10.3.2 Фильтры с зернистой перегородкой.

В процессах очистки сточ­ных вод, как правило, приходится иметь дело с большим количеством воды, поэтому применяют фильтры, для работы которых не требует­ся высоких давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетча­тыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем.

Фильтр с зернистой перегородкой представляет собой резерв, в нижней части, которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживающего материала, а затем фильтрующий материал.

Важными характеристиками пористой среды являются порозность и удельная поверхность. Порозность зависит от структуры по­ристой среды и связана не только с размером зерен, образующих слой, но и с их формой и укладкой. Если обозначить порозность через е, а объем, занимаемый телом, через V_B, тогда + Vв= 1.

Таблица 10. Характеристика фильтров периодического и непрерывного действия

Факторы, влияющие на вы­бор фильтра	Фильтры периодического действия			Фильтры непрерыв­ного действия
	Нутч-фильтры	Листовые	Фильтр-прессы	Барабанные	Дисковые	Ленточные
Начальная концентрация суспензий, % (об.): до 0,5 ДО 1 до 1,5	1 2—3 4	2 1—2 3-4	2 1 2—3	1—2	2	1
Возможность получения чистого фильтрата	1—2	1	1	3	3	4
Возможность промывки	4	3	2	1	—	2
Возможность изготовления из кислотной стали	1	4	4	1	4	3
Обозначения, характеризующие технико-экономические показатели фильтров: 1 — высокие; 2 — хорошие; 3 — удовлетворительные; 4 — низкие (применя­ются при крайней необходимости); прочерк — неудовлетворительные (непри­менимость данного фильтра).

При е = 0 пористая среда превращается в сплошное тело, а при s =1 в максимально пористое тело (когда размеры стенок твердого веще­ства так малы, что V_B 0).

Удельная поверхность слоя определяется не только порозностью, но и пористостью отдельных зерен, а также зависит от формы зерен (коэффициент формы существенно влияет на емкость фильтрующе­го слоя и коэффициент гидравлического сопротивления). Удельную объемную поверхность слоя вычисляют по формуле:

= 6(1— ) d_э, (24)

где — удельная объемная поверхность фильтрующего слоя, м²/м³; — коэффициент формы зерен; d_э — эквивалентный диаметр зе­рен, м.

Механизмы извлечения частиц из воды сводятся к следующим: 1) процеживание, при котором извлечение частиц является чисто ме­ханическим; 2) гравитационное осаждение; 3) инерционное захва­тывание; 4) химическая адсорбция; 5) физическая адсорбция; 6) ад­гезия; 7) коагуляционное осаждение; 8) биологическое выращива­ние. В общем случае эти механизмы могут действовать совместно, и процесс фильтрования состоит из трех стадий: 1) перенос частиц на поверхность вещества, образующего слой; 2) прикрепление к поверх­ности; 3) отрыв от поверхности.

По характеру механизма задерживания взвешенных частиц раз­личают два вида фильтрования: 1) фильтрование через пленку (оса­док) загрязнений, образующуюся на поверхности зерен загрузки; 2) фильтрование без образования пленки загрязнений. В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор материала, а затем образуется слой загрязнений, который является также фильт­рующим материалом. Такой процесс характерен для медленных филь­тров, которые работают при малых скоростях фильтрования. Во вто­ром случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где ча­стицы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего материала адгезионными силами. Такой процесс характерен для скорост­ных фильтров. Величина сил адгезии зависит от крупности и формы зерен, от шероховатости поверхности и ее химического состава, от скорости потока и температуры жидкости, от свойств примесей.

Прилипшие частицы постоянно испытывают влияние движуще­гося потока, который в результате трения срывает их с поверхности фильтрующего материала. При равенстве числа частиц, поступаю­щих в единицу времени на поверхность фильтрующего слоя и поки­дающих ее, наступает насыщение поверхности, и она перестает ос­ветлять сточные воды.

Кинетика фильтрования и материальный баланс описываются уравнениями:

-дс/дх = bc-aq, -dq/dt = - дс/дх (25)

При решении этих уравнений получается общее уравнение про­цесса:

-д²с/дхд + , (26)

где с — концентрация взвешенных веществ в сточных водах; х — длина участка канала, на котором происходит выделение примеси; b ид — константы скорости прилипания и отрыва частиц; q — кон­центрация осадка.

Это уравнение имеет решение в виде бесконечного ряда. Продол­жительность работы фильтра до "проскока" называют временем за­щитного действия х.

Продолжительность работы фильтра до "проскока" частиц в филь­трат определяют по формуле:

(27)

где l— толщина фильтрующего слоя; d — размер частиц фильтрующе­го слоя; к и s₀ — константы, зависящие от концентрации взвешен­ных веществ в исходной и осветленной сточной воде.

Взвешенные вещества при прохождении через слой материала уменьшают порозность и изменяют поверхность. Сопротивление фильтрующего слоя возрастает по мере прохождения сточной воды и в любой момент времени равно:

(28)

(29)

(30)

где h — сопротивление фильтрующего слоя; i₀— сопротивление еди­ницы толщины фильтрующего слоя при прохождении через него чис­той жидкости; i — сопротивление единицы фильтрующего слоя с задержанными частицами в любой промежуточный момент време­ни; — порозность фильтрующего слоя; V_oc— удельный объем осадка, накопившегося в фильтрующем слое; d_э— эквивалентный диаметр зерен загрузки; — коэффициент формы зерен загрузки.

Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и ско­ростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильт­рах равна 1-2 м, в закрытых 0,5-1 м. Напор воды в закрытых филь­трах создается насосами.

а) Медленные фильтры используют для фильтрования некоагули-рованных сточных вод. Они представляют собой бетонные или кир­пичные резервуары с дренажным устройством, на котором располо­жен зернистый слой. Скорость фильтрования в них зависит от кон­центрации взвешенных частиц: до 25 мг/л принимают скорость филь­трования 0,2-0,33 м/ч; при 25-30 мг/л — 0,1-0,2 м/ч. Достоинством фильтров является высокая степень очистки сточных вод. Недостат­ки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.

б) Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состо­ит из одного и того же материала, у многослойных—из различных мате­риалов. Схема одного из скоростных фильтров показана на рис.16, а. Сточную воду подают внутрь фильтра, где она проходит через фильтрующий материал и дренаж и удаляется из фильтра. После за­сорения фильтрующего материала проводят промывку подачей про­мывных вод снизу вверх. Дренажное устройство выполняют из по-ристобетонных сборных плит. На нем размещают фильтрующий ма­териал (в 2-4 слоя) одного гранулометрического состава. Общая вы­сота слоя загрузки равняется 1,5-2 м. Скорость фильтрования при­нимается равной 12-20 м/ч.

В многослойных скоростных фильтрах фильтрующий слой со­стоит из зерен разных материалов. Например, из слоя антрацита и песка. Верхние слои имеют зерна большего размера, чем нижние. Конструкция этих фильтров мало отличается от конструкции одно­слойных. Они имеют более высокую производительность и большую продолжительность фильтрования.

Выбор типа фильтра для очистки сточных вод зависит от количе­ства фильтрующих вод, концентрации загрязнений и степени их дис­персности, физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.

Промывку фильтров, как правило, производят очищенной водой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна загрузки пере­ходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших час­тиц загрязнений. Может быть произведена водо-воздушная промыв­ка, при которой сначала зернистый слой продувают воздухом для разрыхления, а затем подают воду. Интенсивность подачи воздуха изменяется в пределах 18-22 л/(м² с), а воды — 6-7 л/(м² с). Воз­можна и трехэтапная промывка. Сначала слой продувают воздухом, а затем смесью воздух — вода; на последнем этапе — водой. Про­должительность промывки 5-7 мин.

Особенностью фильтра с подвижной загрузкой является верти­кальное расположение фильтрующей загрузки и горизонтальное дви­жение фильтруемой воды. Фильтрующим материалом служит квар­цевый песок (1,5-3 мм) или гранитный щебень (3-10 мм). Схема фильтра показана на рис. 16,б.

Сточная вода поступает в коллектор, откуда через каналы и от­верстия поступает в фильтрующий слой. Очищенную воду отводят из фильтра через дренажную камеру. Загрязненный материал пере­качивают гидроэлеватором по трубе в промывное устройство. Рас­четная скорость фильтрации 15 м/ч; расход промывной воды 1-2% от производительности фидьтра; необходимый напор перед фильт­ром 2-2,5 м. Эффективность очистки составляет 50-55%.

Достоинства фильтров: большая скорость фильтрации, высокое качество отмывки загрузки от загрязнений, небольшая производствен­ная площадь, занимаемая фильтром. Недостатки: большая металло­емкость, истирание стенок трубопроводов, измельчение и унос пес­ка, сложность эксплуатации.

в) Микрофильтры. Процесс микрофильтрации заключается в про­цеживании сточной воды через сетки с отверстиями размером от 40 до 70 мкм. Барабанные сетки имеют ячейки размером от 0,3x0,3 до 0,5x0,5 мм. Микрофильтры применяют для очистки сточных вод от твердых и волокнистых материалов. Схема одного из микрофильт­ров показана на рис. 16,в.

Сточная вода поступает внутрь барабана и через отверстия про­ходит в камеру. Взвешенные вещества задерживаются на внутренней поверхности барабана и при промывке с промывной водой по­ступают в лоток. Барабан вращается с частотой 6-20 мин^-1. Скорость фильтрации достигает 25-45 м³/(м²/ч).

При концентрации взвешенных частиц 15-20мг/л эффективность очистки составляет 50-60% в зависимости от состава и свойств сточных вод, размера ячеек и режима работы микрофильтров (гидравли­ческой нагрузки, потерь напора, интенсивности промывки и др.).

Рис. 16. Фильтры: a — скоростной контактный: 1 — корпус, 2 — система удаления промывных вод, 3 — система подачи сточных вод, 4 — система подачи промывных вод, 5 — пористый дренаж, 6 — фильтрующий материал; б — с под­вижной загрузкой: 1 — корпус, 2 — дренажная камера, 3 — средняя камера, 4 — каналы, 5 — щелевые трубы, 6 — ввод сточной воды, 7 — классификатор, 8 — промывное устройство, 9 — труба дня подачи промывной воды, 10 — отвод про­мывной воды, 11 — коллектор, 12, 13 — трубы, 14 — кольцевой коллектор, 15 — гидроэлеватор; в — микрофильтр: 1 — вращающий барабан, 2 — устройство для промывки, 3 — лоток для сбора промывных вод, 4 — труба для отвода промыв­ных вод, 5 — камера для удаления осветленной воды; г — с пенополиуретановой загрузкой: 1 — слой пенополиуретана, 2 — камера, 3 — элеватор, 4 — направляющие ролики, 5 — лента, 6 — ороситель, 7 — отжимные ролики, 8 — емкость для регенерата, 9 — решетчатая перегородка

г) Магнитные фильтры. Они нашли широкое распространение, обеспечивают степень очистки 80%. Такие фильтры применяют для удаления мелких ферромагнитных частиц (0,5-5 мкм) из жидкостей. Помимо магнитных частиц, фильтры улавливают абразивные час­тицы, песок и другие загрязнения. Этому способствует эффект элек­тризации немагнитных частиц. Магнитные фильтры могут быть снаб­жены постоянным магнитом или электромагнитом, их производи­тельность до 60 м³/ч.

При прохождении сточных вод ламинарным потоком через маг­нитное поле ферромагнитные частицы размером 0,5-1 мкм намаг­ничиваются и образуют агломераты размером до 50 мкм, которые удаляются фильтрованием, либо осаждаются под действием грави­тационного поля. Направление потока жидкости должно совпадать с направлением магнитного поля, так как при этом создаются наибо­лее благоприятные условия осаждения.

Магнитные сепараторы делят на три группы: 1) сепараторы, в которых отделение ферромагнитных частиц идет непосредственно под действием постоянного магнита; 2) сепараторы, в которых отде­лителями частиц служат специальные ферромагнитные элементы, помещенные в силовом поле постоянного магнита (или группы маг­нитов); 3) фильтры-сепараторы, представляющие собой комбинацию постоянных магнитов с различными механическими фильтрующи­ми элементами. Наиболее простыми сепараторами являются магнит­ные уловители и магнитные патроны.

Степень очистки фильтрованием зависит от напряженности маг­нитного поля, скорости течения жидкости, ее вязкости, расположе­ния силовых полей относительно направления потока жидкости.

д) Фильтрование эмульгированных веществ. При фильтровании эмульсий через зернистый слой имеет значение первоначальный ха­рактер поверхности. При гидрофобной поверхности прилипание ча­стиц сильнее, чем при гидрофильной, так как на поверхности зерен гидрофильных материалов имеется гидратная оболочка. Прилипа­ние происходит только там, где эта оболочка нарушена.

Для удаления нефтепродуктов и масел могут быть использованы фильтры с загрузкой из пенополиуретана. Схема фильтра показана на рис. 16,г. Высота слоя материала 2-2,5м, размер кусков пено-полиуретана 5-10 мм. Скорость фильтрования до 25 м/ч. Такие фильтры могут быть использованы при концентрации масел в исходной сточной воде до 1000 мг/л.

Сточная вода, подаваемая сверху, проходит через слои материа­ла, освобождаясь от частичек масла. После насыщения материала маслом проводят его регенерацию трехкратным механическим отжатием с промывкой водой. Материал подают на ленту элеватором и протекают через отжимные ролики.

Длительность цикла фильтрации определяют, но формуле:

(31)

где. К — коэффициент, учитывающий нестабильность процесса (К=0,85); Е — удельная маслоемкость пенополиуретановой загрузки (т. е. количество нефтепродуктов, масел и взвешенных веществ, за­держиваемых единицей объема фильтрующего слоя за время фильт­рования); W — объем фильтрующей загрузки, м³; с_н и с_к — концентрация масел и взвеси соответственно до и после очистки, кг/м³.

Пример расчета барабанного вакуум-фильтра.

Рассчитать требуемую поверхность барабанного вакуум-фильтра с наружной фильтрующей поверхностью на производи­тельность по фильтрату 6 м³/ч (0,00167 м³/с). Подобрать стандартный фильтр и опре­делить необходимое число фильтров.

Исходные данные для расчета: перепад давления при фильтровании и промывке Δр = 6,8·10⁴ Па; температура фильтрования 20 °С; высота слоя осадка на фильтре h_ос= 10 мм; влажность осадка ω_ос = 61 % (масс); удельное массовое сопротивление осадка r_в = 7,86·10¹⁰ м/кг; сопротивление фильтровальной перегородки R_ф.п=4,1·10⁹ м^-1; плотность твердой фазы ρ_т= 1740 кг/м³; жидкая фаза суспензии и промывная жидкость — вода; массовая концентрация твердой фазы в суспензии х_см = 14 % (масс.); удельный расход воды при промывке (которая проводится при температуре 53 °С) υ_пр.ж= 1·10^-3 м³/кг; продолжительность окончательной сушки осадка τ_с2 не менее 20 с.

По справочным данным определяем недостающие для расчета физико-химические величины: вязкость воды при 20 °С μ= 1,005·10^-3 Па·с, при 53 °С μ_пp = 0,53·10^-3 Па·с; плотность воды принимаем ρ_ж=1000 кг/м³ .

Рассчитаем вспомогательные величины. По формуле

ρ_ос=ρ_тρ_ж/[ρ_ж+(ρ_т-ρ_ж)ω_ос],

кг/м³.

По формуле

По формуле

кг/м³

Продолжительность фильтрования находим по формуле:

с.

Продолжительность промывки находим по формуле, принимая k = l,1:

Для определения частоты вращения барабана по уравнению

предварительно зада­димся с помощью табл., Приложения значениями углов, ориентируясь на наиболее типичные значения:

φ_с1 = 59,5°; φ_о=20°; φ_р = 20°; φ_м1=2°; φ_м2 = 5°; φ_м3 = 13,5°; φ_м4 = 5°.

Тогда

n = 360— (59,5+ 20 + 20 +2+ 5+13,5+ 5)/[360 (59,4+ 38,2+ 20)] =0,00555 с^-1.

Полученная частота укладывается в диапазон значений, приведенных в табл. Прило­жения.

Продолжительность полного цикла работы фильтра по формуле:

τ_ц=1/n

τц= 1/0,00555 = 180 с.

Удельный объем фильтрата по формуле :

υ_ф.уд=h_ос/х₀

υ_ср.уд = 0,01/0,467 = 0,0214 м³/м².

Общая поверхность фильтрования по формуле :

F_об=V_обτ_ц/(υ_ф.удК_п),

F_об = =0,00167·180/(0,0214·0,8) = 17,5 м².

Эту поверхность может обеспечить один фильтр Б020-2,6У, имеющий F_ф = 20 м².

Проверим пригодность выбранного фильтра. Он имеет следующие значения углов: φ_ф = 132°; (φ_пр + φ_с2)=103°.

Рассчитаем n₁ и n₂ по формулам :

n₁=132/(360-59,4) =0,00617с^-1;

n₂= 103/ [360 (38,2 +20)] =0,00492 с^-1.

Так как n₂<n₁|, окончательно принимаем частоту вращения барабана: n=n₂= =0,00492 с^-1.

Эта частота соответствует допустимому диапазону частот (0,00217 — 0,0333 с^-1), указан­ному в табл. Приложения.

Угол, необходимый для фильтрования, можно определить, зная продолжительность фильт­рования и частоту:

360τ_фn = 360-59,4-0,00492=105,2°.

Фактически угол сектора фильтрования в стандартном фильтре составляет φ_ф = 132°. Таким образом, часть поверхности зоны фильтрования оказывается избыточной, поэтому при заказе фильтра целесообразно уменьшить угол фильтрования в распределительной головке на величину

Δ = - 135—105,2 = 26,8.

Этого можно добиться, например, увеличив на то же значение угол φ_м4. Продолжительность полного цикла по

τ_ц=1/n

τ_ц=1/n = 1/0,00492 = 203 с.

Производительность фильтра найдем из формулы:

V_ф = υ_ф.удF_ф K_п/τ_ц= 0,0214·20·0,8/203 = 0,0214·20·0,8/203 = 0,00169 м³/с,

что соответствует заданной производительности (0,00167 м³/c).

Приложение. Основные параметры фильтров непрерывного действия

Таблица 1. Основные параметры барабанных вакуум-фильтров общего назначения с наружной фильтрующей поверхностью

Фильтр	Fф,м2	zя, шт	n,c-1	Распределение зон по поверхности барабана (в угловых градусах)
				φф	φс1	φпр+φс2	φ0	φр	φм1	φм2	φм3	φм4
БОШ3-1,75Р	3	16	0,00167— 0,0333	107	71	101	19	19	2	5	30	5
Б0Ш5-1.75Р	5
Б03-1.75К	3	18	0,00167— 0,0333	125	60	99	25	24	4	5	14	4
Б05-1.75К	5
Б05-1.75У	5	24	0,00167— 0,030	124,5	67	103	20	20	2	5	13,5	5
Б010-2.6У	10	24	0,00217— 0,0333	132	59,5	103	20	20	2	5	13,5	5
Б010-2.6Р	10	24	0,00167— 0,0333	125	71	93,5	19,5	18	2	4,5	22,5	4
Б020-2.6У	20	24	0,00217— 0,0333	132	59,5	103	20	20	2	5	13,5	5
Б040-ЗУ	40	24	0,0095, 0,0142, 0,0287	135	56,5	103	20	20	2	5	13,5	5