Биопесок фильтр - Biosand filter

Фильтры Biosand, реализованные в Сокорро, Гватемала, инженерами без границ из Университета Иллинойса: Урбана-Шампейн

А биопесок фильтр (BSF) - это система очистки воды, адаптированная к традиционным медленные песочные фильтры. Фильтры Biosand удаляют патогенные микроорганизмы и взвешенные твердые частицы из воды с помощью биологических и физических процессов, которые происходят в песчаном столбе, покрытом биопленка. Было показано, что BSF удаляют тяжелые металлы, мутность, бактерии, вирусы и простейшие.[1][2] BSF также уменьшают обесцвечивание, запах и неприятный вкус. Исследования показали корреляцию между использованием BSF и снижением встречаемости понос.[3] Из-за их эффективности, простоты использования и отсутствия периодических затрат фильтры биопеска часто рассматриваются подходящая технология в развивающихся странах. По оценкам, во всем мире используется более 200 000 BSF.[1]

История

Бытовой биопесочный фильтр был предложен доктором Дэвидом Манцем в конце 80-х годов прошлого века. Университет Калгари, Канада.[4] Система была разработана на основе медленный песочный фильтр, технология, которая используется для очистки питьевой воды с 1800-х годов.[3] Первоначальные лабораторные и полевые испытания были проведены в 1991 году; система запатентована в 1993 г. [4] и был реализован в полевых условиях в Никарагуа. Канадская некоммерческая компания Центр доступного водоснабжения и санитарии (CAWST ) была основана в 2001 году Дэвидом Манцем и Камилла Доу Бейкер содействовать образованию и обучению в области очистки воды и санитарии, в том числе с использованием этой технологии, и продолжать ее развитие.[3] Частная компания Hydraid Biosand Water Filter производит и распространяет чертежи фильтров.[5]

Компоненты фильтра Biosand

Принципиальная схема бетонного фильтра BioSand

Фильтры Biosand обычно изготавливаются из бетона или пластика.[5] Вверху фильтра плотно прилегающая крышка предотвращает попадание загрязнений и нежелательных вредителей в фильтр. Ниже него пластина диффузора предотвращает нарушение биопленка при заливке воды в фильтр. Затем вода проходит через столб песка, который удаляет патогены и взвешенные твердые частицы. Ниже столба песка слой гравия не позволяет песку попадать в дренажный слой и забивать выпускную трубу. Под разделительным слоем находится дренажный слой, состоящий из более крупного гравия, который предотвращает засорение у основания выпускной трубы.[3]

Процесс фильтрации

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

  • Механический захват: Взвешенные твердые частицы и патогенные микроорганизмы задерживаются в промежутках между песчинками.[1]
  • Хищничество: Патогены потребляются микроорганизмами в биослое.[1]
  • Адсорбция: Патогенные микроорганизмы адсорбируются друг в друга, а также на взвешенные твердые частицы в воде и песчинках.[1]
  • Естественная смерть: Патогены заканчивают свой жизненный цикл или умирают из-за нехватки пищи или кислорода.[1]

Во время бега

Высокий уровень воды (гидравлический напор) во входной зоне резервуара проталкивает воду через диффузор и фильтр, а затем понижается по мере того, как вода течет равномерно через песок. Скорость потока снижается, потому что давление, заставляющее воду проходить через фильтр, меньше. Входящая вода содержит растворенный кислород, питательные вещества и загрязнители. Он обеспечивает кислород, необходимый микроорганизмам в биопленке. Крупные взвешенные частицы и патогенные микроорганизмы задерживаются в верхней части песка и частично закупоривают поровые пространства между песчинками. Это вызывает уменьшение скорости потока.[1]

Период паузы (время простоя)

Время простоя обычно составляет более 80% дневного 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 выявлены.[1] Когда слой стоячей воды достигает уровня выпускной трубы, поток останавливается. В идеале он должен быть достаточно высоким, чтобы биопленка в слое песка оставалась влажной и позволяла 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 расходования. Если период паузы слишком длинный, биослой поглотит 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 между песчинками фильтра накапливаются частицы. По мере того, как наливается больше воды, вдоль верхней части пластины диффузора образуется биопленка. Оба эти события вызывают снижение расхода (засорение и биоблоггинг ). Хотя более низкая скорость потока обычно улучшает фильтрацию воды из-за времени простоя [APS1], она может стать слишком медленной для удобства пользователей. Если скорость потока падает ниже 0,1 л / мин, CAWST рекомендует провести техническое обслуживание.[2] Для восстановления скорости потока используется метод «завихрения и сброса», или техника уборки мокрым боронованием. Перед очисткой в ​​фильтр наливается около 1 галлона США (3,8 л) (при условии, что фильтр пустой). Затем верхний слой песка вращается круговыми движениями. Грязная вода из завихрения сбрасывается, а песок сверху разглаживается. Этот процесс повторяется до восстановления скорости потока.[2] Также рекомендуется регулярно чистить пластину диффузора, выпускную трубку, крышку и внешние поверхности фильтров.[2] Долгосрочная устойчивость и эффективность фильтров биопеска зависят от образования и поддержки со стороны квалифицированного вспомогательного персонала.[6]

Некоммерческая организация «Чистая вода для Гаити» в Гаити реализует образовательную и последующую программу после установки фильтра с биопесками. Программа включает посещение домов бенефициаров через один, три и двенадцать месяцев, а также через 5 лет с даты установки. Во время каждого визита бенефициары получают повторные инструкции о методах безопасной воды и уходе за фильтром. Согласно данным, собранным с 2010 года, от 94% до 99% фильтров по-прежнему регулярно используются через 12 месяцев после установки. [7]

Удаление загрязнений

Мутность

Результаты по снижению мутности варьируются в зависимости от мутности поступающей воды. Мутная вода содержит песок, ил и глину.[2] Мутность корма в одном исследовании колебалась от 1,86 до 3,9 NTU. В ходе исследования вода была взята из пробных кранов водоочистных сооружений трех местных водоемов. Он прошел через медленный песочный фильтр, и результаты показали, что мутность снизилась в среднем до 1,45 NTU.[1] В другом исследовании с использованием поверхностных вод наблюдалось снижение мутности на 93%.[8] По мере созревания биопленки над песком удаление мутности увеличивается.[1] Хотя фильтры из биопеска удаляют много мутности, медленные песочные фильтры, которые имеют более низкую скорость фильтрации, удаляют больше.[1]

Тяжелые металлы

Исследования по удалению тяжелых металлов фильтрами из биопеска ограничены. В исследовании, проведенном в Южной Африке, фильтр удалил около 64% ​​железа и 5% магния.[8]

Бактерии

В лабораторных исследованиях было обнаружено, что фильтр из биопеска удаляет около 98-99% бактерий.[8] В устранении кишечная палочка Было обнаружено, что фильтр биопеска может увеличиваться из-за образования биопленки примерно за два месяца. Удаление по истечении этого времени составляло 97-99,99% в зависимости от дневного объема воды и процента добавленных первичных стоков. Добавление первичных стоков или сточных вод способствует росту биопленки, что способствует гибели бактерий.[1] Исследования показывают, что фильтры из биопеска, используемые в полевых условиях, удаляют меньше бактерий, чем в контролируемой среде. В исследовании, проведенном в 55 домохозяйствах Бонао, Доминиканская Республика, среднее сокращение E. coli составило около 93 процентов.[9]

Вирусы

Лабораторные испытания показали, что, хотя фильтры значительно сокращают количество кишечной палочки, они удаляют значительно меньше вирусов, поскольку вирусы меньше. В исследовании с использованием бактериофагов удаление вируса составляло от 85% до 95% после 45 дней использования.[1] Недавнее исследование показало, что удаление вирусов значительно увеличивается со временем, достигая 99,99% примерно через 150 дней.[10]

Простейшие

В одном лабораторном тесте фильтр биопеска удалил более 99,9% простейшие. В тестах на один тип простейших Лямблии лямблии, фильтр удалил 100% за 29 дней использования. Он удалил 99,98% ооцист других простейших, Cryptosporidium sp., возможно, из-за их меньшего размера. Это удаление было сопоставимо с удалением песчаного фильтра медленной скорости.[11]

Польза для здоровья

Исследования в Доминиканской Республике и Камбодже, проведенные Университет Северной Каролины и Университет Невады показывают, что использование BSF снизило возникновение диарейных заболеваний на 47% во всех возрастных группах.[12] В исследовании, проведенном CAWST на Гаити, 95% из 187 домашних хозяйств считают, что их качество воды улучшилось после использования фильтров с биопеском для ее очистки. 80% пользователей заявили, что здоровье их семей улучшилось после внедрения. Такое восприятие здоровья при использовании фильтра биопеска оказалось более позитивным у людей, которые его долгое время использовали.[9]

Типы биопесочных фильтров

Конкретный

Конкретный фильтры - самый распространенный тип фильтров биопеска. Бетон обычно предпочтительнее других материалов из-за низкой стоимости, широкой доступности и возможности строительства на месте. Планы по бетонному фильтру открыто распространяются CAWST. Было разработано несколько версий. Фильтр биопесков CAWST версии 9 сконструирован с более высокой максимальной скоростью загрузки. Хотя фильтрованная вода соответствует стандартам качества воды EPA, она не является оптимальной.[13] Недавние исследования показывают, что время контакта между водой и гранулированным материалом является определяющим фактором при очистке воды. Фильтр биопеска CAWST версии 10 учитывает это; объем водоема равен объему порового пространства песчаного слоя. Максимальная скорость загрузки была уменьшена на 33%, чтобы обеспечить постоянный контакт стоячей воды с зернистым материалом.[13]

Бетонные фильтры BioSand обычно производятся с использованием стальных форм. Планы по изготовлению стальной формы открыто распространяются CAWST.

Чистая вода для Гаити, некоммерческая организация, базирующаяся в Кэмп-Мари, Гаити, производит фильтры с биопеском, используя приспособление для стальной формы. [14]

Некоммерческая организация OHorizons разработала пресс-форму для дерева на основе фильтра CAWST версии 10, которая может работать как недорогая альтернатива. Планы деревянной формы находятся в открытом доступе на веб-сайте OHorizons.[15]

Пластик

Пластиковые фильтры состоят из пластиковых бочек, которые обычно изготавливаются за пределами предприятия. Биопесочные фильтры Hydraid изготовлены из медицинского пластика с ультрафиолетовый сопротивление.[5] TivaWater - новейшая версия пластикового фильтра с биопесками и имеет несколько важных улучшений.[16]

Нержавеющая сталь

Биопесочный фильтр из нержавеющей стали, разработанный инженерами компании Фонд С. М. Сегала, НПО, базирующаяся в Гуруграме (ранее Гургаон), Индия, оказалась более эффективной, чем ее конкретные аналоги, и с более широкими возможностями для применения и принятия в различных географических условиях. Высокая стоимость пластика не позволяет использовать его в сельских районах Индии. Фильтр из нержавеющей стали, называемый JalKalp, предлагает повышенную скорость фильтрации и лучшую портативность (по сравнению с бетонными моделями), а также лучший контроль качества производства. Бетонные фильтры склонны к поломке и их трудно транспортировать из-за веса (65 кг), что делает их непригодными, особенно в отдаленных сельских или холмистых местах. 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) биопесок из нержавеющей стали имеет преимущество над 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 в отношении кишечной палочки, общих колиформ, мутности и загрязнения железом. Этот фильтр объединяет бактерицидные свойства меди с традиционной фильтрацией. Введение медной фольги в дренажную зону фильтра JalKalp увеличило удаление общих кишечных палочек и кишечной палочки из загрязненной воды до 100%. Фонд С. М. Сегала[17] продвигает модель, не требующую электричества, по всей Индии через партнерство с организациями-единомышленниками, чтобы принести пользу как можно большему количеству сельских семей.[18][19]

Существуют проблемы с созданием фильтров для воды из биопеска в развивающихся странах. Многим не хватает профессиональных навыков для изготовления металлических опалубок для заливки бетона. Также может отсутствовать поиск подходящего размера ячеек для просеивания слоев песка. В Никарагуа вы можете найти слесарей, способных сваривать арматуру для жилищного строительства, однако вы не найдете оборудования для гибки листового металла для изготовления металлических форм. Песок не продается в хозяйственных магазинах, как в США. Скорее всего, он приобретается при подборе груза из русел или ям, и единственная доступная сетка имеет размер 1/4 дюйма, что слишком велико. Путешествуя в страну третьего мира, лучше всего взять с собой подходящие сетчатые экраны.

Еще одна проблема, с которой сталкивается использование фильтров, - это принятие. Многие проекты могут оказывать помощь в создании фильтров для воды, а некоторые могут даже распространять их, но для того, чтобы заставить граждан принимающей страны использовать фильтры, требуется гораздо больше усилий. Люди должны быть связаны с владельцами фильтров для воды, чтобы они настаивали на использовании устройств и вырабатывали у них привычку пользоваться ими. В противном случае некоторые фильтры будут брошены и брошены без присмотра на дорогах. Простая передача фильтров недостаточна для принятия.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п Эллиотт М., Штаубер К., Коксал Ф., ДиДжиано Ф. и М. Собси (2008). Уменьшение количества кишечной палочки, эховируса типа 12 и бактериофагов в 2 бытовых медленных песочных фильтрах, которые периодически работают. Water Research, Volume 42, Issues 10-11
  2. ^ а б c d е "CAWST Руководство по фильтру биопесков, 2008 г." (PDF).
  3. ^ а б c d "CAWST Biosand Filter".
  4. ^ а б "История CAWST".
  5. ^ а б c "Hydraid Biosand Technology".
  6. ^ Сиссон, Эндрю Дж .; Wampler, PJ; Rediske RR; Molla AR (январь 2013 г.). «Оценка долгосрочного использования и устойчивости биопесочного фильтра в Артибонитовой долине недалеко от Дешапеля, Гаити». Журнал "Вода, санитария и гигиена в целях развития". 3 (1): 51–60. Дои:10.2166 / washdev.2013.092. Архивировано из оригинал на 2014-12-01. Получено 2013-02-20.
  7. ^ cleanwaterforhaiti.org
  8. ^ а б c Мваби, Дж.К., Ф.Э. Адейемо, Т.О. Мамба. «Бытовые системы очистки воды: решение для обеспечения безопасного питья». SAO / NASA ADS: Домашняя страница ADS. Интернет. 22 декабря 2011 г. http://adsabs.harvard.edu/abs/2011PCE....36.1120M
  9. ^ а б Собси, Марк; Кристин Стаубер; Лиза Казанова; Джозеф Браун; Марк Эллиотт (2008). «Фильтрация питьевой воды в домашних условиях: практическое и эффективное решение для обеспечения устойчивого доступа к безопасной питьевой воде в развивающихся странах». Экологические науки и технологии. 43 (3): 970–971. Дои:10.1021 / es8026133.
  10. ^ Брэдли, И., Штрауб, А., Маракчини, П., Маркази, Нгуен, Т. (2011). Биопесочные фильтры с поправками на оксид железа для удаления вирусов. Водные исследования
  11. ^ «Фильтр биопесков».
  12. ^ Стаубер, Кристина; Глория М. Ортис; Дана П. Лумис; Марк Д. Собси (2009). «Рандомизированное контролируемое испытание конкретного фильтра с биопесками и его влияния на диарейные заболевания в Бонай, Доминиканская Республика». Американский журнал тропической медицины и гигиены. 80 (2): 286–293. Дои:10.4269 / ajtmh.2009.80.286. PMID  19190228.
  13. ^ а б "Руководство CAWST Biosand Filter 2010". Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ http://cleanwaterforhaiti.org/programs/how-does-the-filter-work/
  15. ^ «Руководство и приложение OHorizons для изготовления деревянных форм». Архивировано из оригинал на 2017-11-29. Получено 2015-07-20.
  16. ^ tivawater.com
  17. ^ http://www.smsfoundation.org/
  18. ^ http://www.smsfoundation.org/wp-content/uploads/2016/02/Reinventing-the-biosand-filter.pdf
  19. ^ Бхадури, Амита. «ДжалКалп: примеси водяных песков». «Водный портал Индии» 13 ноября 2017 г.

внешняя ссылка

  • База знаний Biosand Filter содержащие последнюю техническую информацию и информацию о реализации, исследованиях и информацию о проектах
  • CAWST Biosand Filter содержащие учебные и образовательные ресурсы
  • Manz Water Info содержащий ряд подробных ресурсов, касающихся строительства и эксплуатации
  • Фильтр BioSand
  • Биопесчаный фильтр OHorizons Wood Mold содержащие технические ресурсы по конструкции деревянных форм для использования в производстве бетонных фильтров BioSand
  • Чистая вода для Гаити содержащий информацию и ресурсы по производству фильтра биопеска