Ветошкин А.Г. Процессы инженерной защиты окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

151

физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени

очистки.

3.9. Гидромеханическое обезвоживание осадков сточных вод

В процессе очистки сточных вод образуются осадки, объем которых

составляет от 0,5 до 1 % объема сточных вод для станций совместной очи-

стки бытовых и производственных сточных вод и от 10 до 30 % для ло-

кальных очистных сооружений. Условно осадки можно разделить на три

основные категории - минеральные осадки, органические осадки и избы-

точные активные илы. Основные

задачи современной технологии обработ-

ки состоят в уменьшении

их объема и в последующем превращении в без-

вредный продукт, не вызывающий загрязнения окружающей среды.

В осадках содержатся соединения кремния, алюминия, железа, окси-

да кальция, магния, калия, натрия, никеля, хрома и др. Химический состав

осадков оказывает большое влияние на их водоотдачу. Соединения железа,

алюминия, хрома, меди, а также кислоты, щелочи и

некоторые другие ве-

щества, содержащиеся в производственных сточных водах, способствуют

интенсификации процесса обезвоживания осадков и снижают расход хи-

мических реагентов на их коагуляцию перед обезвоживанием. Масла, жи-

ры, азотные соединения, волокнистые вещества, наоборот являются небла-

гоприятными компонентами. Окружая частицы осадка, они нарушают

процессы уплотнения и коагуляции, а также увеличивают содержание

ор-

ганических веществ в осадке, что сказывается на ухудшении его водоотда-

чи.

Механическое обезвоживание осадков промстоков может произво-

диться экстенсивными и интенсивными методами. Экстенсивные методы

осуществляются в различного рода уплотнителях, интенсивное обезвожи-

вание и сгущение производится при помощи фильтрования, центрифуги-

рования, гидроциклонирования и т.п.

Фильтрование представляет собой процесс отделения твердых ве-

ществ от жидкости, происходящий при разности давлений над фильтрую-

щей средой и под ней. Для обезвоживания осадков и шламов обычно ис-

пользуют вакуум-фильтры и фильтр-прессы. Фильтрующей средой на

фильтрах является фильтровальная ткань и слой осадка, прилипающий к

ткани и образующий в процессе

фильтрования дополнительно фильтрую-

щий вспомогательный слой, который собственно и обеспечивает задержа-

ние мельчайших частиц суспензии. По мере увеличения слоя роль фильт-

рующей перегородки (ткани) сводится лишь к поддержанию фильтрующе-

го вспомогательного слоя. Увеличение толщины слоя обеспечивает улуч-

шение качества фильтрата, но в то же время в результате увеличения со-

противления прохождению

воды через поры и капилляры слоя кека

уменьшается скорость фильтрации.

152

Фильтруемость суспензий характеризуется удельным сопротивлени-

ем осадка. В данном случае под осадком имеется в виду слой, отлагаю-

щийся на фильтровальной перегородке при фильтровании суспензий.

Удельным сопротивлением осадка называется сопротивление едини-

цы массы твердой фазы, отлагающейся на единице площади фильтра при

фильтровании под постоянным давлением суспензии, вязкость жидкой фа-

зы которой равна единице.

Удельное сопротивление осадка, характеризующее сопротивление

фильтрации и фильтруемость (водоотдачу) осадков, определяют по фор-

муле

i = (2 P

/η

уд

)b, (3.83)

где

Р - давление (вакуум), при котором происходит фильтрование; F -

площадь фильтрующей поверхности; η - вязкость фильтрата; m

уд

- масса

твердой фазы осадка, отлагающегося на фильтровальной перегородке при

получении единицы объема фильтрата;

b = t/U

- параметр, получаемый

опытным путем (

t - время фильтрации); U - объем выделяемого фильтрата.

Под

центрифугированием понимают разделение неоднородных фаз

при помощи центробежных сил. Оно осуществляется в аппаратах, назы-

ваемых

центрифугами.

Центрифугирование суспензий и шламов производится двумя мето-

дами. В первом случае центрифугирование выполняется в роторах, имею-

щих сплошную стенку, во втором - перфорированную. Центрифугирование

в перфорированных роторах является процессом, отдельные элементы ко-

торого сходны с фильтрацией и прессованием шламов.

Процессы центрифугирования в сплошных роторах подразделяются

на

центрифугальное осветление и осадительное центрифугирование. Оса-

дительное центрифугирование является процессом разделения суспензий,

содержащих значительное количество твердой фазы. Основным парамет-

ром центрифуг является

фактор разделения K

- отношение ускорения

центробежной силы к ускорению силы тяжести:

= w

/(g

r), (3.84)

где

= 2 π n r/60 - окружная скорость вращения, м/с; n – частота враще-

ния, мин

-1

; g - ускорение силы тяжести, м/с

; r - радиус вращения, м.

Среди аппаратов для центробежного разделения различных жидких

отходов широкое распространение получили также

жидкостные сепара-

торы

, работающие по принципу тонкослойного центрифугирования (се-

парирования). В нефтяной промышленности они применяются, например,

для очистки водонефтяных ловушечных эмульсий, отделения механиче-

ских примесей из присадок к маслам, очистки глинистого раствора, при-

меняемого при бурении нефтяных скважин, очистки сточных вод нефтепе-

153

рерабатывающих заводов, отделения кислого гудрона от светлых дистил-

лятов и т.д.

В практике сгущения и обезвоживания осадков из очистных соору-

жений малых и средних промышленных и транспортных предприятий

наибольшее распространение получили

гидроциклоны, которые применя-

ются, как правило, в комбинации с расположенными ниже бункерами -

уплотнителями осадка. По конструктивным особенностям все гидроцикло-

ны можно разбить на следующие группы: а)

конические гидроциклоны; б)

цилиндрические гидроциклоны; в) турбоциклоны (центриклоны).

Осаждение частиц взвеси в поле действия центробежной силы,

имеющее место при работе гидроциклонов, во много раз интенсивнее оса-

ждения их в поле вертикальных сил, возникающих под действием силы

тяжести в уплотнителях вертикального или горизонтального типа. Фактор

разделения

, показывающий, во сколько раз скорость перемещения час-

тицы под действием центробежной силы больше скорости ее оседания под

действием силы тяжести, определяется следующим выражением:

= 18

(ρ

- ρ

)μ

/[18

(ρ

- ρ

)μ

r]) = w

r, (3.85)

где

δ - диаметр частицы взвеси; ρ

- плотность частицы взвеси; ρ

- плот-

ность жидкости (среды);

- абсолютная вязкость жидкости; w

- танген-

циальная скорость на радиусе разделения;

g - ускорение силы тяжести; r -

радиус вращения.

Значения фактора разделения

колеблются в пределах от 500 до

2000.

В гидроциклонах, как и в центрифугах, разделение суспензий проис-

ходит под действием центробежной силы, но по способу действия они зна-

чительно отличаются. В центрифуге суспензия вместе с барабаном при по-

стоянной угловой скорости совсем или почти (шнековые центрифуги) не

движется относительно барабана. При этом на

частицы не действуют ни-

какие касательные силы. В гидроциклоне же на частицы суспензии дейст-

вуют большие тангенциальные силы, поддерживающие их в непрерывном

относительном движении. Между слоями суспензии возникает напряжение

сдвига, действующее на твердую частицу как поперечная сила. Известно,

что для увеличения глубины отбора частиц взвеси в центрифугах при по-

стоянной

частоте вращения барабана необходимо увеличить его диаметр.

В гидроциклонах, наоборот, это прямо пропорционально связано с умень-

шением диаметра аппарата. В то же время уменьшение диаметра гидроци-

клона ведет к снижению его производительности. Поэтому в тех случаях,

когда требуется добиться более тонкой очистки необходимого продукта

при значительных расходах последнего, используют

батарейные гидроци-

клоны

(мультигидроциклоны), представляющие собой несколько парал-

лельно включенных элементарных гидроциклонов.

154

3.10. Фильтрование осадков сточных вод

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодис-

персных твердых или жидких веществ. Разделение проводят при помощи

пористых или зернистых перегородок, пропускающих жидкость, и задер-

живающих диспергированную фазу. Процесс идет под действием гидро-

статического давления столба жидкости, повышенного давления над пере-

городкой или вакуума после перегородки.

Выбор перегородок зависит от свойств

сточной воды, температуры,

давления фильтрования и конструкции фильтра.

В качестве перегородок используют металлические перфорирован-

ные листы и сетки, тканевые перегородки из природного, искусственного и

синтетического волокна. Фильтрованные перегородки должны обладать

минимальным гидравлическим сопротивлением, механической прочно-

стью и гибкостью, химической стойкостью, они не должны набухать и

разрушаться при заданных условиях фильтрования.

Разность давлений по обе стороны фильтрованной перегородки соз-

дают разными способами. Если пространство над суспензией сообщают с

источником сжатого газа или пространство под фильтрованной перегород-

кой присоединяют к источнику вакуума, то происходит процесс фильтро-

вания при постоянной разности давлений.

При этом скорость процесса уменьшается в связи с увеличением со-

противления слоя

осадка возрастающей толщины.

Если суспензию подают на фильтр поршневым насосом с постоян-

ной производительностью, то осуществляется процесс фильтрования при

постоянной скорости; при этом разность давлений увеличивается вследст-

вие увеличения сопротивления слоя осадка возрастающей толщины.

Если суспензию подают на фильтр центробежным насосом, произво-

дительность которого уменьшается при возрастании сопротивления осад-

ка,

что обуславливает повышение разности давлений, то производится

процесс фильтрования при переменных разности давлений и скорости.

Фильтрование производят при следующих разностях давлений:

- под вакуумом - 5•10

…9·10

Па;

- под давлением сжатого воздуха – не более 3·10

Па;

- при подаче поршневым или центробежным насосом – до 5·10

Па;

- под гидростатическим давлением – до 5·10

Па.

Процесс фильтрования проводят с образованием осадка на поверх-

ности фильтрующей перегородки или с закупоркой пор фильтрующей пе-

регородки.

Фильтрование с образованием осадка наблюдается при достаточно

высокой концентрации твердой фазы в суспензии (более 1% объемн.).

155

Фильтрование с закупориванием пор фильтрующей перегородки на-

зывают

осветлением, оно происходит при концентрации твердой фазы ме-

нее 0,7 объемн.%

При разделении суспензий с небольшой концентрацией тонкодис-

персированной твердой фазы часто применяют фильтровальные

вспомо-

гательные вещества

препятствующие прониканию твердых частиц в поры

фильтровальной перегородки. В качестве вспомогательных веществ ис-

пользуют тонкодисперсные или тонковолокнистые материалы: диатомит,

перлит, асбест, целлюлозу, активированный уголь, древесную муку.

При добавлении вспомогательного вещества к разделяемой суспен-

зии 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 фильтрован-

ной перегородки, а также малой скорости движения жидкой фазы в порах.

Скорость фильтрования в общем случае выражают в дифференциальной

форме

⋅

, (3.86)

где

V – объем фильтрата, м

; S – поверхность фильтрования, м

; τ - про-

должительность фильтрования, с.

Скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений,

но обратно пропорциональна вязкости жидкой фазы и общему гидравличе-

скому сопротивлению слою осадка и фильтрующей перегородки:

V/(S

dτ) = ΔP/[μ

ос

+ R

фп

)] (3.87)

где

ΔР – разность давлений, Па; μ

– вязкость жидкой фазы суспензии,

Па·с;

ос

– сопротивление слоя осадка, м

-1

; R

фп

– сопротивление фильт-

рующей перегородки м

-1

;

Объем осадка можно выразить через высоту слоя осадка

ос

, а также

через отношение объема осадка к объему фильтрата

·S = х

·V, (3.88)

откуда толщина осадка составит

= x

⋅

(3.89)

Сопротивление слоя осадка равно

ос

= r·h

ос

= r

·х

·V/S, (3.90)

где

– удельное объемное сопротивление осадка, м

-2

С учетом этого выражения основное дифференциальное уравнение

фильтрования имеет вид

156

000

фn

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅

⋅

(3.91)

Приняв условие R

фп

= 0, получим

0 фoc

⋅⋅

(3.92)

В начале фильтрования V = 0, когда на фильтрующей перегородке

еще не образовался слой осадка, сопротивление фильтрующей перегород-

ки будет

фn

= ,

0 ф

⋅

(3.93)

Уравнение фильтрования при постоянной разности давлений.

;

000

∫∫

⋅⋅Δ=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅

фn

dSPdVR

τμ

(3.94)

000

τμμ

⋅⋅Δ=⋅⋅+⋅⋅⋅ SPVR

фn

(3.95)

Разделив обе части уравнения на μ

/(2S), получим зависимость

продолжительности фильтрования от объема фильтрата

+2 ,2

000

⋅

⋅⋅

⋅Δ

⋅=⋅

⋅

фn

(3.96)

Это уравнение применимо как к сжимаемым, так и к несжимаемым

осадкам, поскольку при ΔР = const величины r

и х

также постоянны.

При ΔР = const по мере увеличения объема фильтрата и продолжи-

тельности фильтрования скорость процесса уменьшается.

Уравнение фильтрования при постоянной скорости процесса.

Для фильтрования при постоянной скорости производную dV/dτ

можно заменить отношением конечных величин V/τ.

После такой замены находят решение основного уравнения фильтро-

вания относительно ΔР:

000

⋅

⋅+

⋅

⋅⋅⋅=Δ

xrP

фn

(3.97)

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

выражения w

, получим

ΔР = μ

τ + μ

фп

. (3.98)

157

При w

= const разность давлений возрастает с увеличением продол-

жительности фильтрования. Это уравнение применимо к несжимаемым

осадкам.

Уравнение фильтрования при постоянных разности давлений и скорости.

Такой вид фильтрования осуществим, если чистая жидкость фильт-

руется сквозь слой осадка неизменной толщины при постоянной разности

давлений. Приняв равенство х

V/S = h

ос

и замену dV/dτ на постоянное зна-

чение V/τ при ΔР = const найдем

V =

()

⋅

+⋅⋅

⋅Δ

фnoc

Rhr

(3.99)

Это уравнение дает зависимость объема фильтрата от продолжи-

тельности фильтрования чистой жидкости, в частности промывной жидко-

сти.

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 дей-

ствия целесообразно как можно чаще повторять циклы его работы, подавая

на фильтр небольшие порции суспензии. Однако частое повторение цик-

лов работы фильтра по основным операциям, включающим само фильтро-

вание, промывку и продувку осадка, влечет за

собой столь же частое по-

вторение вспомогательных операций загрузки суспензии и удаления осад-

ка. В каждом случае существует оптимальная продолжительность цикла

работы фильтра, при которой фильтр обладает наибольшей производи-

тельностью.

Для простого случая, когда операции промывки и продувки отсутст-

вуют, из уравнения фильтрования при ΔР = const и при условиях R

фп

=0,

q =V/S и τ = τ

осн

найдем

q =

осн

⋅ (3.100)

где А = 2ΔР/(μ

) – постоянная.

Выразим производительность фильтра условной средней скоростью

фильтрования W как результата деления объема фильтрата, собранного на

площади поверхности фильтрования, на продолжительность цикла τ

(τ

осн

+ τ

всп

всnосн

осн

ττ

⋅

= (3.101)

158

Максимальное значение w

соответствует дифференциальному урав-

нению

(

)

()

вcnoснocн

ocнвcn

ocн

τττ

ττ

−

= (3.102)

и условию dw

/dτ

осн

= 0.

Отсюда числитель τ

всп

– τ

осн

= 0, или τ

осн

= τ

всп

, т.е. наибольшая произ-

водительность фильтра достигается при одинаковой продолжительности

основной и вспомогательной операций.

При значительном сопротивлении фильтрующей перегородки наи-

большая производительность периодически действующего фильтра дости-

гается при τ

осн

> τ

всп

вcn

фn

вcnocн

xrP

ττ

⋅

⋅⋅Δ⋅

⋅

+= (3.103)

Экономически оптимальная продолжительность цикла фильтрования

достигается при соотношении τ

= (4…6)τ

всп

Это соотношение справедливо при ΔР = const и R

фп

= 0.

159

3.11. Центробежное фильтрование осадков сточных вод

Центробежное фильтрование осадков сточных вод достигается

вращением суспензии в перфорированном роторе - барабане.

Фильтрование под действием центробежной силы проводят на

фильтрующих центрифугах. Разделение суспензии в фильтрующих цен-

трифугах складывается из стадии образования, уплотнения и механической

сушки осадка с возможной промывкой осадка, т.е. скорость центробежного

фильтрования изменяется во времени (рис. 3.14).

Для 1-го периода применимы закономерности кинетики фильтрова-

ния. Для центробежного фильтрование уравнение фильтрования имеет вид

])ln([

0 осc

rRLrRk

μπωρ

⋅⋅⋅⋅⋅= , (3.104)

где

- радиус ротора;

, r

ос

- внутренний радиус жидкости и осадка;

коэффициент пропорциональности слоя;

- длина ротора.

Под действием центробежной силы в массе фильтруемой суспензии

развивается давление, обеспечивающее центробежное фильтрование. В ре-

зультате происходит отложение осадка на внутренние поверхности бара-

бана ротора и удаление осветленной воды через фильтрующую перегород-

ку и отверстия в барабане.

Центробежная сила изменяется с изменением радиуса. Центробеж-

ную силу, действующую на

массу элементарного кольца суспензии объе-

мом dV=2·π·r·H·dr = F·dr, можно выразить в виде (см. рис. 3.15):

= dm·w

/r = dm·ω

·r, (3.105)

где dm – масса элементарного кольца; r – радиус кольца; w

– окружная

скорость вращения кольца; ω = π·n/30 – угловая скорость вращения коль-

ца; n – число оборотов в минуту.

Масса элементарного кольца.

dm = F·dr·ρ

, (3.106)

⋅

Рис. 3.14. Стадии центробежного фильтрования в центрифугах:

1 – образование осадка; 2 – уплотнение осадка; 3 – отжим осадrа.

160

а давление на прилегающий к кольцу слой, развиваемое центробежной си-

лой, приложенной к кольцу:

= dG

/F = F·dr·ρ

·ωІ·r/F = ρ

·ωІ·r·dr, (3.107)

где ρ

- плотность суспензии.

Рис. 3.15. К определению давления при фильтрации

под действием центробежной силы

Давление на фильтрующую перегородку, развиваемое всей массой

суспензии в барабане находим интегрированием последнего уравнения в

пределах (

…R

ΔP

= ρ

–R

)/2, (3.108)

где

и R

- внешний и внутренний радиусы слоя суспензии в центрифу-

ге.

Применительно к центробежному фильтрованию, протекающему

при Δ

P = const, основное уравнение для скорости центробежного фильтро-

вания будет иметь вид

()

0 фn

Rhr

+⋅

⋅

μτ

(3.109)

Для фильтрующего центрифугирования, когда осадок практически

мгновенно образуется в результате центробежного осаждения можно най-

ти продолжительность фильтрования

(

)

rhRV

фn

⋅Δ

⋅+

(3.110)

Продолжительность фильтрования, соответствующая случаю, когда

количество образовавшегося осадка пропорционально количеству полу-

ченного фильтрата

фn

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

(3.111)