МЕХАНИЧЕСКАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ И ОБЕЗВОЖИВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД

Фильтрацией называют процесс разделения, при котором смесь жидкости и твердой фазы пропускают через пористую среду (фильтрующую загрузку или фильтрующий материал), задерживающую частицы твердого вещества и пропускающего жидкую фазу (фильтрат). Различают два основных типа фильтрации: фильтрация в глубину слоя (фильтрация на гранулированном слое) и фильтрация с образованием слоя осадка на фильтре (фильтрация на фильтрующей основе). Фильтрация на гранулированном слое производится в фильтрах с зернистой загрузкой.

Фильтры с зернистой загрузкой подразделяются:

• по скорости фильтрования: (медленные до 0,7 м/ч), скорые (до 17 м/ч), сверхскоростные (36-100 м/ч);
• по количеству слоёв загрузки: однослойные, двухслойные, многослойные;
• по крупности фильтрующего материала: мелкозернистые, среднезернистые, крупнозернистые;
• по направлению потока: нисходящий, восходящий, горизонтальный;
• по количеству потоков: однопоточные, двухпоточные, многопоточные;
• по рабочему давлению: безнапорные (открытые), напорные (закрытые).

В качестве загрузки при фильтровании сточных вод используются: песок, дроблёный антрацит, керамзит, горелые породы, тяжёлые минералы (гранит, ильменит, магнетит), синтетические гранулированные материалы (полистирол, полиэтилен и др.) и другие материалы.

Фильтрующий слой – основной элемент конструкции фильтра, выполняется из отсортированного зернистого материала, чаще всего из кварцевого песка, крупностью от 0,5 до 2,0 мм.

Обезвоживание осадка производится с целью уменьшения его объема и изменения физического состояния: от жидкого до пастообразного и более сухого состояния.

Обезвоживание осадка может происходить фильтрацией под давлением (ленточные или камерные фильтр-прессы) или центрифугированием. В ленточных фильтр-прессах и центрифугах процесс обезвоживания непрерывный, в камерных фильтр-прессах – периодический. Как правило, обработке подлежат сгущенные осадки. На предварительной стадии обезвоживания рекомендуется уплотнение осадка. Применение обезвоживающего оборудования требует использования химических реагентов – флокулянтов.

Фильтр-прессы – это группа агрегатов для фильтрации твёрдой фазы суспензий. Их работа характеризуется периодически действием (цикл работы разделён на отдельные фазы), а также внешней принудительной подачей фильтрата под большим давлением (до 2-6 МПа). Общее название фильтров данного типа происходит от конструкции механизма уплотнения рабочих камер, сходного с таковым для механических прессов или гидропрессов.

Фильтр-прессы широко применяют для фильтрации суспензий с небольшой долей твёрдой фазы. В зависимости от типа конструкции различают рамные и камерные, а также камерно-мембранные фильтр-прессы со сходным принципом работы. Под действием внешнего насоса фильтруемая взвесь поступает во внутренние полости камер фильтра. При этом жидкая фаза проходит через фильтрующие перегородки и по дренажным каналам сливается в поддон или замкнутый коллектор (в первом случае говорят об «открытом отводе фильтрата», во втором – о «замкнутом отводе фильтрата»). Выгрузка образующегося осадка может осуществляться вручную (стряхиванием, смывом водой или съёмом лопатой) или автоматически. В последнем случае фильтр не требует ручного управления и функционирует по строго заданному программному циклу.

Площадь поверхности фильтрации фильтр-пресса составляет от 2 м² до 800 м². Входное давление суспензии – до 2 МПа. Рамы и плиты изготовляются из чугуна, стали или стали с антикоррозионным покрытием. В конструкции фильтров также используются сплавы алюминия, титана, применяются изделия из резины и пластмассы.

Фильтр-прессы характеризуются большой поверхностью фильтрования на единицу площади, значительным показателем перепада давления (т.е. мощной движущей силой), отсутствием движущихся частей, а также возможностью контроля работы отдельных плит.

В камерных-мембранных фильтр-прессах чередуются фильтровальные плиты и мембранные плиты. Мембранная плита представляет собой конструкцию, состоящую из корпуса, с обеих сторон которого расположены эластичные полимерные непроницаемые мембраны. В пространство между корпусом и мембраной подается воздух, в результате чего последняя изгибается и оказывает давление на слой осадка. Применение мембран позволяет сформировать осадок равномерной толщины, сократить расход сжатого воздуха, снизить влажность осадка. Наиболее целесообразно использование мембранных фильтр-прессов при обезвоживании сжимаемых осадков.

Кроме того, к преимуществам камерно-мембранных прессов можно отнести:

• широкий диапазон применения;
• самую высокую концентрацию сухого вещества в кеке;
• адаптацию к меняющимся условиям фильтрации и концентрациям сухого вещества в суспензии;
• небольшие габариты в сравнении с производительностью;
• наилучшие результаты при промывке кека;
• низкое энергопотребление.

Рисунок 1. Камерно-мембранный фильтр-пресс

Обезвоживание осадка на центрифугах – это процесс разделения неоднородных систем (эмульсий, суспензий) под действием центробежных сил, возникающих во вращающемся барабане. Принцип действия центрифуги представлен на рисунке 2.

Фильтрующая центрифуга представляет собой аппарат для разделения суспензий с использованием центробежной силы. Основным компонентом устройства является вращающийся барабан, внутреннюю поверхность которого покрывает фильтрующий материал.

При вращении барабана на суспензию действует центробежная сила. В результате фильтрат проходит через перегородку, а твердые частицы оседают на ее поверхности. Возникающая при этом разница давлений с двух сторон фильтровальной перегородки значительно выше, чем в фильтрах. Это позволяет использовать фильтрующую центрифугу для разделения суспензий с недеформируемыми частицами, образующими мало сжимаемые осадки. Влажность осадков составляет от 0,5 до 5% и уменьшается с увеличением размеров твердых частиц. В обычных фильтрах получаемые осадки имеют более высокую влажность.

Риснок 2. Принцип действия центрифуги

Этапы разделения суспензий в фильтрующей центрифуге:

• разделение суспензии на фильтрат и осадок;
• уплотнение осадка;
• сушка осадка.

При необходимости осадок может промываться жидкостью. В осушенном осадке количество влаги меньше объема его пор. На практике в разделяемых суспензиях объем твердой фазы составляет 5-25% при размере твердых частиц – 10-1000 мкм и более.

Классификация центрифуг в общем случае возможна по следующим параметрам:

• по типу организации процесса (непрерывные и периодические);
• по расположению вала (наклонные, горизонтальные, вертикальные);
• по способу выгрузки осадка (с центробежной выгрузкой, гравитационной, шнековой, ручной и т.п.).

Центрифуги по фактору разделения делятся на две группы и называются нормальными центрифугами (К_р<300) и сверхцентрифугами (К_р>3000).

Нормальные центрифуги используются чаще всего для разделения всех суспензий, кроме тех, которые имеют очень малую концентрацию твердых веществ. Сверхцентрифуги, в свою очередь, используются для разделения тонких суспензий и эмульсий.

Подбор центрифуг ведется по их пропускной способности и по количеству исходного осадка, а эффективность задержания сухих веществ и влажность кека зависят от характеристики обрабатываемого осадка. При введении в осадок флокулянта производительность центрифуг уменьшается в 2 раза, но зато эффективность задержания сухого вещества увеличивается до 90-95%.

Основными недостатками метода являются низкая эффективность задержания сухого вещества осадка, т.е. образуется фугат с высокими содержанием взвешенных веществ и его необходимо направлять на дальнейшую обработку. Эффективность задержания твердой фазы осадка и влажность кека зависят от характеристики обезвоживаемого осадка.

Вакуумное обезвоживание проводится на нутч-фильтрах, движущей силой процесса является разрежение, создаваемое вакуумной станцией или вакуумным насосом.

Список литературы:

1. Селицкий Г.А. Технология очистки промышленных и ливневых сточных вод для использования в оборотной системе водоснабжения горнометаллургического предприятия / Г.А. Селицкий, Е.А. Уласовец, Д.В. Ермаков // Водное хозяйство России. – 2008. – № 4. – С. 57-69.
2. Технический справочник по обработке воды : в 2 т. : пер. с фр. – СПб.: Новый журнал, 2007.
3. Исайцев Д.Н., Чеботаев М.В. Очистка сточных вод в горнодобывающей промышленности. // Экология производства. 2012. №6.