CC BY
196
УДК 66.011
Л. М. Кочетов, Б. С. Сажин, И. А. Попов, В. Б. Сажин*
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва. Россия "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ С ПЛАВАЮЩЕЙ ЗАГРУЗКОЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ сточных вод
Is carried out the analysis of the work of the filters .with the floating layer of the filtering material, intended for removal of suspended matter from water. The obtained results make it possible to estimate the effectiveness of the purification of water, hydraulic losses In the filtering load, operating time between the cycles of the washing of load. The advantages of filters and the optimum conditions for their work are noted.
Проведен анализ работы фильтров с плавающим слоем фильтрующего материала, предназначенных для очистки воды от взвешенных веществ. Полученные результаты позволяют оценить эффективность очистки воды,. гидравлические потери в фильтрующей загрузке, продолжительность работы: между циклами промывки загрузки. Отмечены преимущества фильтров и оптимальные условия их работы.
Фильтры с фильтрующей загрузкой из плавающих а воде гранул (ФПЗ) получили в последние годы широкое распространение. Причиной этому является сочетание достаточно высокой эффективности очистки воды (по взвешенным веществам до 90%; по нефтепродуктам до 70%) с простотой регенерации фильтрующего материала путём обратной промывки фильтратом [1,2].
Принцип действия ФПЗ заключается в задержании примесей в слое фильтрующей загрузки, обладающей плавучестью. Плавающие загрузки имеют два основных преимущества перед неплавающими (тяжёлыми) загрузками:
- способность легко и быстро промываться противотоком воды с полным восстановлением фильтрующей способности.
- способность самопроизвольно фракционироваться по высоте фильтра в момент заполнения его водой и, таким образом, создавать многослойный фильтр с минимальным размером гранул в нижней части слоя и с максимальным в верхней его части.
Фильтрующая загрузка для ФПЗ изготавливается из вспенивающегося полистирола или гранулированного полиэтилена. Эти материалы нерастворимы в воде, устойчивы к действию грибков, микроорганизмов нетоксичны, имеют достаточную механическую прочность и высокую адгезионную способность. Такие загрузки могут быть применены для различных целей, в том числе и для очистки питьевой воды.
ФПЗ могут работать с использованием коагулянтов или без них. Без использования коагулянтов фильтрация загрязнённой воды через слой загрузки высотой до 500мм не даёт высокого эффекта очистки при приемлемых скоростях фильтрации, так как частицы загрязнений легко проходят через сравнительно крупные каналы в слое загрузки. Обработка той же воды коагулянтами существенно улучшает качество фильтрата.
В фильтрах с плавающей загрузкой движение воды может осуществляться в двух направлениях: снизу вверх и сверху вниз. При фильтрации сверху вниз, вода движется в направлении убывающей крупности частиц загрузки, что соответствует повышению эффективности очистки воды и увеличению грязеёмкости фильтрующего слоя. Однако при этом скорость фильтрации не может быть высокой из-за возможности чрезмерного расширения загрузки, отрыва мелких гранул и нарушения целостности слоя.
При направлении фильтрации снизу вверх нарушений целостности слоя не происходит. Напротив, гранулы загрузки плотно прилегают друг к другу под действием плавучести и гидродинамического давления жидкости. При этом можно работать при скоростях фильтрации до 30 м/ч, обеспечивая удовлетворительную очистку воды.
Для предотвращения выноса гранул с потоком воды, в верхней части фильтра устанавливается мелкая сетка, изготовленная из металла или пластмассы. Другая сетка
должна устанавливаться в нижней части фильтра для предотвращения выноса гранул с промывной водой. Вместо сеток могут использоваться другие устройства, предотвращающие вынос гранул. Для подачи исходной воды в ФПЗ используются водораспределительные устройства различных конструкций.
По условиям проведения процесса, ФПЗ подразделяются на открытые (со свободной поверхностью воды) и напорные, работающие под избыточным: давлением воды. В открытых фильтрах высота свободного слоя воды над слоем г ранул должна быть не менее 0,5м (для обеспечения равномерности распределения воды). Этот же объем воды, может использоваться для промывки фильтрующей загрузки.
Потери давления в слое фильтрующей загрузки зависят от скорости фильтрации, высоты слоя и размера гранул. При скоростях фильтрации до 10мм/с потери напора в слое высотой до 2м не превышают 50кПа. При зшряз-нении плавающей загрузки сопротивление ее существенной увеличивается.
Потери напора в фильтрующей загрузке могут быть оценены с помощью следующей зависимости, полученной из уравнения Дарси:
3 ч-Нр.(\-е)
д» = £ х----- Па, (1)
4 ( е*(р.д •;
где /»-плотность воды, кг/м'>; Н- высота слоя загрузки гранул, м; </>- коэффициент формы частиц загрузки; е- порозиость слоя загрузки; ц-динамическая вязкость воды, Па с; Я- коэффициент трения , при ламинарном режиме :
Х-220/Ь;
3 ,«(1 - в)
С использованием вышеприведенных можно получить выражение, определяющее потери напора в единице высоты слоя загрузки:
ЛР / Н = 247.5 ПаУм, (2)
. е"(р .5'
В процессе фильтрации жидкости происходит постепенное отложение осадка в свободном объеме слоя, между частицами фильтрующей загрузки. Это приводит к увеличению потерь напора в слое или к падению производительности (при постоянном напоре). Если предположить, что отложение осадка происходит равномерно по всему объему слоя, то уменьшение порозности фильтрующего слоя в процессе фильтрования может быть описано следующим уравнением:
ДСП + В)
¿8 =---——йО, (3)
х /?„ ~
где И'- объем слоя фильтрующей загрузки, м ; АС- изменение содержания взвешенных веществ в воде при прохождении через фильтрующую загрузку, кг/ м3: объем воды, прошедший через фильтр, м3; /Неплотность осадка в слое загрузки (по твердой фазе), кг/м'; объемное влагосодержание осадка (отношение объема влаги в осадке к объему твердой фазы осадка).
Порозность слоя в конце фильтроцикла (перед промывкой):
е=ет-Ш±А1д, (4)
И' х рм
гдее,ич .начальная порозность слоя фильтрующей загрузки.
Из уравнения 2 можно получить величину потерь напора в фильтре АР по отношению к начальному значению потерь напора А РИОЧ\
А Р /А Рнт . [(5)
0-е„„)Ч е
Реальное увеличение потерь напора в фильтрующем слое будет выше расчетного значения на 20-50%, поскольку отложение осадка в фильтрующем слое происходит не равномерно, а преимущественно на начальном участке (по ходу движения воды).
Промывка фильтра осуществляется когда объем осадка составляет 30- 50% свободного объема пор фильтрующей загрузки.
Обычно работа ФПЗ осуществляется при: практически постоянном напоре. Это означает, что при отложении осадка в фильтрующей загрузке будет происходить падение производительности фильтра. Отношение средних скоростей фильтрации жидкости через слой плавающей загрузки в начальный и конечный периоды фильтроцикла при А Р -const выражается соотношением
v/Vm,,JIz£^[jlY (6)
О-*)- Ю
Эффективность очистки воды в ФПЗ зависит от многих факторов: размеров отделяемых частиц, их физических свойств, высоты слоя и размеров гранул плавающей загрузки, скорости фильтрации.
Результаты промышленных испытаний фильтров с плавающей загрузкой открытого типа с направлением фильтрации снизу вверх показывают, что использование коагулянтов оказывает позитивный эффект на процесс фильтрации.
На рис. 1 приведены графические зависимости, характеризующие эффективность улавливания взвешенных минеральных частиц, в виде функции от гидравлической крупности (скорости осаждения) улавливаемых частиц для различных скоростей фильтрации без использования коагулянтов. Фильтрация осуществлялась снизу вверх через слой гранул пенополистиро-ла размером от 1 до 3 мм.
О . к
0,9
0,7
0,5
0,3
0,1
I , „1УГГД___________________ I ----I_
-1 -0,6 -0,2 0 0,2 -0,6 1 |д и .......50...........до до ОД
Рис. 2 . Зависимость коэффициента к от отношения Н/<1
При обработке экспериментальных данных, была получена зависимость [1]:
т] = (7)
где и -скорость осаждения твердых частиц, м/с; V -скорость фильтрации воды, рассчитанная на полное сечение фильтра, м/с; к- эмпирический коэффициент, зависящий от отношения высоты слоя гранул: Н к размеру гранул 3. Значения к приведены на рис. 2. Эффективность очистки воды от взвешенных веществ в таких фильтрах составляет 60-90% . Фильтрация воды через слой плавающих гранул происходит обычно снизу вверх со скоростью от 1 до 10 м/ч.
Эффективность работы ФПЗ возрастает с уменьшением размеров частиц плавающей загрузки. Одновременно возрастает и грязеемкость ФПЗ, поскольку она связана с удельной поверхностью фильтрующего слоя, увеличивающейся с уменьшением среднего размера гранул. Оптимальным размером гранул плавающей загрузки является 1-2мм. Однако, на практике приходится использовать более крупные гранулы (с размером от 2 до 4 мм) из-за сложности работы с мелкими гранулами.
В свете вышеизложенного, целесообразно использование многослойных (обычно двухслойных) ФПЗ, в которых фильтрующие слои разделены сетками, препятствующими выносу гранул с фильтратом. Фильт-
рация воды через такой слой осуществляется в направлении уменьшения средней дисперсности гранул фильтрующих слоев, обычно снизу вверх. Скорость фильтрации воды в многослойных фильтрах может быть увеличена в 1,5-2 раза (до 25м/ч) по сравнению с однослойным. Регенерация многослойной фильтрующей загрузки осуществляется обычным образом, при подаче промывной воды сверху вниз. Продолжительность и интенсивность промывки такие же как и в однослойных фильтрах.
При фильтровании грубодисперсных и высококонцентрированных суспензий в двухслойных ФПЗ основная нагрузка падает на первый (крупнозернистый слой гранул). Высота этого слоя должна быть не менее 0,5 м. Слой мелкозернистых гранул выполняет функцию доочистки. Его роль возрастает, когда требуется низкое (менее 5 мг/л) содержание взвешенных веществ в фильтрате. Высота этого слоя должна быть не менее 0,6 м.
Общая высота слоя зернистой загрузки в одно-и многослойных фильтрах следует принимать не менее 1м. Хорошие результаты получаются при высоте слоя от 1,5 до 2 м. При расчете ФПЗ следует учитывать потери напора в слое зернистой загрузки, которые при высоком слое загрузки могут достигать 10 м в. столба (100 кПа).
Другим фактором, оказывающим существенное влияние на эффективность очистки воды от взвешенных веществ в ФПЗ, является скорость фильтрации. Обычно эта величина принимается свыше 5 м/ч. В тех случаях, когда условия эксплуатации (малая производительность) ФПЗ позволяют, можно работать при скоростях фильтрации до 3 м/ч, При таких скоростях эффективность очистки воды от взвешенных веществ в ФПЗ, даже без использования коагулянта, может составлять свыше 95%, а остаточное содержание взвешенных веществ в фильтрате может быть на уровне 1 мг/л. Это объясняется тем, что при таких режимах фильтрования, скорость фильтрации воды через плавающую зернистую загрузку не превышает гидравлическую крупность взвешенных частиц, за исключением самых мелких. Однако работа ФПЗ в таких скоростных режимах не выгодна, поскольку требует использования фильтров большого размера.
По своим экономическим показателям ФПЗ превосходят фильтры с зернистой загрузкой, однако уступают им по эффективности очистки воды. Существенным их преимуществом является простота и эффективность регенерации фильтрующей загрузки, ее низкая стоимость и долговечность.
Фильтры с плавающей загрузкой ФПЗ способны улавливать не только взвешенные минеральные частицы, но и эмульгированные нефтепродукты, снижать цветность воды, а также снижать содержание железа, сульфатов, растворённых в воде органических веществ. Существенный эффект при работе ФПЗ оказывает использование коагулянтов.
На рис. 3 приведена конструкция напорного фильтра с плавающей загрузкой. Фильтр имеет диаметр 1600мм, высоту слоя загрузки 1,5м и рассчитан на расход воды до 10м3/ч. Подача исходной воды и отвод фильтрата осуществляется соответственно через водораспределительный и водосборный коллектор.
При работе фильтра с плавающей загрузкой происходит постепенное
загрязнение её уловленными взвешенными веществами и другими продуктами. В результате эффективность очистки воды в ФПЗ снижается. Для регенерации фильтрующей загрузки производят её промывку с помощью интенсивного потока воды, сверху вниз.
Промывку осуществляют обычно фильтратом, накапливаемом в специальном резервуаре, расположенном выше ФПЗ. В напорных фильтрах для промывки загрузки возможно использование насоов.
Бесспорным преимуществом фильтров с плавающей загрузкой является возможность их периодической, эффективной промывки обратным потоком отфильтрованной воды. Во время промывки водой со скоростью 20—50 м/ч существенно увеличивается расстояние между гранулами, что способствует эффективному удалению отфильтрованного осадка, который отводится вместе с промывной водой. Продолжительность промывки фильтра составляет 1-2 мин. Интенсивность промывки 10-15л/с (нам2 площади поперечного сечения фильтра). Исходя из этих условий определяется объем промываемой ёмкости.
Рис. 3. Схема напорного фильтра с плавающей загрузкой: 1. Вход очищаемой воды; 2. Выход очищенной воды; вход промывной воды; 3. Выход промывной воды; 4. Корпус; 5. Водораспределитель; 6. Плавающая загрузка; 7. Сетка.
Оценку грязеёмкости ФПЗ можно произвести с помощью следующих соотношений
М=т:\У9-а (8)
где Шф- объём фильтрующей загрузки, м'; о- удельная поверхность гранул загрузки, м /м*; ш- удельная грязеёмкость фильтрующей загрузки.
Для взвешенных минеральных частиц можно принять т~ 6 г/м2.
Объём загрузки:
О"«-) (9)
4
где I) - диаметр фильтра, м; Нф - высота фильтрующей загрузки, м; е- прозность слоя загрузки (8= 0,45 - 0,5).
Удельная поверхность гранул загрузки находится по формуле:
сг = 6(1 -е)Ы (ю)
где й - средний размер гранул, выраженный в м.
При высокой степени полдисперсности слоя (отношение максимального размера гранул к минимальному) удельную поверхность следует проводить с учётом дисперсного состава гранул фильтрующей загрузки.
Продолжительность фильтроцикла до момента регенерации (промывки) фильтрующей загрузки можно определить по формуле
М
Т*" = у.(С„-Ск) -ЧаС 01)
где V - производительность фильтра, мЗ /ч; Сн и Ск - соответственно начальная и конечная концентрации загрязняющих веществ в воде, проходящей через фильтр. Обычно величина Тфц составляет 50- 200час.
На предприятиях текстильной промышленности ФПЗ целесообразно использовать при очистке сточных вод после процессов окраски или отмывки текстильных волокон.
При этом для предварительной очистки сточной воды перед ФПЗ целесообразно использовать более грубые методы: волокноуловителели и отстойники, преимущественно тонкослойные. Использование коагулянтов на основе соединений трехвалентного железа или алюминия позволяет существенно повысить эффективность отстаивания и доочистки в ФПЗ. При этом из воды полностью удаляются мелкие волока, а содержание взвешенных веществ снижается до значения менее 5 мг/л. Одновременно, снижается содержание жиропродуктов. Важно отметить, что при использовании коагулянтов и соответствующей Корректировке значения рН воды Возможно частичное удаление не только взвешенных веществ, но также ПАВ, красителей и других растворенных веществ.
Обычно в качестве фильтрующей загрузки в ФПЗ используются гранулы пенополистирола, плотностью около 60 кг/м'. Гранулы полиэтилена низкого давления, размером 2-3 мм имеют плотность около 950 кг/м3, что обеспечивает их эффективную промывку при скоростях в 2-3 раза меньших чем для пенополистирола. Соответственно снижается объем промывной воды и объем образующегося шлама. Как показали исследования [1], качество очистки воды при этом не ухудшается. Недостатком полиэтилена является более высокая стоимость, чем пенополистирола.
С целью предотвращения биологических обрастаний фильтрующей загрузки она должна периодически, 1 раз в 1-2 месяца обрабатываться хлорной водой, с содержанием активного хлора до 300 мг/л. Продолжительность
$ С й i X S в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. Na 8 (101) -^jfjíjj
контакта филы рующей загрузки с хлорной водой должна быть около 1 суток. Библиографические ссылки
1. Экологическая безопасность технологических процессов. / Б.С.Сажин [и др.]; / МГТУ им. А.Н. Косыгина. М.: Изд-во МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2007.
2. Очистка производственных сточных вод. / C.B. Яковлев [и др.]; ML : Стройиздат, 2005.
УДК 66.047 (088.8)
Б. С. Сажин, О. С. Кочетов, В. Б. Сажин*, Л. Б. Дмитриева, М. Б, Сажина**, А. В. Костылева. Е. О. Боброва, С. С. Шестаков, М. А. Апарушкина, А. С. Буток, М. А. Кипнис
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Российский заочиый институт текстильной и легкой промышленности, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ДИСПЕРГИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
One of the important ways of an intensification of processes of drying of materials of dispersion is application of acoustic fields in modes of operation dusting and dust removal devices. In work the mode of operation dusting a diyer working by a principle of a parallel current of movement of a solution and the heat-carrier is considered. As the heat-carrier air which is heated up in a gas heater is used, and in quality dusting devices the acoustic vortical atomizer is used. As the first step of clearing of air from a dust of a product the cyclones placed in stmts, and connected by means of the sound channel with a sound column are used, and as the second step of clearing of air is used the filter sleeving. Frequency of acoustic waves of a sound column 12 lays in an optimum range of frequencies from 15 up to 16 kGz with intensity of a sound from 2 up to 3 Vt/sek, thus duration of processing is carried out by a radiator of a sound in a time interval from 2 about 5 minutes.
Одним из важных путей интенсификации процессов сушки диспергированных материалов является применение акустических полей в режимах работы распиливающих и пылеулавливающих устройств. В работе рассмотрен режим работы распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя. В качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, а в качестве распыливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка. В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны, размещенные в стояках, и соединенные посредством звукового канала со звуковой колонной, а в качестве второй ступени очистки воздуха используется рукавный фильтр. Частота акустических волн звуковой колонны 12 лежит в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек. при этом продолжительность обработки излучателем звука осуществляется во временном интервале от 2 до 5 минут.
Одним из важных путей интенсификации процессов сушки диспергированных материалов является применение акустических нолей в режимах работы распыливакнцих и пылеулавливающих устройств. Рассмотрим ре-
