Фильтрование сточных вод

Фильтрование – процесс разделения суспензий с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую фазу суспензии и пропускают ее жидкую фазу (рис. 2.12)

Закономерности фильтрования.

Частицы суспензии могут проникать в поры перегородки и оседать в них, не образуя осадка на поверхности. Такой процесс называют фильтрованием с закупориванием пор. Если частицы суспензии не проникают в фильтровальную перегородку, а полностью задерживаются на ее поверхности, то такой процесс называют фильтрованием с образованием осадка. На практике тот или иной вид фильтрования в чистом виде никогда не реализуется.

Рис. 2.12. Схема процесса фильтрации (1-суспензия, 2- осадок, 3-фильтровальная перегородка, 4-фильтрат)

Твердые частицы, увлекаемые потоком жидкости к поверхности перегородки, могут попадать в различные условия. Если диаметр частицы больше диаметра пор, то, очевидно, частица не проникнет во внутрь фильтрующей перегородки, а задержится на поверхности. Если диаметр частицы меньше диаметра пор, то возможны варианты:

1) частица может пройти через перегородку вместе с жидкостью;

2) может задержаться внутри перегородки за счет адсорбции или механического торможения при резком изменении направления движения, вызвав тем самым частичную или полную закупорку поры;

3) может не войти в устье поры, если над устьем уже образовался свод из более крупных частиц. Образование сводов играет важную роль в процессах фильтрования.

Наименее желательно фильтрование с закупориванием пор, так как сопротивление фильтровальной перегородки при этом быстро возрастает, а скорость процесса падает. Регенерация фильтровальной перегородки в этом случае сильно осложняется, а иногда вообще становится невозможной. Поэтому фильтрование стараются вести в режиме накопления осадка.

Для этого очень разбавленные суспензии предварительно сгущают в отстойниках или добавляют к ним вспомогательные фильтровальные вещества, или наносят слой таких веществ непосредственно на фильтровальную перегородку перед подачей на нее суспензии. В качестве вспомогательных веществ используют природные волокнистые материалы – асбест, целлюлозу или специально подготовленные тонкодисперсные материалы – диатомит, активированный уголь, древесную муку.

Вспомогательные материалы способствуют образованию сводов над устьями пор, препятствуя таким образом их закупориванию. Вспомогательные материалы часто обладают сорбционными свойствами и поглощают растворенные в жидкости вещества.

Осадки, получаемые на фильтровальной перегородке, подразделяют на сжимаемые и несжимаемые. Под несжимаемыми понимают такие осадки, пористость которых (отношение объема пор к объему осадка) не уменьшается при увеличении давления. Пористость сжимаемых осадков с ростом давления уменьшается, а их сопротивление возрастает.

К практически несжимаемым осадкам можно отнести большую часть минеральных кристаллических веществ: песок, нерастворимые карбонаты, сульфаты и т.д. с размером частиц 100 мкм и более. К сильно сжимаемым осадкам относятся гидроксиды металлов, полученные осаждением, а также осадки, образующиеся в результате коагуляции коллоидных растворов.

Разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки создают различными способами, в результате чего реализуются различные способы фильтрования.

Если давление над перегородкой создается сжатым воздухом или под перегородкой создается вакуум, или фильтрование проводят за счет гидростатического давления слоя суспензии постоянной высоты, то процесс называют фильтрованием при постоянном давлении. При этом по мере накопления осадка его сопротивление возрастает, и скорость фильтрования уменьшается.

Если суспензию подают на фильтр поршневым насосом, производительность которого постоянна, то происходит фильтрование при постоянной скорости. При этом одновременно с возрастанием толщины и, следовательно, сопротивления слоя осадка возрастает перепад давлений на фильтровальной перегородке.

Если суспензию подают на фильтр центробежным насосом, производительность которого зависит от сопротивления, то фильтрование протекает при переменной скорости и переменном давлении.

Основное уравнение фильтрования.

где V – объемфильтрата, м³;

S – поверхность фильтрования, м²;

t – продолжительность фильтрования, с;

Δр – разность давлений, Н/м²;

μ – вязкость жидкой фазы, Н·с/м²;

R_фп – сопротивление фильтровальной перегородки, м^–1;

r₀ – удельное объемное сопротивление слоя осадка, м^–2;

х₀ – коэффициент пропорциональности.

Уравнение фильтрования при постоянном давлении.

Уравнение фильтрования при постоянной скорости.

где w – скорость фильтрования, м/с.

Фильтровальные перегородки.

Фильтровальная перегородка представляет собой существенную часть фильтра, и от правильности ее выбора зависят производительность фильтра и степень очистки производственных сточных вод от взвешенных частиц.

Перегородка должна иметь поры возможно большего размера, чтобы снизить ее гидравлическое сопротивление. Однако размер пор не должен превышать некоторой величины, обеспечивающей хорошую фильтрующую способность. Предварительный выбор фильтровальной перегородки основывается на сопоставлении дисперсного состава отделяемой суспензии и распределения пор по радиусам для различных перегородок.

Окончательный выбор производится после экспериментальной проверки. Все фильтровальные перегородки могут быть классифицированы по нескольким признакам.

По принципу действия перегородки разделяют на поверхностные и глубинные. На поверхностных перегородках фильтрование протекает с накоплением осадка, на глубинных перегородках – с закупоркой пор.

Перегородки могут быть классифицированы по материалу, из которого они изготовлены: хлопчатобумажные, синтетические, стеклянные, керамические и т.д. Такая классификация удобна для оценки механической прочности и химической стойкости перегородок.

По структуре фильтровальные перегородки подразделяются на гибкие и негибкие, а негибкие перегородки в свою очередь подразделяются на жесткие, состоящие из связанных твердых частиц, и нежесткие, состоящие из несвязанных твердых частиц.

Конструкции фильтров.

Одной из основных характеристик, используемых для классификации фильтров, является режим их работы: периодический или непрерывный.

Для очистки производственных сточных вод используют, как правило, высокопроизводительные фильтры непрерывного действия.

По способу создания перепада давлений на фильтровальной перегородке различают фильтры, работающие под давлением, и фильтры, работающие под вакуумом. Фильтры, работающие под давлением, должны быть более прочными и, следовательно, более громоздкими и металлоемкими.

Число конструкций фильтров очень велико. Ниже будут рассмотрены несколько наиболее распространенных типов фильтров непрерывного действия.

Барабанный вакуум-фильтр (рис. 2.13) представляет собой аппарат непрерывного действия, работающий под разрежением. Фильтр имеет горизонтальный перфорированный металлический барабан, покрытый снаружи фильтровальной тканью. Барабан вращается вокруг своей оси и на 1/3 погружен в суспензию. Внутренняя полость барабана разделена на ряд изолированных секций. При вращении барабана секции поочередно подсоединяются либо к источнику вакуума, либо к линии сжатого воздуха.

Рис. 2.13. Барабанный вакуум-фильтр

Внутри секций, соприкасающихся с суспензией, создается вакуум. При этом жидкость проходит через фильтровальную ткань во внутреннюю полость барабана и удаляется из него через дренажный трубопровод, а на фильтрующей поверхности образуется осадок. При дальнейшем вращении барабана секция подсоединяется к линии сжатого воздуха. Осадок разрыхляется, отделяется от фильтрующей ткани и снимается с барабана с помощью ножа.

Барабанный вакуум-фильтр с небольшой степенью погружения барабана в суспензию наиболее пригоден для разделения суспензий с высокой концентрацией твердых частиц, медленно оседающих под действием силы тяжести. При этом свойства разделяемой суспензии должны быть неизменны, поскольку для этого фильтра, в отличие от фильтров периодического действия, нельзя изменять продолжительность отдельных стадий процесса.

К достоинствам этого фильтра, кроме непрерывности его действия, можно отнести надежность работы и простоту обслуживания.

К недостаткам – небольшую поверхность фильтрования по сравнению с площадью, которую занимает сам фильтр, и высокую стоимость.

Дисковый вакуум-фильтр (рис. 2.14) состоит из нескольких вертикальных дисков, насаженых на полый горизонтальный вал на некотором расстоянии друг от друга. Каждый диск имеет с обеих сторон рифленую поверхность, покрытую фильтровальной тканью. Диски почти наполовину погружены в резервуар с суспензией. Внутри вала смонтирован распределительный механизм, подключающий фильтрующие элементы либо к вакуумной линии, либо к линии сжатого воздуха. Когда некоторый сектор диска находится в суспензии, канавки на поверхности этого сектора соединены с вакуумной линией. При этом фильтрат проходит через фильтровальную ткань и удаляется через полость вала. При перемещении этого сектора в верхнюю часть он подсоединяется к линии сжатого воздуха. Осадок при этом разрыхляется и удаляется с фильтровальной ткани при помощи ножей.

Рис. 2.14. Дисковый вакуум-фильтр

По своим эксплуатационным характеристикам фильтры этого типа близки барабанным вакуум-фильтрам, однако имеют значительно большую поверхность фильтрования и, следовательно, большую производительность при тех же размерах.

Ленточный фильтр (рис. 2.15) также относится к вакуум-фильтрам непрерывного действия. Опорная резиновая лента с отверстиями и бортами перемещается по замкнутому контуру при помощи приводного и натяжного барабанов. Фильтровальная ткань в виде бесконечной ленты прижимается к опорной ленте с помощью натяжных роликов и движется вместе с ней. Суспензия поступает на фильтровальную ленту из лотка.

Рис. 2.15. Ленточный фильтр

Фильтрат под вакуумом отсасывается в камеры под резиновой лентой и через коллектор отводится в сборник. На приводном барабане фильтровальная ткань отходит от резиновой ленты. При этом осадок отделяется от ткани и падает в бункер. На пути между натяжными роликами ткань промывается или очищается механически.

Преимуществом ленточных фильтров являются простота конструкции по сравнению с другими фильтрами непрерывного действия. К недостаткам следует отнести небольшую поверхность фильтрования по отношению к занимаемой фильтром площади и наличие неиспользуемых зон на фильтровальной перегородке.

Центробежный фильтр (рис. 2.16) состоит из вертикального цилиндрического корпуса, в котором размещены дисковые фильтрующие элементы, аналогичные элементам дискового фильтра, но с одной рабочей поверхностью. Диски насажены на вращающийся полый вал. Суспензия подается через отверстия вала на внутренний край диска.

Рис. 2.16. Центробежный фильтр

Фильтрат проходит через фильтрующую ткань во внутреннюю полость диска и удаляется из нее с помощью вакуума. Накапливающийся осадок под действием центробежной силы сползает к внешнему краю диска и сбрасывается с него, а затем удаляется из корпуса аппарата. Такой фильтр позволяет работать с тонкими слоями осадка и обеспечивает высокую скорость фильтрования.

Дата добавления: 2015-05-07