모래 여과기의 과학: 어떻게 작동할까요?

모래 여과기는 다양한 과학적 원리를 활용해 물을 정화하는 물 처리 시스템의 필수적인 구성 요소입니다. 미국에서만 매일 6,000억 갤런 이상의 물이 모래 여과 시스템을 통해 처리되고 있으며, 이는 깨끗한 물 접근성을 보장하는 데 있어 이 시스템이 얼마나 중요한 역할을 하는지를 보여줍니다. 이러한 기능 뒤에 숨은 복잡한 메커니즘을 이해하면 불순물을 걸러내는 데 있어 효율성과 안정성이 높아진다는 것을 알 수 있습니다. 이 기사에서는 모래 여과기의 원리와 작동 원리를 설명하면서 모래 여과기의 과학적 원리를 살펴봅니다.

모래 여과기의 구조:

전형적인 모래 여과기는 정밀한 공학 기술의 경이로움입니다. 필터의 핵심은 꼼꼼하게 선택된 모래와 자갈층에 있습니다. 이러한 매체 입자의 크기와 등급은 효율적인 여과에 매우 중요합니다.

Ø 필터 매체:  모래 입자의 직경은 일반적으로 0.3~1.2mm이고, 균일성 계수(크기 변화의 척도)는 1.2~1.5입니다. 이 특정 범위는 입자 사이에 최적의 기공 공간을 보장하여 다양한 크기의 오염 물질을 효과적으로 가두는 동시에 물이 흐르도록 합니다. 모래층 아래에는 일반적으로 지름이 2~5mm인 자갈층이 있습니다. 이 층은 구조적 지지력을 제공하고 미세한 모래 입자가 배수 시스템으로 유입되는 것을 방지합니다.

Ø 유통 시스템: 최적의 성능을 위해서는 필터 베드 전체에 물이 고르게 흐르는 것이 가장 중요합니다. 이는 다양한 형태를 취할 수 있는 잘 설계된 유통 시스템을 통해 달성됩니다. 일부 필터에서는 천공판이나 파이프 네트워크를 통해 유입되는 물을 모래바닥 위에 고르게 분산시킵니다. 또 다른 일반적인 설계는 필터 내부의 채널링을 최소화하기 위해 전략적으로 물을 분배하는 노즐을 활용하는 것입니다.

Ø 언더배수 시스템:  필터 바닥에 위치한 배수 시스템은 여과된 물을 모으고 제거하는 데 도움이 됩니다. 일반적으로 자갈이나 쇄석층에 묻힌 파이프나 수로의 네트워크로 구성됩니다. 배수 시스템의 설계는 물이 흐르는 동안 손실(압력 강하)을 최소화하는 동시에 여과된 물을 효율적으로 수집할 수 있도록 해줍니다.

모래 필터의 작동:

모래 여과기 내의 정화 과정은 물리적, 화학적, 생물학적 메커니즘의 상호 작용입니다. 각 메커니즘은 오염물질을 제거하고 깨끗한 물 생산을 보장하는 데 특정한 역할을 합니다.

1 물리적 여과:

물이 모래 바닥을 통해 아래로 흐르면서 여러 가지 물리적 메커니즘이 작용합니다.:

Ø 긴장하다:  모래알 사이의 기공 공간 크기를 초과하는 더 큰 입자는 필터 베드 내부에 물리적으로 갇히게 됩니다. 이는 모래, 실트, 조류와 같은 부유 고형물을 제거하는 주요 메커니즘입니다.

Ø 침강:  중력의 영향을 받는 더 작은 입자는 물기둥에서 가라앉아 모래알 사이의 공간에 끼게 됩니다. 이 메커니즘은 단순히 걸러내는 것만으로는 효율적으로 포집되지 않는 무거운 입자를 제거하는 데 특히 효과적입니다.

Ø 차단:  기공 공간보다 작은 입자도 차단을 통해 제거될 수 있습니다. 물이 모래알 주위를 흐르면서, 이러한 작은 입자들은 모래알 표면과 접촉하게 되고, 모래알의 크기와 불규칙한 모양으로 인해 갇히게 됩니다.

2 화학 여과:

물리적 메커니즘이 대부분의 오염 물질을 제거하는 반면, 모래 여과기도 일정 수준의 화학적 여과에 기여할 수 있습니다. 철, 망간 등의 특정 오염 물질은 흡착이라는 과정을 통해 모래알 표면에 부착될 수 있습니다. 이러한 흡착은 모래알의 표면 전하와 오염물질의 특정 속성과 같은 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다.

3 생물학적 여과:

모래 여과기의 칭찬받을 만한 특징 중 하나는 생물학적 여과를 지원할 수 있다는 점입니다. 모래알의 표면은 다양한 미생물 군집이 자랄 수 있는 안식처가 되어 바이오필름을 형성합니다. 이 바이오필름은 유기물과 병원균을 분해하여 물 정화에 중요한 역할을 합니다. 바이오필름 내의 미생물은 유기 오염물질을 식량원으로 활용하여 이를 더 간단한 화합물로 분해합니다. 또한, 바이오필름 내의 일부 박테리아는 병원성 박테리아와 경쟁하거나 심지어 병원성 박테리아를 잡아먹기도 하는데, 이로 인해 여과된 물 속의 병원성 박테리아 수가 더욱 감소합니다.

고급 모래 여과:

위에 설명한 핵심 원칙은 여전히 ​​기본이지만, 특정 과제를 해결하고 처리 효율성을 높이기 위해 몇 가지 고급 모래 여과 기술이 개발되었습니다.

1 응집 및 응집:

탁도가 높거나 유기물 함량이 높은 상황에서는 모래 여과 전에 응집 및 응집 단계를 통합할 수 있습니다. 응집제는 부유 입자를 불안정하게 만들어 입자들이 서로 뭉쳐 더 큰 응집물을 형성하게 합니다. 응집제는 이러한 응집물을 연결하여 더 큰 응집체를 형성하는데, 이 응집체는 모래 여과를 통해 더 쉽게 제거됩니다. 이러한 전처리 단계는 모래 여과기의 부하를 크게 줄여 여과기의 효율성을 높이고 역세척 사이의 여과기 작동 시간을 연장합니다.

2 멀티미디어 필터링:  

전통적인 모래 여과의 변형으로 멀티미디어 필터가 있습니다. 이 유형의 필터는 크기와 밀도가 다른 여러 매체 층을 활용합니다. 예를 들어, 일반적인 구성에는 무연탄, 모래, 가닛 층이 포함될 수 있습니다. 다양한 매체를 사용하면 더 다양한 크기의 기공을 얻을 수 있으므로, 더 광범위한 오염 물질을 더 효과적으로 제거할 수 있습니다. 또한, 멀티미디어 배열은 채널링을 최소화하고 여과 균일성을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

모래 여과기 성능 최적화 방법:

모래 여과기는 다른 여과 시스템과 마찬가지로 최적의 성능을 보장하기 위해 정기적인 유지관리가 필요합니다. 시간이 지남에 따라 오염 물질이 필터 베드 내부에 축적되어 점차 손실 헤드가 증가하고 여과 효율이 감소합니다. 이 문제를 해결하기 위해 백워싱이라는 공정이 사용됩니다. 역세척 중에는 물의 흐름이 반대로 바뀝니다. 깨끗한 물은 필터 베드를 통해 위쪽으로 펌핑되어 모래 베드를 확장하고 갇힌 오염 물질을 제거합니다. 제거된 오염물질이 가득한 역세척수는 폐기물로 배출됩니다. 역세척 빈도는 유입수 품질, 여과 속도 등 다양한 요인에 따라 달라집니다.