3.8. Фільтрування стічних вод
У процесі очищення стічних вод доводиться мати справу з великою кількістю води, тому застосовують фільтри, для роботи яких не потрібні високі тиски. Виходячи з цього, використовують фільтри з сітчастими елементами (мікрофільтри та барабанні сітки) та фільтри з фільтруючим зернистим шаром.
Механізм вилучення частинок з води на фільтрах із зернистою перегородкою:
1) проціджування з механічним вилученням частинок;
2) гравітаційне осадження;
3) інерційне захоплення;
4) хімічна адсорбція;
5) фізична адсорбція;
7) коагуляційне осадження;
8) біологічне вирощування.
У загальному випадку ці механізми можуть діяти спільно та процес фільтрування складається зі стадій:
1) перенесення частинок на поверхню речовини, що утворює шар;
2) прикріплення до поверхні;
3) відрив від поверхні.
За характером механізму затримки завислих частинок розрізняють 2 види фільтрування:
1) фільтрування через плівку (осад) забруднень, що утворюються на поверхні зерен завантаження;
2) фільтрування без утворення плівки забруднень.
У першому випадку затримуються частинки, розмір яких більший за пор матеріалу, а потім утворюється шар забруднень, який є також фільтруючим матеріалом. Такий процес характерний для повільних фільтрів, які працюють за малих швидкостей фільтрування. У другому випадку фільтрування відбувається у товщі шару завантаження, де частинки затримуються на зернах фільтруючого матеріалу адгезійними силами. Такий процес уражає швидкісних фільтрів. Величина сил адгезії залежить від крупності та форми зерен, від шорсткості поверхні та її хімічного складу, від швидкості потоку та температури рідини, від властивостей домішок.
Прилиплі частки постійно відчувають вплив потоку, що рухається, який зриває їх з поверхні фільтруючого матеріалу. При
рівності числа частинок, що надходять в одиницю часу на поверхню фільтруючого шару і залишають її, настає насичення поверхні і вона перестає освітлювати стічні води.
Кінетика фільтрування та матеріальний баланс описуються рівняннями:
За розв'язання цих рівнянь виходить загальне рівняння процесу.
де c - концентрація завислих речовин у стічних водах; x - Довжина ділянки каналу, на якому відбувається виділення домішки; a і b – константи швидкості відриву та прилипання частинок; q – концентрація осаду; v ф
Тривалість роботи фільтра до проскоку є часом захисної дії τ з . Тривалість роботи фільтра до «проскоку» частинок у фільтрат визначають за формулою
де l - Товщина фільтруючого шару; d – розмір частинок шару, що фільтрує; k і S о – константи, що залежать від концентрації завислих речовин у вихідній та освітленій стічній воді.
Завислі речовини при проходженні через шар матеріалу зменшують порізність і змінюють поверхню. Опір шару, що фільтрує, зростає в міру проходження стічної води.
Фільтри із зернистим шаром поділяють на повільні та швидкісні, відкриті та закриті. Висота шару у відкритих фільтрах дорівнює 1...2 м, у закритих 0,5...1 м. Напір води у закритих фільтрах створюється насосами.
Повільні фільтри використовують для фільтрування стічних вод, що не коагулюються. Швидкість фільтрування залежить від концентрації зважених частинок: до 25 мг/л швидкість приймають 0,2…0,3 м/ч; при
25…30 мг/л – 0,1…0,2 м/год.
Швидкісні фільтри бувають одно і багатошаровими. У одношарового фільтра шар складається з одного і того жматеріалу, у багатошарових
- з різних матеріалів (наприклад, з антрациту та піску).
Вибір типу фільтра для очищення стічних вод залежить від кількості фільтрованих вод, концентрації забруднень та ступеня їх дисперсності,
властивостей твердої та рідкої фаз та від необхідного ступеня очищення.
3.9. Гідромеханічне зневоднення опадів стічних вод
Механічне зневоднення опадів промстоків може здійснюватися екстенсивними та інтенсивними методами. Екстенсивні методи здійснюються у різноманітних ущільнювачах, інтенсивне зневоднення та згущення проводиться за допомогою фільтрування, центрифугування, гідроциклонування тощо.
Фільтрування являє собою процес відокремлення твердих речовин від рідини, що відбувається при різниці тисків над фільтруючим середовищем і під нею. Для зневоднення опадів і шламів зазвичай використовують Фільтруючою середовищем на фільтрах є фільтрувальна тканина і шар осаду, що прилипає до тканини і утворює в процесі фільтрування додатково допоміжний фільтруючий шар, який власне і забезпечує затримання дрібних частинок суспензії. Принаймні збільшення шару роль фільтруючої перегородки (тканини) зводиться лише підтримки фільтруючого допоміжного шару. Збільшення товщини шару забезпечує поліпшення якості фільтрату, але в той же час внаслідок збільшення опору проходженню води через пори та капіляри шару кеку зменшується швидкість фільтрації.
Фільтрування суспензій характеризується питомим опором осаду. У цьому випадку під осадом мається на увазі шар, що відкладається на перегородці фільтруючої при фільтруванні суспензій.
Питомим опором осаду називається опір едини-
ци маси твердої фази, що відкладається на одиниці площіфільтру при фільтруванні під постійним тиском суспензії, в'язкість рідкої фази якої дорівнює одиниці.
Питомий опір осаду, що характеризує опір фільтрації та фільтрування (водовіддачу) опадів, визначають за формулою
де Р – тиск (вакуум), при якому відбувається фільтрування; F - площа поверхні, що фільтрує; η - в'язкість фільтрату; m уд - маса твердої фази осаду, що відкладається на фільтрувальній перегородці при отриманні одиниці об'єму фільтрату; b = t/U 2 - параметр, одержуваний дослідним шляхом (t - час фільтрації); U - обсяг фільтрату, що виділяється.
Під центрифугуванням розуміють поділ неоднорідних фаз за допомогою відцентрових сил. Воно здійснюється в апаратах,
Центрифугування суспензій та шламів проводиться двома методами. У першому випадку центрифугування виконується в роторах, що мають суцільну стінку, у другому перфоровану. Центрифугування в перфорованих роторах є процесом, окремі елементи якого подібні до фільтрації та пресування шламів.
Процеси центрифугування в суцільних роторах поділяються на центрифугальне освітлення та осаджувальне центрифугування. Оса-
Дитинне центрифугування є процесом поділу суспензій, що містять значну кількість твердої фази. Основним параметром центрифуг є фактор поділу K р – відношення прискорення
відцентрової сили до прискорення сили тяжіння:
K р = w 0 2 / (g. r),
π n r/ 60 - окружна швидкість обертання, м/с;
n - частота обертово-
g - прискорення сили тяжіння, м/с 2; r – радіус обертання, м.
Серед апаратів для відцентрового поділу різних рідких відходів широкого поширення набули також рідинні сепара-
тори , що працюютьза принципом тонкошарового центрифугування (се-
парування). У нафтовій промисловості вони застосовуються, наприклад, для очищення водонафтових пасткових емульсій, відділення механічних домішок з присадок до олій, очищення глинистого розчину, що застосовується при бурінні нафтових свердловин, очищення стічних вод
реробних заводів, відокремлення кислого гудрону від світлих дистилятів і т.д.
У практиці згущення та зневоднення опадів з очисних споруд малих та середніх промислових та транспортних підприємств найбільшого поширення набули гідроциклони, які застосовуються, як правило, у комбінації з розташованими нижче бункерами – ущільнювачами осаду. За конструктивними особливостями всі гідроциклони можна розбити на такі групи: а) конічні гідроциклони; б)
циліндричні гідроциклони; в) турбоциклони (центриклони).
Осадження частинок суспензії в полі дії відцентрової сили, що має місце при роботі гідроциклонів, набагато інтенсивніше осадження їх у полі вертикальних сил, що виникають під дією сили тяжіння в ущільнювачах вертикального або горизонтального типу. Фактор поділу K р , що показує, у скільки разів швидкість переміщення частки під дією відцентрової сили більша за швидкість її осідання під дією сили тяжіння, визначається наступним виразом:
K р = 18. δ 2 ( ρ ч - ρ 0 ) μ 0 . w т 2 / [18. δ 2 ( ρ ч - ρ 0 ) μ 0 . g. r]) = w т 2 / g. r, (3.85)
де - діаметр частинки суспензії; ρ ч - густина частинки суспензії; ρ 0 - густина рідини (середовища); μ 0 - абсолютна в'язкість рідини; w т - тангенційна швидкість на радіусі поділу; g – прискорення сили тяжіння; r – радіус обертання.
Значення фактора поділу K р коливаються в межах від 500 до
Угідроциклони, як і в центрифугах, поділ суспензій відбувається під дією відцентрової сили, але за способом дії вони значно відрізняються. У центрифузі суспензія разом з барабаном при постійній кутовій швидкості зовсім або майже (шнекові центрифуги) не рухається щодо барабана. При цьому на частинки не діють жодних дотичних сил. У гідроциклоні на частинки суспензії діють великі тангенціальні сили, що підтримують їх у безперервному відносному русі. Між шарами суспензії виникає напруга зсуву, що діє на тверду частинку як поперечна сила. Відомо, що для збільшення глибини відбору частинок суспензії в центрифугах при постійній частоті обертання барабана необхідно збільшити діаметр. У гідроциклонах, навпаки, це прямо пропорційно пов'язане із зменшенням діаметра апарату. У той самий час зменшення діаметра гидроциклона веде зниження його продуктивності. Тому в тих випадках, коли потрібно домогтися більш тонкого очищення необхідного продукту при значних витратах останнього, використовують батарейні гідроциклони (мультигідроциклони), що є кілька паралельно включених елементарних гідроциклонів.
3.10. Фільтрування опадів стічних вод
Фільтрування застосовують виділення зі стічних вод тонкодисперсних твердих чи рідких речовин. Поділ проводять за допомогою пористих або зернистих перегородок, що пропускають рідину, та затримують дисперговану фазу. Процес іде під впливом гідростатичного тиску стовпа рідини, підвищеного тиску над перегородкою чи вакууму після перегородки.
Вибір перегородок залежить від властивостей стічної води, температури, тиску фільтрування та конструкції фільтра.
Як перегородки використовують металевіперфоровані листи та сітки, тканинні перегородки із природного, штучного та синтетичного волокна. Фільтровані перегородки повинні мати мінімальний гідравлічний опір, механічну міцність і гнучкість, хімічну стійкість, вони не повинні набухати і руйнуватися при заданих умовах фільтрування.
Різниця тисків з обох боків фільтрованої перегородки створюють у різний спосіб. Якщо простір над суспензією повідомляють з джерелом стиснутого газу або простір під фільтрованою перегородкою приєднують до джерела вакууму, відбувається процес фільтрування при постійній різниці тисків.
При цьому швидкість процесу зменшується у зв'язку із збільшенням опору шару осаду зростаючої товщини.
Якщо суспензію подають на фільтр поршневим насосом з постійною продуктивністю, здійснюється процес фільтрування при постійній швидкості; при цьому різниця тисків збільшується внаслідок збільшення опору шару осаду зростаючої товщини.
Якщо суспензію подають на фільтр відцентровим насосом, продуктивність якого зменшується при зростанні опору осаду, що зумовлює підвищення різниці тисків, проводиться процес фільтрування при змінних різниці тисків і швидкості. Фільтрування проводять при наступних різницях тиску:
- під вакуумом - 5•10 4 …9·10 4 Па;
- під тиском стисненого повітря – не більше 3 · 10 5 Па;
- при подачі поршневим чи відцентровим насосом – до 5·10 5 Па;
- під гідростатичним тиском - до 5 · 104 Па.
Процес фільтрування проводять з утворенням осаду на поверхні фільтруючої перегородки або із закупоркою пір фільтруючої перегородки.
Фільтрування з утворенням осаду спостерігається при достатньовисокої концентрації твердої фази в суспензії (понад 1% об'ємно).