Вопрос № 1: Фильтрование сточных вод

В настоящее время к очистке сточных вод предъявляют большие требования. Механическую очистку проводят для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем процеживания, отстаивания и фильтрования.

Метод фильтрования приобретает все большее значение в связи с повышением требований к качеству очищенной воды.

Фильтрование – процесс разделения суспензий с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую фазу суспензии и пропускают ее жидкую фазу (рис.1.1)

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. 1.1 - 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.

Для этого очень разбавленные суспензии предварительно сгущают в отстойниках или добавляют к ним вспомогательные фильтровальные вещества. В качестве вспомогательных веществ используют природные волокнистые материалы – асбест, целлюлозу или специально подготовленные тонкодисперсные материалы – диатомит, активированный уголь, древесную муку.

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. Если суспензию подают на фильтр поршневым насосом, производительность которого постоянна, то происходит фильтрование при постоянной скорости.

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 – объем фильтрата, м³; S – поверхность фильтрования, м²; t – продолжительность фильтрования, с; р – разность давлений, Н/м²; – 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.

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

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. 1.2) представляет собой аппарат непрерывного действия, работающий под разрежением.

Рис. 1.2. - Барабанный вакуум-фильтр

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. 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.1.3) состоит из нескольких вертикальных дисков, насаженых на полый горизонтальный вал на некотором расстоянии друг от друга.

Рис. 1.3. 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. 1.4) также относится к вакуум-фильтрам непрерывного действия.

Рис. 1.4 - Ленточный фильтр

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. 1.5) состоит из вертикального цилиндрического корпуса, в котором размещены дисковые фильтрующие элементы, аналогичные элементам дискового фильтра, но с одной рабочей поверхностью.

Рис. 1.5 - Центробежный фильтр

Такой фильтр позволяет работать с тонкими слоями осадка и обеспечивает высокую скорость фильтрования.