Расчет сооружений и оборудования для механического обезвоживания осадков

Переливные центрифуги могут обезвоживать осадок водопроводных станций до концентрации твердых веществ в кэке 20-30%. используя современное механизирован­ное оборудование и новые полимеры. При уменьшении влажности исходного материа­ла и обработке его флокулянтами из расчета 2,5 кг на 1т сухого вещества можно полу­чить конечный продукт влажностью 70%.

Предварительное уплотнение осадка до влажности 98,5-98% повышает производи­тельность центрифуг до 4-10 м³/ч по влажному осадку.

Наиболее приемлемы для обезвоживания водопроводного осадка центрифуги не­прерывно-винтового и полунепрерывно-корзиночного типа.

Корзиночные центрифуги с нижней подачей способны обезвоживать осадок до со­держания твердых веществ в кэке более 30%. Центрифуги вращаются с помощью гид­равлического привода.

Центрифуги типа НОГШ, предназначены для обезвоживания водопроводных осадков, предварительно обработанных флокулян­тами. К преимуществам центрифуг можно отнести возможность полного автоматичес­кого управления, способность обрабатывать неуплотненный и уплотненный осадки, не­большая площадь, которую они занимают.

Применение центрифуг для обезвоживания водопроводных осадков особенно эф­фективно на малых водопроводных станциях.

К недостаткам, сдерживающим широкое использование центрифугирования, сле­дует отнести необходимость предварительной обработки осадков реагентами и дорого­стоящими флокулянтами, высокую стоимость эксплуатации, не до конца решенную по­ка проблему удаления и обработки фильтрата.

Центробежная сила С, развиваемая при центрифугировании, определяется по урав­нению:

 

С = M × ω² ≈ 20 × M× n² × D (2.1)

 

где М - масса осадка и жидкости, находящихся в барабане центрифуги, кг;

ω - угловая скорость с-¹;

D = 2R - диаметр барабана, м;

п - частота вращения центрифуги, с^-1.

 

Давление фильтрования при центрифугировании определяется:

а) приближенно по формуле:

 

∆ p_ц = C/F (2.2)

 

где F = πDН - средняя поверхность фильтрования, м²;

D - внутренний диаметр барабана центрифуги, м;

H - высота барабана (в центрифугах периодического и полунепрерывно­го действия) или длина зоны фильтрования (в центрифугах непрерывного действия), м;

б) более точно по формуле:

 

∆ p_ц = 20 ρ_c n²() = 5 ρ n() (2.3)

 

где p_ц - плотность суспензии, кг/м;

D₁ = 2R₁ - диаметр внутреннего слоя жидкости, м;

D₂ = 2R₂ - внутренний диаметр барабана, м;

п - частота вращения центрифуги, с^-1.

Фактором разделения в центрифугах называется отношение ускорения центробежной силы к ускорению силы тяжести:

 

f = C/P = ω²R/g ≈ 20F_r (2.4)

где R - радиус барабана, м;

ω - угловая скорость с-¹;

Фактор разделения представляет со­бой видоизмененный критерий Фруда (центробежный): F_r = Dn²/g.

Скорость фильтрования может быть выражена в форме общего гидравлического за­кона:

dv = dτ = ∆p_ц /R_ц (2.5)

 

где ∆p_ц - перепад давлений при центрифугировании;

R_ц = R_ос + R_тн - общее сопротив­ление при центрифугировании, равное сумме сопротивлений осадков и фильтрующей перегородки.

Величина сопротивлений R_ос и R_тн могут быть рассчитаны по уравнениям фильт­рования или определены экспериментальным путем.

Глубина воронки жидкости, образуемой при вращении барабана центрифуги, рас­считывается ориентировочно по формуле:

 

h = 2n² R² (2.6)

 

где п - частота вращения барабана, с^-1;

R - радиус барабана, м.

По этой же формуле приближенно может быть рассчитана глубина воронки и в ап­паратах с мешалкой.

Расчет толщины стенки барабана центрифуги или проверка стенки на прочность могут быть сделаны по уравнению;

 

K_z = (C₁ – C₂)/2f (2.7)

 

где К_z - допустимое напряжение материала на стенки барабана на разрыв, Па;

f - пло­щадь сечения стенки барабана, м² (так как действующее усилие воспринимается обеи­ми частями сечения барабана, то общая площадь сечения равна 2 f);

C₁ - центробежная сила полукольца стенки барабана, Н;

C₂ - центробежная сила полукольца загрузки, Н.

Величина C₁ и C₂ рассчитываются по уравнению (2.1). При этом расстояние от центра тяжести вращающегося полукольца до оси вращающегося полукольца до оси вращения определяется по формуле:

 

(2.8)

 

где R₁ и R₂ - внутренний и наружный радиусы полукольца, м.

Производительность V (объемный расход поступающей суспензии) отстойной цен­трифуги с ножевым съемом осадка типа AОГ при ламинарном режиме осаждения опре­деляется по видоизмененному уравнению:

V = F^'× ω× η (2.9)

где F^'= 2πR_oL - поверхность зеркала суспензии в барабане, м²;

R_o - внутренний радиус кольцевого слоя суспензии, м;

L - длина барабана, м;

ω = ω_осf - скорость осаждения ча­стиц под действием центробежной силы, м/с;

ω_ос - скорость осаждения частиц под дей­ствием силы тяжести, м/с;

f - фактор разделения, определяемый по радиусу R_o;

η - коэф­фициент учитывающий отношение действительной и теоретической производительно­сти центрифуги, который при отсутствии опытных данных можно принимать равным 0,4-0,5 (он зависит от скольжения жидкости относительно барабана, а также учитывает наличие вихрей, затрудняющих осаждение).

Формула может быть приведена к удобному для расчетов виду:

 

V = 25,3 ηLn² ω_осk (2.10)

 

Производительность трубчатой сверхцентрифуги рассчитывается по формуле:

 

V ≤ ωV_ж/h (2.11)

 

где V_ж = 0,785 (D² – D_o²)L - объем жидкости в барабане, м³;

h - глубина потока, м;

n - ча­стота вращения ротора, об/мин;

ω - скорость осаждения, м/с.

Вакуум-фильтрование - также применяют для обработки водопроводных осадков станции известкового умягчения.

Предварительная обработка осадка, содержащего оксид алюминия, кислотой и да­лее после уплотнения - известкованием, позволяет получать на вакуум-фильтрах кэк с содержанием твердых веществ до 40 %.

Добавление к водопроводному осадку химических реагентов, флокулянтов, а так­же минеральных или органических добавок (каменноугольной пыли, древесной муки, молотого мела) позволяет получить кэк с влажностью 62-78%. Например, при добавле­нии к осадку, содержащему оксид железа, мартеновской пыли (при дозе более 20 г/л) производительность вакуум-фильтров повышается в 2,5-3 раза. В этом случае объем кэка уменьшается на 25-30%.

Конструктивные особенности вакуум-фильтров и свойства обрабатываемых осад­ков (содержащих гидроксид алюминия) маломутных цветных вод с добавлением извес­ти не позволяют добиться влажности кэка меньше, чем 80-84%. Недолговечность ткани вакуум-фильтров отечественных конструкций, высокая стоимость эксплуатации, боль­шой расход реагентов сдерживают применение данного метода для обезвоживания осадков водопроводных станций, содержащих оксид алюминия.

 

Таблица 2.1

Характеристики центрифуг и ленточных пресс-фильтров

Характеристики	Ед.изм.	Центрифуги	Ленточные пресс-фильтры фирмы "Бельмер"
Степень обезвоживания осадков	% подc.	20-25	25-30
Содержание в/в в фильтрате	мг/л
Степень разделения жидкой и твер­дой фаз	%
Расход флокулянта	кг/1тн сух.	4-6	4-6
Потребление эл/энергии	кВт/час на 1тн сух.	60-100	40-60
Степень задержания тяжелых Ме с осадками	%
Срок службы до 1 -го кап.ремонта	год	3-4	8-10
Требования к содержанию песка в осадке	%	не более 1	не регламентируется
Межремонтный пробег	мес.	3-4
Требования к содержанию жиров и нефтепродуктов в осадках		отсутств.	не должно ухуд­шать работу сит
Внешний вид осадка		тестообразная масса, налипа­ет на стенки контейнеров	чешуйчатая струк­тура, не налипает на стенки контей­неров
Стоимость машины производитель­ностью 30 м^3/час	DМ

 

Среди фильтров непрерывного действия известны вакуум-фильтры барабанные, дисковые, ленточные и ряд других.

Используют барабанные вакуум-фильтры с наружной фильтрующей поверхнос­тью, характеризующиеся высокой скоростью фильтрования, пригодностью для обработ­ки разнообразных суспензий, простотой обслуживания.

 

Таблица 2.2

Основные параметры барабанных вакуум-фильтров общего назначения с наружной фильтрую­щей поверхностью

Фильтр	Fф,, м^2	Zя, шт.	n, c^-1	Распределение зон по поверхности барабана (в угловых градусах)
φф	φс1	φпр + φс2	φо	φр	φм1	φм	φм3	φм
БОШЗ-1,75Р			0,00167-0,0333
БОШ5-1.75Р
Б03-1.75К			0,00167-0,0333
Б05-1.75К
Б05-1.75У			0,00167-0,030	124, 5							13,5
Б010-2,6У			0,00217-0,0333		59,5						13, 5
Б010-2,6Р			0,00167-0,0333			93,5	19,5			4,5	22, 5
Б020-2.6У			0,00217-0,0333		59,5						13, 5
Б040-ЗУ			0,0095; 0,0142; 0,0287		56,5						13, 5

Примечание: F_ф - поверхность фильтра; z_я - число ячеек; n – частота вращения барабана; φ_ф - угол сектора фильтрования; φ_с1 - сектор подсушки осадка; φ_пр - сектор промывки; φ_с2 - сектора мертвых зон соответственно между I и II, II и III, III и IV, IV и V технологическими зонами.

Основными задачами при проектировании являются расчет требуемой поверхности фильтрования, подбор по каталогам стандартного фильтра и определение числа фильтров, обеспечивающих заданную производительность.

Расчет проводят в два этапа. На первом определяют ориентировочно общую по­верхность фильтрования, на основании которой выбирают число фильтров и их типо­размер. На втором этапе уточняют производительность выбранного фильтра и число фильтров.

 

Рис. 4. Схема барабанного вакуум-фильтра:

1 - вращающийся металлический перфорированный барабан; 2 - волнистая проволочная сетка; 3 - фильтровальная ткань; 4 - осадок; 5 - нож для съема осадка; 6 - корыто для суспензии; 7 - ка­чающаяся мешалка; 8 - устройство для подвода промывной жидкости; 9 - ячейки барабана; 10 - трубы; 11, 12 - вращающаяся и неподвижная части распределительной головки; 13 - подача суспензии

 

Исходными данными для расчета фильтра являются требуемая производительность по фильтрату, перепад давления при фильтровании и промывке, массовая концентрация твердой фазы в исходной суспензии. Кроме того, из экспериментов должны быть опре­делены константы фильтрования, удельное сопротивление осадка и сопротивление фильтровальной перегородки; влажность отфильтрованного осадка; удельный расход промывной жидкости (т.е. расход, необходимый для промывки 1 кг осадка); минималь­ная продолжительность окончательной сушки осадка; оптимальная высота слоя осадка (как правило, она составляет 7-15 мм).

Перед расчетом на основании стандартной разбивки поверхности фильтра на технологи­ческие зоны (см. табл. 2.2), задаются значениями углов сектора предварительной сушки осадка, зон съема осадка, регенерации фильтровальной перегородки, мертвых зон.

Ориентировочная частота вращения барабана, обеспечивающая образование осадка за­данной толщины, его промывку и сушку, может быть определена по уравнению:

(2.12)

 

где τ_ф, τ_пр, τ_с2 - продолжительность соответственно фильтрования, промывки и сушки осадка после промывки.

Продолжительность фильтрования рассчитывают по уравнению (2.13), получае­мому путем решения дифференциального уравнения фильтрования для случая постоян­ного перепада давления на фильтре:

 

(2.13)

 

где μ - вязкость фильтрата;

х_в - масса твердой фазы, отлагающейся при прохождении единицы объема фильтрата, кг/м³;

r_в - массовое удельное сопротивление осадка, м/кг;

R_фп - сопротивление фильтровальной перегородки, м-¹;

∆ρ - перепад давления на филь­тре;

h_ос - высота слоя осадка на фильтре;

х_о - отношение объема осадка на фильтре к объ­ему полученного фильтрата. (Обычно при экспериментальном определении констант фильтрования получают величину r_o - удельное объемное сопротивление осадка, м^-2. В этих случаях перейти к величине r_в можно но основе соотношения х_or_o = x_в r_в).

Необходимые для выполнения расчетов величины х_о и х_в определяют следующим образом:

(2.14)

 

(2.15)

 

где х_см - концентрация твердой фазы в суспензии, масс. доли;

ω_ос - влажность осадка по­сле фильтрования, масс. доли;

ρ_ж - плотность жидкой фазы;

ρ_ос - плотность влажного осадка, определяемая по выражению:

 

(2.16)

 

где ρ_m - плотность твердой фазы.

Продолжительность промывки осадка рассчитывают по уравнению, получаемому решением дифференциального уравнения фильтрования для случая постоянных разно­сти давлений и скорости фильтрования:

 

(2.17)

где ν_пр.ж и μ_пр - удельный расход и вязкость промывной жидкости;

Δρ_пр - перепад давле­ния на фильтре при промывке осадка;

k - коэффициент запаса, учитывающий необходи­мость увеличения поверхности сектора промывки по сравнению с теоретическим зна­чением (k = 1,05-1,2).

Продолжительность сушки осадка после промывки задают на основании экспери­ментальных данных.

Продолжительность полного цикла работы фильтра представляет собой величину, обратную частоте вращения барабана:

 

(2.18)

 

Требуемую общую поверхность фильтрования находят по выражению:

 

(2.19)

 

где V_об - заданная производительность по фильтрату, м³/с;

К_п - поправочный коэффици­ент, учитывающий необходимость увеличения поверхности из-за увеличения сопротив­ления фильтровальной перегородки при многократном ее использовании (К= 0,8);

v _ф.уд - удельный объем фильтрата, т.е. объем, получаемый с 1 м² фильтровальной пере­городки за время фильтрования, определяемый как:

 

v _ф.уд = h_oc/x_o (2.20)

 

По найденному значению F_об из каталога выбирают типоразмер фильтра и опреде­ляют требуемое их число.

Затем проверяют пригодность выбранного фильтра. Для этого устанавливают соответ­ствие рассчитанной частоты вращения барабана диапазону частот, указанному в каталоге, и сравнивают рассчитанный и стандартный углы сектора фильтрования. Если частота выходит за рамки указанного диапазона или рассчитанный угол фильтрования больше стандартного, следует повторно выполнить расчеты, задавшись другой высотой слоя осадка.

Затем проводят уточненный расчет фильтра. По каталогу принимают данные рас­пределения технологических зон. Частоту вращения барабана принимают наименьшей из рассчитанных по следующим зависимостям:

(2.21)

 

(2.22)

 

Применение ленточных фильтр-прессов для обезвоживания гидрооксидных осад­ков стало возможным благодаря широкому распространению синтетических полиэлек­тролитов (флокулянтов) различного типа, позволяющих кондиционировать осадок пе­ред механическим обезвоживанием.

Основными преимуществами ленточных фильтр-прессов перед другими видами оборудования для механического обезвоживания осадка (камерными фильтр-прессами, вакуум - фильтрами, центрифугами) являются более высокая производительность, низ­кие энергоемкость, капитальные и эксплуатационные затраты. Ленточные фильтр-прес­сы отличаются также возможностью обезвоживания неуплотненного осадка влажнос­тью до 99%.

По значениям влажности обезвоженного водопроводного осадка (77-84%) ленточ­ные фильтр-прессы несколько уступают камерным фильтр-прессам и сопоставимы, ли­бо превосходят центрифуги (декантеры). Потребляемая мощность на тонну сухого ве­щества 5-20 кВт.

Ленточные фильтр-прессы предназначены для механического обезвоживания осадков под действием сил гравитации, вакуума и давления.

Ленточные фильтр-прессы имеют следующие основные технологические зоны:

зона гравитационного обезвоживания на фильтровальной ленте после кондициони­рования полиэлектролитами;

зона предварительного фильтрования;

зона окончательного отжима влаги.

На рис. 5 представлена схема ленточного фильтр-пресса - «Винкельпресс Бельмер». Обработанный флокулянтами осадок поступает на фильтр-пресс. В первой зоне обезвоживания кондиционированный осадок обезвоживается за счет свободной фильт­рации воды через горизонтальную фильтровальную ленту. В следующей фазе обработ­ки осадок поступает в вертикальную шахту клиновидной формы, где обезвоживается под действием гравитации и небольшого, постепенно увеличивающегося давления.

Фильтрация происходит через обе ленты. Следующая фаза обезвоживания - фильтрация на перфорированном барабане, как наружу, так и внутрь барабана. Окончательное обез­воживание производится между лентами на системе отжимных роликов. Обезвоженный осадок снимается с лент после их разделения при помощи специальных ножей.

Параметры работы ленточных фильтр-прессов при обезвоживании осадков природ­ных вод в связи с разнообразием их свойств и параметров работы водопроводных стан­ций необходимо принимать па основании технологических изысканий на конкретном объекте.

Величина давления фильтрования зависит от свойств обезвоживаемого осадка и определяются сжимаемостью осадка и может приниматься (при условии предваритель­ной подготовки осадка) 0,3-0,5 МПа.

Величина давления для промывки фильтровальных лент - 0.4-0,6 МПа, расход про­мывной воды - 4-8 м³/час.

 

Рис. 5. Угловой ленточный фильтр-пресс Бельмер:

1 - зона предварительного гравитационного обезвоживания; 2 - вер­тикальная клинообразная зона фильтрования; 3 - зона фильтрова­ния на перфорированном барабане; 4 - зона окончательного от­жима на системе валков; М - подача осадка на обезвоживание; О - верхняя сетка; U - нижняя сетка; R - узлы промывки лент; F - съём обезвоженного осадка

 

Основным параметром работы ленточных фильтр-прессов является производи­тельность, которая может выражаться в кг сухого вещества, снимаемого с 1 м ширины ленты в течение одного часа.

Производительность ленточных фильтр-прессов по сухому веществу осадка Q кг/(м·час), выраженная через концентрацию исходного осадка, может быть рассчита­на по формуле:

Q = g ∙ C_исх / L (2.23)

где g - подача осадка на обезвоживание, м³/час; С_цсх - концентрация исходного осадка, кг/м³; L - ширина ленты, м.

В таблице 2.3 приведены результаты обезвоживания водопроводных осадков на ленточных фильтр-прессах по зарубежным и отечественным источникам.

Основное и необходимое условие обезвоживания осадков природных вод на лен­точных фильтр-прессах - предварительное кондиционирование флокулянтами. Приме­нение флокулянтов позволяет связать твердые частицы осадка в крупные агрегаты, в ре­зультате происходит отделение твердой фазы осадка от жидкой и эффективное дрениро­вание иловой жидкости в непрерывном режиме. Тип, дозы и режим ввода флокулянта для каждой конкретной технологической задачи определяются экспериментально. Для предварительных расчетов можно принимать дозу флокулянта в пределах до 3 - 6 кг/1т сухого вещества.

 

 

Результаты обезвоживания гидрооксидных осадков водопроводных станций на ленточных фильтр-прессах

Таблица 2.3

Вид осадка	Концентра­ция сухого вещества в осадке, %	Доза реаген­та	Производитель­ность по сухому веществу кг/(м-ч)	Содержание сухого вещества в кеке,%
по зарубежным источникам
Неорганический гидрофильный, очистка питьевой воды солями Аl, Fе	3-6	1,5-3 кг/1т сух вещ-ва	80-150	16-23
по результатам отечественной практики ВОС г. Вологда
Гидроокисный оса­док, обработка сульфатом алюми­ния цветных мало­мутных вод	1-4	3-6.3кг/1т сух.вещ-ва	90-120	18-20

 

Приготовление раствора флокулянтов необходимо производить в специальных ус­тройствах (мешалках) в соответствии с требованиями производителя реагента. Концен­трация рабочего раствора обычно принимается 0,1-0,5 %.

В настоящее время отечественная и зарубежная промышленность выпускает боль­шое число ленточных фильтр-прессов различных конструкций и типоразмеров, пригод­ных для обезвоживания осадков природных вод. Ниже приводятся технические харак­теристики некоторых из них.

 

Технические характеристики углового ленточного пресса W производитель Гебр. Бельмер ГмбХ (ФРГ)

Таблица 2.4

Типо­размер	Ширина сетки, м	Производи­тельность*, м /час	Длина, мм	Ширина, мм	Высота, мм	Вес, кг
		до 5
		5-10
		10-15
		15-25
		20-35
		30.50

Процесс обезвоживания осадка на ленточном фильтр-прессе происходит в непре­рывном режиме при обязательном предварительном кондиционировании осадка и по­стоянной промывкой фильтровальных сеток.

 

 

Рис. 6. Технологическая схема обезвоживания осадки на ленточном фильтр-прессе:

1 - промежуточная емкость осадка; 2 - насос подачи осадка на обезвоживание; 3 - установки при­готовления флокулянта; 4 - устройства ввода-смешения флокулянта; 5 - насосы-дозаторы флокулянта; 6 - ленточный фильтр-пресс; 7 - бак промывной воды; 8 - насос подачи воды на промыв­ку лент; 9 - отвод фильтрата; 10 - отвод промывной воды; 11 - бункер обезвоженного осадка

 

 

Автоматические фильтр-прессы с механическим зажимом фильтровальных плит типа ФПАКМ (фильтр-пресс автоматический, камерный, модернизированный) с площа­дью поверхностного фильтрования 2,5-100 м² обеспечивают удовлетворительные резуль­таты при добавлении к водопроводному осадку извести, выполняющей в этом случае роль реагента и присадочного материала благодаря ее низкой растворимости, большому содержанию инертных примесей, высокой дисперсности и низкой плотности. Эффектив­ность применения фильтр-прессов зависит от качества исходной воды, поступающей на водопроводную станцию и, как следствие - от качества водопроводного осадка, посколь­ку от этого зависит расход извести для кондиционирования водопроводного осадка.

Технические характеристики ленточных фильтр-прессов

ЛФ НПФ «БИФАР»

Таблица 2.5

Типораз­мер	Ширина сетки,м	Производи­тельность*, м/час	Длина, мм	Ширина, мм	Высота, мм	Вес, кг
ЛФ -500 П		1-2
ЛФ-750 П		2-5
ЛФ-1500 П		5-15

* - производительность зависит от свойств осадка

Повышение степени обезвоживания и производительности фильтр-прессов может быть достигнуто путем введения в качестве присадочного материала каолинитовой гли­ны и нагрева уплотненного осадка при скорости подъема температуры 3-8°С в 1 мин. Влажность обезвоженного осадка составляет 62%, а производительность фильтр-прес­са повышается до 11 кг/(м²ч).

Обезвоживание водопроводного осадка на фильтр-прессах с добавлением извести или других присадочных материалов приводит к образованию большого количества фильтрата, обогащенного загрязнениями, в состав которых входит алюминий, и требу­ет дополнительной обработки.

Из-за применения большого количества реагентов, присадочного материала, высо­кой стоимости эксплуатации и дополнительных сооружений по обработке фильтрата применение фильтр-прессов сдерживается, особенно для осадков, образующихся при обработке высокоцветных маломутных природных вод.

Установка по обезвоживанию осадка природных вод на ленточном фильтр-прессе включает в себя следующие элементы: промежуточная емкость для выравнивания пода­чи осадка (при необходимости), насосы и трубопроводы подачи осадка на обезвожива­ние, ленточный фильтр-пресс, установки приготовления дозирования и ввода флокулянта, систему удаления обезвоженного осадка, подвода и удаления промывной воды, тру­бопроводы отвода фильтрата.

Фильтрат ленточных фильтр-прессов может использоваться после очистки для про­мывки фильтровальных лент.

На рис. 6 представлена технологическая схема обезвоживания осадка на лен­точном фильтр-прессе.

Оптимальная эффективность обезвоживания для каждого типа осадка достигается регулированием:

-подачи осадка на фильтр-пресс;

-дозы флокулянтов;

-линейной скорости движения лент (0,5-4 мм/мин);

-равномерного натяжения фильтровальных лент.