Биопесчаный фильтр
Метод фильтрации воды на основе медленных песчаных фильтров
Фильтры Biosand, внедренные в Сокорро, Гватемала, организацией Engineers Without Borders из Иллинойсского университета: Урбана-Шампейн

Биопесчаный фильтр (BSF) — это система очистки воды в точке использования, адаптированная из традиционных медленных песчаных фильтров . Биопесчаные фильтры удаляют патогены и взвешенные твердые частицы из воды с помощью биологических и физических процессов, которые происходят в песчаной колонне, покрытой биопленкой . Было показано, что BSF удаляют тяжелые металлы, мутность , бактерии, вирусы и простейшие. [1] [2] BSF также уменьшают изменение цвета, запах и неприятный вкус. Исследования показали корреляцию между использованием BSF и уменьшением случаев диареи . [3] Из-за своей эффективности, простоты использования и отсутствия повторяющихся затрат биопесчаные фильтры часто считаются подходящей технологией в развивающихся странах. По оценкам, во всем мире используется более 200 000 BSF. [1]

История

Бытовой биопесчаный фильтр был предложен доктором Дэвидом Манцем в конце 1980-х годов в Университете Калгари , Канада. [4] Система была разработана на основе медленного песчаного фильтра , технологии, которая использовалась для очистки питьевой воды с 1800-х годов. [3] Первоначальные лабораторные и полевые испытания были проведены в 1991 году; система была запатентована в 1993 году [4] и была внедрена в полевых условиях в Никарагуа . Канадская некоммерческая компания Center for Affordable Water and Sanitation Technology ( CAWST ) была совместно основана в 2001 году Дэвидом Манцем и Камиллой Доу Бейкер для содействия образованию и обучению в области очистки воды и санитарии, включая использование этой технологии, и для продолжения ее разработки. [3]

Компоненты фильтра Biosand

Принципиальная схема бетонного биопесчаного фильтра

Фильтры Biosand обычно изготавливаются из бетона или пластика. [3] В верхней части фильтра плотно прилегающая крышка предотвращает попадание в фильтр загрязнений и нежелательных вредителей. Ниже нее диффузорная пластина предотвращает нарушение биопленки при заливке воды в фильтр. Затем вода проходит через песчаную колонну, которая удаляет патогены и взвешенные твердые частицы. Под песчаной колонной слой гравия предотвращает попадание песка в дренажный слой и засорение выпускной трубы. Под разделительным слоем находится дренажный слой, состоящий из более крупного гравия, который предотвращает засорение около основания выпускной трубы. [3]

Процесс фильтрации

Патогены и взвешенные частицы удаляются биологическими и физическими процессами, которые происходят в биослое и слое песка. Эти процессы включают:

  • Механическое улавливание: взвешенные твердые частицы и патогены задерживаются в пространствах между песчинками. [1]
  • Хищничество: патогены потребляются микроорганизмами в биослое. [1]
  • Адсорбция: патогены адсорбируются друг на друге, а также на взвешенных частицах в воде и песчинках. [1]
  • Естественная смерть: патогены завершают свой жизненный цикл или умирают из-за недостатка пищи или кислорода. [1]

Во время бега

Высокий уровень воды ( гидравлический напор ) в зоне входного резервуара проталкивает воду через диффузор и фильтр, затем уменьшается по мере того, как вода равномерно протекает через песок. Скорость потока замедляется, поскольку меньшее давление заставляет воду проходить через фильтр. Входная вода содержит растворенный кислород, питательные вещества и загрязняющие вещества. Она обеспечивает кислород, необходимый микроорганизмам в биопленке. Крупные взвешенные частицы и патогены задерживаются в верхней части песка и частично закупоривают поровые пространства между песчинками. Это приводит к снижению скорости потока. [1]

Период паузы (время простоя)

Время простоя обычно составляет более 80% суточного цикла; в это время процессы микробного ослабления, вероятно, будут значительными. Большая часть удаления происходит там, где вода контактирует с биопленкой. Процессы, происходящие в биопленке, не были идентифицированы. [1] Когда слой стоячей воды достигает уровня выпускной трубы, поток останавливается. В идеале он должен быть достаточно высоким, чтобы поддерживать биопленку в слое песка влажной и позволять кислороду диффундировать через стоячую воду в биослой. [1] Период паузы позволяет микроорганизмам в биослое потреблять патогены и питательные вещества из воды. Скорость потока через фильтр восстанавливается по мере их потребления. Если период паузы слишком длинный, биослой потребит все патогены и питательные вещества и погибнет, что снизит эффективность фильтра при его повторном использовании. Период паузы должен составлять от 1 до 48 часов. [1] Патогены в небиологической зоне погибают от недостатка питательных веществ и кислорода. [1]

Обслуживание

Со временем частицы накапливаются между песчинками фильтра. По мере того, как заливается больше воды, вдоль верхней части пластины диффузора образуется биопленка. Оба эти явления вызывают снижение скорости потока (засорение и биологическое засорение ). Хотя более медленные скорости потока обычно улучшают фильтрацию воды из-за времени простоя [APS1], она может стать слишком медленной для удобства пользователей. Если скорость потока падает ниже 0,1 литра в минуту, CAWST рекомендует провести техническое обслуживание. [2] Для восстановления скорости потока используется метод «вихревой и сброс», или метод очистки мокрым боронованием. Перед очисткой в ​​фильтр заливается около 1 галлона США (3,8 л) (при условии, что фильтр пустой). Затем верхний слой песка завихряется круговыми движениями. Грязная вода из завихрения выливается, а песок разглаживается наверху. Этот процесс повторяется до тех пор, пока скорость потока не восстановится. [2] Также рекомендуется регулярно чистить пластину диффузора, выпускную трубку, крышку и внешние поверхности фильтров. [2] Долгосрочная устойчивость и эффективность биопесчаных фильтров зависят от обучения и поддержки со стороны знающего обслуживающего персонала. [5]

Clean Water for Haiti, некоммерческая организация на Гаити, реализует образовательную и последующую программу после установки фильтра biosand. Программа включает визиты в дома бенефициаров через один, три и двенадцать месяцев и еще один через 5 лет с даты установки. Во время каждого визита бенефициары получают повторные инструкции о безопасных методах использования воды и уходе за фильтром. Согласно данным, собранным с 2010 года, от 94% до 99% фильтров все еще регулярно используются через 12 месяцев после установки. [6]

Удаление загрязнений

Мутность

Результаты снижения мутности различаются в зависимости от мутности входящей воды. Мутная вода содержит песок, ил и глину. [2] Мутность исходной воды в одном исследовании варьировалась от 1,86 до 3,9 NTU. В исследовании вода была получена из пробных кранов водоочистных сооружений из трех местных водохранилищ. Она проливалась через медленный песчаный фильтр, и результаты показали, что мутность снизилась в среднем до 1,45 NTU. [1] В другом исследовании с использованием поверхностной воды наблюдалось 93%-ное снижение мутности. [7] По мере созревания биопленки над песком удаление мутности увеличивается. [1] Хотя биопесчаные фильтры удаляют большую часть мутности, медленные песчаные фильтры, которые имеют более медленную скорость фильтрации, удаляют больше. [1]

Тяжелые металлы

Существует ограниченное количество исследований по удалению тяжелых металлов биопесчаными фильтрами. В исследовании, проведенном в Южной Африке, фильтр удалил около 64% ​​железа и 5% магния. [7]

Бактерии

В лабораторных исследованиях было обнаружено, что биопесчаный фильтр удаляет около 98-99% бактерий. [7] При удалении Escherichia coli было обнаружено, что биопесчаный фильтр может увеличиваться из-за образования биопленки в течение примерно двух месяцев. Удаление после этого времени варьировалось от 97 до 99,99% в зависимости от суточного объема воды и процента добавленных первичных стоков. Добавление первичных стоков или сточных вод способствует росту биопленки, что способствует отмиранию бактерий. [1] Исследования показывают, что биопесчаные фильтры, используемые в полевых условиях, удаляют меньше бактерий, чем фильтры в контролируемой среде. В исследовании, проведенном в 55 домохозяйствах Бонао , Доминиканская Республика, среднее снижение E. coli составило около 93 процентов. [8]

Вирусы

Лабораторные испытания показали, что хотя фильтры значительно сокращают количество E. coli, они удаляют значительно меньше вирусов, поскольку вирусы меньше. В исследовании с использованием бактериофагов удаление вирусов составило от 85% до 95% после 45 дней использования. [1] Недавнее исследование показало, что удаление вирусов значительно увеличивается с течением времени, достигая 99,99% примерно через 150 дней. [9]

Простейшие

В одном лабораторном тесте биопесчаный фильтр удалил более 99,9% простейших . В тестах на один тип простейших, Giardia lamblia , фильтр удалил 100% за 29 дней использования. Он удалил 99,98% ооцист другого простейшего, Cryptosporidium sp. , возможно, из-за их меньшего размера. Это удаление было сопоставимо с удалением медленного песчаного фильтра. [10]

Польза для здоровья

Исследования в Доминиканской Республике и Камбодже, проведенные Университетом Северной Каролины и Университетом Невады, показывают, что использование BSF снизило частоту возникновения диарейных заболеваний на 47% во всех возрастных группах. [11] В исследовании, проведенном CAWST на Гаити, 95% из 187 домохозяйств считали, что качество их воды улучшилось после использования фильтров biosand для ее очистки. 80% пользователей заявили, что здоровье их семей улучшилось после внедрения. Такое восприятие здоровья при использовании фильтра biosand оказалось более позитивным у долгосрочных пользователей. [8]

Типы биопесчаных фильтров

Конкретный

Бетонные фильтры являются наиболее распространенным типом биопесчаного фильтра. Бетон, как правило, предпочтительнее других материалов из-за низкой стоимости, широкой доступности и возможности изготовления на месте. Планы бетонного фильтра распространяются открыто CAWST. Было разработано несколько версий. Биопесчаный фильтр CAWST версии 9 сконструирован с более высокой максимальной скоростью загрузки. Хотя отфильтрованная вода соответствует стандартам качества воды EPA, она не является оптимальной. [12] Недавние исследования установили, что время контакта между водой и гранулированным материалом является ведущим фактором очистки воды. Биопесчаный фильтр CAWST версии 10 учитывает это; объем резервуара для воды равен объему порового пространства песчаного слоя. Максимальная скорость загрузки была уменьшена на 33%, чтобы обеспечить постоянный контакт стоячей воды с гранулированным материалом. [12]

Фильтры Concrete BioSand обычно изготавливаются с использованием стальных форм. Планы стальной формы открыто распространяются CAWST.

«Чистая вода для Гаити», некоммерческая организация, базирующаяся в Кэмп-Мари, Гаити, производит биопесчаные фильтры, используя адаптацию стальной формы. [13]

Некоммерческая организация OHorizons разработала Wood Mold на основе фильтра CAWST версии 10, который может функционировать как недорогая альтернатива. Планы Wood Mold находятся в открытом доступе на веб-сайте OHorizons. [14]

Пластик

Пластиковые фильтры изготавливаются из пластиковых бочек, обычно формируемых вне площадки. Гидравлические биопесчаные фильтры изготавливаются из пластика медицинского назначения с устойчивостью к ультрафиолету . [15]

Нержавеющая сталь

Биопесчаный фильтр из нержавеющей стали, разработанный инженерами SM Sehgal Foundation , неправительственной организации, базирующейся в Гургаоне (ранее Гургаон), Индия, показал лучшие результаты, чем его бетонные аналоги, и имеет более широкие возможности для применения и внедрения в различных географических условиях. Высокая стоимость пластика препятствует его использованию в сельской местности Индии. Фильтр из нержавеющей стали, называемый JalKalp, обеспечивает повышенную скорость фильтрации и лучшую портативность (чем бетонные модели) и лучший контроль качества производства. Бетонные фильтры склонны к поломкам и могут быть трудны для транспортировки из-за веса (65 кг), что делает их непригодными, особенно в отдаленных сельских или холмистых районах. Распространенными проблемами качества являются различия в строительных материалах и производственные дефекты. Кроме того, высолы из-за солей в воде сокращают срок службы бетонного фильтра. Недавно разработанный легкий (4,5 кг) биопесчаный фильтр из нержавеющей стали имеет преимущество перед бетонными фильтрами, преодолевая каждый из этих недостатков и обеспечивая лучший контроль качества. Помимо улучшения внешнего вида, нержавеющая сталь повышает прочность, надежность, долговечность и портативность фильтра. Тесты качества воды демонстрируют эффективность JalKalp против кишечной палочки, общих колиформных бактерий, мутности и загрязнения железом. Этот фильтр объединяет бактерицидные свойства меди с обычной фильтрацией. Введение медной фольги в дренажную зону фильтра JalKalp увеличило удаление общих колиформных бактерий и кишечной палочки до 100% из загрязненной воды. Фонд SM Sehgal [16] продвигает модель, которая не требует электричества, по всей Индии через партнерские отношения с организациями-единомышленниками, чтобы принести пользу как можно большему числу сельских семей. [17] [18]

В развивающихся странах существуют проблемы с созданием биопесчаных фильтров для воды. У многих нет профессиональных возможностей для создания металлических форм для заливки бетона. Также может отсутствовать возможность найти подходящие размеры ячеек для просеивания слоев песка. В Никарагуа вы можете найти рабочих по металлу, способных сваривать арматуру для строительства домов, однако вы не найдете оборудования для гибки листового металла для создания металлических форм. Песок не продается в хозяйственных магазинах, как в Соединенных Штатах. Его, скорее всего, покупают самосвалами из русел рек или карьеров, а единственная доступная ячейка — 1/4 дюйма, что слишком велико. При поездке в страну третьего мира лучше всего взять с собой подходящие сетчатые экраны.

Другая проблема, с которой сталкивается использование фильтров, — это принятие. Многие проекты могут оказывать помощь в создании фильтров для воды, а некоторые даже могут распространять их, но для того, чтобы заставить граждан принимающей страны использовать фильтры, требуется гораздо больше самоотверженности. Людям необходимо связаться с владельцами фильтров для воды, чтобы настоять на том, чтобы они использовали устройства, и привить им привычку к их использованию. В противном случае несколько фильтров будут заброшены и оставлены без присмотра на дорогах. Простой раздачи фильтров недостаточно для принятия.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghijklmnop Эллиотт, М., Стаубер, К., Коксал, Ф., ДиДжиано, Ф. и М. Собси (2008). Сокращение E. coli, эховируса типа 12 и бактериофагов в прерывисто работающем 2-уровневом домашнем медленном песчаном фильтре. Water Research, том 42, выпуски 10-11
  2. ^ abcde "CAWST Biosand Filter Manual 2008" (PDF) . Архивировано из оригинала 21 декабря 2009 г.
  3. ^ abcde "CAWST Biosand Filter". Архивировано из оригинала 2012-03-01.
  4. ^ ab "История CAWST".
  5. ^ Сиссон, Эндрю Дж.; Уомплер, П. Дж.; Редиске Р. Р.; Молла А. Р. (январь 2013 г.). «Оценка долгосрочного использования биопесчаного фильтра и устойчивости в долине Артибонит около Дешапель, Гаити». Журнал «Вода, санитария и гигиена для развития » . 3 (1): 51– 60. doi : 10.2166/washdev.2013.092 .
  6. ^ cleanwaterforhaiti.org
  7. ^ abc Mwabi, JK, FE Adeyemo и TO Mamba. "Системы очистки бытовой воды: решение для производства безопасной питьевой воды". SAO/NASA ADS: Домашняя страница ADS. Веб. 22 декабря 2011 г. http://adsabs.harvard.edu/abs/2011PCE....36.1120M
  8. ^ ab Собси, Марк; Кристина Стаубер; Лиза Казанова; Джозеф Браун; Марк Эллиотт (2008). «Фильтрация питьевой воды в месте использования: практическое, эффективное решение для обеспечения постоянного доступа к безопасной питьевой воде в развивающихся странах». Наука об окружающей среде и технологии . 43 (3): 970– 971. doi :10.1021/es8026133.
  9. ^ Брэдли, И., Штрауб, А., Мараччини, П., Маркази, Нгуен, Т., (2011). Фильтры биопеска с добавками оксида железа для удаления вирусов. Исследование воды
  10. ^ «Биопесковый фильтр».
  11. ^ Стаубер, Кристин; Глория М. Ортис; Дана П. Лумис; Марк Д. Собси (2009). «Рандомизированное контролируемое исследование фильтра из бетонного биопеска и его влияние на диарейные заболевания в Бонаи, Доминиканская Республика». Американский журнал тропической медицины и гигиены . 80 (2): 286–293 . doi : 10.4269/ajtmh.2009.80.286 . PMID  19190228.
  12. ^ ab "Руководство по биопесчаным фильтрам CAWST 2010". {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  13. ^ «Как работает фильтр? | Чистая вода для Гаити».
  14. ^ "OHorizons Wood Mold Construction Manual and Appendix". Архивировано из оригинала 29.11.2017 . Получено 20.07.2015 .
  15. ^ «Технология гидраидного биопеска».
  16. ^ "Главная". smsfoundation.org .
  17. ^ "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2018-10-05 . Получено 2016-05-04 .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
  18. ^ Бхадури, Амита. «JalKalp: Вода отшелушивает примеси». «Водный портал Индии» 13 ноября 2017 г.
  • База знаний по фильтрам Biosand, содержащая новейшую техническую и практическую информацию, информацию об исследованиях и проектах
  • Фильтр CAWST Biosand, содержащий учебные и образовательные ресурсы
  • Manz Water Info, содержащий ряд подробных ресурсов, касающихся строительства и эксплуатации.
  • Фильтр OHorizons Wood Mold BioSand, содержащий технические ресурсы по изготовлению древесных форм для использования в производстве фильтров Concrete BioSand.
  • Чистая вода для Гаити, содержащая информацию и ресурсы по производству биопесчаного фильтра
  • Кувшины для фильтров для воды Архивировано 24.03.2023 на Wayback Machine
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Biosand_filter&oldid=1272279557"