מסננים, כמתקני ליבה בתחום הטיפול במים, נמצאים בשימוש נרחב במתקני טיהור שפכים שונים, טיפול בשפכים תעשייתיים, טיהור מי שתייה ותרחישים נוספים. עם זאת, בשימוש בפועל, מסננים לעיתים קרובות חווים ביצועים גרועים, כגון קצב סינון איטי, סתימה קלה של מדיית המסנן, אפקט שטיפה לאחור ירודה, קיבולת טיפול קטנה, איכות שפכים לא יציבה, ואף עלולים להוביל לאי- עמידה בתקני הפריקה או זיהום משני. בעיות אלו לא רק משפיעות על יעילות הטיפול אלא גם מגדילות את עלויות התפעול וקשיי התחזוקה. לכן, יש צורך לבחון דרכים לשיפור ביצועי המסנן כדי להבטיח את פעולתו היציבה והיעילה. מאמר זה חולק דרכים לשיפור ביצועי המסנן עבור אנשי מקצוע לטיפול במים.
I. צווארי בקבוק של מדיית סינון-יחידה
מסנני חול-שכבתיים מסורתיים משתמשים בעיקר בחול קוורץ כחומר סינון, עם גודל החלקיקים שנועד להגדיל בהדרגה מלמעלה למטה (עדין בחלק העליון, גס למטה). באופן שטחי, נראה שזה מסנן זיהומים שכבה אחר שכבה, אך בפעולה בפועל, בעיות מתעוררות לעתים קרובות. יכולת החזקת הלכלוך- של המסנן היא מדד מרכזי לביצועים, המתייחס לכמות הלכלוכים שנשמרת ליחידת נפח של מדיית המסנן (יחידה: ק"ג/מ"ר או גרם/סמ"ר). יכולת החזקת לכלוך- חזקה פירושה ששכבת המסנן ממלאת תפקיד משמעותי, וכתוצאה מכך יעילות סינון גבוהה, מחזור עבודה ארוך ויכולת טיפול גדולה במים. עם זאת, חלוקת הזיהומים הכלואים בשכבה אחת של מדיית סינון היא מאוד לא אחידה: פני השטח (השכבה העליונה) צוברים את מירב הזיהומים, פוחתים בהמשך, כמעט ללא לכידה מתחת ל-30 ס"מ. הדבר גורם לאובדן ראש (התנגדות זרימה) להתרכז בעיקר בשכבת פני השטח, מקצר משמעותית את מחזור הסינון ולעיתים מוביל לסתימה תוך שעות. הסיבה לכך היא שכיוון זרימת המים מתיישר עם גודל החלקיקים הגובר, מה שגורם לזיהומים להצטבר במהירות בשכבה העליונה. אם גודל החלקיקים משתנה כך שיורד בהדרגה לאורך כיוון זרימת המים (מגדול לקטן), כלומר סינון ב"גודל חלקיקים הפוך", ניתן לפזר את הזיהומים באופן שווה, להגדיל את קיבולת החזקת הלכלוך, להפחית את אובדן הראש, להאריך את מחזור העבודה ואפילו להגדיל את מהירות הסינון.
II. סינון זרימה כלפי מעלה
לחומרי סינון קונבנציונליים יש גודל חלקיקים עדין יותר בחלק העליון וגודל חלקיקים גס יותר בתחתית, כאשר מים נכנסים מלמעלה ויוצאים מלמטה. סינון זרימה כלפי מעלה שומר על אותו גודל חלקיקים אך הופך את כיוון זרימת המים: מים נכנסים מלמטה ויוצאים מלמעלה, ויוצרים מצב של "גודל חלקיקים הפוך".
היתרונות של עיצוב זה הם: פיזור אחיד של זיהומים בשכבת המסנן, שיפור יכולת אחיזת הלכלוך-, עלייה איטית יותר בהתנגדות לזרימת מים ומחזור עבודה ממושך. עם זאת, יש צורך לשלוט בקצב הסינון, שכן קצבי סינון גבוהים עלולים לגרום להתרחבות שכבת הסינון, לאיבוד חול דק מהשכבה העליונה ולהשפיע על איכות הקולחים. לכן, יש להוסיף רשת או רשת לשכבת פני השטח להגנה. למרות שלשיטה זו יש יתרון של חלוקת גודל החלקיקים ההפוכה, היא סובלת מבעיות כמו התרחבות מוגבלת של שכבת הסינון בזמן שטיפה לאחור, קושי בפינוי בוצה ופינוי בוצה לא שלם בגלל שזרימת מי השטיפה לאחור מותאמת לכיוון הסינון. קשה להעלים את הבעיות הללו לחלוטין, ולכן אין בה שימוש נרחב בפרקטיקה של טיפול בשפכים.
III. סינון זרימה דו-כיוונית.-
שטיפה לא מספקת בסינון זרימה כלפי מעלה הובילה לפיתוח של סינון זרימה דו-כיווני-. מים זורמים פנימה בו זמנית מהחלק התחתון והחלק העליון של מיכל המסנן והחוצה מהאמצע. שכבת הסינון העליונה משתמשת בשיטת זרימה כלפי מטה, בעוד השכבה התחתונה משתמשת בחלוקת גודל חלקיקים הפוכה עם זרימה כלפי מעלה, כפי שמוצג בתרשים. החלק העליון מייצב את החלק התחתון, ומונע התרחבות יתר של שכבת המסנן. עיצוב זה יכול לשפר את קיבולת החזקת הלכלוך- של מדיית המסנן ולהאריך את מחזור הסינון. עם זאת, מבנה מיכל הסינון מורכב, התפעול מסורבל, ועלויות התחזוקה גבוהות, כך שמשתמשים בו לעתים רחוקות בפועל.
בעוד שלשתי השיטות הנ"ל יש מגבלות, הן מדגימות ששינוי כיוון זרימת המים ופריסה של אמצעי הסינון יכולים לשפר משמעותית את ביצועי המסנן.
IV. Dual-Layer Filter Media
נכון לעכשיו, הסוג הפופולרי ביותר הוא מדיית הסינון הדו-שכבתית-. המבנה שלו דומה למודל השכבה-יחידה, אך הרכב שכבת המסנן משתנה. השכבה העליונה משתמשת באמצעי סינון קל משקל עם משקל סגולי נמוך וגודל חלקיקים גדול; השכבה התחתונה משתמשת במדיית סינון כבדה עם משקל סגולי גבוה וגודל חלקיקים קטן. במהלך שטיפה לאחור, בשל ההבדל במשקל הסגולי, החומר הקל יותר נמצא למעלה והחומר הכבד יותר נמצא בתחתית, באופן טבעי יוצר שכבה כפולה.
גודל החלקיקים של כל שכבה נשאר עדין יותר בחלק העליון וגס יותר בחלק התחתון, אך גודל החלקיקים הממוצע של השכבה העליונה גדול יותר מזה של השכבה התחתונה, ומשיג אפקט הפוך של גודל החלקיקים הכולל. מדידות בפועל מראות כי קיבולת החזקת הלכלוך- של מדיית סינון דו-שכבתית- היא יותר מפי שניים מזו של מדיית-שכבה אחת. באותו קצב סינון, מחזור הסינון מתארך; ובאותו מחזור סינון, ניתן להגדיל את קצב הסינון. עקומת ההשוואה באיור למטה משקפת בבירור שאזור החזקת הלכלוך- של מדיית הסינון הדו-שכבתית- גדולה בהרבה מזה של מדיית הסינון החד--שכבתית, מה שמצביע על כך שיכולת החזקת- הלכלוך מוכפלת כאשר עובי שכבת המסנן זהה. אם איכות המים המשפיעים עקבית, מחזור העבודה של מדיית הסינון הדו-שכבתית-כפולה מזה של מדיית הסינון החד--שכבתית.
טכנולוגיה זו נמצאת בשימוש נרחב במפעלי טיהור שפכים בארץ ובעולם, עם תוצאות משמעותיות, ומהווה דרך מעשית לשיפור ביצועי המסנן.
V. מדיית סינון רב-שכבתית
מדיית סינון רב-שכבתית מתייחסת בדרך כלל לשלוש שכבות: שכבה עליונה של חלקיקים- גדולים, חומר קל משקל (כגון אנתרציט), שכבה אמצעית של חומר-באמצעי, בצפיפות- בינונית (כגון חול קוורץ), ושכבה תחתונה של חלקיקים-קטנים, חומר מגנטי כבד או גרגירי (כגון חומר מגנטי). גודל החלקיקים יורד מלמעלה למטה, מה שהופך לחלוטין את חלוקת גודל החלקיקים.
עיצוב זה משפר משמעותית את קיבולת-החזקת הלכלוך של מדיית המסנן, בעוד שמדיית הסינון העדינה בתחתית מבטיחה איכות קולחים יציבה. קצב הסינון יכול להיות גבוה יותר מאשר עם מסננים דו-שכבתיים-. כאשר עכירות שפכים נמוכה ואיכות המים יציבה, ניתן לבצע סינון ישיר (ביטול תהליך השקיעה) להשגת טיהור ראשוני. כיום, מסננים דו-שכבתיים- ורב-שכבתיים- משמשים בדרך כלל לסינון ישיר. כדי להבטיח שהקולחים עומדים בתקני הזרמה או שימוש חוזר, ניתן להוסיף מראש עזרי סינון-מולקולריים- גבוהים, כגון פוליאקרילאמיד או סיליקה פעילה. סינון ישיר מפשט את התהליך וחוסך השקעה. יש להתאים את הרכב ועובי שכבות המסנן בהתאם לאיכות השפכים, וקצב הסינון צריך להיות נמוך, כ-5 מ"ש. לאחר תהליכי טיפול מקדים אלו, איכות הקולחים עומדת בדרך כלל בתקנים; חלקם משמשים לשימוש חוזר תעשייתי, חלקם עומדים בדרישות הטיפול הבאות, וחלקם דורש טיפול מתקדם נוסף.
תַקצִיר
מהחסרונות של מדיית סינון חד-שכבתית-, להשראה מסינון חלקיקים הפוך, ולאחר מכן לאבולוציה של זרימה מעלה, זרימה דו-כיוונית, מסננים דו--שכבתיים ורב-שכבתיים, טכנולוגיית טיפול בשפכים מתפתחת לקראת יעילות גבוהה וצריכה נמוכה. גישות אלו יכולות לשפר את קיבולת החזקת הלכלוך- של מדיית המסנן, להאריך את מחזור הסינון, לייעל את איכות הקולחים ולתרום להגנה על הסביבה. בפועל, מסננים כפולים-שכבתיים ורב-שכבתיים הם-הקלים ביותר לתפעול וההחזר-גבוה ביותר. בעתיד, עם התקדמות בחומרים ותכנון אופטימלי של חלוקת מים, המסננים יהפכו לחזקים עוד יותר.