Evaluation of the impact of design and operation parameters on direct filtration


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Abstract

This paper discusses the impacts of common design and operation parameters on direct filtration (DF) performance. These tests were carried out in a 45-m3/d pilot plant. The raw waters used were obtained by spiking a natural water with a kaolin suspension. The DF treatment comprises coagulation, flocculation, and filtration on a sand or anthracite bed. Seven parameters were studied over a wide range of design and operation conditions: effective size of the media (ES) 0.4 or 2.0 mm, depth of media (HMED) 50 or 300 cm, water head (WH) 50 or 300 cm, filtration rate (FR) 5 or 30 m/h, uniformity coefficient (UC) 1.3 or 1.5, raw water turbidity (TURB_RW) 1 or 5 nephelometric turbidity units (NTU), type of filtering media (MEDIA) sand or anthracite. The analysis of filter performance was based on the quantity and quality of filtered water produced and the cost of the filtration plant relative to each configuration. The results show that four of the parameters studied (ES, HMED, FR, and WH) have the most significant impacts on the filter performance and govern more than 77% of the performance criteria examined. This study also showed that the use of high-rate filtration increases the net productivity of the filters. However, to comply with filtered water quality requirements, the other three parameters should be set to appropriate values, since interactions among all four parameters are very high. The global cost analysis showed that a well designed and properly operated high-rate filtration process is more cost-effective than low-rate filtration.RésuméLe présent article discute de l'impact des sept paramètres courant de conception et d'exploitation des filtres sur les performances de la filtration directe (FD). Les essais ont été menés sur une usine pilote de FD de capacité 45 m3/d comprenant les étapes de coagulation, floculation et filtration sur un filtre monocouche à sable ou anthracite. La turbidité des eaux brutes reconstituées utilisées a été ajustée en ajoutant une suspension de kaolin dans de l'eau naturelle. L'espace expérimental étudié englobe les configurations usuelles d'application de la filtration. Il est défini par les sept paramètres: diamètre effectif du matériau (ES) 0, 4 ou 2, 0 mm, épaisseur du lit filtrant (HMED) 50 ou 300 cm, hauteur d'eau (WH) 50 ou 300 cm, vitesse de filtration (FR) 5 ou 30 m/h, coefficient d'uniformité (UC) 1, 3 ou 1, 5, turbidité de l'eau brute (TURB_RW) 1 ou 5 UTN et type de matériau filtrant (MEDIA) sable ou anthracite. Les performances des filtres ont été évaluées en fonction de la quantité d'eau filtrée produite et sa qualité ainsi qu'en fonction des coûts de construction et d'exploitation d'usines ayant les différentes configurations testées. Les résultats ont montré que quatre des paramètres étudiés (ES, HMED, FR et WH) avaient un impact majeur sur les performances des filtres. En effet, ces derniers expliquent à eux seuls plus de 77% de chacun des critères de performances étudiés. Ce pourcentage est expliqué par les effets individuels des paramètres de même que les effets d'interactions. Ainsi, pour maintenir la performance désirée, la variation d'un paramètre doit s'accompagner d'un ajustement des trois autres. Globalement, la filtration à grande vitesse augmente la productivité journalière nette des filtres. Les résultats globaux d'analyse de coûts ont montré que les coûts de construction et d'opération dans le cas d'une filière de filtration directe à grande vitesse sont beaucoup moins élévés que pour les faibles vitesse de filtration.

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