Фильтры с полимерной загрузкой.

Одним из путей интенсификации фильтрования сточных вод является применение новых фильтрующих материалов. Перспективным является использование плавающих загрузок из различных полимерных материалов, обладающих достаточной механической прочностью, химической стойкостью, высокими площадью активной свободной поверхности и пористостью. К числу таких материалов относятся полистирол различных марок (в том числе пенополистирол), пенополиуретан, а также гранулы керамзита, котельные и металлургические шлаки.

В зависимости от содержания и характера взвешенных веществ в сточной воде, подаваемой на очистные сооружения, а также от их пропускной способности принимаются следующие основные схемы фильтрования: через многоярусные или многослойные фильтры с загрузкой по убывающей крупности гранул по ходу осветляемой воды снизу вверх; через фильтры большой грязеемкости при фильтровании воды сверху вниз, с горизонтальным направлением фильтрования; с непрерывной регенерацией загрузки.

Фильтры с плавающей пенополистирольной загрузкой применяются для очистки сточных вод от взвешенных веществ, в которых в качестве плавающей фильтрующей загрузки использовались вспененные гранулы пенополистирола. Этот материал износоустойчив, водонепроницаем, нетоксичен, имеет достаточную механическую прочность и высокую адгезионную способность (плотность 0,01…0,03 г/см3).

Фильтры с плавающей загрузкой из полистирола могут быть однослойными и двухслойными, а также встроенными в первичные или вторичные отстойники. Скорость фильтрации в таких фильтрах 0,6…2 м/ч. Для регенерации зернистых фильтрующих материалов проводится интенсивная водо-воздушная промывка.

Внутри фильтра находятся два слоя гранул, разделенных удерживающими сетками. В нижнем слое, служащем для предварительного фильтрования, применяются гранулы диаметром 2…5 мм, верхний слой загрузки с гранулами диаметром 0,3…2 мм предназначен для более глубокого фильтрования.

 

Фильтры с пенополиуретановой загрузкой («Полимер-300» и «Полимер-500») предназначаются (рис. 2.25) для очистки невзрывоопасных сточных вод от нефтепродуктов и масел, находящихся в виде нестойких эмульсий и имеющих рН = 6…9.

 

 

Рис. 2.25. Пенополиуретановый фильтр:

1 — слой пенополиуретана; 2 — элеватор; 3 — направляющие ролики; 4 — лента; 5 — ороситель; 6 — отжимные ролики; 7 — емкость; 8 — решетка.

Сточные воды, содержащие отработанные смазочно-охлаждающие жидкости, а также сточные воды гальванических, травильных и окрасочных отделений могут подаваться на пенополиуретановые фильтры только после обработки их на локальных очистных сооружениях. Для обеспечения требуемой степени очистки сточных вод эти фильтры рекомендуется применять после решеток, песколовок и нефтеловушек.

Электромагнитные фильтры.

Электромагнитные фильтры (рис. 2.26) предназначены для очистки или глубокой очистки сточных вод от механических загрязнений, содержащих более 25 % ферромагнитных примесей, с исходной концентрацией твердых частиц до 200 мг/л и масел до 50 мг/л. Они могут применяться в системах производственного водоснабжения металлургических, горнообогатительных, металлообрабатывающих предприятий, на электростанциях для очистки охлаждающей и многократно используемой воды, а также конденсата от продуктов коррозии.

 

1- трубопровод исходной сточной воды; 2 – катушка индуктивности; 3 – корпус из немагнитного материала; 4 – ограничительная решетка; 5 – фильтровальная загрузка; 6 – опорная решетка; 7 – трубопровод очищенной воды.

Фильтры рекомендуется изготовлять из немагнитного материала диаметром 1…2м и высотой 2…2,5 м. Фильтр состоит из корпуса, магнитной системы, представляющей собой катушки индуктивности с магнитопроводами, между которыми расположена фильтрующая зернистая загрузка из ферромагнитного материала, а также устройств для подвода и отвода сточной воды. В качестве фильтрующих элементов в электромагнитных фильтрах применена зернистая загрузка из ферромагнитных материалов крупностью 1…3 мм. Фильтрование очищаемой сточной воды производят при наложении магнитного поля, промывку — без его применения.

При наложении магнитного поля определенной напряженности зернистая загрузка уплотняется и вследствие уменьшения пористости приобретает высокую фильтровальную способность, что позволяет задерживать на фильтре наряду с магнитными и немагнитные компоненты из состава взвешенных веществ (окалины).

Перед промывкой необходимо фильтрующую загрузку размагничивать, для чего через намагничивающие катушки пропускают ток противоположного направления. После размагничивания загрузки включают скребковый механизм, а в фильтр подают промывную воду.

Эффективность очистки сточных вод от ферромагнитных и немагнитных примесей составляет соответственно 95…98 и 40…60 %.

Расчет фильтров.

Процесс фильтрования зависит от многих технологических параметров, и в первую очередь от свойств зернистого слоя, свойств фильтрационной среды и примесей, от гидродинамического режима фильтрования.

Важнейшими характеристиками пористой среды являются порозность и удельная поверхность, которые определяются по зависимостям

где ε ₀— порозность слоя; V — общий объем зернистого слоя, м³; V ₀— объем частиц, м³; a - удельная поверхность слоя, м²/м³; d _э -эквивалентный диаметр частицы, м; α —коэффициент формы.

Частицы задерживаются поверхностью зерен под действием молекулярных сил, электростатических сил, сил химического сродства и адсорбции. Величина сил прилипания зависит от крупности и формы зерен, скорости потока, температуры воды и свойств примесей.

Кинетика фильтрования и материальный баланс описываются уравнениями

 

где С — концентрация примесей в сточной воде; х — толщина слоя загрузки; b, а —константы скорости прилипания и отрыва частиц;

ρ плотность насыщения фильтрующего слоя задержанным осадком;

u —скорость фильтрования.

При решении этих уравнений получается общее уравнение процесса:

 

Уравнение (2.8) имеет решение в виде бесконечного ряда, и его трудно использовать в расчетах.

В процессе фильтрования происходит накопление загрязнений в слое загрузки. В какой-то момент наблюдается вынос частиц в фильтрат с ухудшением его качества.

Продолжительность работы фильтра до проскока частиц в фильтрат называют временем защитного действия загрузки τ _з. По мере загрязнения фильтрующего слоя уменьшается его порозность и увеличивается сопротивление при прохождении через него сточной воды, т.е. растет потерянный напор. Время работы фильтра до достижения потерянного напора предельной величины (H _п) обозначают через τ _н. Оптимальным условием работы фильтра является τ _н ≈τ _з. Значения τ _з и τ _н находят по формулам

где k и x ₀— константы, зависят от эффекта осветления, определяются по справочникам; H ₀— потеря напора в чистой загрузке; F _{( A )} — параметр, зависящий от величины предельной насыщенности порового пространства отложениями А.

Площадь скоростных фильтров F (в м²) находят по формуле

 

где τ — продолжительность работы фильтра, ч; u_p — расчетная скорость фильтрации, м/ч; n — число промывок фильтра в сутки; w — интенсивность промывки, л/(м².с); τ₁— продолжительность промывки, ч;

τ ₂— продолжительность простоя фильтра в связи с промывкой, ч; τ ₂= 0,33 ч.

Длительность фильтрации для фильтров «Полимер» определяют по формуле

количество регенератора (в м³/ч)

где k = 0,85 — коэффициент, учитывающий нестабильность процесса; Е – удельная маслоемкость пенополиуретановой загрузки, кг/м³; w_з — объем фильтрующей загрузки, м³; m_н, m_к — количество примесей до и после фильтрации, кг/ч; ρ _т — плотность извлекаемых примесей, кг/м³.

Пример 2.7. Производительность фильтра G _ос = 1000 кг/ч осадка влажностью w _ос = 40 % (масс.). Начальная концентрация суспензии сточной воды по твердой фазе x _с = 5% (масс.). Составить уравнение материального баланса и найти объем осадка V _ос и объем очищенной воды (фильтрата) V _ф, если x _ф = 0, ρ_ж = 1000 кгм³ и ρ_ос = 1440 кгм³.

Решение. Уравнение материального баланса по потокам в фильтре

G _c = G _oc + G _ф.

Уравнение материального баланса по твердой фазе

G _c x _c = G _oc x _oc + G _ф x _ф,

где x _oc = 100 - w _ос.

Объем осадка равен

V _ос =G _ос/ρ_ос = 1000/1440 = 0,695 м³/ч.

Для определения объема фильтрата (очищенной воды) по аналогичной формуле выразим массовую производительность по фильтрату через производительность по осадку из уравнений материального баланса.

Для этого сначала выразим количество фильтрата через количество суспензии и осадка

G _ф = G _c - G _oc,

а количество суспензии через количество осадка:

G _c = (G _oc x _oc + G _c x _ф - G _oc x _ф)/ x _c = G _oc (x _oc – x _ф)/(x _c – x _ф),

откуда с учетом условия х _ф = 0 получим

G _ф = G _c - G _oc = G _oc(x _oc/ x _c - 1) = G _oc[(100 - w _oc)/ x _c - 1) = 1000 [(100 - 40)/5 – 1] =

11000 кг/ч.

Тогда объем очищенной воды-фильтрата равен

V _ф = G _ф/ρ_ж = 11000/1000 = 11 м³/ч.