ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

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 тонкодис - персированной 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 фильтрован­ной перегородки, а также малой скорости движения жидкой фазы в порах. Скорость фильтрования в общем случае выражают в дифференциальной форме

DV S—dr'

3 2

Где V - объем фильтрата, м ; S - поверхность фильтрования, м ; т - 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/(Sdx) = АР/[|0(Кос + Кфп)] (3.87)

Где АР - разность давлений, Па; - вязкость жидкой фазы суспензии,

Па-с; Кос - сопротивление слоя осадка, м-1; Кфп - сопротивление фильт-

-1

Рующей перегородки м ;

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

HOcS = Хо' V, (3.88)

Откуда толщина осадка составит

HOc = Xo-V (3.89)

S

Сопротивление слоя осадка равно

Кос = rh ос = Го-Хо-V/S, 2 (3.90)

Где го - удельное объемное сопротивление осадка, м- .

С учетом этого выражения основное дифференциальное уравнение фильтрования имеет вид

DV AP

W

Ґ V л "ф:

R0 • x0 S + ^n V S У

Приняв условие Rфп = 0, получим AP

RO=------------- , (3.92)

М0 • hoc • w4>

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

AP

Рфп=--------- , (3.93)

М0 • w4>

Уравнение фильтрования при постоянной разности давлений.

J М0 f r0 • x0 S + Rjnn )dV = J AP • S • dr; (3.94)

0 V S У 0

V2

М • r0 • x0 • — + М • R<pn • V = AP• S•t, (3.95)

Разделив обе части уравнения на ^r^/^S), получим зависимость продолжительности фильтрования от объема фильтрата

V2+2 • ^ • V = 2. т, (3.96)

R0 • x0 М0 • r0 • x0

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

При АР = 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/dx можно заменить отношением конечных величин V/t.

После такой замены находят решение основного уравнения фильтро­вания относительно АР:

V2 V

AP = М0 • r • x0 + нАфп, (3.97)

S •т S •т

Умножив и разделив первое слагаемое правой части на т, с учетом

V

Выражения Wф = —, получим

S т

АР = могСхОмФ т + ^о Rфп Wф. (3.98)

При w^, = 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 xV/S = h^ и замену dV/dT на постоянное зна­чение V/т при АР = const найдем

V =------- (AP~S---------- тт (3.99)

М0 ЧГ0 -К + Кфп )

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 АР = const и при условиях Кфп =0, q = V/S и т = тосн найдем

Q =4ATZ, (3.100)

Где А = 2АР/(^огохо) - постоянная.

Выразим производительность фильтра условной средней скоростью фильтрования W как результата деления объема фильтрата, собранного на площади поверхности фильтрования, на продолжительность цикла тц =

(тосн + твсп):

VA Т осн 1А1\ wф = ; , (3.101)

Т +т

Осн всп

Максимальное значение ^ф соответствует дифференциальному урав­нению

Dw+ 4A (т - т )

Ф ___ v У ecn och! /о і

_ 2 I------ ( ) (3.102)

" т och 2y Toch Voch + тecn J

И условию dwф/dтоCн = 0.

Отсюда числитель твсп - тосн = 0, или тосн = твсп, 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 Тосн> твш:

/0 •Rn-------- T, (3.103)

2 •AP • r0 • x0 ecn' v }

Экономически оптимальная продолжительность цикла фильтрования достигается при соотношении тэ = (4.. ,6)твсп.

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