Adapting a deep bed filtration model to real-world data

Abstract

Reint og trygt drikkevatn er ein begrensa ressurs i verda, og patogene mikroorganismar i drikkevatnet kan utgjere ein fare for konsumentane dersom vatnet ikkje vert behandla riktig. Koagulering- og filtrering og er ein mykje brukt renseteknikk i Noreg, men det er behov for betre dokumentasjon av virusfjerning i denne typen anlegg. Virusfjerning vart nyleg undersøkt i eit pilotskala to-media kontaktfiltreringsanlegg i eit doktorgradsarbeid ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet. Forsøket målte turbiditet, trykktap, E. Coli, og to typar virus, på 8 ulike djup i filteret, 12 gonger under ein 18 timar lang filtreringssyklus. I denne oppgåva har me utleia dei matematiske modellane som skildrar korleis turbiditet og virus vert fjerna i eit sandfilter. Me har også og tilpassa ein matematisk filtreringsmodell til målt turbiditet, slik at seinare arbeid kan løyse virusproblemet. Det var gjort to separate undersøkingar, ein for det øvre filtermediet og ein for det nedre filtermediet. I kvar av media vart modellar som tillet at partiklar løsnar frå filtermediet og modellar som ikkje tillet at partiklar løsnar frå filtermediet samanlikna. For det øvre mediet gav modellen best samsvar med dei målte data når partiklane fekk lov til løsne frå filtermediet. I det nedre mediet gav modellen som tillet at partiklar løsnar nesten like godt samsvar med målte data som modellen som ikkje tillet at partiklane fekk lov til å løsne. Dette kan være ein indikasjon på at partiklar løsnar i det øvre mediet, medan dei ikkje løsnar i det nedre mediet.

Safe and clean drinking water is a limited resource and pathogenic microorganisms might pose a threat for consumers if the water is not treated properly. Coagulation- and filtration is much used in drinking water treatment plants in Norway, but there is a need for better documentation on virus removal in these plants. Virus removal was recently studied in a pilot scale two media contact-filtration plant at the Norwegian University of Life Sciences. The experiment measured turbidity, headloss, E. Coli and two types of viruses at 8 filter depths, 12 times through an 18 hour long filtration cycle. In this thesis we have derived the mathematical models that govern the removal of turbidity and virus in a rapid sand filter. We have also fitted a mathematical filtration model to the measured turbidity so that later work can solve the virus problem. Two separate investigations were performed, one for the upper medium and one for the lower medium. In each medium, models allowing particle detachment and models that do not allow particles to detach were compared. In the upper medium the model gave best fit to the measured data if the particles were allowed to detach from the filter grains. In the lower medium the model allowing particles to detach gave almost as good a fit to the measurements as the model that did not allow the particles to detach. This could indicate that particles detach in the upper medium and not in the lower medium.