3. Фільтрування стічних вод.

Фільтрування застосовують для виділення із стічних вод тонко- дисперсних твердих або рідких речовин, видалення яких відстоюванням неможливе. Поділ проводять за допомогою пористих перегородок, що пропускають рідину і затримують дисперсну фазу. Процес відбувається під дією гідростатичного тиску стовпа рідини, підвищеного тиску над перегородкою або вакууму після перегородки.

Фільтрування через фільтруючі перегородки. Вибір перегородок зале­жить від властивостей стічної води, температури, тиску фільтрування і конструкції фільтра.

Як перегородку використовують металеві перфоровані аркуші та сітки з нержавіючої сталі, алюмінію, нікелю, міді, латуні тощо, а також різноманітні тканинні перегородки (азбестові, скляні, бавовняні, вов­няні із штучного і синтетичного волокна).

Для хімічно агресивних стічних вод при підвищенні температури і значних механічних напруг найбільш придатні металеві перегородки, виготовлені з перфорованих аркушів, сіток і пластин, одержуваних при спіканні сплавів.

Фільтрувальні перегородки, що затримують частинки, повинні мати мінімальний гідравлічний опір, достатню механічну міцність і гнуч­кість, хімічну стійкість і не повинні набрякати і руйнуватися при заданих умовах фільтрування. За матеріалом, з якого виготовляють перегородки, їх поділяють на органічні і неорганічні, за принципом дії - на поверхневі та глибинні, а за структурою - на гнучкі і негнучкі.

Глибинні фільтрувальні перегородки звичайно застосовують при освітленні суспензій з малою концентрацією твердої фази, яка проникає всередину перегородки, затримується в порах (осідає й адсорбується).

На поверхневих фільтрувальних перегородках проникання частинок у пори перегородки не відбувається.

Процес фільтрування проводять з утворенням осаду на поверхні фільтруючої перегородки або з закупоркою перфорації фільтруючої перегородки.

Осади, які утворюються в процесі фільтрування, можуть бути сти­скаючими і нестискаючими. Стискаючі осади характеризуються змен­шенням поронозності внаслідок ущільнення і збільшення опору з рос­том перепаду тисків, у нестискаючих осадів поронозність і опір потоку рідини в процесі фільтрування залишаються постійними. До таких осадів відносять речовини мінерального походження (пісок, крейда, сода й ін.) з розміром часток >100 мкм. Продуктивність фільтра виз­начається швидкістю фільтрування, тобто обсягом води, що пройшла за одиницю часу через одиницю поверхні.

Швидкість фільтрування визначається рівнянням:

dv/Fdt = ∆P/µ(R_oc+R_фп). (7.13)

Процес фільтрування можна проводити при постійній різниці тисків або при постійній швидкості. Рівняння фільтрування при постійній різниці тисків має вигляд:

dv/Fdτ = ∆P/ µ r₀(x₀v/F + R_фп). (7.14)

Час, необхідний для утворення осаду, при даному режимі фільтра:

τ = µ r₀v/ τ F(x₀v/F + R_фп) (7.15)

Рівняння фільтрування при постійній швидкості процесу:

∆P = µ r₀v/ τ F(x₀v/F + R_фп) (7.16)

Оскільки швидкість фільтрування дорівнює (ω = v/F∙c, то рівняння (7.16) набирає вигляд у:

∆P = µ r₀ ω (0(x_o ω τ + R_фп), (7.17)

де v - об’єм фільтрату за час τ, м³; F - поверхня фільтрування, м²; X - тривалість фільтрування, с; ∆Р - перепад тиску, Па; µ - динамічна в’язкість фільтрату, Па∙с; R_oc, R_фп - опір осаду і фільтрувальної перегородки відповідно, м^-1;r₀ - питомий опір осаду, м²; х_а - відно­шення об’єму осаду до об’єму фільтрату.

Для фільтрування використовують різні за конструкцією фільтри. Основні вимоги до них: висока ефективність виділення домішок і максимальна швидкість фільтрування.

Фільтри поділяють за різними ознаками:

• характером протікання процесу - періодичним і безперервним за виглядом процесу для розділення згущення й освітлення;

• тиском при фільтруванні - під вакуумом (до 0,085 МПа), під тиском (від 0,3 до 1,5 МПа) або при гідростатичному тиску стовпа рідини (до 0,05 МПа);

• напрямком фільтрування - униз, вверх або вбік;

• конструктивними ознаками;

• способом знімання осаду, наявністю промивання і зневоднювання осаду, за формою і положенням поверхні фільтрування.

У системах очищення стічних вод використовують фільтри періо­дичної дії: нутч-фільтри, листові і фільтр-преси та фільтри безперервної дії: барабанні, дискові, стрічкові.

З фільтрів періодичної дії найпростішими є пристрої нутч- або друк- фільтри. Вони призначені для поділу нейтральних, кислих і лужних суспензій. Фільтри - місткість з перфорованим днищем, на якому закріплена фільтрувальна тканина. Нижня частина фільтра приєд­нується до вакуумної системи через ресивер. Осад, що накопичується на тканині, видаляють вручну.

Для поділу важкофільтрованих суспензій застосовують фільтр-пре­си,' що працюють при тиску 0,3-1,2 МПа. Рамні фільтр-преси викорис­товують при фільтруванні різних суспензій; передбачається можливість промивання і продувки осаду.

Фільтр-прес ФПАКМ має поверхню фільтрування 2,5; 5 і 12,5 м, його застосовують для очищення стічних вод хімічних виробництв. Він працює під тиском 1,5 МПа, забезпечує ефективне промивання осаду, відрізняється мінімальним часом на допоміжні операції.

Аркушевий фільтр - це місткість, у якій розміщені листові елементи. Фільтрувальний елемент являє собою порожню раму з дротяною сіт­кою, обтягнуту

зовні фільтрувальною тканиною. Суспензія надходить усередину апарата. У процесі фільтрування осад намивається на фільт­рувальний елемент, а фільтрат безперервно відводиться з місткості. По закінченні процесу фільтрування осад стисненим повітрям вида­ляють з фільтруючих елементів всередину ємності і виводять його через спеціальний штуцер. Найбільш ефективно листові фільтри використо­вують в процесах згущення суспензій.

Для поділу важкофільтруючих суспензій застосовують безперервні високопродуктивні барабанні вакуум-фільтри з безперервною фільтру­вальною стрічкою і поверхнею фільтрування до 40 м² (рис. 7.7).

При обертанні барабана рідка фаза надходить у його внутрішню порожнину під дією вакууму, а через розподільний пристрій виво­диться з барабана. Тверда фаза збирається на поверхні полотна, від якого відокремлюється ножем. Регенерація тканини проводиться про­мивною рідиною, яка надходить під тиском через систему насадок.

Рис. 7.7. Барабанний вакуум-фільтр зі сходячим полотном:

1 - фільтрувальна тканина; 2, 5, 7 - ролики; З - ніж;

4 - сопло для подання промивної води; б - лоток для видалення промивної рідини; 8 - корито

Для різних цілей очищення стічних вод і для зневоднення осадів широко застосовують барабанні, дискові і стрічкові вакуум-фільтри безперервної дії. Барабанні вакуум-фільтри використовують для роз­поділу суспензій, що швидко утворюють осад. Дискові фільтри призна­чені переважно для фільтрування суспензій з невисокою швидкістю осадження твердої фази, а також для розподілу речовин, які легко випаровуються, в’язких, що окисляються, і токсичних суспензій. Порів­няльна характеристика фільтрів наведена в табл. 7.2.

Таблиця 7.2

Характеристика фільтрів періодичної і безперервної дії

Фактори, що впливають на вибір фільтра	Фільтри періодичної дії				Фільтри безперервної дії
Початкова концентрація суспензії, % (про): до 0,5 до 1 до 15	1 2-3 4	1-2 2 1-2 3-4	1 2-3 2 2 1 1 2-3 2-3	- 1-2 - - 1-2		- 2 - - 2	- 1 - - 1
Можливість одержання чистого фільтра	1-2	1	1	3		3	4
Можливість промивання	4	3	2	1		-	2
Можливість виготовлення з кислотостійкої сталі	1	4 4	44 4	1 1		4 4	3 3

Примітка. Позначення, що характеризують техніко-економічні показники фільтрів: 1 - високі; 2 - добрі; 3 - задовільні; 4 - низькі (застосовуються при крайній необхідності); прочерк - незадовільні (незастосовність даного фільтра).

Фільтри з зернистою перегородкою. У процесах очищення стічних вод, як правило, доводиться мати справу з великою кількістю води, тому застосовують фільтри, для роботи яких не потрібно високих тисків. Виходячи з цього, використовують фільтри із сітчастими еле­ментами (мікрофільтри і барабанні сітки) і фільтри з фільтруючим зернистим шаром.

Фільтр із зернистою перегородкою являє собою резервуар, у нижній частині якого змонтовано дренажний пристрій для відводу води. На дренаж укладають шар підтримуючого матеріалу, а потім - фільт­руючий матеріал.

Важливими характеристиками пористого середовища є пористість і питома поверхня. Пористість залежить від структури пористого середовища і пов’язана не тільки з розміром зерен, що утворюють шар, але і з їх формою й укладкою. Якщо позначити пористість через є, а об’єм, займаний тілом, через V_в, тоді ε + V_в = 1.

При ε = 0 пористе середовище перетворюється в суцільне тіло, а при ε = 1 - у максимально пористе тіло (коли розміри стінок твердої речовини такі малі, що V_в —> 0).

Питома поверхня шару визначається не тільки пористістю, але і пористістю окремих зерен, а також залежить від форми зерен (кое­фіцієнт форми істотно впливає на ємність фільтруючого шару і коефі­цієнт гідравлічного опору). Питому об’ємну поверхню шару обчис­люють за формулою:

а = 6(1- ε)/ψ/d_e (7.18)

де а - питома об’ємна поверхня фільтруючого шару, м²/м³; ψ - коефі­цієнт форми зерен; d_e - еквівалентний діаметр зерен, м.

Механізми добування частинок з води зводяться до наступних процесів

1. Проціджування, при якому добування частинок є чисто меха­нічним.

2. Гравітаційне осадження.

3. Інерційне захоплювання.

4. Хімічна адсорбція.

5. Фізична адсорбція.

6. Адгезія.

7. Коагуляція осадження.

8. Біологічне вирощування.

У загальному випадку ці механізми можуть діяти спільно і процес фільтрування буде складатися з трьох стадій:

1. Перенос частинок на поверхню речовини, які утворюють шар.

2. Прикріплення до поверхні.

3. Відрив від поверхні.

За характером механізму затримування плаваючих частинок розріз­няють два види фільтрування:

1. Фільтрування через плівку (осад) забруднень, які утворюються на поверхні зерен.

2. Фільтрування без утворення плівки забруднень.

У першому випадку затримуються частинки, розмір яких більший за пори матеріалу, а потім утвориться шар забруднень, що також є фільтруючим матеріалом. Такий процес характерний для повільних фільтрів, що працюють при малих швидкостях фільтрування. В дру­гому випадку фільтрування відбувається у товщі шару завантаження, де частинки забруднюючих частинок утримуються на зернах фільтру­ючого матеріалу адгезійними силами. Такий процес характерний для швидкісних фільтрів. Величина сил адгезії залежить від грубості і форми зерен, від шорсткості поверхні і її хімічного складу, від швид­кості потоку і температур рідини, від властивостей домішок.

Прилиплі частинки постійно зазнають впливу від плинного потоку, який внаслідок тертя зриває їх з поверхні фільтруючого матеріалу. При рівності числа частинок, які надходять за одиницю часу на по­верхню фільтруючого шару і залишають його, настає насичення по­верхні і вона перестає освітлювати стічні води.

Кінетика фільтрування і матеріальний баланс описуються рівнян­нями:

-dc/dx = bc-aq, (7.19)

-dq/ dτ=-vdc/dx . (7.20)

При розв’язанні цих рівнянь дістаємо загальне рівняння процесу:

d²c/dxdτ + avdc/dx + bdc/dτ = 0, (7.21)

де с - концентрація плаваючих речовин у стічних водах; х - довжина ділянки каналу, на якому відбувається відділення домішок; Ь і а - константи швидкості прилипання і відриву частинок q концентрація осаду.

Це рівняння має розв’язок у вигляді нескінченного ряду.

Тривалість роботи фільтра до “проскакування” називають часом захисної дії τ₃.

Тривалість роботи фільтра до “проскакування” частинок фільтрату визначають за формулою:

τ₃ =l/к(l/v^1.7d^0.7—s₀d/v), (7.22)

де l - товщина фільтруючого шару; d - розмір часток фільтруючого шару; к і s₀ - константи, що залежать від концентрації плаваючих речовин у вихідній і освітленій стічній воді.

Плаваючі речовини при проходженні через шар матеріалу змен­шують пористість і змінюють поверхню.

Фільтри з зернистим шаром поділяють на: повільні, швидкісні, відкриті і закриті. Висота шару у відкритих фільтрах дорівнює 1-2 м, у закритих 0,5-1 м. Напір води в закритих фільтрах створюється насосами.

Повільні фільтри використовують для фільтрування не коагульо­ваних стічних вод. Вони являють собою бетонні або цегляні резервуари з дренажним пристроєм, на якому розташований зернистий шар. Швидкість фільтрування в них залежить від концентрації плаваючих частинок: до 25 мг/л приймають швидкість фільтрування 0,2-0,3 м/год., при 25— ЗОмг/л - 0,1-0,2 м/год. Перевагою фільтрів є високий ступінь очищення стічних вод. Недоліки', великі розміри, висока вартість і складне очищення від осаду.

Швидкісні фільтри можуть бути двох типів: одношарові і багатоша­рові. В одношарових фільтрах фільтруючий шар складається з того самого матеріалу, в багатошарових - із різних матеріалів. Схема одного із швидкісних фільтрів показана на рис. 7.8.

Стічну воду подають всередину фільтра, де вона проходить через фільтруючий матеріал і дренаж і видаляється із фільтра. Після засмі­чення фільтруючого матеріалу проводять його промивання подачею промивних вод знизу вверх. Дренажний пристрій виготовляють з пористобетонних збірних плит. На пристрої розміщують фільтруючий матеріал (у 2-4 шари) одного гранулометричного складу. Загальна висота шару завантаження дорівнює 1,5-2 м. Швидкість фільтрування приймається такою, що дорівнює 12-20 м/год.

Промивна вода

очищена вода

Стічна

З

Рис. 7.8. Фільтри:

а - швидкісний контактний: 1 - корпус; 2 - система видалення промивних вод;

3 — система подачі стічних вод; 4 — система подачі промивних вод;

5 - пористий дренаж; б - фільтруючий матеріал, б - з рухомим завантаженням:

1 — корпус; 2 — дренажна камера; 3 - середня камера;

4 - канали; 5 - щілинні труби; б - введення стічної води; 7 - класифікатор;

8 - промивний пристрій; 9 - труба для подачі промивної води; 10 - відвід промивної води; 11 — колектор; 12, 13 - труби; 14 — кільцевий колектор;

15 - гідроелеватор, в - мікрофільтр: 1 - обертаючий барабан; 2 - пристрій для промивання; 3 - лоток для збору промивних вод; 4 - труба для відводу промивних вод; 5 - камера для видалення освітленої води.

г - з пінополіуретановим завантаженням: 1 - шар пінополіуретану;

2 - камера; 3 - елеватор; 4 - напрямні ролики; 5 - стрічка; 6 - зрошувач;

7 — віджимні ролики; 8 - ємність для регенерату; 9 - решітчаста

перегородка

У багатошарових швидкісних фільтрах фільтруючий шар склада­ється з зерен різних матеріалів. Наприклад, із шару антрациту і піску. Верхні шари мають зерна більшого розміру, ніж нижні. Конструкція цих фільтрів мало відрізняється від конструкції одношарових. Вони мають вищу продуктивність і велику тривалість фільтрування.

Вибір типу фільтра для очищення стічних вод залежить від кількості фільтруючих вод, концентрації забруднень і ступеня їхньої дисперснос­ті, фізико-хімічних властивостей твердої і рідкої фаз і від необхідного ступеня очищення.

Промивання фільтрів, як правило, проводять очищеною водою (фільтратом), яку подають знизу вверх. При цьому завантаженні зерна переходять у плаваючий стан і звільняються від прилиплих забруд­нюючих частинок. Може бути проведено водоповітряне промивання, при якому спочатку зернистий шар продувають повітрям для його розпушення, а потім подають воду. Інтенсивність подачі повітря зміню­ється в межах 18-22 л/(м², с), а води - 6-7 л/(м², с). Можливе і триетапне промивання. Спочатку шар продувають повітрям, а потім - сумішшю “повітря-вода”^ на останньому етапі - водою. Тривалість промивання 5-7 хв.

Особливість фільтра з рухомим завантаженням - вертикальне заван­таження фільтруючого матеріалу і горизонтальний рух фільтруючої води. Фільтруючим матеріалом служить кварцовий пісок (1,5-3 мм) або гранітний щебінь (3-10 мм). Схема фільтра показана на рис. 7.8, б.

Стічна вода надходить у колектор, звідкіля через канали й отвори надходить у фільтруючий шар. Очищену воду відводять з фільтра через дренажну камеру. Забруднений матеріал перекачують гідроелеватором по трубі в промивний пристрій. Розрахункова швидкість фільтрації 15 м/год, витрата промивної води 1-2 % від продуктивності фільтра; необхідний напір перед фільтром 2-2,5 м. Ефективність очищення становить 50-55 %.

Переваги фільтрів: велика швидкість фільтрації, висока якість відми­вання завантаження від забруднень, невелика виробнича площа, зай­мана фільтром.

Недоліки: велика металомісткість, стирання стінок трубопроводів, здрібнювання і відплив піску, складність експлуатації.

Мікрофільтри. Процес мікрофільтрації полягає в проціджуванні стічної води через сітки з отворами розміром від 40 до 70 мкм. Бара­банні сітки мають соти розміром від 0,3 х 0,3 до 0,5 х 0,5 мм. Мікро­фільтри застосовують для очищення стічних вод від твердих і волок­нистих матеріалів. Схема одного з мікрофільтрів показана на рис. 7.8, в.

Стічна вода надходить усередину барабана і через отвори прохо­дить камеру.

Плаваючі речовини затримуються на внутрішній поверхні барабана і при промиванні з промивною водою надходять у лоток. Барабан обертається з частотою 6-20 хв^_|. Швидкість фільтрації дося­гає 25-45 м³/(м²/год).

При концентрації плаваючих частинок 15-20 мг/л ефективність очищення складає 50-60 % залежно від складу і властивостей стічних вод, розміру отворів і режиму роботи мікрофільтрів (гідравлічного навантаження, втрат напору, інтенсивності промивання й ін.).

Магнітні фільтри. Вони знайшли широке використання і забез­печують ступінь очищення 80 %. Такі фільтри застосовують для вида­лення дрібних феромагнітних часток (0,5-5 мкм) з рідин. Крім магніт­них часток, фільтри уловлюють абразивні частки, пісок та інші забруд­нення. Цьому сприяє ефект електризації немагнітних часток. Магнітні фільтри можуть бути оснащені постійним магнітом або електромаг­нітом, їхня продуктивність до 60 м³/год.

При проходженні стічних вод ламінарним потоком через магнітне поле феромагнітні частинки розміром 0,5-1 мкм намагнічуються й утворюють агломерати розміром до 50 мкм, які видаляються фільтру­ванням або осаджуються під дією гравітаційного поля. Напрямок потоку рідини повинен збігатися з напрямком магнітного поля, тому що при цьому створюються найбільш сприятливі умови осадження.

Магнітні сепаратори поділяють на три групи:

1. Сепаратори, в яких відділення феромагнітних частинок відбу­вається безпосередньо під дією постійного магніту.

2. Сепаратори, в яких віддільниками частинок служать спеціальні феромагнітні елементи, які поміщені в силовому полі постійного маг­ніту (або групи магнітів).

3. Фільтри-сепаратори, що являють собою комбінацію постійних магнітів з різними механічними фільтруючими елементами. Найпрос­тішими сепараторами є магнітні уловлювачі і магнітні патрони.

Ступінь очищення фільтрування залежить від напруженості магніт­ного поля, швидкості проходження рідини, її в’язкості, розташування силових полів щодо напрямку потоку рідини.

Фільтрування емульгуючих речовин. При фільтруванні емульсій через зернистий шар має значення початковий характер поверхні. При гідро­фобній поверхні прилипання частинок сильніше, ніж при гідрофільній, оскільки на поверхні зерен гідрофільних матеріалів знаходиться гідрат­на оболонка. Прилипання відбувається тільки там, де ця оболонка порушена.

Для виділення нафтопродуктів і олив можуть бути використані фільтри заповнені шматками із пінополіуретану. Схема фільтра пока­зана на рис. 7.8, г. Висота шару матеріалу 2-2,5 м, розмір шматків пінополіуретану 5-10 мм. Швидкість фільтрування до 25 м/хв. Такі фільтри можуть застосовувати при концентрації олив у вихідній стічній воді до 1000 мг/л.

Стічна вода, яка подається зверху, проходить через шар матеріалу, звільняючись від частинок оливи. Після насичення матеріалу проводять його регенерацію трикратним механічним віджиманням з промиванням водою. Матеріал подають на стрічку елеватором і пропускають через віджимні ролики.

Тривалість циклу фільтрації τ_ф визначають за формулою:

τ_ф=КЕW/(с_п-с_к), (7.24)

де К - коефіцієнт, що враховує нестабільність процесу (К = 0,85); Е - питома оливоємність пінополіуретанового проникнення (тобто кількість нафтопродуктів в оливі плаваючих речовин, затримуваних одиницею об’єму фільтруючого шару за час фільтрування); W - об’єм фільтруючого проникнення, м³ ;с і с_к - концентрація в оливі суспензій відповідно до і після очищення, кг/м³.