Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

241

Рис. И-8. Блок осветлителя: 1 —освет-

литель, 2 — желоб; 3 — осадкоуплотни-

тель

коагулянтом подают в нижнюю

часть осветлителя. Хлопья коагу-

лянта и увлекаемые им частицы

взвеси поднимаются восходящим

потоком воды до тех пор, пока ско-

рость выпадения их не станет рав-

ной скорости восходящего потока

— сечение

1-1.

Выше этого сечения

образуется слой взвешенного осад-

ка, через который фильтруется ос-

ветленная вода. При этом наблю-

дается процесс прилипания частиц взвеси

хлопьям коагулянта. Uca-

док удаляется в осадкоуплотнигель, а осветленная сода поступает в

желоб, из которого ее направляют на дальнейшую очистку.

Образование и уплотнение осадка в осадкоуплотнителе проис-

ходит в условиях непрерывного поступления взвеси. При этом про-

текают следующие процессы: 1) стесненное осаждение частиц, об-

разование сплошной пространственной структуры из этих частиц с

постепенным уменьшением ее объема в результате сжатия пустот

между частицами; 2) уплотнение хлопьевидных частиц осадка, со-

провождающееся удалением воды, заключенной в ячейках хлопьев;

3) сжатие хлопьев. Третий процесс протекает медленнее двух других

и поэтому лимитирует процесс уплотнения осадка в целом.

Закономерности стесненного осаждения для хлопьевидных и не-

хлопьевидных частиц весьма близки между собой. В пределах объем-

ных концентраций взвеси от 0 до 0,2 для приближенных расчетов

скорости осаждения можно принять формулу:

-W

U-W*.

(П.

14)

Отношение скорости стесненного осаждения к скорости свобод-

ного осаждения частиц равно:

Чс/ W

= ^o(И. 15)

где ^

и — коэффициенты сопротивления частицы соответствен-

но при свободном и стесненном осаждении.

Зависимость гидравлического сопротивления слоя от скорости

Очищен-

ная вода

Осадок

Сточная вода

242

Рис 11-9 Зависимость потери напора

от скорости восходящего потока воды

в осветлителе

стесненного осаждения показана на

рис. II-9, Участок 1 характеризует

потери напора в неподвижном слое,

а участок II — во взвешенном слое.

Работу осветлителей при очистке

сточных вод с малым содержанием взвешенных частиц можно ин-

тенсифицировать повышением концентрации твердой фазы (напри-

мер, добавлением глины) или рециркуляцией осадка осветлителя. Вто-

рой путь более экономичен.

Конструкции осветлителей весьма разнообразны и отличаются

по

следу

ющим признакам: 1) по форме рабочей камеры; 2) по нали-

чию или

ОТСУ

ТСТВИЮ дырчатого днища под слоем взвешенного осад-

ка: 3) по способу удаления избыточного осадка; 4) по констру кции и

месту расположения осадкруплотнителей.

Для интенсификации процесса первичного отстаивания трудноосе-

даю щих веществ на станциях биологической очистки применяют от-

стойники-осветлители с естественной аэрацией, которые представляют

собой вертикальные отстойники с внутренней камерой флокуляции.

В таких отстойниках сточная вода через центральную трубу по-

ступает в камеру' флокуляции. где происходит частичное окисление

органических веществ аэрируемым воздухом, хлопьеобразование и

сорбция загрязнений. Затем сточная вода поступает в ОТСТОЙНУЮ зону-.

При прохождении через слой взвешенного осадка из нее удаляют мел-

кодисперсные взвешенные частицы. Объем камеры флокуляции обес-

печивает 20-минутное пребывание в ней воды. Степень очистки от

взвешенных частиц достигает 70%.

7.2. Удаление всплывающих примесей

Процесс отстаивания ИСПОЛЬЗУЮТ И для очистки производствен-

ных сточных вод от нефти, масел, смол, жиров

и др.

Очистка от всачы-

вающих примесей аналогична осаждению твердых веществ. Разли-

чие заключается в том, что плотность всплывающих частиц меньше,

чем плотность воды. Для улавливания частичек нефти ИСПОЛЬЗУЮТ

нефтеловушки. Для улавливания жиров применяют жир о ловушки.

Схема горизонтальной прямоугольной нефтеловушки показана

на рис, II-10, а. Всплывание нефти на поверхность воды происходит

243

в отстойной камере. При помощи скребкового транспорта нефть по-

дают к нефтесборным трубам, через которые она удаляется. Скорость

движения воды в нефтеловушке изменяется в пределах 0,005-0,01 м/с.

Для частичек нефти диаметром 80-100 мкм скорость всплывания

равна 1-4 мм/с. При этом всплывает 96-98% нефти. Горизонталь-

ные нефтеловушки имеют не менее двух секций. Ширина секций 2-

3 м, глубина отстаиваемого слоя воды 1,2-1,5 м; продолжительность

отстаивания не менее 2 ч.

Имеются также радиальные и полочные тонкослойные нефтело-

вушки, представляющие собой (рис. 11-10, б) усовершенствованные

конструкции горизонтальных нефтеловушек. Они имеют меньшие

габариты и более экономичны. Расстояние между полками равняет-

ся 50 мм, угол наклона полок 45°, время пребывания сточных вод в

зоне отстаивания 2-4 мин, толщина слоя всплывающих нефтепро-

дуктов 0,1 м; остаточное содержание их в воде 100 мг/л.

Сточные воды маслозаводов, фабрик первичной обработки шер-

сти, мясокомбинатов, столовых содержат жиры. Для их улавливания

используют жироловушки, которые устроены аналогично нефтело-

вушкам. Для увеличения эффективности удаления из вод жира при-

меняют аэрированные жироловушки.

Скорость подъема частиц W

легкой жидкости зависит от разме-

ра частиц, плотности и вязкости, т. е. от числа Re = w

dp/ц

. В обла-

сти Re < 0,25 всплывание происходит по закону Стокса:

Рис. II-10. Нефтеловушки: а — горизонтальная: 1 — корпус, 2 — гидроэлева-

тор, 3 — слой нефти, 4 — нефтесборная труба, 5 — нефтеудерживающая перегород-

ка,

6 — скребковый транспортер, б — тонкослойная:

— вывод очищенной воды, 2 —

нефтесборная труба, 3 — перегородка, 4 — плавающий пенопласт, 5 — слой не-

фти, 6 — ввод сточной воды, 7 — секция из гофрированных пластин, 8 — осадок

244

= d'g (P-P

) /18ц

. (И.16)

Движение частицы легкой фазы вверх вызывает в сточной воде

вторичные потоки, тормозящие подъем. Скорость подъема с учетом

торможения равна:

(3^+2^)/(3N+3^

)

}

(11.17)

где W

— скорость всплывания легкой жидкости, м/с; р

— плот-

ность всплывающей (легкой) жидкости; ц

— коэффициент дина-

мической вязкости всплывающей жидкости.

На процесс разделения оказывает влияние турбулентность, коа-

гуляция и гидродинамическое комплексообразование. При вводе сточ-

ной воды может произойти измельчение легкой жидкости, особенно

при ударе струи о поверхность, что сопровождается изменением дав-

ления. Начальный размер частиц поддерживается капиллярным дав-

лением (P

= 4\V / d). При ударе струи возникает результирующее дав-

ление P

. Если

> Р

, то происходит измельчение капель.

Отношение числа отстоявшихся частиц легкой жидкости опреде-

ленного размера к общему числу- частиц легкой жидкости называют

эффектом отстаивания Ф. При условии равномерного распределе-

ния легкой жидкости в сточной воде (реальным условиям соответ-

ствует более сложный механизм процесса) он равен:

Ф =W

L /yvh, (11.18)

где L — длина нефтеловушки; w — скорость сточной воды в нефте-

ловушке; h — высота слоя легкой жидкости от дна нефтеловушки.

7.3. Фильтрование

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонко-

диспергированных твердых или жидких веществ, удаление которых

отстаиванием затруднено. Разделение проводят при помощи порис-

тых перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих дис-

пергированную фазу Процесс идет под действием гидростатическо-

го давления столба жидкости, повышенного давления над перего-

родкой или вакуума после перегородки.

Фильтрование через фильтрующие перегородки. Выбор пе-

регородок зависит от свойств сточной воды, температуры, давления

фильтрования и конструкции фильтра.

В качестве перегородки используют металлические перфориро-

ванные листы и сетки из нержавеющей стали, алюминия, никеля,

245

меди, латуни и др., а также разнообразные тканевые перегородки (ас-

бестовые, стеклянные, хлопчатобумажные, шерстяные, из искусст-

венного и синтетического волокна).

Для химически агрессивных сточных вод при повышенной тем-

пературе и значительных механических напряжениях наиболее при-

годны металлические перегородки, изготовляемые из перфорирован-

ных листов, сеток и пластин, получаемых при спекании сплавов.

Фильтровальные перегородки, задерживающие частицы, долж-

ны обладать минимальным гидравлическим сопротивлением, дос-

таточной механической прочностью и гибкостью, химической стой-

костью и не должны набухать и разрушаться при заданных условиях

фильтрования. По материалу, из которого изготовляют перегодки, их

разделяют на органические и неорганические, по принципу- дей-

ствия — на поверхностные и глубинные, а по стру ктуре — на гиб-

кие и негибкие.

Глубинные фильтровальные перегородки обычно применяют при

осветлении суспензий с малой концентрацией твердой фазы, кото-

рая, проникая внутрь перегородки, задерживается в порах, оседает и

адсорбируется. На поверхностных, фильтровальных перегородках

проникания частиц в поры перегородки не происходит.

Процесс фильтрования проводят с образованием осадка на по-

верхности фильтрующей перегородки или с закупоркой пор фильт-

рующей перегородки.

Осадки, которые образуются в процессе фильтрования, могут быть

сжимаемыми и несжимаемыми. Сжимаемые осадки характеризуют-

ся уменьшением порозности вследствие уплотнения и увеличением

сопротивления с ростом перепада давлений. У несжимаемых осад-

ков порозность и сопротивление потоку' жидкости в процессе фильт-

рования остаются постоянными. К таким осадкам относят вещества

минерального происхождения (песок, мел, сода и др.) с размером

частиц >100 мкм. Производительность фильтра определяется скоро-

стью фильтрования, т.е. объемом воды, прошедшей в единицу вре-

мени через единицу поверхности.

Скорость фильтрования определяют уравнением:

dV / Fdt = АР/р(Я

ое

+Я

) • (II.

19)

Процесс фильтрования можно проводить при постоянной разно-

сти давлений или при постоянной скорости. Уравнение фильтрова-

ния при постоянной разности давлений имеет вид:

246

dV / Fdx =ЛР/ nr

V / F+R

)

(11.20)

Время, необходимое для образования осадка, при данном режи-

ме фильтра равно:

= Hr

V/APF(X

V^R

). (11.21)

Уравнение фильтрования при постоянной скорости процесса:

AP=pr

V/TF(x

V/F+R^

). (11.22)

Так как скорость фильтрования равна \ = V/Fx, то уравнение

(11.22) имеет вид:

AP-nr,v

(x.v

T+R

.). (11.23)

где V — объем фильтрата за время х, м

; F — поверхность фильтро-

вания, м

: х — продолжительность фильтрования, с; ДР — перепад

давления. Па; ц — динамическая вязкость фильтрата, Па с; R

cjjn

— сопротивление осадка и фильтровальной перегородки соот-

ветственно, м

-1

: г

— удельное сопротивление осадка, м~

; X

— от-

ношение объема осадка к объему фильтрата.

Для фильтрования ИСПОЛЬЗУ ЮТ различные по констру кции филь-

тры. Основные требования к ним: высокая эффективность выделе-

ния примесей и максимальная скорость фильтрования.

Фильтры подразделяют по различным признакам: по характеру

протекания процесса — периодические и непрерывные, по

виду*

про-

цесса — для разделения, сгущения и осветления; по давлению при

фильтровании — под вакуумом (до 0,085 МПа), под давлением (от

0,3 до 1,5 МПа) или при гидростатическом давлении столба жидко-

сти (до 0,05 МПа); по направлению фильтрования — вниз, вверх

или вбок; по констру ктивным признакам; по способу' съема осадка,

наличию промывки и обезвоживания осадка, по форме и положе-

нию поверхности фильтрования.

В системах очистки сточных вод ИСПОЛЬЗУЮТ фильтры периоди-

ческого действия: нутч-фильтры, листовые и фильтр-прессы и филь-

тры непрерывного действия: барабанные, дисковые, ленточные.

Из фильтров периодического действия наиболее простыми по ус-

тройству' являются нутч - или друк-фильтры. Они предназначены для

разделения нейтральных, кислых и щелочных суспензий. Фильтры

представляют собой емкость с ложным перфорированным днищем,

на котором закреплена фильтровальная ткань. Нижняя часть фильт-

ра присоединяется к вакуумной системе через ресивер. Осадок, на-

капливающийся на ткани, удаляют вручную.

247

Для разделения труднофильтруемых суспензий применяют

фильтр-прессы, работающие при давлении 0,3-1,2 МПа. Рамные

фильтр-прессы используют при фильтровании разных суспензий; пре-

дусматривается возможность промывки и продувки осадка.

Фильтр-пресс ФПАКМ имеет поверхность фильтрования 2,5, 5 и

12,5 м

его применяют для очистки сточных вод химических произ-

водств. Он работает под давлением 1,5 МПа, обеспечивает эффек-

тивную промывку осадка, отличается минимальным временем вспо-

могательных операций.

Листовой фильтр представляет собой емкость, в которой разме-

щены листовые элементы. Фильтровальный элемент представляет

собой полую раму с проволочной сеткой, обтянутую снаружи филь-

тровальной тканью. Суспензия поступает внутрь аппарата. В про-

цессе фильтрования осадок намывается на фильтровальный элемент,

а фильтрат непрерывно отводится из емкости. По окончании процес-

са фильтрования осадок сжатым воздухом удаляют с фильтрующих

элементов внутрь емкости и выводят через специальный штуцер.

Наиболее эффективно листовые фильтры используют в процессах

сгущения суспензий.

Для разделения труднофильтруемых суспензий разработаны не-

прерывные высокопроизводительные барабанные вакуум-фильтры со

сходящим полотном и поверхностью фильтрования до 40 м

(рис. II-

11). При вращении барабана жидкая фаза поступает в его внутрен-

нюю полость под действием вакуума, а через распределительное

устройство выводятся из барабана. Твердая фаза собирается на поверх-

ности полотна, от которого отделяется ножом. Регенерация ткани

производится промывной жидкостью, подаваемой под давлением че-

рез систему насадок.

Сточная *

вода

• Осадок

I Промывная вода

Рис. 11-11. Барабанный вакуум-фильтр со сходящим полотном:

— фильтро-

вальная ткань; 2,5,7 — ролики; 3 — нож; 4 — сопло для подачи промывной воды,

6 — лоток для удаления промывной жидкости; 8 — корыто

248

Для различных целей очистки сточных вод и для обезвоживания

осадков широко применяют барабанные, дисковые и ленточные ва-

куум-фильтры непрерывного действия. Барабанные вакуум фильт-

ры используют для разделения суспензий, быстро образующих оса-

док. Дисковые фильтры предназначены преиму щественно для филь-

трования суспензий с невысокой скоростью осаждения твердой фазы,

а также для разделения легкоиспаряющихся, вязких, окисляемых и

токсичных

су

спензий. Сравнительная характеристика фильтров дана

в табл. II -7.

Фильтры с зернистой перегородкой. В процессах очистки сточ-

ных вод как правило приходится иметь дело с большим количеством

воды, поэтому применяют фильтры, для работы которых не требует-

ся высоких давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетча-

тыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры с

фильтрующим зернистым слоем.

Фильтр с зернистой перегородкой представляет собой резерву ар.

Таблица II.

Характеристика фильтров периодического и непрерывного действия

Фильтры переодическо-

го действия

Фильтры непрерыв-

ного действия

Факторы, влияющие на вы-

бор фильтра

Нутч-фильтры

Листовые

Фильтр-прессы

Барабанные

Дисковые

Ленточные

Начальная концентрация

суспензий,

(об):

до 0,5

до I

до 1,5

2—3

1—2

3-4

2—3 1—2 2 1

Возможность получения

чистого фильтрата

1—2

1 1 3 3

Возможность промывки

4 3 2

—

Возможность изготовления

из кислотной стати

4 1 4 3

Обозначения, характеризующие технико-экономические показатели фильтров.

1 — высокие, 2 — хорошие; 3 — удовлетворительные; 4 — низкие (применя-

ются при крайней необходимости); прочерк — неудовлетворительные ( непри-

менимость данного фильтра).

249

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 пороз-

ность и удельная поверхность. Порозность зависит от структуры по-

ристой среды и связана

не

только

размером зерен, образующих слой,

но и с их формой и укладкой. Если обозначить порозность через е, а

объем, занимаемый телом, через V

, тогда е + V

= 1.

При

пористая среда превращается в сплошное тело, а при s =1

в максимально пористое тело (когда размеры стенок твердого веще-

ства так малы, что V

->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 фильтрующе-

го слоя и коэффициент гидравлического сопротивления). Удельную

объемную поверхность слоя вычисляют по формуле:

а = 6(1—s)v|//d

(11.24)

где а — удельная объемная поверхность фильтрующего слоя, м

/м

;

v|f — коэффициент формы зерен; d

— эквивалентный диаметр зе-

рен, м.

Механизмы извлечения частиц из воды сводятся к следующим:

1) процеживание, при котором изалечение частиц является чисто ме-

ханическим; 2) гравитационное осаждение; 3) инерционное захва-

тывание; 4) химическая адсорбция; 5) физическая адсорбция; 6) ад-

гезия; 7) коагуляционное осаждение; 8) биологическое выращива-

ние. 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 поверх-

ности; 3) отрыв от поверхности.

По характеру механизма задерживания взвешенных частиц раз-

личают два вида фильтрования: 1) фильтрование через пленку (оса-

док) 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 фильт-

рующим материалом. Такой процесс характерен для медленных филь-

тров, которые работают при малых скоростях фильтрования. Во вто-

ром случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где ча-

стицы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего матери-

250

ала адгезионными силами. Такой процесс характерен для скорост-

ных 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 движуще-

гося потока, который в результате трения срывает их с поверхности

фильтрующего материала. При равенстве числа частиц, поступаю-

щих в единицу' времени на поверхность фильтрующего слоя и поки-

дающих ее, наступает насыщение поверхности, и она перестает ос-

ветлять сточные воды.

Кинетика фильтрования и материальный баланс описываются

уравнениями:

-дс/дх = bc-aq, (11.25) -dq/dx

-v^dc/dx. (11.26)

При решении этих уравнений получается общее уравнение про-

цесса

-д

с/дхдх+а\^дс/дх+Ъдс/дх = 0, (11.27)

где с — концентрация взвешенных веществ в сточных водах; х —

длина участка канала, на котором происходит выделение примеси; b

и а — константы скорости прилипания и отрыва частиц; q — кон-

центрация осадка.

Это уравнение имеет решение в виде бесконечного ряда. Продол-

жительность работы фильтра до "проскока" называют временем за-

щитного действия т

Продолжительность работы фильтра до "проскока" частиц

филь-

трат определяют по формуле:

= l/k(//v

-s

d/v

), (11.28)

где / — толщина фильтрующего слоя; d — размер частиц фильтрующе-

го слоя; к и S

— константы, зависящие от концентрации взвешен-

ных веществ в исходной и осветленной сточной воде.

Взвешенные вещества при прохождении через слой материала

меньшают порозность и изменяют поверхность. Сопротивление

фильтрующего слоя возрастает по мере прохождения сточной воды и

в любой момент времени равно:

/ /

h=Jid/=i

J[e/

-AV

fd/

) (П29)

о о

0,1884/^(1-в)

(11.30)