深度フィルター

流量は、駆動力とフィルター抵抗の比として定義されます。従来の深層フィルター設計の 2 つのタイプ、すなわち高速フィルターと低速フィルターは、それぞれ 5 ～ 15 m/h と 0.1 ～ 0.2 m/h の速度で動作します。一方、加圧砂フィルターの設計流量は 238 L/min です。^{[ 11 ]}運転中、粒子が媒体内に詰まるにつれてフィルター抵抗が増加するため、フィルター速度は低下します。ろ過速度は目詰まり速度に影響し、ろ過速度が高いほど目詰まりが早く進行します。パイロットテストでは、ろ過速度が高いほどフィルター面積が小さくなり、ろ過速度を上げると突破までの時間が短縮され、圧力損失までの時間が短縮され（圧力損失が増加）、運転時間が短くなり、最適深度が低くなることが実証されています。また、より大きな直径の媒体を使用し、媒体の深さを増やすことで、より高いろ過速度を達成できることも実証されています。高いろ過速度は媒体の設計に依存し、現在稼働中の最高のろ過速度設計は 13.5 gpm/ft2 です。^{[ 11 ]}

出典: ^{[ 12 ]}

逆洗は、ろ過された固形物を除去するために用いられる重要な操作です。固形物の蓄積は、時間の経過とともにろ過抵抗を増加させます。逆洗は、きれいな液体を使用しながら液体の流れの方向を反転させることです。^{[ 13 ]}このプロセスは、5～15分の範囲で実施され、単位面積あたりの典型的な流量は6.8～13.6 L/m2.sの範囲です。^{[ 13 ]}ほとんどの設計では、通常、1日に1回逆洗を行います。深層ろ過器の運転は、プロセス中に固形物を除去する必要があるため、本質的に周期的であり、そのため、逆洗がろ過を妨げないように、通常2つ以上のユニットが使用されます。効果的な逆洗は、ろ過媒体が流動化するときに発生します。流動化流量は、一般的に20～50 gpm/ft2の範囲です。^{[ 13 ]}

通常0.3～0.5mmの範囲のろ材を用いた加圧砂ろ過器の除去率は、ろ材サイズ0.3mmで6μmという小さな粒子の95%、ろ材サイズ0.5mmで15μmという小さな粒子の95%除去率 が報告されている。^{[ 14 ]}    

深層ろ過プロセスで使用できるろ過媒体にはさまざまな種類があり、最も一般的なのは砂です。ろ過媒体の選択は、ろ過速度、濁度、およびろ過表面積に影響します。クリーンベッドのヘッド損失（圧力損失）は媒体の直径に敏感であり、媒体の直径を大きくすると、設計ヘッド損失までの時間が長くなります。^{[ 11 ]}ただし、媒体の直径とろ過速度を上げると、流出水の濁度が低下します。^{[ 13 ]}それを補うために、流出水の濁度への影響を減らすために、媒体の深さを増やすことができます。これまでの設計で使用されている高速ろ過用の媒体の深さの最大値は100インチですが、パイロットで使用される媒体の最大サイズは直径2mmです。^{[ 11 ]} 砂、マグネタイト、コークス、無煙炭は、特にその入手しやすさから、産業界で最も一般的に使用されている粒子媒体です。

表[1]廃水処理用単一媒体ろ過床（深層床）のプロセス/設計特性：^{[ 13 ]}

表[2]圧力深度フィルタの設計パラメータ: ^{[ 13 ]}

保持率と粒子サイズの関係は、階段関数ではありません。大きな粒子はろ過材によって容易に保持されますが、公称粒子と廃棄物成分の中間の範囲にある微粒子は保持が難しく、結果として廃棄物成分として失われることがよくあります。

様々な粒子サイズの保持通過を最大化するために、フィルター媒体は、より大きなサイズの粒子を捕捉する、より大きな孔径のセクションが入口ストリームに近いように層状に配置されています。出口ストリームに近づくにつれて孔径は小さくなります。この方法を採用することで、フィルター媒体はより広い範囲の粒子サイズに対応でき、保持の制御が向上し、フィルターの寿命が延びます。^{[ 15 ]}

フィルターの選択は、負荷、期間、形状、サイズ、ろ過対象物質の分布など、多くの変数に依存します。理想的には、媒体が大きすぎると、マトリックス内に微粒子を捕捉できないため、ろ液の品質が低下します。逆に、媒体が非常に小さいと、固形物がカートリッジの表面に蓄積し、ほぼ即座に目詰まりを引き起こします。形状に関しては、丸い形状の粒子は、入口の流れがシステムに及ぼす圧力によって侵食される傾向がありますが、平らな形状の粒子（表面積は増加する可能性があります）は、逆洗中にシステムから浮上する可能性があります。モース硬度が高く、比重が比較的大きい粒子は、粒子媒体として使用することが推奨されます。材料が柔らかく軽いほど、侵食や流動化の影響を受けやすくなります。そのため、シリカや砂などの粒子は、安価でありながら流入流体の高流量に耐えられるため、よく使用されます。均一係数は、フィルター内で使用される材料の均一性を示す指標です。これは、材料の 60% を通過させるふるいの孔径と、材料の 10% を通過させる孔径の比率です。この比率が 1 に近いほど、粒子のサイズが均一になります。理想的なシステムでは、この係数は 1.3 ～ 1.5 の間であり、1.7 を超えてはなりません。1.3 未満の場合は、システムにとって不要であり、追加の最適化が行われないままコストが高くなる可能性があります。1.5 を超えると、システムで圧力損失が大きくなり、前述のように目詰まり、廃液の漏れ、ろ過速度の低下につながる可能性があります。^{[ 16 ]} ガイドラインとして、流動化を防ぐために、深層フィルター内で使用される最小の粒子は、出口ストリームから少なくとも 150  mm 離れた場所に配置することが推奨されます。^{[ 16 ]}

深層フィルターはデッドエンドフィルターとして動作し、流入流速がフィルターの性能に大きく影響します。比較的大きな粒子を含む高速流入流は、フィルター媒体の目詰まりや摩耗を引き起こす可能性があります。これにより、システムの圧力損失が増加します。フィルター媒体が目詰まりし、圧力損失が継続的に増加する状況では、カートリッジ内のゾーンから廃棄物粒子や流れが漏れ出し、出口流に流れ込んで浄化が全く行われなくなることがよくあります。

目詰まりや粒子蓄積の影響を最小限に抑えるには、逆洗システムはバルクフローの約1～5%を逆洗として、約6～8バールで運転する必要があります。この範囲を超えると、粒子が破砕されてシステムから除去するのが難しくなり、システムの流動化を引き起こす可能性があります。^{[ 14 ]}

深層フィルターの主な目的は、清澄器として機能し、大量の液体の流れから懸濁固形物を分離することであり、その結果、分離プロセスの最終段階で使用されます。慣例として、深層フィルターは、システム内に廃棄物粒子を保持する精製された液体の単一の出口ストリームで構成されています。その長さのため、標準フィルターよりも残留物保持能力が高くなります。廃液の流れに関しては、多くの場合、ストリームから粒子が除去されるように、出口ストリームは後続のフィルターにリサイクルされます。また、フィルター媒体を洗浄する際にも廃液の流れが発生する可能性があり、水が逆方向に流れると、フィルター媒体内に捕捉された残留物や、移動した媒体粒子が適切に処理される前にユニットから出てくる可能性があります。^{[ 12 ]}