신에, 매체 베드의 내용물이 깨끗한 것으로 결정되면, 물 층(225) 내에서 혼합된 더러운 내용물의 느린 씻어 내림이 수행된다. 이 유속은 실제로는 인지할 수 없지만, 이 씻어내림이 일어나는 유속이 매체 베드의 최상(미세매체) 층(128)을 뒤엎지 않을 정도로 그리고 이렇게 해서 필터에 의하여 요구되는 전반적인 성층화를 뒤엎지 않을 정도로 충분히 완만하게 되는 것이 중요하다. 대안적으로, 성층화 후에 물 층(225)에 수집된 오염 물질은 매체의 최상부에서만, 즉 예를 들어 원 유체 유입구 노즐(250; 도 7 참조)을 사용하여 유입구를 통하여 깨끗한 물을 주입하고 배출구(154)를 통하여 오염된 물을 씻어 내림으로써 이루어질 수 있다.

연속적으로 더 큰 입자에 대한 밀도 증가와 함께 매체 베드의 최상층을 위한 저밀도 미세매체의 사용은 공기 역세척 작업이 종료될 때 층의 탈층화를 방지한다는 것이 이해될 것이다. 공기 기포(170) 및 이들이 생성하는 흐름은 매체 베드의 층을 뒤집거나 또는 달리 탈층화시키도록 작용하지 않는다.

따라서, 공기 역세척 세정은 가장 거친 최하부 지지 매체 내에서의 작은 움직임을 야기하지만, 미세매체(128) 및 미세매체를 지지하는 거친 매체(미세 매체(110))를 건드리고 균질화시킬 수 있다. 공기 역류 이후에 매체의 임의의 현저한 방해를 방지하기 위해, 미세매체는 거친 매체의 최상부로부터 분리되고 최상부 상에 가라앉는다. 이것은 주로 미세매체보다는 거친 지지 매체에 대하여 더 큰 밀도를 선택함으로써 달성된다. 공기 세정의 종료 시점에서 액체의 낮은 높이의 역류의 추가는 또한 침전 공정 동안 거친 지지 매체로부터 미세매체를 분리하는 것을 도울 수 있다. 이 역류는 필터의 최상부를 통한 미세매체의 어떠한 손실의 위험을 초래할 필요가 없다. 또한, 미세매체(128)를 위에서 부유되게 남겨두는 반면에 미세 매체(110)가 가라앉을 수 있도록 역세척에서의 공기 흐름은 감소될 수 있다. 그 다음, 공기 흐름이 막히면, 미세매체(128)와 미세 매체(128) 사이의 혼합이 일어나지 않는다. 따라서 미세매체의 손실없이 재성층화가 방지된다.

다음 표 1은 실시예에 대한 다양한 매체 층을 위한 가능한 값을 나타낸다:

층	가능한 물질	직경 또는 범위 (㎜)	층 두께	매체 밀도 (g/㎖)	탱크의 최하부로부터의 높이 범위
여과	미세모래	0.15	8"	2.6 내지 2.7	19"
	유리 비드	0.2 내지 0.3	8"	2.5	19"
	유리 비드	0.3	8"	2.5	19"
	플라스틱 과립	0.6	8"	1.6	19"
중간	고밀도 세라믹	0.7 내지 1.2	6"	3.8 내지 4.0	11"
중간	석류석	0.7 내지1.2	6"	4.0 내지 4.1	11"
최하부	석류석	3 내지 6	5"	4.0 내지 4.1	5"

본 명세서에서 설명된 제1 실험 직후의 제2 실험에서, 본 출원인은 공기-기반 역세척을 수행하였다. 이 실험은 미국 사우스 다코타의 산업 현장에서 인도된 68㎥/시간(분당 300갤런) 용량의 필터를 수반하였다. 이 설비는 역삼투(RO) 시스템에 공급하기 위하여 양질의 물이 필요하였다. 이 설비는 RO 시스템 앞에 초미세 여과(UF) 멤브레인을 사용하고 있었다. UF 멤브레인이 매우 빠르게 오염되었으며 원래의 흐름을 복구하도록 세정될 수 없었다는 점이 관찰되었다. 따라서, 미세모래 필터는 UF 멤브레인에 앞서 물을 미리 처리하도록 고려되어 물의 여과성을 향상시키고 UF 멤브레인으로 이동하고 있는 부유 고형물 일부를 제거하였다.

2곳의 물 공급원이 사용되었으며, 이중 하나는 약 15 내지 30NTU의 탁도를 갖는 호수에서 공급되었고, 약 100NTU(최대 300NTU)를 갖는 연못으로부터의 두 번째 물이 측정되었다. 설비의 모든 폐수는 이 연못으로 돌려졌으며, 따라서 연못은 재활용될 수 있었으며 설비의 물수지(water balance)를 향상시킬 수 있었다.

유입 농도가 고형물이기 때문에 필터는 약 200 gpm(45㎥/시간)에서 작동되어 필터 제거 성능을 최적화하였다.

필터가 가동되었으며, 부유 고형물 농도 때문에 약 2시간마다 많은 물만의-역세척이 시작되었다. 가동 2주 후, 4psi의 매체 차압이 회복될 수 없었다. 사실 필터 매체는 오염되었으며 연이어 여러 차례 물 역세척을 한 후에도 세정될 수 없었다. 이 실험에서, 230 NTU의 측정된 최고 탁도가 관찰되었다. 이는 모래 내의 다수의 오염 물질이 존재하였으나 첫 번째 역세척 후에는 수집되지 않았음을 입증한다.

그후 사전-역세척 공기 세정기(scour)가 가동되었으며, 단지 2번의 역세척 후, 필터는 200gpm에서 4psi의 여과 차압으로 전체 청정도를 회복할 수 있었다. 필터는 동일한 고부하의 유기 부유 고형물로 지속적으로 약 12주 동안 가동되었으며, 매회 4 psi의 청결 여과 압력 차이로 전체 용량을 회복할 수 있었다.

추가 실험에서, 11.19의 NTU를 갖는 원수(이것은 밝은 황색임)가 Spectrex Laser Particle Counter를 사용하여 2.98 마이크로미터(2.51 마이크로미터의 표준 편차)의 평균 입자 크기 및 93,947/㎖의 총 개수를 갖는 것으로 분석되었다. 미세매체 필터 배출구는 1.98의 NTU를 가졌으며(이것은 본질적으로 깨끗함) 2.35 마이크로미터(표준 편차 2.03 마이크로미터)의 평균 입자 크기와 함께 27,155/㎖의 전체 입자 개수를 갖는 것으로 분석되었다.

이 실험 필터 설치에서, 역세척이 시작되기 전에 필터는 17psi의 압력 강하에 도달하였다. 역세척 전에, NTU 차이는 약 12NTU 였고, 위에서 설명된 공기 세정 역세척 이후, 압력 강하는 6psi가 되어 NTU 차이는 약 13NTU로 증가하였다. 이 시험은 21.3 NTU-0.7 NTU=20.6 NTU 와 함께 5psi의 공기-세정-역세척 후 차압에 대해 차압이 20psi에 도달되고 NTU 차이가 21.4 NTU-2.4 NTU=19 NTU 일 때에 반복되었다. 이 시험은 17.8 NTU-1.1 NTU=16.7 NTU와 함께 4psi의 공기-세정-역세척 후 차압에 대해 차압이 20psi에 도달되고 NTU 차이가 17.8 NTU-2.4 NTU=15.4 NTU 일 때에 다시 반복되었다.

성층화를 방해하지 않고 미세매체의 공기 역세척이 미세매체로부터의 오염 물질의 신속한 제거를 가능하게 하며 따라서 작동 중에 필터의 더 적은 정지 시간을 허용한다는 점이 이해될 것이다. 미세매체가 0.5 내지 20미크론의 크기의 오염 물질을 포획하는데 보다 효율적이기 때문에, 필터 효율을 유지하기 위해 필터의 더욱 빈번한 세정이 요구될 수 있으며, 이러한 빈번한 세정은 밀도 조성을 갖는 매체의 공기 역세척에 의하여 의해 촉진되어 필터 매체 베드의 계층화의 손실 없이 공기 역세척을 허용한다.

역세척에 뒤이은 오염된 물 씻어 내림

오염된 물은 일반적으로 필터 베드를 통해 탱크(100) 내로 깨끗한 물을 도입함으로써 씻어 내려진다. 미세매체에 있어서, 미세매체를 강제로 부유시키고 씻어 내리지 않기 위하여 이 유속은 매우 낮아야 한다. 따라서 필터 매체 위에 부가적인 유입구가 사용될 수 있다. 흐름이 미세매체를 건드리지 않는다면 원 액체 유입구(118)가 사용될 수 있다. 마찬가지로, (미세매체(240) 또는 임의의 매체 베드 내용물의) 클라우드를 생성하는 것을 피하기 위해 적절하게 매우 완만한 유속으로 역세척 유체 유입구(152)를 통해 탱크 내로 깨끗한 물을 도입함으로써 씻어 내림이 개시될 수 있다. 적절한 유속은 마찬가지로 약간의 변동을 겪을 수 있으며, 부분적으로는 매체 베드 내에 존재하는 가장 미세한 층의 직경에 의해 결정된다. 0.15㎜의 직경을 갖는 미세매체가 존재하는 경우, 15㎥/㎡/시간의 유속이 적합할 수 있다. 직경이 0.2㎜의 직경을 갖는 유리 비드인 경우, 유속은 예를 들어, 13㎥/㎡/시간으로 약간 낮을 수 있다. 0.3㎜의 약간 큰 직경의 유리 비드뿐만 아니라 0.6㎜의 직경을 갖는 플라스틱 과립은 25㎥/㎡/시간의 유속을 허용할 수 있다. 깨끗한 물을 어느 유입구(118, 152)로부터 매체 베드의 표면으로 향하게 하는 것이 중요한 제1 단계이며, 그 후에 이 물이 빠져나가야 한다는 것이 이해될 것이다.

또 다른 실시예(도 7)에서, 표면 지향 노즐(250)은 배플(251)을 통해 빠져나가는 물을 향하며, 매체 베드의 최상부 표면에 묻어있는 오염 물질-특히, 큰 미립자-과 함께 폐수를 씻어 내리는 목적을 위하여 실행된다. 이러한 방식으로 역세척을 위하여 배플과 함께 지향된 하나 이상의 노즐(250)을 사용하는 것은 의도하지 않게 주목할 만한 양의 모래를 탱크(100)로부터 씻어 내리지 않으면서 매체 베드의 최상층을 세정하기에 특히 효과적인 방식이다. 배플 디자인은 매체 베드의 표면에서 스키밍(skimming) 동작을 수행하는 물의 흐름을 구현하기 위해 작동한다.

작동 중에, 위에서 설명된 액체 스키머를 기초로 한 노즐(250) 및 배플(251)은 전형적으로 임의의 다른 세정 작용이 취해지기 전에 수행된다. 이렇게 하는 것은 매체 베드 최상부에 수집된 크러스트(102, 202) 또는 미립자(104, 204)를 수집하는 이점을 제공한다. 임의의 다른 일상적인 매체 유지 공정 이전에 공정 단계로서 이러한 최상위 오염 물질을 수집하는 것은 의미있게 그리고 유리하게는 임의의 후속 역세척 공정 이후에 이러한 오염 물질이 미세매체의 최상층에 가라앉는(또는 그 안에 갇히는) 것을 불가능하게 한다. 또한, 매체 베드의 최상부를 포함하는 미세매체로 과도한 교반 또는 난류를 동시에 도입하지 않고서도 오염 물질은 이러한 방식으로 매체 베드의 최상부로부터 효과적으로 분산될 수 있다. 정기적인 가동 중에 필터의 정상적인 유속은 136㎥/시간(600gpm)에 도달할 수 있는 반면에, 배플로부터의 유속은 필터 유속의 대략 절반일 수 있으며 약 68㎥/시간 (300gpm)에서 정점에 이를 수 있다.

또한, 배플의 작동은 당업계에 공지된 기계식 교반기에 대한 개선이다. 교반기는 특정 복잡함을 갖는 부가적인 기계 부품에 대한 고려가 필요하고 이를 포함하는 반면에, 여과 공정에서 이미 사용된 물리적 구조를 사용하기 때문에 배플을 작동시키는 것은 유리하다. 기존의 하드웨어와의 호환성과 결합된 추가적인 이동 부품의 결여는 기존의 액체 역세척의 효율성 결점을 개선하는 동시에 더 유리한 특징이다.

본 명세서에서 설명된 해결책의 특히 유리한 효과는 세정제의 빈번한 사용을 피할 수 있는 가능성 및 이점에 관한 것이다. 분, 시간 또는 일 단위로 측정된 기간에 역세척이 전형적으로 요구되는 반면에, 몇 개월 정도 단일 사용으로 감소되지 않는다면 계면 활성제 또는 응집제를 첨가하는 것에 의존할 필요성은 일반적으로 배제될 수 있다. 특정 여과 시스템 배치의 필요성이 크게 다르지만, 세제의 사용은 전형적으로 작업자가 본 명세서에서 설명된 역세척 용액이 효과적이지 않다고 믿을 만한 이유가 있는 그리고/또는 세정제를 이용하여 모래를 세정할 실제 필요가 있는 매우 드문 예에 제한된다. 훨씬 더 드문 경우에도, 매체 베드의 내용물을 완전히 교체할 필요가 있을 것이다.

도 1 내지 도 7의 설명은 탱크(100)의 임의의 원하는 기하학적 구조와 관련될 수 있다. 도 8은 수평적으로 배치된 실린더 실시예의 횡단면을 도시한다. 이러한 배치는 콤팩트한 배치 내에 큰 매체 표면을 제공한다. 액체 유입구(118)는 T-조인트를 통해 탱크의 최상부 상의 측부 포트를 통하여 들어가 플리넘(plenum)에 배플(251) 내로 원 유체를 전달하는 4개의 노즐을 제공한다. 원 유체를 탱크 내로 공급하기 위한 임의의 적절한 배치가 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 미세매체는 배플(251) 근처에 제공되어 원 유체 흐름은 미세매체를 시뮬레이션하여 여과 성능을 향상시킨다. 예로서, 매체는 3가지 유형의 매체, 즉 최상부에 가장 미세한 매체, 중간에 중간 그레인 치수 그리고 최하부에 거친 매체를 포함할 수 있다. 스크린(116)은 배수 배출구(120)와 연통하는 메쉬 물질의 원통형 튜브이다. 매체의 최하부로부터 여과된 액체를 수집하기 위하여 스크린(116)은 최상부 상에서 폐쇄되고 최하부에서 개방될 수 있다. 스크린(116)의 측부에는 거친 매체 내의 스크린의 높이에서 공기 중에 기포를 생성하는 하는 공기 분배 도관(152')이 있다. 도관(152')은 스크린(116)을 둘러쌀 수 있으며 3등급의 매체의 경우에 거친 매체와 중간 매체 사이의 경계 가까이에 있을 수 있다. 이렇게 하여, 공기의 전달은 여과된 액체의 배출과 별개이지만, 일부의 경우에서는 스크린(116) 내의 역세척 목적을 위하여 공기가 분사될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 공기 방울이 도관(152')으로부터 매체 및 미세 매체를 향하여 상승함에 따라 하부 매체는 또한 공기 방울의 균일한 분배에 도움을 줄 수 있다. 상술한 바와 같이, 공기 역세척은 거친 매체와의 미세매체의 혼합을 일으키지 않아 매체의 재성층화가 요구된다.

Claims

매체 베드 필터(media bed filter)로서,
원 액체 유입구와 여과된 액체 배출구를 갖는 저장조;
다수의 밀도의 과립상 물질을 갖고 변화하는 치수를 가지는 성층화된 여과 매체로서, 상기 매체를 탈층화시키지 않고 그리고 상기 성층화된 여과 매체의 재분류를 요구하지 않고 미세매체(micromedia)의 공기 역세척을 용이하게 하기 위하여 입자 크기에 따라 밀도가 증가하는 하부 과립상 물질을 갖는 미세매체의 상부 층을 포함하는, 상기 성층화된 여과 매체;
상기 여과 매체를 통하여 공기를 위로 주입하기 위한 역세척 공기 분배기; 및
역세척 배수구 및 공기 밸브를 포함하는, 매체 베드 필터.
제1항에 있어서, 상기 미세매체는 모래 과립을 포함하는, 매체 베드 필터.
제1항에 있어서, 상기 미세매체는 유리 과립을 포함하는, 매체 베드 필터.
제1항에 있어서, 상기 미세매체는 중합체 과립을 포함하는, 매체 베드 필터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매체를 탈성층화시키지 않고 상기 미세매체를 세척하기에 효과적인 공기 역세척 유속을 설정하도록 조정 가능한 역세척 공기 흐름 컨트롤러를 더 포함하는, 매체 베드 필터.
제5항에 있어서, 상기 미세매체는 하부 과립상 물질의 밀도보다 작은 적어도 1g/㎖의 밀도를 갖는, 매체 베드 필터.
제6항에 있어서, 상기 성층화된 매체의 최하층은 2.5 내지 6㎜ 범위 내의 직경의 과립상 물질, 0.5 내지 2㎜ 범위 내의 직경의 과립상 물질의 중간 층 및 0.1 내지 0.4㎜, 바람직하게는 0.1 내지 0.2㎜의 유효 직경을 갖는 미세매체의 최상층을 포함하는, 매체 베드 필터.
제7항에 있어서, 상기 중간층의 밀도는 약 4g/㎖이고, 상기 최상층의 밀도는 3g/㎖ 이하이며, 바람직하게는 약 2.7g/㎖의 밀도를 갖는 모래 물질 또는 약 2.5g/㎖의 밀도를 갖는 유리 물질 또는 약 1.6g/㎖의 밀도를 갖는 플라스틱 물질로 이루어진 필터.
제6항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최하층은 석류석 과립을 포함하는, 매체 베드 필터.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 역세척 공기 분배기는 여과된 액체 배출구의 스크린을 둘러싸는 도관을 포함하는, 매체 베드 필터.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제어된 역세척 공기 공급부를 더 포함하는, 매체 베드 필터.
제11항에 있어서, 상기 미세매체 상에서의 공기 역세척 사이클을 수행하기 위하여 밸브를 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함하되, 상기 컨트롤러는 상기 미세매체 위의 다량의 세척수 내로의 상기 미세매체의 분산과 함께 상기 미세매체의 혼합이 하부 부분 내로 제한되도록 하여 공기 역세척 동안에 세척수의 상부 부분은 미세매체를 포함하지 않는, 매체 베드 필터.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원 액체 유입구는 상기 여과 매체의 표면의 실질적인 부분 위로 원 액체 유입구 흐름이 향하도록 조절된 원 액체 분배 노즐을 포함하고, 상기 필터는 역세척 액체 유입구를 더 포함하며, 상기 역세척 액체 유입구는 상기 원 액체 분배 노즐에 제어 가능하게 연결될 수 있어 상기 역세척 배수구를 통하여 상기 축적물을 제거하도록 상기 미세매체의 분산 없이 상기 여과 매체의 표면 상의 축적물을 씻어내는, 매체 베드 필터.
매체 베드 필터로서,
원 액체 유입구와 여과된 액체 배출구를 갖는 저장조;
미세매체를 포함하는 여과 매체;
상기 여과 매체의 표면의 실질적인 표면에 위로 원 액체 유입구 흐름을 향하도록 조정된 원 액체 분배 노즐;
역세척 배수구; 및
역세척 액체 유입구를 포함하되;
상기 역세척 배수구를 통하여 축적물을 제거하기 위해 상기 역세척 액체 유입구는 상기 원 액체 분배 노즐에 제어 가능하게 연결 가능하여 상기 미세매체의 분산 없이 상기 여과 매체의 표면 상의 축적물을 씻어내는, 매체 베드 필터.