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

Подождите немного. Документ загружается.

251

i=I

Ms-AV

, (II.31)

где h — сопротивление фильтрующего слоя; i

—сопротивление еди-

ницы толщины фильтрующего слоя при прохождении через него чис-

той жидкости; i — сопротивление единицы фильтрующего слоя с

задержанными частицами в любой промежуточный момент време-

ни; s — порозностъ фильтрующего слоя; AV

— удельный объем

осадка, накопившегося в фильтрующем слое; d

— эквивалентный

диаметр зерен загрузки; у — коэффициент формы зерен загрузки.

Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и ско-

ростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильт-

рах равна 1-2 м, в закрытых 0,5-1 м. Напор воды в закрытых филь-

трах создается насосами.

Медленные фильтры используют для фильтрования некоагули-

рованных сточных вод. Они представляют собой бетонные или кир-

пичные резервуары с дренажным устройством, на котором располо-

жен зернистый слой. Скорость фильтрования в них зависит от кон-

центрации взвешенных

частиц:

до

мг/л принимают скорость филь-

трования 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. Недостат-

ки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.

Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и

многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состо-

ит из одного и

того же

материала, у многослойных—из различных мате-

риалов. Схема одного из скоростных фильтров показана на рис.П-12, а.

Сточную воду подают внутрь фильтра, где она проходит через

фильтрующий материал и дренаж и удаляется из фильтра. После за-

сорения фильтрующего материала проводят промывку подачей про-

мывных вод снизу вверх. Дренажное устройство выполняют из по-

ристобетонных сборных плит. На нем размещают фильтрующий ма-

териал (в 2-4 слоя) одного гранулометрического состава. Общая вы-

сота слоя загрузки равняется 1,5-2 м. Скорость фильтрования при-

нимается равной 12-20 м/ч.

В многослойных скоростньпс фильтрах фильтрующий слой со-

стоит 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 одно-

слойных. Они имеют более высокую производительность и большую

продолжительность фильтрования.

252

Выбор типа фильтра для очистки сточных вод зависит от количе-

ства фильтрующих вод, концентрации загрязнений и степени их дис-

персности, 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 пере-

ходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших час-

тиц загрязнений. Может быть произведена водо-воздушиая промыв-

ка, при которой сначала зернистый слой проду вают воздухом для

разрыхления, а затем подают воду. Интенсивность подачи возду ха

изменяется в пределах 18-22 л/(м

с), а воды — 6-7 л/(м

с). Воз-

можна и трехэтапная промывка. Сначала слой продувают воздухом,

а затем смесью воздух — вода; на последнем этапе — водой. Про-

должительность промывки 5-7 мин.

Особенностью фильтра с подвижной загрузкой является верти-

кальное расположение фильтрующей загрузки и горизонтальное дви-

жение фильтруемой воды. Фильтрующим материалом служит квар-

цевый песок (1,5-3 мм) или гранитный щебень (3-10 мм). Схема

фильтра показана на рис. И-12,6.

Сточная вода поступает в коллектор, откуда через каналы и от-

верстия поступает в фильтрующий слой. Очищенную воду отводят

из фильтра через дренажную камеру. Загрязненный материал пере-

качивают гидроэлеватором по трубе в промывное устройство. Рас-

четная скорость фильтрации 15 м/ч; расход промывной воды 1-2%

от производительности фильтра; необходимый напор перед фильт-

ром 2-2,5 м. Эффективность очистки составляет 50-55%.

Достоинства фильтров: большая скорость фильтрации, высокое

качество отмывки загрузки от загрязнений, небольшая производствен-

ная площадь, занимаемая фильтром. Недостатки: большая металло-

емкость, истирание стенок трубопроводов, измельчение и унос пес-

ка, сложность эксплуатации.

Микрофильтры. Процесс микрофильтрации заключается в про-

цеживании 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 микрофильт-

ров показана на рис. II-12,е.

Сточная вода поступает внутрь барабана и через отверстия про-

ходит в камеру. Взвешенные вещества задерживаются на внутрен-

253

ней поверхности барабана и при промывке с промывной водой по-

ступают в лоток. Барабан вращается с частотой 6-20 мин

-1

. Скорость

фильтрации достигает 25-45 м

/(м

/ч).

При концентрации взвешенных частиц 15-20мг/л эффективность

очистки составляет 50-60% в зависимости от состава и свойств сточ-

Промывная вода

Коагулянт

Сточная вода

Очищенная вода

Промывная вода

Очищенная

вода

Рис. II-12. 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 под-

вижной 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 для подачи промывной воды, 10 — отвод про-

мывной 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 промыв-

ных вод, 5 — камера для удаления осветленной воды; г — с пенополиуретано-

вой 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

254

ных вол, размера ячеек и режима работы микрофильтров (гидравли-

ческой нагрузки, потерь напора, интенсивности промывки и др.).

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 час-

тицы, песок и другие загрязнения. Этому способствует эффект элек-

тризации немагнитных частиц. Магнитные фильтры могут быть снаб-

жены постоянным магнитом или электромагнитом, их производи-

тельность до 60 м

/ч.

При прохождении сточных вод ламинарным потоком через маг-

нитное поле ферромагнитные частицы размером 0,5-1 мкм намаг-

ничиваются и образуют агломераты размером до 50 мкм, которые

удаляются фильтрованием, либо осаждаются под действием грави-

тационного поля. Направление потока жидкости должно совпадать с

направлением магнитного поля, так как при этом создаются наибо-

лее 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 отде-

лителями частиц служат специальные ферромагнитные элементы,

помещенные в силовом поле постоянного магнита (или группы маг-

нитов); 3) фильтры-сепараторы, представляющие собой комбинацию

постоянных магнитов с различными механическими фильтрующи-

ми элементами. Наиболее простыми сепараторами являются магнит-

ные уловители и магнитные патроны.

Степень очистки фильтрованием зависит от напряженности маг-

нитного поля, скорости течения жидкости, ее вязкости, расположе-

ния силовых полей относительно направления потока жидкости.

Фильтрование эмульгированных веществ. При фильтровании

эмульсий через зернистый слой имеет значение первоначальный ха-

рактер поверхности. При гидрофобной поверхности прилипание ча-

стиц сильнее, чем при гидрофильной, так как на поверхности зерен

гидрофильных материалов имеется гидратная оболочка. Прилипа-

ние 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. Il-12,г. Высота слоя материала 2-2,5 м, размер кусков пено-

нолиуретана 5-10 мм. Скорость фильтрования до 25 м/ч. Такие филь-

255

тры могут быть использованы при концентрации масел в исходной

сточной воде до 1000 мг/л.

Сточная вода, подаваемая сверху, проходит через слои материа-

ла, освобождаясь от частичек масла. После насыщения материала

маслом проводят его регенерацию трехкратным механическим от-

жатием с промывкой водой. Материал подают на ленту элеватором

и пропускают через отжимные ролики.

Длительность цикла фильтрации т

определяют но формуле:

=КЕ\У/(с

-с

), (II32)

где К — коэффициент, учитывающий нестабильность процесса

(К=0,85); E — удельная маслоемкость пенополиуретановой загрузки

(т. е. количество нефтепродуктов, масел и взвешенных веществ, за-

держиваемых единицей объема фильтрующего слоя за время фильт-

рования); W — объем фильтрующей загрузки, м

; с

и с

— концен-

трация масел и взвеси соответственно до и после очистки, кг/м

7.4. Удаление взвешенных частиц под действием

центробежных сил и отжиманием

Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной

силы проводят в гидроциклонах и центрифугах.

Гидроциклоны. Для очистки сточных вод использу ют напорные

и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроцик-

лоны применяют для осаждения твердых примесей, а открытые—

для удаления осаждающих и всплывающих примесей. Гидроцикло-

ны просты по устройству, компактны, их легко обслуживать. Они

отличаются высокой производительностью и небольшой стоимостью.

При вращении жидкости в гидроциклонах на частицы действу-

ют центробежные силы, отбрасывающие тяжелые частицы к пери-

ферии потока, силы сопротивления движу щегося потока, гравита-

ционные силы и силы инерции. Силы инерции незначительны, и ими

можно пренебречь. При высоких скоростях вращения центробежные

силы значительно больше сил тяжести.

Скорость движения частицы в жидкости под действием центро-

бежной силы зависит от ее диаметра d, разности плотностей фаз Др,

вязкости ц

и плотности р

сточной воды и от ускорения центробеж-

ного поля I:

-QO ЭвЗ^ШрОп-гуЗДрОп+О/Э 1<т+П/Э/ц

(2т-1)/3 (JJ 33)

Коэффициент пропорциональности С и показатель степени ш за-

256

висят от гидродинамического режима. Для ламинарного режима при

числе Re =\

с1р

/ц

1,6,

m=2,

C= 1,7 IO"

Для переходного режима при

Re=16-420, m=l,2, С=2,49 Ю

. Для турбулентного режима Re>420,

m=5,36, C=O,5.

Кроме физических свойств жидкости на эффективность работы

гидроциклонов влияют конструктивные параметры (диаметр аппа-

рата

устройство

впу

скных и сливных патрубков). Из напорных гид-

роциклонов наибольшее распространение

ПОЛУ

ЧИЛ аппарат коничес-

кой формы (рис. II-13, а).

СТОЧНУЮ воду тангенциально подают внутрь гидроциклона. При

вращении жидкости под действием центробежной силы внутри гид-

роциклона образу ется ряд потоков. Жидкость, войдя в цилиндричес-

кую часть, приобретает вращательное движение и движется около

стенок по винтовой спирали вниз к СЛИВУ: Часть ее с крупными час-

тицами удаляется из гидроциклона. Другая часть (осветленная) по-

ворачивает и движется вверх около оси гидроциклона. Кроме того,

возникают радиальные и замкнутые цирку ляционные токи. В цент-

ре образуется ВОЗДУ ШНЫЙ столб, давление которого меньше атмос-

ферного. Он оказывает атияние на эффективность гидроциклонов.

Гидроциклоны изготовляются диаметром от 10 до 700 мм, высо-

та цилиндрической части примерно равна диаметру аппарата. Угол

КОНУ

СНОСТИ равен 10-20°.

Эффективность гидроциклонов находится на уровне 70%. При

уменьшении вязкости сточной воды скорость осаждения частиц в поле

центробежных сил увеличивается. С ростом плотности жидкости

уменьшается разность плотностей фаз и для частиц тяжелее воды.

Это сопровождается снижением их скорости движения в центробежном

поле, а для частиц легче воды — увеличением скорости движения.

Скорость осаждения пропорциональна квадрату скорости враще-

ния частиц. Эту величину в первом приближении можно считать рав-

ной скорости воды на входе в аппарат. Скорость воды на входе мож-

но увеличить уменьшением площади сечения входного патрубка или

величением расхода жидкости. Однако это можно делать до опреде-

ленного предела, так как при увеличении расхода воды снижается

время пребывания ее в гидроциклоне, а при уменьшении сечения

патру бка возрастает

ту

рбулентное перемешивание, которое отрица-

тельно сказывается на скорости осаждения частиц. Турболентное

перемешивание снижают изменением конструкции гидроциклона.

Для этой цели уменьшают сечение рабочей струи, уменьшив диа-

257

метр входного патрубка, а для сохранения производительности и

скорости жидкости на входе в гидроциклон увеличивают число пат-

рубков. Форма патрубка должна иметь плавное сужение. Для умень-

шения трения потока о внутренние стенки и предотвращения воз-

можности роста турбулизации вследствие этого уменьшают диаметр

аппарата или предусматривают вставки.

Для снижения скорости жидкости на входе в циклон в патрубке

устраивают специальные вращающиеся распределительные устрой-

ства, напоминающие роторы турбин. Такие аппараты называют тур-

богидроциклонами.

Гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в

котором они работают параллельно. Такие аппараты называют муль-

тигидроциклонами. Мультициклоны наиболее эффективны при очи-

стке небольших количеств воды от тонкодиспергированных приме-

сей. Увеличение производительности этих аппаратов достигается

путем компоновки их в блоки со значительным числом рабочих еди-

ниц (рис. II-13, б). Для

глу

бокой очистки последовательно устанав-

ливают гидроциклоны разных типоразмеров.

Производительность напорных гидроциклонов определяют по

формуле:

Q = K

^gAH, (11.34)

где K

— безразмерный коэффициент; D — диаметр гидроциклона,

м; CI

—диаметр входного патрубка, м; ДН — перепад давлений меж-

ду сливным и входным патрубками, Па.

Открытые (безнапорные) гидроциклоны. Их применяют

для очистки сточных вод от крупных примесей (гидравлической

крупностью 5 мм/с). От напорных гидроциклонов они отличаются

большей производительностью и меньшим гидравлическим сопро-

тивлением. Схема одного из гидроциклонов — с внутренним цилин-

дром и конической диафрагмой показана на рис. И-13, в.

Сточную воду тангенциально подают в пространство, ограничен-

ное внутренним цилиндром. Поток по спирали движется вверх. Дойдя

до верха цилиндра, он разделяется на два потока. Один из них (ос-

ветленная вода) движется к центральному отверстию диафрагмы и,

пройдя ее, попадает в лоток. Друтой поток со взвешенными частица-

ми направляется в пространство между стенками цилиндра и гидро-

цилиндра и поступает в коническую его часть.

Многоярусные гидроциклоны. В многоярусных гидроцикло-

нах рабочий объем разделен коническими диафрагмами на несколь-

258

ко ярусов, каждый из которых работает самостоятельно. В этой кон-

струкции использован принцип тонкослойного отстаивания (более

полное использование объема аппарата, уменьшение времени пре-

бывания при одинаковой степени очистки). Схема гидроциклона

показана на рис. II-13, г.

Сточная вода из аванкамер через щели посту пает в пространство

межд>

яру сами,

где движется по спирали к центру При этом про-

Рис II-13. Гидроциклоны: а — напорный; о — с внутренним цилиндром и ко-

нической диафрагмой: 1 — корпус, 2 — внутренний цилиндр, 3 — кольцевой ло-

ток, 4

—

диафрагма; в — блок напорных гидроциклонов; г — многоярусный гид-

роциклон с наклонными патрубками для отвода очищенной воды: 1 — конические

диафрагмы, 2

—

лоток, 3 — водослив, 4 — мае л ос борная воронка, 5 — распреде-

лительные лотки, 6 — шламоотводящая щель

259

исходит осаждение из нее твердых частиц на нижние диафрагмы

ярусов. Осадок сползает и через щели попадает в коническую

часть. Осветленная вода попадает в кольцевой поток. Частицы

масел и нефти через зазор между диафрагмами и стенкой корпуса

всплывают под верхнюю диафрагму и по маслопроводящим тру-

бам выходят на поверхность, откуда через воронку их удаляют из

гидроциклона.

Производительность многоярусного гидроциклона определяет-

ся по зависимости:

Q=3,6icn(R

—r

, (11.35)

где R — радиус вращения; г — радиус шламоприемных козырьков;

п — число ярусов в гидроциклоне.

Конструктивные размеры многоярусных гидроциклонов: диаметр

3-6 м; высота яруса 130-200 мм; число ярусов 4-20; диаметр отвер-

стия диафрагмы 0,6-1,4 м; ширина шламоотводящей щели 100 мм;

число впусков 3; скорость воды на входе в аппарат принимается рав-

ной 0,5 м/с.

Центрифуги. Для удаления осадков из сточных вод могут быть

использованы фильтрующие и отстойные центрифуги. Центробеж-

ное фильтрование достигается вращением суспензии в перфориро-

ванном барабане, обтянутом сеткой или фильтровальной тканью.

Осадок остается на стенках барабана. Его удаляют вручную или но-

жевым съемом. Такое фильтрование наиболее эффективно, когда надо

получать продукт с наименьшей влажностью и требуется промывка

осадка. Для центробежного фильтрования уравнение фильтрования

имеет вид:

d\7di=p

—r

)icK

L/|iln(R/r

). (11.36)

Перепад давлений в центрифуге определяют по формуле:

AP=P ©

—r

)/2 , (11.37)

где р

— плотность жидкости; о — угловая скорость вращения рото-

ра; R —радиу с ротора;

ос

— внутренний радиус жидкости и осад-

ка соответственно;

— коэффициент пропорциональности слоя; L —

длина ротора.

Фильтрующие центрифуги применяют для разделения суспензий,

когда требуется высокая степень обезвоживания осадка и эффектив-

ная его промывка, а также в тех случаях, когда используется обезво-

женный осадок и достаточно чистый фильтрат.

260

Центрифуги могут быть периодического или непрерывного дей-

ствия; горизонтальными, вертикальными или наклонными; разли-

чаются по расположению вала в пространстве: по способу* выгрузки

осадка из ротора (с ручной, ножевой, поршневой, шнековой или цен-

тробежной выгрузкой). Они могут быть в герметизированном и не-

герметизированном исполнении.

Центрифуги периодического действия применяют при расходах

суспензии меньше 5 м

/ч в широком диапазоне концентраций сус-

пензий с частицами диаметров больше 10 мкм. Наибольшее распро-

странение получили центрифуги

механизированной выгрузкой осад-

ка. Цикл их работы состоит из следующих операций: наполнения,

центрифугирования, промывки осадка, центрифугирования после

промывки и выгрузки осадка. Среди центрифуг непрерывного дей-

ствия наиболее распространены центрифуги с пу льсирующей и шне-

ковой выгрузкой осадка. Применяются для разделения концентриро-

ванных суспензий с размером частиц более 100 мкм.

Из отстойных центрифуг непрерывного действия в системах очи-

стки сточных вод наибольшее распространение получили горизон-

тальные шнековые центрифуги типа ОГШ. Их используют для вы-

деления частиц гидравлической крупностью примерно 0,2 мм/с (про-

тивоточные) и 0,05 мм/с (прямоточные). Производительность цент-

рифуги равна:

где К — коэффициент использования объема ванны (К = 0,4-0,6): и

—

расчетный объем ванны ротора; т

— продолжительность пребыва-

ния суспензии в роторе.

(11.38)

1 2

Сточная

вода

•

Осадок Шлам

w / Очищенная

Рис. II-14. Схема установки удаления осадка из сточной воды на центрифу-

ге: 1 — решетка: 2 — гидроциклон. 3 — уплотнитель осадка; 4,7 — емкости; 5 —

насос; 6 — центрифу

га