Фильтрование. 
Охрана окружающей среды: процессы и аппараты защиты гидросферы

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруднено. Разделение проводят при помощи пористых перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих диспергированную фазу. Процесс идет под действием гидростатического давления столба жидкости, повышенного давления над перегородкой или вакуума после перегородки.

Фильтрование через фильтрующие перегородки.

Выбор перегородок зависит от свойств сточной воды, температуры, давления фильтрования и конструкции фильтра.

В качестве перегородки используют металлические перфорированные листы и сетки из нержавеющей стали, алюминия, никеля, меди, латуни и др., а также разнообразные тканевые перегородки (асбестовые, стеклянные, хлопчатобумажные, шерстяные, из искусственного и синтетического волокна).

Для химически агрессивных сточных вод при повышенной температуре и значительных механических напряжениях наиболее пригодны металлические перегородки, изготовляемые из перфорированных листов, сеток и пластин, получаемых при спекании сплавов.

Фильтровальные перегородки, задерживающие частицы, должны обладать минимальным гидравлическим сопротивлением, достаточной механической прочностью и гибкостью, химической стойкостью и не должны набухать и разрушаться при заданных условиях фильтрования. По материалу, из которого изготовляют перегодки, их разделяют на органические и неорганические, по принципу действия — на поверхностные и глубинные, а по структуре — на гибкие и негибкие.

Глубинные фильтровальные перегородки обычно применяют при осветлении суспензий с малой концентрацией твердой фазы, которая, 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 поверхности фильтрующей перегородки или с закупоркой пор фильтрующей перегородки.

Осадки, которые образуются в процессе фильтрования, могут быть сжимаемыми и несжимаемыми. Сжимаемые осадки характеризуются уменьшением порозности вследствие уплотнения и увеличением сопротивления с ростом перепада давлений. У несжимаемых осадков порозность и сопротивление потоку жидкости в процессе фильтрования остаются постоянными. К таким осадкам относят вещества минерального происхождения (песок, мел, сода и др.) с размером частиц >100 мкм. Производительность фильтра определяется скоростью фильтрования, т. е. объемом воды, прошедшей в единицу времени через единицу поверхности.

Скорость фильтрования определяют уравнением:

Процесс фильтрования можно проводить при постоянной разности давлений или при постоянной скорости. Уравнение фильтрования при постоянной разности давлений имеет вид:

Время, необходимое для образования осадка, при данном режиме фильтра равно:

Уравнение фильтрования при постоянной скорости процесса:

Так как скорость фильтрования равна у_ф = V/Fx, то уравнение (11.22) имеет вид:

где V — объем фильтрата за время т, м³; F — поверхность фильтрования, м²; т — продолжительность фильтрования, с; ДР — перепад давления, Па; р — динамическая вязкость фильтрата, Па с; R_oc и Я_фп — сопротивление осадка и фильтровальной перегородки соответственно, м" ¹; г₀ — удельное сопротивление осадка, м^-2; х₀ — отношение объема осадка к объему фильтрата.

Для фильтрования используют различные по конструкции фильтры. Основные требования к ним: высокая эффективность выделения примесей и максимальная скорость фильтрования.

Фильтры подразделяют по различным признакам: по характеру протекания процесса — периодические и непрерывные, по виду процесса — 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 жидкости (до 0,05 МПа); по направлению фильтрования — вниз, вверх или вбок; по конструкгивным признакам; по способу съема осадка, наличию промывки и обезвоживания осадка, по форме и положению поверхности фильтрования.

В системах очистки сточных вод используют фильтры периодического действия: нутч-фильтры, листовые и фильтр-прессы и фильтры непрерывного действия: барабанные, дисковые, ленточные.

Из фильтров периодического действия наиболее простыми по устройству 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 фильтра присоединяется к вакуумной системе через ресивер. Осадок, накапливающийся на ткани, удаляют вручную.

Для разделения труднофильтруемых суспензий применяют фильтр-прессы, работающие при давлении 0,3−1,2 МПа. Рамные фильтр-прессы используют при фильтровании разных суспензий; предусматривается возможность промывки и продувки осадка.

Фильтр-пресс ФПАКМ имеет поверхность фильтрования 2,5,5 и 12,5 м² его применяют для очистки сточных вод химических производств. Он работает под давлением 1,5 МПа, обеспечивает эффективную промывку осадка, отличается минимальным временем вспомогательных операций.

Листовой фильтр представляет собой емкость, в которой размещены листовые элементы. Фильтровальный элемент представляет собой полую раму с проволочной сеткой, обтянутую снаружи фильтровальной тканью. Суспензия поступает внутрь аппарата. В процессе фильтрования осадок намывается на фильтровальный элемент, а фильтрат непрерывно отводится из емкости. По окончании процесса 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 непрерывные высокопроизводительные барабанные вакуум-фильтры со сходящим полотном и поверхностью фильтрования до 40 м² (рис. II- 11). При вращении барабана жидкая фаза поступает в его внутреннюю полость под действием вакуума, а через распределительное устройство выводятся из барабана. Твердая фаза собирается на поверхности полотна, от которого отделяется ножом. Регенерация ткани производится промывной жидкостью, подаваемой под давлением через систему насадок.

Рис. II-11. Барабанный вакуум-фильтр со сходящим полотном: 1 — фильтровальная ткань; 2, 5, 7 — ролики; 3 — нож; 4 — сопло для подачи промывной воды; 6 — лоток для удаления промывной жидкости; 8 — корыто Для различных целей очистки сточных вод и для обезвоживания осадков широко применяют барабанные, дисковые и ленточные вакуум-фильтры непрерывного действия. Барабанные вакуум фильтры используют для разделения суспензий, быстро образующих осадок. Дисковые фильтры предназначены преимущественно для фильтрования суспензий с невысокой скоростью осаждения твердой фазы, а также для разделения легкоиспаряющихся, вязких, окисляемых и токсичных суспензий. Сравнительная характеристика фильтров дана в табл. II -7.