Alternative filter media in rapid gravity filtration of potable water

476 Pages·2017·48.06 MB·English

Loughborough University
Institutional Repository
Alternative filter media in
rapid gravity filtration of
potable water
ThisitemwassubmittedtoLoughboroughUniversity’sInstitutionalRepository
by the/an author.
Additional Information:
• A Doctoral Thesis. Submitted in partial fulfilment of the requirements
for the award of Doctor of Philosophy of Loughborough University.
Metadata Record: https://dspace.lboro.ac.uk/2134/12183
Publisher: (cid:13)c Phillip D. Davies
Please cite the published version.
This item was submitted to Loughborough University as a PhD thesis by the
author and is made available in the Institutional Repository
(https://dspace.lboro.ac.uk/) under the following Creative Commons Licence
conditions.

For the full text of this licence, please go to:
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/
ALTERNATIVE FILTER MEDIA IN RAPID GRAVITY 

FILTRATION OF POTABLE WATER 

By 

PHILLIP D. DAVIES 

A Doctoral Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the 

Award of Doctor of Philosophy of Loughborough University 

June 2012 
© By Phillip D. Davies (2012)
1 ABSTRACT 
Sand has been the main filter media used in rapid gravity filtration since their emergence in 
the 19th century. This dominance is due to its low cost, availability and extensive experience 
which has led to dependable and predictable performance. Over recent years multi‐media 
filters have become the typical filter arrangement. Sand still remains the preferred filter 
medium in the lower layer with typically anthracite used in the upper layer. 
A limitation to match previous work has been the emphasis on overall performance but 
mechanistic analysis as to the reasons for the variations compared to sand has been rare. 
The fundamental effects of particle size and consolidation on filtration performance and 
headloss are known but were not often accounted for in the reported research. This has 
limited the academic contribution of previous work and made it more difficult to compare 
with the data for this thesis.  
At an average treatment works the highest costs are associated with the use of chemicals 
(30 %) and power (60 %) required mainly for pumping. Rapid gravity filters are one of the 
least energy demanding stages in this system, only requiring pumping for backwashing and 
air scour, assuming gravity feed was incorporated into the design. 
Energy efficiency of water treatment has become more important and the research was 
conducted to determine if the use of novel new media could be used to improve the 
performance of the filters with regards to turbidity and headloss. For example, the result 
presented within this thesis demonstrates through the use of angular media improved 
performance to benefit both turbidity and headloss performance. This was obtained from 
slate having a sphericity of 0.49 compared to sand at 0.88. 
In addition the use of novel materials with different physical properties has allowed an 
extension to analysis of performance using fundamental filtration mechanisms. The greater 
range of properties available from the novel media used in this thesis compared to sand has 
suggested  additions  to  this  theory.  The  use  of  surface  reactive  materials,  including 
limestone, has shown the removal of additional contaminants such as phosphorus, iron, 
aluminium  and  manganese  not  typically  associated  with  rapid  gravity  filtration.  An 
assessment of the impact these reactions had on typical filter performance criteria, for 
1
example turbidity, headloss and life expectancy. The results showed an 97 % removal of Fe 
in the limestone compared to 13 % for sand. This was brought about by the precipitation of 
hydroxide, coagulation, a pH change and consequent co‐precipitation. In the case of iron and 
aluminium  removal  this  pH  induced  change  was  theorized  as  the  most  likely  cause  of 
coagulation within the filter bed itself leading to improved turbidity removal performance. 
Filter media chosen for laboratory and pilot study in this work was firstly assessed using 
British  Standards  tests,  but  additional  tests  were  added  that  could  provide  additional 
characterisation  data.  The  media  were  selected  based  on  an  individual  fundamental 
property that differed from the other media selected whilst retaining the standard RGF size. 
Filtralite for example offered a high surface area, limestone a more active surface and slate a 
plate‐like particle shape. Glass had a very smooth surface texture and as a recycled material 
better sustainability. Four of these filter media (Sand (control), Glass, Filtralite and Slate) 
were  then  selected  for  further  on‐site  pilot  plant  studies,  based  on  results  from  the 
laboratory work.  
Both the laboratory and pilot study suggested that turbidity and headloss performance could 
be improved by changes in media specification. The results showed that after particle size, 
angularity of the media was the most important factor affecting turbidity and headloss 
performance. A greater angularity led to improvements in filter run time with for example a 
doubling of filter run time with the slate compared to sand for the same turbidity removal in 
the pilot plant. Previous literature had suggested an improvement in turbidity performance 
but that head loss would deteriorate but this was not seen in the data from this research, 
with slate (sphericity of 0.49) offering improved headloss performance. This improvement 
was attributed to the varied packing of the filter bed and associated porosity variations 
throughout the filter. 
The objectives of the pilot study were to provide understanding of scale‐up factors and 
adjust these theories with real variable clarified water. Real water chemistry is too complex 
to model and enabled experiments more typical of the variation that a rapid gravity filter 
would encounter. The pilot plant is 0.07 % the plan area of a full scale filter compared to the 
0.01 % of the laboratory columns. Results corroborated the laboratory work on the effect of 
extreme particle shapes on filter performance. 
2
The pilot study also highlighted problems from floc carry over with the use of clarified water 
and  quantified  the  impact  it  had  on  filtration  performance.  In  this  case  floc  carryover 
changed the performance of the pilot plant results significantly. Thus an overall conclusion 
from the work was that an integrated design approach to filters, to account for the clarifier 
type the likelihood of floc carryover and raw water anticipated could be further researched. 
There  were  also  limitations  to  the  current  monitoring  equipment  that  could  not 
quantitatively measure the floc carryover because of large particle size. 

3
CONTENTS 
1  Abstract .......................................................................................................................................................... 1 
2  Acknowledgements ........................................................................................................................................ 7 
3  Introduction ................................................................................................................................................. 14 
4  Literature Review ......................................................................................................................................... 18 
4.1  Studies on Alternative Filter Media ...................................................................................................... 18 
4.1.1  Pumice ......................................................................................................................................... 20 
4.1.2  Glass............................................................................................................................................. 27 
4.1.3  Expanded Aluminosilicate (Filtralite®) ......................................................................................... 39 
4.1.4  Limestone .................................................................................................................................... 53 
4.1.5  Other ............................................................................................................................................ 59 
4.2  Filtration Mechanisms .......................................................................................................................... 61 
4.2.1  Particle Transportation ................................................................................................................ 63 
4.2.2  Attachment Mechanisms ............................................................................................................. 68 
4.3  Analysis and Objectives ........................................................................................................................ 74 
5  Media Characterisation Results and discussion ........................................................................................... 76 
5.1  Density .................................................................................................................................................. 77 
5.1.1  Theory .......................................................................................................................................... 77 
5.1.2  Testing ......................................................................................................................................... 81 
5.2  Sphericity and Particle Shape ............................................................................................................... 82 
5.2.1  Theory .......................................................................................................................................... 82 
5.2.2  Testing ......................................................................................................................................... 83 
5.3  Particle Size Distribution ...................................................................................................................... 85 
5.3.1  Theory .......................................................................................................................................... 85 
5.3.2  Testing ......................................................................................................................................... 88 
5.4  Bed Porosity ......................................................................................................................................... 97 
5.4.1  Theory .......................................................................................................................................... 97 
5.4.2  Testing ......................................................................................................................................... 99 
5.5  Friability and Mechanical Durability of Media ................................................................................... 102 
5.5.1  Theory ........................................................................................................................................ 102 
5.5.2  Testing ....................................................................................................................................... 105 
5.6  Acid Solubility ..................................................................................................................................... 106 
4
5.6.1  Theory ........................................................................................................................................ 106 
5.6.2  Testing ....................................................................................................................................... 109 
5.7  Surface Area Determination ............................................................................................................... 112 
5.7.1  Theory ........................................................................................................................................ 112 
5.7.2  Testing ....................................................................................................................................... 115 
5.8  Scanning Electron Microscopy (SEM) ................................................................................................. 117 
5.8.1  Sand ........................................................................................................................................... 118 
5.8.2  Glass........................................................................................................................................... 119 
5.8.3  LimestoNe .................................................................................................................................. 121 
5.8.4  Filtralite ...................................................................................................................................... 122 
5.8.5  Slate ........................................................................................................................................... 124 
5.8.6  Steel and Furnace Slag ............................................................................................................... 125 
5.8.7  Phosphorus Slag ........................................................................................................................ 126 
5.8.8  Pumice (Techfil®) ........................................................................................................................ 126 
5.8.9  Pumice (Pumex®) ....................................................................................................................... 127 
5.9  Batch Adsorption Testing ................................................................................................................... 128 
5.9.1  Methodology ............................................................................................................................. 128 
5.9.2  Testing ....................................................................................................................................... 129 
5.10  Initial Characterization recommendations ......................................................................................... 137 
6  Laboratory Scale Trials ............................................................................................................................... 139 
6.1  Raw Water .......................................................................................................................................... 140 
6.2  Filter Bed Specifications ..................................................................................................................... 143 
6.2.1  Supporting Media ...................................................................................................................... 143 
6.2.2  Filter Media ............................................................................................................................... 146 
6.3  Apparatus ........................................................................................................................................... 148 
6.3.1  Raw Water Storage and Delivery ............................................................................................... 149 
6.3.2  Filter Columns ............................................................................................................................ 151 
6.3.3  Pressure ports ............................................................................................................................ 158 
6.4  Filter Run Results ................................................................................................................................ 162 
6.4.1  Steady State Turbidity ............................................................................................................... 166 
6.4.2  Headloss .................................................................................................................................... 180 
6.4.3  Backwashing .............................................................................................................................. 188 
5
6.5  Summary and Conclusions ................................................................................................................. 190 
7  Pilot Scale Trials .......................................................................................................................................... 194 
7.1  Methodology ...................................................................................................................................... 194 
7.1.1  Water Treatment Works ............................................................................................................ 194 
7.1.2  Pilot Plant .................................................................................................................................. 197 
7.1.3  Clarified Water Quality .............................................................................................................. 200 
7.1.4  Mudballing + Backwashing ........................................................................................................ 205 
7.2  Results ................................................................................................................................................ 207 
7.2.1  Summary of Testing ................................................................................................................... 207 
7.2.2  Turbidity Removal ...................................................................................................................... 209 
7.2.3  Headloss .................................................................................................................................... 212 
7.2.4  Analysis ...................................................................................................................................... 220 
8  Summarising Discussion and Conclusions .................................................................................................. 224 
9  Further Work .............................................................................................................................................. 227 
10  Refrences .................................................................................................................................................... 229 

6
2 ACKNOWLEDGEMENTS 
Firstly, I would like to thank my supervisor Professor Andrew Wheatley who has supported 
me throughout the project. I am grateful for his guidance on the topic of my PhD and also 
the wealth of additional knowledge I was provided with, sometimes without requesting it on 
a broad range of subjects. Thanks also to Christine Barton for organizing Andrew’s time so 
well that he was always available when I needed his time to query another idea. 
My thanks go out to all the technicians in the civil engineering laboratories at Loughborough 
for their contributions both great and small. More specifically, I would like to that both Mick 
Barker and Mick Shonk for their assistance in constructing the equipment, without their skills 
and advice I would have made very slow progress. In addition, I must thank Geoffrey Russell 
and Jayshree Bhuptani for their help in sample analysis, general advice and their often 
interesting  conversation.  Thanks  must  also  go  to  the  technicians  over  in  materials 
engineering for their analysis of samples and answering any questions I had. 
Thanks go to Severn Trent Water for allowing me access to one of their sites to carry out a 
pilot study, and especially to Bernadette Ryan, Jessie Roe, Lizz Brookes, Keiron Maher, Mick 
Carvell and the numerous operators on site who offered assistance and guidance throughout 
the project. Also thanks to those who have helped and taken an interest in my work from 
United Utilities and especially to David Watson. 
Thanks also to my co‐workers in the hub who constantly ensured I never got too far ahead of 
myself and the members of the cycling club who made sure I was sufficiently distracted from 
work to never get too stressed. For those I have not mentioned I offer simple thanks. 

7