 |
Основные конструкции фильтров
|
|
|
|
К сетчатым и тканевым фильтрам относятся микрофильтры. Микрофильтры конструктивно подобны барабанным сеткам, исполь- зуемым для процеживания воды. Размеры ячеек микрофильтров при- мерно в 10 раз меньше, чем у сеток, и составляют 40-70 мкм. Приме- няют микрофильтры для задержания твердых и волокнистых материа- лов. Скорость фильтрации в них составляет 25-45 м3/(м2ч), эффектив- ность очистки - 50-60 % и зависит от состава и свойств сточных вод, размера ячеек микрофильтра и режима его работы.
Материалом для изготовления сеток микрофильтров служат раз- личные виды сталей (низко- и среднеуглеродистые, легированные), медь, латунь и др. По виду покрытия сетки могут быть цельнопаяннми, оцинкованными, окрашенными, лакированными, гуммированными. Неметаллические сетки и фильтровальные ткани в технологии очистки воды имеют ограниченное применение, чаще они применяются для обезвоживания осадков сточных вод. Могут использоваться ткани из натуральных волокон (хлопок, шерсть, лен) и синтетических материа- лов (капрон, нитрон, хлорин), но они обладают большим гидравличе- ским сопротивлением и с их поверхности трудно удаляются загрязне- ния.
Рис.12.19. Схема микрофильтра
1 - вращающийся барабан; 2 - лоток для сбора промывных вод; 3 - устройство для промывки
Основным элементом микрофильтра (рис.12.19) ляется вращающийся ба- рабан, размещенный в бетон- ном, а иногда металлическом резервуаре прямоугольной формы. В микрофильтрах ра- бочая фильтрующая сетка располагается между двумя поддерживающими с разме- ром ячеек 2´2 мм. Заг- рязненная сетка очищается промывкой отдельных ее уча- стков очищенной водой, рас- ход которой не должен пре- вышать 1,5 % от количества воды, подаваемой на станцию очистки.
|
|
|
Фильтры с зернистой загрузкой широко применяют для подго- товки технических и оборотных вод, они незаменимы на водоочистных станциях хозяйственно-питьевого назначения для осветления и обес- цвечивания поверхностных вод, а также для обезжелезивания подзем- ных вод.
Эти фильтры можно классифицировать по нескольким признакам:
1) по напору над фильтрующим материалом - на открытые (гра- витационные), где фильтрование воды происходит под атмосферным давлением, и напорные фильтры, в которых над зернистым слоем соз- дается избыточное давление;
2) по производительности с единицы площади фильтра, т.е. по скорости фильтрования - на медленные (0,1-0,3 м/ч), скорые (5-12 м/ч), сверхскоростные (свыше 25 м/ч) фильтры; медленные фильтры всегда открытые, скорые могут быть открытые или напорные, сверхскорост- ные - только напорные;
3) по крупности зерен фильтрующего материала - на мелкозерни- стые (до 0,4 мм), среднезернистые (0,4-0,8 мм) и грубозернистые (свыше 0,8 мм); мелкозернистую загрузку используют в медленных фильтрах, среднезернистую - в скорых и сверхскорых, грубозернистую
- для очистки воды в технических целях;
4) по количеству слоев разных зернистых материалов - на одно-, двух-, трех- и многослойные фильтры;
5) по направлению движения фильтрующего потока - на фильтры с нисходящим или восходящим фильтрованием, на двухпоточные (фильтры АКХ); с горизонтальным направлением фильтрования (ради- альные фильтры).
Медленные фильтры применяются для безреагентного осветле- ния воды и представляют собой железобетонные или кирпичные резер- вуары прямоугольной или круглой в плане формы. Малая скорость фильтрования, значительная стоимость и большая занимаемая площадь привели к тому, что в отечественной практике водоочистки эти фильт- ры мало распространены.
Скорые безнапорные (самотечные) фильтры предназначены для осветления воды после реагентной обработки или без нее. Они пред- ставляют собой прямоугольные в плане железобетонные резервуары площадью 4-140 м2, загруженные фильтрующими слоями зернистого материала в один или два слоя с поддерживающими слоями гравия, под которыми размещена дренажная система для сбора отфильтрован- ной и равномерного распределения промывной воды (рис.12.20). Вы- сота слоя загрузки этих фильтров зависит от диаметра зерен фильт- рующего материала и составляет 0,4-2,0 м. Скорость воды в подводя- щих трубопроводах и каналах должна составлять 0,8-1,2 м/с, высота слоя воды над загрузкой фильтра не менее 2 м. Вода фильтруется свер-
|
|
|
ху вниз, промывка осуществляется подачей воды снизу вверх. Для сбо- ра промывной воды служат специальные желоба, расположенные над слоем фильтрующей загрузки.
Однослойные фильтры загружают кварцевым песком с диаметром зерен 0,5-2,0 мм, двухслойные - либо однородным материалом с разной крупностью частиц, либо разнородными материалами. Многослойные фильтры имеют большую грязеемкость по сравнению с однослойными в 2-3 раза. Это позволяет либо увеличить скорость фильтрования, либо удлинить фильтроцикл.
Продолжительность фильтроцикла при нормальном режиме рабо- ты скорых безнапорных фильтров должна составлять не менее 8-12 ч, скорость фильтрования при нормальном режиме 5-12 м/ч, при форси- рованном режиме 6-16 м/ч.
При достижении потери напора 3,0-3,5 м скорые безнапорные фильтры останавливают на промывку. Промывку осуществляют либо только водой, подаваемой снизу вверх с интенсивностью 12-18 л/(м2с), либо одновременно промывают водой и продувают воздухом. Равно- мерное распределение воды по площади скорых фильтров осуществ- ляют дренажными системами с поддерживающими слоями или без них.
Скорые напорные фильтры представляют собой закрытые вер-
тикальные (рис.12.21) или горизонтальные резервуары со сферически- ми днищами, рассчитанные на рабочее давление до 0,6 МПа. Они ис- пользуются для осветления воды после обработки ее коагулянтами без предварительного отстаивания. Производительность одного верти- кального фильтра составляет 50-90 м3/ч. Такие фильтры выпускаются диаметрами 1,0-3,4 м, высота слоя загрузки в них 0,5-1 м. Гравийные поддерживающие слои в напорных фильтрах, как правило, не устраи- ваются. Напор воды создается насосами. Предельные потери напора в закрытых фильтрах, когда их останавливают на промывку, составляют 6-8 м. Скорость фильтрования в них такая же, как в открытых скорых фильтрах 5-12 м/ч, в крупнозернистых до 15 м/ч.
|
|
|
Рис.12.21. Схема вертикального напорного фильтра
1 - воронка; 2 - фильтрующий слой; 3 - дренажная система;
4 - отвод фильтрата
Рис.12.22. Схема сверхскорого фильтра
1 – подача воды; 2 – распре- делительный колпак; 3 – цен- тральный стояк; 4 – щели; 5- отвод фильтрованной воды; 6
– отвод промывной воды
Сверхскорый напорный фильтр конструкции Г.Н. Никифо- рова работает при постоянном напоре с переменной скоростью фильт- рования, уменьшающейся по мере загрязнения фильтра. Начальная скорость фильтрования составляет 50-100 м/ч. Фильтр представляет собой цилиндрический корпус с цилиндрической камерой внутри (рис.12.22).
Пространство между цилиндрами разделено вертикальными пере- городками на восемь отсеков-фильтров с песчано-гравийной загрузкой. В действии находится семь отсеков, а один на промывке. Продолжи- тельность фильтроцикла в каждом отсеке не превышает 1-2 ч. Про- мывка фильтра автоматизирована, отсеки переключаются на промывку последовательно. Высота слоя загрузки 450 мм, гравийного поддержи- вающего слоя 500 мм. Максимальный диаметр фильтра 3 м, произво- дительность 150 м3/ч. Такие фильтры обычно собираются в батареи.
В основу двухпоточных скорых фильтров АКХ (рис. 12.23) по- ложен принцип двухстороннего фильтрования воды с отводом фильт- рата трубчатой дренажной системой, расположенной в толще фильт- рующего слоя. Пространство над поверхностью песка соединяется трубопроводом с поддонным пространством. Дренажная система рас- положена на расстоянии 50-60 см от поверхности песка. Часть исход- ной воды направляется в дренажную систему, фильтруясь через слой песка b1, а другая часть по трубопроводу в поддонное пространство, а оттуда - в дренажную систему снизу вверх через слой песка b2.
|
|
|
Рис.12.23. Схема фильтра АКХ
1 – песчаная загрузка; 2 - трубо- провод; 3 – поддонное пространст- во; 4 – дренажная система
Рис.12.24. Схема контактного фильт-
ра
1 – подача реагентов;2 - распредели- тельная система; 3 - дренаж из порис- того бетона
Основная масса воды поступает в нижнюю часть фильтрующего слоя и двигаясь снизу вверх проходит сначала через слой крупного, а затем более мелкого песка, чем обеспечивается повышенная грязеем- кость и производительность фильтра при сокращении воды на промыв- ку фильтра.
Расчетная скорость фильтрования для фильтров АКХ составляет 10-12 м/ч при нормальном режиме и 12-15 м/ч при форсированном. С течением времени скорость фильтрования через нижний слой загрузки увеличивается, а через верхний слой, в связи с малой грязеемкостью его, уменьшается. К концу фильтроцикла скорость фильтрования через
нижний слой составляет 80 % суммарной скорости. Недостаток фильт- ров АКХ - более сложная конструкция и управление их работой.
Работа контактных осветлителей и контактных фильтров ос- нована на использовании явления контактной коагуляции. На поверх- ности зерен загрузки при движении воды, обработанной коагулянтом, снизу вверх сорбируются коллоидные и взвешенные частицы. Кон- тактные осветлители являются своеобразной разновидностью скорых безнапорных фильтров, работающих по принципу пропускания воды с добавлением коагулянта в направлении убывания крупности зерен в слое. Объем сооружений очистки воды с применением контактных ос- ветлителей уменьшается в 4-5 раз по сравнению с объемом сооруже- ний обычного типа, т.к. перед контактными осветлителями не устраи- вают отстойников.
В них на 15-20 % уменьшается расход коагулянта. В контактных фильтрах (рис.12.24), работающих по принципу контактной коагуля- ции, вода с добавленными к ней реагентами (в отличие от контактных осветлителей) фильтруется через зернистые слои загрузки сверху вниз.
По конструкции контактные осветлители и контактные фильтры аналогичны скорым безнапорным фильтрам.
Из других конструкций фильтров можно отметить магнитные, акустические, намывные и фильтры с плавающей загрузкой.
Магнитные фильтры (сепараторы) применяются для удаления из жидкостей мелких ферромагнитных частиц размером 0,5-5 мкм при их содержании более 25 %. Они могут быть снабжены постоянным магнитом или электромагнитом. При прохождении ламинарным пото- ком через магнитное поле ферромагнитные частицы намагничиваются и образуют агломераты. Направление потока должно совпадать с на- правлением магнитного поля. Широкое распространение нашли маг- нитные сепараторы, которые имеют эффективность очистки 80-90 % при производительности до 60 м3/ч. Фильтрующий элемент представ- ляет собой ферромагнитную зернистую загрузку крупностью 1-3 мм. Фильтрование очищаемой сточной воды производят при наложении магнитного поля, промывку - без его применения.
|
|
|
Акустические сетчатые фильтры применяют для предвари- тельного осветления вод, содержащих высокодисперсные глинистые взвеси. Эффект осветления достигает 60 % при содержании взвесей в исходной воде до 6000 мг/л. В результате упругих колебаний звукового диапазона частот электромагнитным вибратором в акустических фильтрах происходит непрерывная регенерация фильтруюшего эле- мента. Электромагнитный вибратор располагается на крышке акусти- ческого фильтра, представляющего собой круглый металлический ре-
зервуар (рис.12.25). Фильтрующий элемент выполняется в виде перфо- рированного стакана из нержавеющей стали с расположенными в шах- матном порядке отверстиями диаметром 4-5 мм, обтянутого микросет- кой с размерами ячеек 100-125 мкм.
Намывные фильтры представляют собой открытые, напорные или вакуумные резервуары, внутри которых находятся плоские или цилиндрические фильтрующие элементы с размером ячеек 100- 150 мкм (пористые керамические, сетчатые, каркасно-навитые), на ко- торые предварительно намывают специальные фильтрующие порошки. В качестве последних применяют диатомит, целлюлозу, бентонит, опилки и другие материалы с размером частичек 50-70 мкм. Наиболее широко используют диатомит и перлит, получаемые дроблением поро- ды вулканического происхождения с последующим обжигом.
 |
Намывные фильтры применяют для очистки небольших объемов воды, если ее мутность не превышает 40 мг/л. При достижении потери напора 15-20 м фильтр промывают обратным током воды.
Для удаления нефтепродуктов и других эмульгированных ве- ществ применяются фильтры с плавающей загрузкой (ФЗП) из раз- личных полимерных материалов (рис.12.26). Хорошие результаты по- лучены при использовании пенополистирола различных марок, пено-
полиуретана, гранул керамзита, котельных и металлургических шла- ков. Такие материалы обладают высокой пористостью, механической и химической прочностью и большой поглотительной способностью. Высота слоя загрузки 1,2-2,0 м, скорость фильтрования от 0,6-2 м/ч до 20-25 м/ч.
Разработаны различные конструкции напорных, самотечных и контактных ФЗП, они могут встраиваться в первичные и вторичные отстойники. Регенерация фильтрующего материала может произво- диться интенсивной водовоздушной промывкой или механическим от- жимом.
ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ
Гидроциклоны
Интенсификацию процессов осаждения взвешенных частиц из сточных вод осуществляют воздействием на них центробежных и цен- тростремительных сил в гидроциклонах и центрифугах.
Используют низконапорные (открытые) и напорные (закрытые) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, а открытые - для удаления осаждающихся и всплы- вающих примесей. Гидроциклоны просты по устройству, компактны, легко обслуживаются, имеют высокую производительность, невысо- кую стоимость.
Вращательное движение жидкости в гидроциклоне, приводящее к сепарации частиц, обеспечивается тангенциальным подводом воды к цилиндрическому корпусу. Вращение потока способствует агломера- ции частиц и увеличению их гидравлической крупности. При высоких скоростях вращения центробежные силы значительно больше сил тя- жести. Скорость движения частицы в жидкости зависит от ее диаметра, разности плотностей фаз, вязкости и плотности сточной воды, ускоре- ния центробежного поля.
При больших значениях скоростей и малых радиусах гидроци- клонов сила, действующая на частицу взвеси во вращающейся жидко- сти, будет значительно превосходить скорость их свободного осажде- ния:
gR
где К - фактор разделения, показывающий, во сколько раз центробежные силы больше сил тяжести; V - тангенциальная скорость движения частицы, м/с; R - радиус вращения частицы, м.
Кроме физических свойств жидкости, на эффективность рабо- ты гидроциклонов влияют конструктивные размеры (диаметр аппарата
и устройство впускных и выпускных пат- рубков). Чем меньше диаметр гидроци- клона, тем выше (при одинаковом напоре) его эффективность.
Напорные гидроциклоны пред- ставляют собой цилиндрические аппараты с нижней конической частью (рис. 12.27). Сточная вода под давлением 0,15-0,4 МПа потупает по тангенциально располо- женному вводу в верхнюю часть цилиндра и приобретает вращательное движение. Возникающие центробежные силы переме- щают частицы примесей к стенкам аппа- рата по спиральной траектории вниз к вы- ходному патрубку.
Очищенная вода удаляется через верхний патрубок. Фактор разделения на- порных гидроциклонов достигает 2000, что обусловливает их высокую эффек-
Рис.12.27. Схема
напорного гидроциклона
1 - цилиндрическая часть; 2 - отвод воды;
3 - впуск воды;
4 - коническая часть; 5 - отвод шлама
тивность. Диаметр напорных гидро- циклонов от 75 до 1000 мм (типовых 50-
500 мм), высота цилиндрической части равна примерно диаметру аппарата. Эф- фективность очистки 70 %. Скорость по- тока на входе достигает 20 м/с.
Производительность гидроциклонов
от 3 до 90 м3/ч. К недостаткам можно отнести высокую энергоемкость,
быстрый износ стенок. Последнее устраняется футеровкой внутренней поверхности аппарата резиной или каменным литьем.
Открытые гидроциклоны имеют большую производительность и меньшее гидравлическое сопротивление, чем закрытые, но меньший эффект осветления. Часто их используют в качестве первой ступени в комплексе с другими аппаратами для механической очистки сточных вод. Число впускных патрубков в гидроциклоне для более равномерно-
го распределения потока должно быть не менее двух. Скорость впуска воды 0,1-0,5 м/с.
 |
Разработаны различные конструкции открытых гидроциклонов (рис.12.38): без внутренних устройств, с диафрагмой, с диафрагмой и цилиндрической перегородкой, многоярусные.
Рис.12.28. Схемы открытых гидроциклонов: а - без внутренних уст- ройств; б - с конической диафрагмой; в - с цилиндрической перегород- кой
1 - отвод воды; 2 - полупогруженная кольцевая доска; 3 - лоток; 4 - кольцевой водослив; 5 - подача воды; 6 - отвод шлама; 7 - коническая диафрагма; 8 - цилиндрическая перегородка
В открытых гидроциклонах задерживают всплывающие примеси и нефтепродукты кольцевым полупогруженным щитом. Диаметры от- крытых гидроциклонов составляют от 2 до 10 м.
Многоярусные гидроциклоны используются для интенсифика- ции процесса очистки. В них рабочий объем разделен на отдельные ярусы свободно вставляемыми коническими диафрагмами, каждый из ярусов работает самостоятельно. Малое расстояние между ярусами приводит к тому, что отделение частиц идет по принципу тонкослой- ного отстаивания. Вращательное движение позволяет полнее исполь- зовать объем яруса и способствует агломерации взвешенных частиц.
Диаметр многоярусных гидроциклонов 2-6 м, высота яруса 100- 250 мм, число ярусов 4-20. Скорость воды на входе в аппарат V =0,3- 0,5 м/с. При той же эффективности очистки, что у других типов гидро- циклонов, удельные гидравлические нагрузки возрастают в 8-10 раз.
Центрифуги
Для очистки производственных сточных вод от мелкодисперсных загрязнений применяют осадительные центрифуги непрерывного и пе- риодического действия. Центрифуги бывают отстойные и фильтрую- щие. В процессах очистки сточных вод фильтрующие центрифуги ис- пользуют для разделения грубодисперсных систем, отстойные - труд- нофильтрующихся тонко- и грубодисперсных суспензий, а также для классификации суспензий по размерам и плотности частиц.
Экономически целесообразно использовать центрифуги для ло- кальной очистки сточных вод в том случае, когда уловленный осадок имеет ценность и может быть рекуперирован, а для его выделения
нельзя использовать реагенты.
Центрифуги периодическо- го действия желательно использо- вать при концентрации нераствори- мых примесей в сточных водах не более 2-3 г/л и если образующиеся осадки цементируются или харак- теризуются высокими абразивными свойствами.
Из центрифуг непрерывного действия в системах очистки вод наибольшее распространение полу- чили горизонтальные шнековые
Рис. 12.29. Схема центрифуги
типа ОГШ
1 - барабан; 2,3,5 - окна; 4 - кожух; 6 - разгрузочный шнек; 7 - подвод сточной воды; 8,9 - отвод осветленной воды и осадка соответственно
центрифуги типа ОГШ (рис.12.29). Для выделения частиц с гид- равлической крупностью Uo =0,2 мм используют противоточные центри- фуги, Uo = 0,05 мм/с - прямоточные.
|
|
|
