Гидромеханическое обезвоживание осадков сточных вод

В процессе очистки сточных вод образуются осадки, объем которых составляет от 0,5 до 1 % объема сточных вод для станций совместной очистки бытовых и производственных сточных вод и от 10 до 30 % для локальных очистных сооружений. Условно осадки можно разделить на три основные категории - минеральные осадки, органические осадки и избыточные активные илы. Основные задачи современной технологии обработки состоят в уменьшении их объема и в последующем превращении в безвредный продукт, не вызывающий загрязнения окружающей среды.

В осадках содержатся соединения кремния, алюминия, железа, оксида кальция, магния, калия, натрия, никеля, хрома и др. Химический состав осадков оказывает большое влияние на их водоотдачу. Соединения железа, алюминия, хрома, меди, а также кислоты, щелочи и некоторые другие вещества, содержащиеся в производственных сточных водах, способствуют интенсификации процесса обезвоживания осадков и снижают расход химических реагентов на их коагуляцию перед обезвоживанием. Масла, жиры, азотные соединения, волокнистые вещества, наоборот являются неблагоприятными компонентами. Окружая частицы осадка, они нарушают процессы уплотнения и коагуляции, а также увеличивают содержание органических веществ в осадке, что сказывается на ухудшении его водоотдачи.

Механическое обезвоживание осадков промстоков может производиться экстенсивными и интенсивными методами. Экстенсивные методы осуществляются в различного рода уплотнителях, интенсивное обезвоживание и сгущение производится с помощью фильтрования, центрифугирования, гидроциклонирования и т.п.

Фильтрование представляет собой процесс отделения твердых веществ от жидкости, происходящий при разности давлений над фильтрующей средой и под ней. Для обезвоживания осадков и шламов обычно используют вакуум-фильтры и фильтр-прессы. Фильтрующей средой на фильтрах является фильтровальная ткань и слой осадка, прилипающий к ткани и образующий в процессе фильтрования дополнительно фильтрующий вспомогательный слой, который собственно и обеспечивает задержание мельчайших частиц суспензии. По мере увеличения слоя роль фильтрующей перегородки (ткани) сводится лишь к поддержанию фильтрующего вспомогательного слоя. Увеличение толщины слоя обеспечивает улучшение качества фильтрата, но в то же время в результате увеличения сопротивления прохождению воды через поры и капилляры слоя осадка уменьшается скорость фильтрации.

Фильтруемость суспензий характеризуется удельным сопротивлением осадка. В данном случае под осадком имеется в виду слой, отлагающийся на фильтровальной перегородке при фильтровании суспензий.

Удельным сопротивлением осадка называется сопротивление единицы массы твердой фазы, отлагающейся на единице площади фильтра при фильтровании под постоянным давлением суспензии, вязкость жидкой фазы которой равна единице.

Удельное сопротивление осадка, характеризующее сопротивление фильтрации и фильтруемость (водоотдачу) осадков, определяют по формуле

i = (2 P ∙F²/η ∙m_уд)b (6.1)

где Р - давление (вакуум), при котором происходит фильтрование; F - площадь фильтрующей поверхности; η - вязкость фильтрата; mуд – масса твердой фазы осадка, отлагающегося на фильтровальной перегородке при получении единицы объема фильтрата; b = t/U² - параметр, получаемый опытным путем (t - время фильтрации); U - объем выделяемого фильтрата.

Под центрифугированием понимают разделение неоднородных фаз при помощи центробежных сил. Оно осуществляется в аппаратах, называемых центрифугами.

Центрифугирование суспензий и шламов производится двумя методами. В первом случае центрифугирование выполняется в роторах, имеющих сплошную стенку, во втором - перфорированную. Центрифугирование в перфорированных роторах является процессом, отдельные элементы которого сходны с фильтрацией и прессованием шламов.

Процессы центрифугирования в сплошных роторах подразделяются на центрифугальное осветление и осадительное центрифугирование. Осадительное центрифугирование является процессом разделения суспензий, содержащих значительное количество твердой фазы. Основным параметром центрифуг является фактор разделения Кр - отношение ускорения центробежной силы к ускорению силы тяжести:

K_р = w₀₂/(g ∙r), (6.2)

где w₀ = 2 π n r/60 - окружная скорость вращения, м/с; n – частота вращения, мин^-1; g - ускорение силы тяжести, м/с²; r - радиус вращения, м.

Среди аппаратов для центробежного разделения различных жидких отходов широкое распространение получили также жидкостные сепараторы, работающие по принципу тонкослойного центрифугирования (сепарирования). В нефтяной промышленности они применяются, например, для очистки водонефтяных ловушечных эмульсий, отделения механических примесей из присадок к маслам, очистки глинистого раствора, применяемого при бурении нефтяных скважин, очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, отделения кислого гудрона от светлых дистиллятов и т.д.

В практике сгущения и обезвоживания осадков из очистных сооружений малых и средних промышленных и транспортных предприятий наибольшее распространение получили гидроциклоны, которые применяются, как правило, в комбинации с расположенными ниже бункерами - уплотнителями осадка. По конструктивным особенностям все гидроциклоны можно разбить на следующие группы: а) конические гидроциклоны; б) цилиндрические гидроциклоны; в) турбоциклоны (центриклоны).

Осаждение частиц взвеси в поле действия центробежной силы, имеющее место при работе гидроциклонов, во много раз интенсивнее осаждения их в поле вертикальных сил, возникающих под действием силы тяжести в уплотнителях вертикального или горизонтального типа. Фактор разделения Kр, показывающий, во сколько раз скорость перемещения частицы под действием центробежной силы больше скорости ее оседания под действием силы тяжести, определяется следующим выражением:

K_р=18 ∙δ²(ρ_ч-ρ₀)μ₀ ∙w_r²/[18 ∙δ₂(ρ_ч-ρ₀)μ₀ ∙g ∙r])=w_r²/g ∙r (6.3)

где δ - диаметр частицы взвеси; ρч - плотность частицы взвеси; ρ0 – плотность жидкости (среды); μ₀ - абсолютная вязкость жидкости; wт – тангенциальная скорость на радиусе разделения; g - ускорение силы тяжести; r - радиус вращения.

Значения фактора разделения Kр колеблются в пределах от 500 до 2000. В гидроциклонах, как и в центрифугах, разделение суспензий происходит под действием центробежной силы, но по способу действия они значительно отличаются. В центрифуге суспензия вместе с барабаном при постоянной угловой скорости совсем или почти (шнековые центрифуги) не движется относительно барабана. При этом на частицы не действуют никакие касательные силы. В гидроциклоне же на частицы суспензии действуют большие тангенциальные силы, поддерживающие их в непрерывном относительном движении. Между слоями суспензии возникает напряжение сдвига, действующее на твердую частицу как поперечная сила. Известно, что для увеличения глубины отбора частиц взвеси в центрифугах при постоянной частоте вращения барабана необходимо увеличить его диаметр. В гидроциклонах, наоборот, это прямо пропорционально связано с уменьшением диаметра аппарата. В то же время уменьшение диаметра гидроциклона ведет к снижению его производительности. Поэтому в тех случаях, когда требуется добиться более тонкой очистки необходимого продукта при значительных расходах последнего, используют батарейные гидроциклоны (мультигидроциклоны), представляющие собой несколько параллельно включенных элементарных гидроциклонов.