ODWADNIANIE OSADÓW PRZY POMOCY FILTRA CIŚNIENIOWEGO

Transkrypt

1 PRZERÓBKA I UNIESZKODLIWIANIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH Ćwiczenie nr 2 ODWADNIANIE OSADÓW PRZY POMOCY FILTRA CIŚNIENIOWEGO 1. CHARAKTERYSTYKA PROCESU Odwadnianie osadów ściekowych polega na obniżeniu zawartości wody w takim stopniu, aby uwodnienie końcowe mieściło się w granicach 50-88%. Taki sposób uwodnienia można uzyskać w warunkach naturalnych lub na urządzeniach mechanicznych. Do urządzeń służących do mechanicznego odwadniania osadów należą: filtry próżniowe, prasy filtracyjne, wirówki. Prasy do osadów są to właściwie filtry ciśnieniowe, w których osad odfiltrowuje się przez tkaniny napięte między szeregiem stalowych ram. Osad pozostaje 1 2 h pod ciśnieniem 0,6 0,8 MPa i po odwodnieniu jest usuwany. Filtrację ciśnieniową stosuje się dla osadów trudno odwadniających się i wszędzie tam, gdzie istotne jest uzyskanie osadu maksymalnie odwodnionego o zawartości wody 60%. Z tego względu filtry ciśnieniowe stosuje się do odwadniania osadów z miejskich oczyszczalni ścieków, osadów związków metali wytrącanych ze ścieków galwanicznych, w przemyśle ceramicznym. Filtracja ciśnieniowa jest obecnie realizowana w następujących rodzajach urządzeń: w prasach filtracyjnych komorowych, w prasach filtracyjnych taśmowych, w ciśnieniowych filtrach dynamicznych. We wszystkich rodzajach pras separacja wody osadowej od cząstek stałych zachodzi w wyniku zastosowanego ciśnienia. Przebieg odwadniania osadu zależy od stosowanego ciśnienia, rodzaju tkaniny filtracyjnej, zawartości substancji stałych w odwadnianym osadzie oraz właściwości filtracyjnych osadów. Dla zapewnienia dobrych efektów odwadniania, osady kierowane na prasy filtracyjne są wstępnie przygotowywane, głównie kondycjonowane polimerami lub wapnem. Dobre efekty odwadniania 1

2 uzyskać można dla osadów zawierających głównie związki wapnia, bez dawkowania do nich substancji wspomagających. Przegrody filtracyjne dobiera się do rodzaju osadu i cieczy filtrowanej. Muszą byś one w miarę możliwie trwałe w warunkach pracy (odporne na działanie temperatury, ph, cieczy filtrowanej oraz muszą posiadać odpowiednią wytrzymałość mechaniczną). Podstawy metodyczne dla badań technologicznych filtracji ciśnieniowej osadów na skalę półtechniczną lub techniczną opracowali niezależnie od siebie Kiesskalt, Hopfer, Stalman i Zingler. Przebieg procesu odwadniania osadów w prasach filtracyjnych opisali oni przy pomocy następującej przybliżonej funkcji: V i = C T f m [dm 3 /m 2 ] gdzie: V i - ilość filtratu przypadająca na m 2 powierzchni filtracji; C - stała doświadczalna, wyrażona w jednostkach ilości filtratu na 1 m 2 powierzchni i minutę czasu filtracji; t f - czas filtracji w minutach; m - stała doświadczalna. W oparciu o powyższy wzór można na drodze doświadczalnej ustalić wydajność procesu filtracji, grubość komory filtracyjnej i ciśnienie filtracji. W warunkach laboratoryjnych najczęściej badanymi parametrami procesu są: ciśnienie robocze, rodzaj tkaniny filtracyjnej, rodzaj i dawki środków wspomagających. Od ciśnienia roboczego filtracji zależy wielkość oporu właściwego filtracji, a więc pośrednio czas filtracji osadu. Rodzaj tkaniny wpływa głównie na jakość filtratu, tzn. ilość zawiesin i stopień zanieczyszczenia filtratu. Tkaniny filtracyjne można podzielić na gęste, czyli o bardzo małych porach w strukturze tkaniny, średnie i rzadkie - o stosunkowo dużych prześwitach w układzie włókien. W celu otrzymania filtratu o wysokiej przezroczystości i małym zanieczyszczeniu należy stosować tkaniny gęste. Jednakże dla filtracji niektórych osadów o strukturze kłaczkowatej, np. po procesie wstępnej koagulacji wystarczą tkaniny rzadkie. W celu badania tkaniny należy wykonać kilka prób filtracji osadu przez różne typy tkanin, za każdym razem stosując to samo ciśnienie filtracji. Podobnie przeprowadzamy badanie doboru rodzaju i dawki koagulantu, stosując tę samą tkaninę i wybraną wielkość ciśnienia filtracji. Na podstawie otrzymanych pomiarów ilości przesączu w czasie filtracji oraz uwodnienia osadu przed i po filtracji należy obliczyć opór właściwy filtracji dla każdej z prób. Ponadto stopień zanieczyszczenia filtratu. Na podstawie uzyskanych wyników dokonuje się doboru właściwej tkaniny filtracyjnej bądź określonej dawki koagulantu. 2

3 2. CEL I ZASADA BADANIA Zasadniczymi parametrami charakteryzującymi proces odwadniania danego osadu na prasie filtracyjnej jest ciśnienie robocze i rodzaj tkaniny filtracyjnej, rodzaje i dawki środków wspomagających proces odwadniania osadów, grubość komór filtracyjnych, wydajność procesu filtracji. Do przygotowania osadów przed odwadnianiem w prasach filtracyjnych stosuje się najczęściej sole glinu lub żelaza. Spośród soli glinu najbardziej popularny jest siarczan glinu Al 2 (SO 4 ) 3 x 18 H 2 O, do najbardziej popularnych soli żelaza stosowanych w koagulacji osadów należą: siarczan żelazawy FeSO 4 x 7 H 2 O, siarczan żelazowy Fe 2 (SO 4 ) 3 x 9 H 2 O, chlorek żelazowy FeCl 3. Podczas koagulacji osadów przed odwadnianiem w procesach filtracyjnych należy prawie zawsze liczyć się z koniecznością stosowania dużych dawek środków chemicznych dochodzących do 60% suchej masy osadów. Równanie oporu właściwego filtracji wyliczone przez Carmena i Coackleya na podstawie wzoru Polsseuilla i de Arcy ma postać następującą: r 2 b P c A 2 s [ g 2 ] r - opór właściwy filtracji [s 2 /g] b - tangens nachylenia prostej na wykresie t/v : V P - nadciśnienie [g/cm 2 ] A - powierzchnia filtracji [cm 2 ] - lepkość filtratu 0,01 [g/cm s] c - lepkość osadu w jednostce objętości filtratu [g/cm 3 ] C 1 CP CK 100 C 100 C P K C p - uwodnienie osadu surowego [ % ] C k - uwodnienie osadu po filtracji [ % ] Wielkość oporu filtracji podaje się zazwyczaj w postaci iloczynu liczby wynikowej i 10 7 (np. 9, s 2 /g). 3

4 3. APARATURA I SPRZĘT 1. Laboratoryjny zestaw do filtracji ciśnieniowej wg Rys. 1. tkaniny filtracyjne o różnej gęstości, manometr. 2. Zestaw do określania uwodnienia osadu: parownice, waga analityczna, łaźnia wodna, suszarka, eksykator. 3. Stoper. 4. Zestaw do określania zawiesiny. Rys. 1. Schemat stanowiska do filtracji ciśnieniowej. 1- kolumna ciśnieniowa, 2- mocowanie tkaniny filtracyjnej, 3- manometr, 4- zawór odcinający dopływ powietrza, 5- zawór regulujący ciśnienie, 6- cylinder miarowy, 7- statyw. 4

5 4. SPOSÓB WYKONANIA ĆWICZENIA 1. Do wykonania ćwiczenia należy przygotować około 0,5 dm 3 dobrze wymieszanego osadu. 2. Pobrać niewielką ilość osadu w celu określenia jego uwodnienia: zważyć wysuszoną parownicę na wadze analitycznej, pobrać dowolną ilość dobrze wymieszanego osadu i zważyć parownicę z osadem na wadze - z różnicy obliczyć masę uwodnionego osadu, odparować osad na łaźni wodnej, wstawić na 30 min do suszarki, przenieść parownice z osadem do eksykatora w celu ostygnięcia próbki, zważyć próbkę i określić masę suchego osadu, z ilorazu masy suchego osadu i masy osadu uwodnionego obliczyć zawartość suchej masy w %, uwodnienie osadu jest różnicą pomiędzy 100 %, a zawartością suchej masy w %. 3. Założyć do filtra jedną z tkanin filtracyjnych wskazaną przez prowadzącego ćwiczenia. 4. Do kolumny ciśnieniowej wlać 50 cm 3 osadu. 5. Zamknąć kolumnę filtracyjną. Włączyć dopływ sprężonego powietrza. 6. Ustalić odpowiednie ciśnienie (wartość wskazuje prowadzący) na manometrze przy pomocy zamknięcia na odprowadzeniu powietrza z kolumny. 7. Odczytywać w odstępach czasu ilość filtratu zgromadzoną w cylindrze miarowym (wyniki notować w Tabeli 1), aż do momentu gwałtownego spadku ciśnienia na manometrze spowodowanego pęknięciem placka osadowego. 8. Zamknąć dopływ powietrza. 9. Rozkręcić filtr i zmierzyć grubość placka osadowego przy pomocy próbnika. 10. Pobrać próbkę odwodnionego osadu w celu określenia jego uwodnienia. 11. W filtracie oznaczyć zawiesinę. 12. Ćwiczenie powtórzyć zakładając do filtra inną tkaninę filtracyjną. 13. Obliczyć uwodnienie osadu surowego i po obu próbach filtracji. 14. Określić opór filtracji dla zastosowanych tkanin filtracyjnych. 15. Określić zmianę objętości osadu po zastosowaniu procesu filtracji wynikającą z różnicy miąższości warstwy osadu przed i po filtracji. 5

6 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW Sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia powinno zawierać: krótką charakterystykę procesu filtracji ciśnieniowej, metodykę badań, obliczenia oraz tabele wyników, wykresy t/v od v, wnioski. Tabela. 1. Ilość filtratu w zależności od czasu filtracji. Czas [ s ] Objętość filtratu V [cm 3 ] Rodzaj tkaniny filtracyjnej t i /V i Objętość filtratu V [cm 3 ] t i /V i Tabela 2. Wyniki odwadniania osadu na filtrze ciśnieniowym przy użyciu różnych tkanin filtracyjnych.. Oznaczenia Jednostki Podciśnienie [g/cm 2 ] OSAD Grubość placka osadowego [mm] Objętość osadu przed filtracją [mm] Objętość osadu po filtracji [mm] Redukcja objętości osadu [%] Uwodnienie osadu surowego [% ] Uwodnienie osadu po filtracji [%] Opór właściwy filtracji [s 2 /g] FILTRAT Końcowa ilość filtratu [cm 3 ] Zawartość zawiesin w filtracie [mg/dm 3 ] Typ tkaniny filtracyjnej 6

7 7