Фильтрование осадков сточных вод

 

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодисперсных твердых или жидких веществ. Разделение проводят при помощи пористых или зернистых перегородок, пропускающих жидкость, и задерживающих диспергированную фазу. Процесс идет под действием гидростатического давления столба жидкости, повышенного давления над перегородкой или вакуума после перегородки.

Выбор перегородок зависит от свойств сточной воды, температуры, давления фильтрования и конструкции фильтра.

В качестве перегородок используют металлические перфорированные листы и сетки, тканевые перегородки из природного, искусственного и синтетического волокна. Фильтрованные перегородки должны обладать минимальным гидравлическим сопротивлением, механической прочностью и гибкостью, химической стойкостью, они не должны набухать и разрушаться при заданных условиях фильтрования.

Разность давлений по обе стороны фильтрованной перегородки создают разными способами. Если пространство над суспензией сообщают с источником сжатого газа или пространство под фильтрованной перегородкой присоединяют к источнику вакуума, то происходит процесс фильтрования при постоянной разности давлений.

При этом скорость процесса уменьшается в связи с увеличением сопротивления слоя осадка возрастающей толщины.

Если суспензию подают на фильтр поршневым насосом с постоянной производительностью, то осуществляется процесс фильтрования при постоянной скорости; при этом разность давлений увеличивается вследствие увеличения сопротивления слоя осадка возрастающей толщины.

Если суспензию подают на фильтр центробежным насосом, производительность которого уменьшается при возрастании сопротивления осадка, что обуславливает повышение разности давлений, то производится процесс фильтрования при переменных разности давлений и скорости. Фильтрование производят при следующих разностях давлений:

- под вакуумом - 5·10⁴…9·10⁴ Па;

- под давлением сжатого воздуха – не более 3·10⁵ Па;

- при подаче поршневым или центробежным насосом – до 5·10⁵ Па;

- под гидростатическим давлением – до 5·10⁴ Па.

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

Фильтрование с образованием осадка наблюдается при достаточно высокой концентрации твердой фазы в суспензии (более 1% объемн.).

Фильтрование с закупориванием пор фильтрующей перегородки называют осветлением, оно происходит при концентрации твердой фазы менее 0,7 объемн.%

При разделении суспензий с небольшой концентрацией тонкодисперсированной твердой фазы часто применяют фильтровальные вспомогательные вещества препятствующие прониканию твердых частиц в поры фильтровальной перегородки. В качестве вспомогательных веществ используют тонкодисперсные или тонковолокнистые материалы: диатомит, перлит, асбест, целлюлозу, активированный уголь, древесную муку.

При добавлении вспомогательного вещества к разделяемой суспензии концентрация твердых частиц в ней увеличивается, что предотвращает закупоривание пор фильтрующей перегородки.

Уравнения фильтрования.

Фильтрование протекает в ламинарном режиме вследствие небольшого размера пор в слое осадка и фильтровальной перегородки, а также малой скорости движения жидкой фазы в порах. Скорость фильтрования в общем случае выражают в дифференциальной форме

(6.4)

где V – объем фильтрата, м³; S – поверхность фильтрования, м²; τ - продолжительность фильтрования, с.

Скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений, но обратно пропорциональна вязкости жидкой фазы и общему гидравлическому сопротивлению слою осадка и фильтрующей перегородки:

dV/(S ∙dτ) = ΔP/[μ₀(R_ос + R_фп)] (6.5)

где ΔР – разность давлений, Па; μ0 – вязкость жидкой фазы суспензии, Па.с; Rос – сопротивление слоя осадка, м^-¹; Rфп – сопротивление фильтрующей перегородки м^-¹.

Объем осадка можно выразить через высоту слоя осадка hос, а также через отношение объема осадка к объему фильтрата хо:

h_oc·S = х_о·V (6.6)

откуда толщина осадка составит

(6.7)

Сопротивление слоя осадка равно

R_ос = r ·h_ос = r_о·х_о·V/S (6.8)

где rо – удельное объемное сопротивление осадка, м^-2.

С учетом этого выражения основное дифференциальное уравнение

фильтрования имеет вид

(6.9)

Приняв условие Rфп = 0, получим

(6.10)

В начале фильтрования V = 0, когда на фильтрующей перегородке еще не образовался слой осадка, сопротивление фильтрующей перегородки будет

(6.11)

Уравнение фильтрования при постоянной разности давлений.

(6.12)

(6.13)

Разделив обе части уравнения на μ_оr_ох_о/(2S), получим зависимость продолжительности фильтрования от объема фильтрата

(6.14)

Это уравнение применимо как к сжимаемым, так и к несжимаемым осадкам, поскольку при ΔР = const величины rо и хо также постоянны.

При ΔР = const по мере увеличения объема фильтрата и продолжительности фильтрования скорость процесса уменьшается.

Уравнение фильтрования при постоянной скорости процесса.

Для фильтрования при постоянной скорости производную dV/dτ можно заменить отношением конечных величин V/τ.

После такой замены находят решение основного уравнения фильтрования относительно ΔР:

(6.15)

Умножив и разделив первое слагаемое правой части на τ, с учетом выражения , получим

ΔР = μ_оr_ох_оw_ф² τ + μ_о R_фп w_ф (6.16)

При wф = const разность давлений возрастает с увеличением продолжительности фильтрования. Это уравнение применимо к несжимаемым осадкам.

Уравнение фильтрования при постоянных разности давлений и скорости.

Такой вид фильтрования осуществим, если чистая жидкость фильтруется сквозь слой осадка неизменной толщины при постоянной разности давлений. Приняв равенство х_оV/S = hос и замену dV/dτ на постоянное значение V/τ

при ΔР = const найдем

(6.17)

Это уравнение дает зависимость объема фильтрата от продолжительности фильтрования чистой жидкости, в частности промывной жидкости.

При прочих равных условиях скорость фильтрования тем больше и производительность фильтра тем выше, чем меньше объем полученного фильтрата или пропорциональная этому объему толщина слоя осадка на фильтрующей перегородке. Поэтому для повышения производительности фильтра необходимо стремиться к возможно быстрому удалению осадка с фильтрующей перегородки.

Для наибольшей производительности фильтров периодического действия целесообразно как можно чаще повторять циклы его работы, подавая на фильтр небольшие порции суспензии. Однако частое повторение циклов работы фильтра по основным операциям, включающим само фильтрование, промывку и продувку осадка, влечет за собой столь же частое повторение вспомогательных операций загрузки суспензии и удаления осадка. В каждом случае существует оптимальная продолжительность цикла работы фильтра, при которой фильтр обладает наибольшей производительностью.

Для простого случая, когда операции промывки и продувки отсутствуют, из уравнения фильтрования при ΔР = const и при условиях Rфп=0, q=V/S и τ = τосн найдем

(6.18)

где А = 2ΔР/(μ_оr_ох_о) – постоянная.

Выразим производительность фильтра условной средней скоростью фильтрования wф как результата деления объема фильтрата, собранного на площади поверхности фильтрования, на продолжительность цикла τц=(τосн+τвсп):

(6.19)

Максимальное значение wф соответствует дифференциальному уравнению

(6.20)

и условию dwф/dτосн = 0.

Отсюда числитель τвсп – τосн = 0, или τосн = τвсп, т.е. наибольшая производительность фильтра достигается при одинаковой продолжительности основной и вспомогательной операций.

При значительном сопротивлении фильтрующей перегородки наибольшая производительность периодически действующего фильтра достигается при τосн> τвсп:

(6.21)

Экономически оптимальная продолжительность цикла фильтрования достигается при соотношении τэ = (4…6)τвсп.

Это соотношение справедливо при ΔР = const и Rфп = 0.