• 5

7.3. ФИЛЬТРОВАНИЕ

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тон- кодис 11 ер ги р о в а н и ы х твердых или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруднено. Разделение проводят при помощи пористых перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих диспергированную фазу. Процесс идет под дей­ствием гидростатического давления столба жидкости, повышен­ного давления над перегородкой или вакуума после перегородки.

Фильтрование через фильтрующие перегородки. Выбор пере­городок зависит от свойств сточной воды, температуры, давле­ния фильтрования и конструкции фильтра.

В качестве перегородки используют металлические перфорированные ли­сты и сетки из нержавеющей стали, алюминия, никеля, меди, латуни и др., а также разнообразные тканевые перегородки (асбестовые, стеклянные, хлоп­чатобумажные, шерстяные, из искусственного и синтетического волокна).

Для химически агрессивных сточных вод при повышенной температуре и значительных механических напряжениях наиболее пригодны металлические перегородки, изготовляемые из перфорированных листов, сеток и пластин, получаемых при спекании сплавов.

Фильтровальные перегородки, задерживающие частицы, должны обла­дать минимальным гидравлическим сопротивлением, достаточной механиче­ской прочностью и гибкостью, химической стойкостью и не должны набухать и разрушаться при заданных условиях фильтрования. По материалу, из ко­

торого изготовляют перегородки, их разделяют на органические и неоргани­ческие, 110 принципу .действия — на поверхностные и глубинные, а по струк­туре — на гибкие и негибкие.

Глубинные фильтровальные перегородки обычно применяют при освет­лении суспензий с малой концентрацией твердой фазы, которая, проникая внутрь перегородки, задерживается в порах (оседает и адсорбируется). На поверхностных фильтровальных перегородках проникания частиц в поры пе­регородки ие происходит.

Процесс фильтрования проводят с образованием осадка на поверхности фильтрующей перегородки или с закупоркой пор фильтрующей перегородки.

Осадки, которые образуются в процессе фильтрования, мо­гут быть сжимаемыми и несжимаемыми. Сжимаемые осадки характеризуются уменьшением порозности вследствие уплотне­ния и увеличением сопротивления с ростом перепада давлении. У несжимаемых осадков породность и сопротивление потоку жидкости в процессе фильтрования остаются постоянными. К таким осадкам относят вещества минерального происхожде­ния (песок, мел, сода и др.) с размером частиц > 100 мкм. Производительность фильтра определяется скоростью фильтро­вания, т. е. объемом воды, прошедшей в единицу времени через; единицу поверхности.

Скорость фильтрования определяют уравнением

di'/Fdt - ЛР/р. (R,„+/?*.„).      (ЛЛ9>

Процесс фильтрования можно проводить при постоянной разности давлений или при постоянной скорости. Уравнение фильтрования при постоянной разности давлений имеет вид

d о/Fdx - АР/цго (Хо'о/Р+Яф .„),   (И.20>

Время, необходимое для образования осадка, при данном режиме фильтра равно

x^nravjxF(x0vlF-{-R^.„).         (11.21)

Уравнение фильтрования при постоянной скорости процесса

.           (П.22)

Так как скорость фильтрования равна w = v/Ft, то уравне­ние (11.22) имеет вид

AP=(tr0w (х0тх+ЯФ.„),          (П.23)

где v -- объем фильтрата за время т, м3; F — поверхность фильтрования, м'; т — продолжительность фильтрования, с; АР — перепад давления, Па; р, — динамическая вязкость фильтрата, Па-с; /?« и /?».»•- сопротивление осадка и фильтровальной перегородки соответственно, м™1; го - "дельное сопротив­ление осадка, м'™2;, ха ™ отношение объема осадка к объему фильтрата.

Для фильтрования используют различные по конструкции фильтры. Основные требования к ним: высокая эффективность выделения примесей и максимальная скорость фильтрования.

Фильтры подразделяют по различным признакам: по характеру протека­ния процесса — периодические и непрерывные; по виду процесса — для раз­деления сгущения и осветления; по давлению при фильтровании — под ва­куумом (до 0,085 МПа), под давлением (от 0,3 до 1,5 МПа) или при гид­ростатическом давлении столба жидкости (до 0,05 МПа); но направлению фильтрования—вниз, вверх или вбок; по конструктивным признакам; по способу съема осадка, наличию промывки и обезвоживания осадка, по фор­ме и положению поверхности фильтрования.

В системах очистки сточных вод используют фильтры периодического действия: нутч-фильтры, листозые и фильтр-прессы и фильтры непрерывного действия: барабанные, дисковые, ленточные.

Из фильтров периодического действия наиболее простыми по устройст­ву являются путч- или друк-фпльтры. Они предназначены для разделения нейтральных, кислых и щелочных суспензий. Фильтры представляют собой емкость с ложным перфорированным днищем, на котором закреплена фильт­ровальная ткань. Нижняя часть фильтра присоединяется к вакуумной си­стеме через ресивер. Осадок, накапливающийся на ткани, удаляют вручную.

Для разделения труднофнльтруемых суспензий применяют фильтр-прес­сы, работающие при давлении 0,3—-1,2 МПа. Рамные фильтр-прессы исполь­зуют при фильтровании разных суспензий; предусматривается возможность промывки и продувки осадка.

Фильтр-пресс ФПАКМ имеет поверхность фильтрования 2,5; 5 и 12,5 м», его применяют для очистки сточных вид химических производств. Он работа­ет под давлением 1,5 МПя, обеспечивает эффективную промывку осадка, отличается минимальным временем вспомогательных операций.

Листовой фильтр представляет собой емкость, в которой размещены листовые элементы. Фильтровальный элемент представляет собой полую ра­му с проволочной сеткой, обтянутую снаружи фильтровальной тканью. Сус­пензия поступает внутрь аппарата. В процессе фильтрования осадок намы­вается на фильтровальный элемент, а фильтрат непрерывно отводится из. емкости. По окончании процесса фильтрования осадок сжатым воздухом удаляют с фильтрующих элементов внутрь емкости и выводят через "спе­циальный штуцер. Наиболее эффективно листовые фильтры используют в процессах сгущения суспензий.

Для разделения труднофнльтруемых суспензий разработаны непрерыв­ные высокопроизводительные барабанные вакуум-фильтры со сходящим по­лотном и поверхностью фильтрования до 40 м3 (рис. 11-11). При вращении барабана жидкая фаза поступает в его внутреннюю полость под действием вакуума, а через распределительное устройство выводится из барабана. Твердая фаза собирается на поверхности полотна, от которого отделяется ножом. Регенерация ткани производится промывной жидкостью, подаваемой под давлением через систему насадок.

Для различных целен очистки сточных вод и для обезвоживания осад­ков широко применяют барабанные, дисковые и ленточные вакуум-фильтры непрерывного действия. Барабанные вакуум-фильтры используют для разде­ления суспензий, быстро образующих осадок. Дисковые фильтры предназна­чены преимущественно для фильтрования суспензий с невысокой скоростью осаждения твердой фазы, а также для разделения легконспаряющихся, вяз-

 

1

Рис. II-11. Барабанный вакуум- фильтр со сходящим полотном:

СточнаЛ

Soda. •           >

1 — фильтровальная ткань; Я, S, 7 — ро­лики; 3 -- нож; 4 — сопло дли подач» промыпцой воды; 6' —латок для удале­ния промывной жидкости; j — корыто

- нож; 4 — сопло дли подач»

д

Таблица 11,7. Характеристика фильтров периодического и непрерывного дей­ствия

Факторы, влияющие на выбор фильтра

Фильтры периоди­ческого действии

 

& А.

■t-u

Фильтры непрерыв­ного действия

Начальная концентрация сус­пензии, % (об.): до 0,5 до I до 15

Возможность получения чисто­го фильтра

Возможность промывки Возможность изготовления из кислотостойкой стали

Обозначения, характеризующие технико-икоиомические показатели фильтров: 1 — высо­кие; 2 — хорошие: 3 — удовлетворительные; 4 — ия:жие (применяются при крайней необ­ходимости) ; прочерк ~ неудовлетворительные (неприменимость данного фильтра).

1

2

2

2—3

1—2

1

4

3-4

2—3

1—2

2

1

1—2

1

1

3

3

4

4

3

2

1

 

2

1

4

4

1

4

3

ких, окисляемых и токсичных суспензий. Сравнительная характеристика фильтров дана в табл. П,7.

Фильтры с зернистой перегородкой. В процессах очистки сточных вод как правило приходится иметь дело с большим количеством воды, поэтому применяют фильтры, для работы которых не требуется высоких давлений. Исходя из этого, ис­пользуют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и. барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем.

Фильтр с зернистой перегородкой представляет собой резер­вуар, в нижней части которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживаю­щего материала, а затем фильтрующий материал.

Важными характеристиками пористой среды являются по- розность и удельная поверхность. Порозность зависит от струк­туры пористой среды и связана не только с размером зерен, образующих слой, но и с их формой и укладкой. Если обозна­чить порозность через е, а объем, занимаемый телом, через VB, тогда е+Vu= 1.

При е=0 пористая среда превращается в сплошное тело, а при е — 1 в максимально пористое тело (когда размеры сте­нок твердого вещества так малы, что W->-0).'

Удельная поверхность слоя определяется не только пороз- ностью, но и пористостью отдельных зерен, а также зависит от

И—822

209

формы зерен (коэффициент формы существенно влияет на ем­кость фильтрующего слоя и коэффициент гидравлического со­противления). Удельную объемную поверхность слоя вычисляют по формуле

в=6(1 —е)     . (11.24)

где а — удельная объемная поверхность фильтрующего слоя, ма/м3; ф — коэффициент формы зерен; d3 — эквивалентный диаметр зерен, м.

Механизмы извлечения частиц из воды сводятся к следую­щим: 1) процеживание, при котором извлечение частиц явля­ется чисто механическим; 2) гравитационное осаждение;. 3) инерционное захватывание; 4) химическая адсорбция; 5) фи­зическая адсорбция; 6) адгезия; 7) коагуляционвое осаждение;. 8) биологическое выращивание. В общем случае эти механиз­мы могут действовать совместно и процесс фильтрования со- ■стоит из трех стадий: 1) перенос частиц иа поверхность вещест­ва, образующего слой; 2) прикрепление к поверхности и 3) от­рыв от поверхности.

По характеру механизма задерживания взвешенных частиц различают два вида фильтрования: 1) фильтрование через пленку (осадок) загрязнений, образующуюся на поверхности зерен загрузки; 2) фильтрование без образования пленки загрязнений. В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор материала, а затем образуется слой загряз­нений, который является также фильтрующим материалом. Такой процесс характерен для медленных фильтров, которые работают при малых скоростях фильтрования. Во втором слу­чае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где части­цы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего мате­риала адгезионными силами. Такой процесс характерен для скоростных фильтров. Величина сил адгезии зависит от крупно­сти и формы зерен, от шероховатости поверхности и ее химиче­ского состава, от скорости потока и температуры жидкости, от свойств примесей.

Прилипшие частицы постоянно испытывают влияние движу­щегося потока, который в результате трения срывает их с по­верхности фильтрующего материала. При равенстве числа ча­стиц, поступающих в единицу времени на поверхность фильтру­ющего слоя и покидающих ее, наступает насыщение поверхности и она перестает осветлять сточные воды.

Кинетика фильтрования и материальный баланс описывают­ся уравнениями

—dcidx^bc — aq, (11.25) — dq/dr~-vdc/dx, (11.25)

При решении этих уравнений получается общее уравнение процесса:

д'с/дхдт+аъдс/дх+Ьдс/ск - 0,         (11.27)

где с — концентрация взвешенных веществ в сточных водах; х— длина уча­стка капала, на котором происходит выделение примеси; Ь и я — константы скорости прилипания и отрыва частиц; q — концентрация осадка.

Это уравнение имеет решение в виде бесконечного ряда.

Продолжительность работы фильтра до «проскока» называ­ют временем защитного действия тз-

Продолжительность работы фильтра до «проскока» частиц в фильтрат определяют по формуле

та = 1 /k(l/vW — Sod/v),       (11.28)

где I - толщина фильтрующего слоя; d — размер частиц фильтрующего слоя; к н So — константы, зависящие от концентрации взвешенных веществ в ис­ходной и осветленной сточной воде.

Взвешенные вещества при прохождении через слой материа­ла уменьшают порозность и изменяют поверхность. Сопротивле­ние фильтрующего слоя возрастает по мере прохождения сточ­ной воды и в любой момент времени равно

i i

/:= [idZ = <0J[e/(8—Лое)]=>с1/,      (IF.29)

о          о

г0=0,188фа|л(1 — 8)№ДУос3,      (11.30)

1 = /0[8/(8~-ЛУ»о)]3,            (11.31)

где h — сопротивление фильтрующего слоя; 10 — сопротивление единицы тол­щины фильтрующего слоя при прохождении через него чистой жидкости; / — сопротивление единицы фильтрующего слоя с задержанными частицами в любой промежуточный момент времени; е — порозность фильтрующего слоя; Кос — удельный объем осадка, накопившегося в фильтрующем слое; <d«—эквивалентный диаметр зерен загрузки;, т|) — коэффициент формы зерен загрузки.

Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и скоростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1—2 м, в закрытых 0,5—1 м. Напор воды в за­крытых фильтрах создается насосами.

Медленные фильтры используют для фильтрования некоагулированных сточных вод. Они представляют собой бе­тонные или кирпичные резервуары с дренажным устройством,, на котором расположен зернистый слой. Скорость фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц: до 25 мг/л принимают скорость фильтрования 0,2—0,3 м/ч; при 25— 30 мг/л — 0,1—0,2 м/ч. Достоинством фильтров является высо­кая степень очистки сточных вод. Недостатки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.

Скоростные фильтры могут быть двух типов: одно­слойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрую­щий слой состоит из одного и того же материала, у многослой­ных — из различных материалов. Схема одного из скоростных фильтров показана на рис. II-12, а.

141

211

Промывная Ша

Коагулянт

Сточная' " ^ бода

Очищенная Зада

и и и-

оооооос?

 

 

 

- 1

ЖШО|№1М|9Й°

Ma

В 5 a

ПромыЗная

 

Очищенная Soda

Сточная

бода

\ А з

Очииценная

 

ииии s*- ьтачная вода ,

qTTt^rja--

t Н И

3 4 56 7 4

 

Очищенная

Рис. И-12. Фильтры:

j — скоростной контактный: 1 — корпус; 2 ■— система удаления промывных иод; 3 — си- i-iема подачи сточных вод; 4 — система подачи промывных под; 5 — пористы!! дренаж; я — фильтрующий материал;

5 • С подвижной загрузкой: / — корпус; 2 —дренажная камера; 3 — средняя камера; I каналы; 5 —щелевые трубы; 6 — ввод сточной воды; 7 — классификатор; 8 — про- дынное устройство; 9 — труба для подачи промывной воды; 10 — отвод промывной воды; // • коллектор; 12, 13 — трубы; 14 — кольцевой коллектор; 15 — гидрозлеватор; d микрофильтр: / — вращающий барабан; 2 — устройство для промывки; 3 — лоток дли сбора промывных вод; 4 — труба для отвода промывных вод; 5 — камера для уда­ления осветленной воды;          "1 г - с пенополиуретановой загрузкой: / — слой пенополиуретана; 2 — камера; 3 — алева- шр; 4 ~~ направляющие ролики; 5 — лента; 6 — ороситель; 7 — отжимные ролики; в — V* кость для регенерата; 9 — решетчатая перегородка

Сточную воду в фильтр подают внутрь фильтра, где она проходит через фильтрующий материал и дренаж и удаляется из фильтра. После засорения фильтрующего материала проводят промывку подачей промывных вод сни­зу вверх. Дренажное устройство выполняют из пористобетониых сборных плит. На нем размещают фильтрующий материал (в 2—4 слоя) одного гра­нулометрического состава. Общая высота слоя загрузки равняется 1,5—2 м. Скорость фильтрования принимается равной 12—20 м/ч.

В многослойных скоростных фильтрах фильтрующий слой состоит из зерен разных материалов. Например, из слоя антра­цита и песка. Верхние слои имеют зерна большего размера, чем нижние. Конструкция этих фильтров мало отличается от кон­струкции однослойных. Они имеют более высокую производи­тельность и большую продолжительность фильтрования.

Выбор типа фильтра для очистки сточных вод .зависит от количества фильтрующих вод, концентрации загрязнений и сте­пени их дисперсности, физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.

Промывку фильтров как правило производят очищенной во­дой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна за­грузки переходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших частиц загрязнений. Может быть произведена водо- воздушная промывка, при которой сначала зернистый слой про­дувают воздухом для разрыхления, а затем подают воду. Ин­тенсивность подачи воздуха изменяется в пределах 18— 22 л/(м2-с), а воды — 6—7 л/(м2-с). Возможна и трехэтапная промывка. Сначала слой продувают воздухом, а затем смесью воздух — вода; на последнем этапе — водой. Продолжитель­ность промывки 5—7 мин.

Особенностью чф и л ь т р а с подвижной загрузкой является вертикальное расположение фильтрующей загрузки и горизонтальное движение фильтруемой воды. Фильтрующим материалом служит кварцевый песок (1,5—3 мм) или гранитный щебень (3—10 мм). Схема фильтра показана на рис. II-12,б.

Сточная вода поступает в коллектор, откуда через каналы и отверстия: поступает в фильтрующий слой. Очищенную воду отводят из фильтра через дренажную камеру. Загрязненный материал перекачивают гидроэлеватором по трубе в промывное устройство. Расчетная скорость фильтрации 16 м/ч; расход промывной воды 1—2% от производительности фильтра; необходи­мый напор перед фильтром 2—2,5 м. Эффективность очистки составляет 50-55%.

Достоинства фильтров: большая скорость фильтрации, высо­кое качество отмывки загрузки от загрязнений, небольшая про­изводственная площадь, занимаемая фильтром. Недостатки: большая металлоемкость, истирание стенок трубопроводов, из­мельчение и унос песка, сложность эксплуатации.

Микрофильтры. Процесс микрофильтрации заключается в процеживании сточной воды через сетки с отверстиями разме­ром от 40 до 70 мкм. Барабанные сетки имеют ячейки размером от 0,3X0,3 до 0,5X0,5 мм. Микрофильтры применяют для очист­ки сточных вод от твердых и волокнистых материалов. Схема, одного из микрофильтров показана на рис. II-12, в.

Сточная вода поступает внутрь барабана и через отверстия проходит в камеру. Взвешенные вещества задерживаются на внутренней поверхности ба­рабана и при промывке с промывной водой поступают в лоток. Барабан вращается с частотой 6—20 мин-1. Скорость фильтрации достигает 25— 45 м3/(м2-ч).

При концентрации взвешенных частиц 15—20 мг/л эффективность очи­стки составляет 50—60% в зависимости от состава и свойств сточных вод, размера ячеек и режима работы микрофильтров (гидравлической нагрузки, потерь напора, интенсивности промывки и др.).

Магнитные фильтры. Они нашли широкое распространение, обеспечивают степень очистки 80%. Такие фильтры применяют для удаления мелких ферромагнитных частиц (0,5—5 мкм) из жидкостей. Помимо магнитных частиц фильтры улавливают аб­разивные частицы, песок и другие загрязнения. Этому способ­ствует эффект электризации немагнитных частиц. Магнитные фильтры могут быть снабжены постоянным магнитом или элек­тромагнитом, их производительность до 60 м3/ч.

При прохождении сточных вод ламинарным потоком через магнитное поле ферромагнитные частицы размером 0,5—1 мкм намагничиваются и об­разуют агломераты размером до 50 мкм, которые удаляются фильтрованием, либо осаждаются под действием гравитационного поля. Направление потока жидкости должно совпадать с направлением магнитного поля, так как при этом создаются наиболее благоприятные условия осаждения.

Магнитные сепараторы делят на три группы: 1) сепараторы,, в которых отделение ферромагнитных частиц идет непосредст­венно под действием постоянного магнита; 2) сепараторы, в ко­торых отделителями частиц служат специальные ферромагнит­ные элементы, помещенные в силовом поле постоянного магни­та (или группы магнитов); 3) фильтры-сепараторы, представ­ляющие собой комбинацию постоянных магнитов с различными механическими фильтрующими элементами. Наиболее простыми сепараторами являются магнитные уловители и магнитные пат­роны.

Степень очистки фильтрованием зависит от напряженности магнитного поля, скорости течения жидкости, ее вязкости, рас­положения силовых полей относительно направления потока жидкости.

Фильтрование эмульгированных веществ. При фильтровании эмульсий через зернистый слой имеет значение первоначальный характер поверхности. При гидрофобной поверхности прилипа­ние частиц сильнее, чем при гидрофильной, так как на поверх­ности зерен гидрофильных материалов имеется гидр а тн а я обо­лочка. Прилипание происходит только там, где эта оболочка нарушена.

Для удаления нефтепродуктов и масел могут быть использованы фильт­ры с загрузкой из пенополиуретана. Схема фильтра показана на рис. П-12, г. Высота слоя материала 2—2,5 м, размер кусков пенополиуретана 5—10 мм.. (жорость фильтрования до 25 м/м. Такие фильтры могут быть использованы при концентрации масел в исходной сточной воде до 1000 мг/л.

Сточная вода, подаваемая сверху, проходит через слой материала, осво­бождаясь от частичек масла. После насыщения материала маслом проводят- его регенерацию трехкратным механическим отжатием с промывкой водой. Материал подают на ленту элеватором и пропускают через отжимные ролики.

Длительность цикла фильтрации Тф определяют по формуле

тФ=Я£Г/(с„ —ск),     (11.32)

где К — коэффициент, учитывающий нестабильность процесса (К=0,85);

._. удельная маслоемкость пенополиуретановой загрузки (т. е. количество нефтепродуктов, масел и взвешенных веществ, задерживаемых единицей объема фильтрующего слоя за время фильтрования); W — объем фильтрую­щей загрузки, м®; с„ и с„ — концентрация масел и взвеси соответственно до н после очистки, кг/'м".

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я