ODWADNIANIE OSADÓW PRZY POMOCY FILTRA CIŚNIENIOWEGO Ćwiczenie nr 2 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, przy oddziaływaniu produktów reakcji chemicznych od cieczy, 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 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 1
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 oraz 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. Równanie oporu właściwego filtracji wyliczone przez Carmena i Coackleya na podstawie wzoru Polsseuilla i de Arcy ma postać następującą: 2
r b P A 2 2 * * * * c [m/kg] gdzie: r opór właściwy filtracji, [m/kg] P ciśnienie filtracji, [Pa] A powierzchnia filtracji, [m 2 ] μ lepkość filtratu, [Pa s] µ 0,001 [Pa s] c masa cząstek stałych na jednostkę objętości cieczy w osadzie, [kg/m 3 ] c cp 100 c P 1 ck 100 c c p uwodnienie osadu surowego, [%] c k uwodnienie osadu po filtracji, [%] K [kg/m 3 ] b stała filtracji analizowanego osadu wyznaczona, jako tangens nachylenia prostej w układzie współrzędnych t/v = f(v), [s/m 6 ] Rys. 1. Przykład zależności t/v od V, otrzymany na podstawie pomiarów objętości filtratu V w czasie t. Wielkość oporu filtracji, wyrażaną w m/kg, podaje się zazwyczaj w postaci iloczynu liczby wynikowej (<10) i jedenastej potęgi liczby 10, np. 6,8 10 11 m/kg. Przykładowe wartości oporu właściwego filtracji wynoszą odpowiednio: dla osadu wstępnego z mechanicznego oczyszczania ścieków 10 11 10 13 m/kg, dla osadu wtórnego (po złożach biologicznych lub komorach osadu czynnego) 10 12 10 13 m/kg, dla osadu bardzo dobrze przefermentowanego 10 10 10 11 m/kg. 3
2. CEL I ZASADA BADANIA Celem ćwiczenia jest dobór tkaniny filtracyjnej oraz określenie optymalnego ciśnienia filtracji dla danej próby osadu. Zakres ćwiczenia w przyjętych warunkach obejmuje określenie: rodzaju tkaniny filtracyjnej, na której następuje najlepsze odwadnianie osadu (w celu dobrania tkaniny należy wykonać kilka prób filtracji osadu przez różne typy tkanin, za każdy razem stosując to samo ciśnienie filtracji), oporu właściwego filtracji, szybkości filtracji przy danym podciśnieniu (ilość filtratu uzyskaną w określonym czasie filtracji), uwodnienia osadu surowego oraz po procesie odwadniania na filtrze ciśnieniowym, stopnia zanieczyszczenia filtratu. Należy pamiętać, że od ciśnienia filtracji zależy wielkość oporu właściwego osadu, a więc pośrednio czas filtracji osadu. Rodzaj tkaniny filtracyjnej wpływa natomiast na wielkość oporu właściwego przegrody filtracyjnej, ale głównie na jakość filtratu, tzn. ilość zawiesin i stopień zanieczyszczenia cieczy osadowej. 3. APARATURA I SPRZĘT zestaw do filtracji ciśnieniowej: m.in. kolumna ciśnieniowa, mocowanie dla tkaniny filtracyjnej, manometr, cylinder miarowy (Rys. 2), 1- kolumna ciśnieniowa 2- mocowanie tkaniny filtracyjnej 3- manometr 4- zawór odcinający dopływ powietrza 5- zawór regulujący ciśnienie 6- cylinder miarowy 7- statyw Rysunek 2. Schemat stanowiska do filtracji ciśnieniowej. 4
tkaniny filtracyjne o różnej gęstości, zestaw do określania uwodnienia osadu lub suchej masy: łaźnia wodna, parownice, suszarka laboratoryjna, waga analityczna, eksykator, stoper, zestaw do oznaczenia zawiesiny: kolby stożkowe, lejki szklane, sączki, waga analityczna, suszarka laboratoryjna, eksykator. 4. SPOSÓB WYKONANIA ĆWICZENIA 1. Przygotować około 300 cm 3 dobrze wymieszanego osadu. 2. Wykonać oznaczenie uwodnienia osadu: 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. Następnie parownicę wstawić na 30 min do suszarki. Przenieść parownicę 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 (s.m.) w %. Uwodnienie osadu jest różnicą pomiędzy 100 %, a zawartością suchej masy. 3. Przygotować zestaw do filtracji ciśnieniowej zgodnie z Rys. 2. W filtrze założyć pierwszą z tkanin filtracyjnych. 4. Do kolumny ciśnieniowej wlać 100 cm 3 osadu. 5. Zamknąć kolumnę filtracyjną i włączyć dopływ sprężonego powietrza do filtru, przy czym pamiętać o zamknięciu zaworu odcinającego. 6. Za pomocą zaworu regulacyjnego ustawić odpowiednie ciśnienie na manometrze (np. 0,15 MPa, 0,2 MPa, 0,3 MPa - wartość wskazuje prowadzący. Pamiętać, że 1 bar = 0,1 MPa). 7. Otworzyć zawór odcinający. 8. Odczytywać w odstępach czasu ilość filtratu zgromadzoną w cylindrze miarowym, a wyniki notować w Tabeli 1, aż do momentu gwałtownego spadku ciśnienia na manometrze spowodowanego pęknięciem placka osadowego. 9. Zamknąć dopływ powietrza. 5
10. Rozkręcić filtr i wyjąć tkaninę filtracyjną wraz z plackiem osadowym. 11. Zmierzyć wysokość placka osadowego przy pomocy próbnika. 12. Pobrać próbkę odwodnionego osadu w celu określenia jego uwodnienia. 13. W filtracie oznaczyć zawiesinę. 14. Ćwiczenie powtórzyć dla innej tkaniny filtracyjnej, stosując taką samą wartość ciśnienia jak poprzednio i filtrując tę samą ilość osadu. 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW Tab. 1. Ilość filtratu w zależności od czasu filtracji Czas [ s ].. Rodzaj tkaniny filtracyjnej.. 5 10 15 20 25 30 Objętość filtratu V [cm 3 ] t i /V i [s/cm 3 ] Objętość filtratu V [cm 3 ] t i /V i [s/cm 3 ] Tab. 2. Wyniki odwadniania osadu na filtrze ciśnieniowym przy użyciu różnych tkanin filtracyjnych Oznaczenia Jednostki Podciśnienie [MPa] OSAD Warstwa osadu przed filtracją [mm] Warstwa osadu po filtracji [mm] Objętość osadu przed filtracją [cm 3 ] Objętość osadu po filtracji [cm 3 ] Redukcja objętości osadu [%] Uwodnienie osadu surowego [%] Uwodnienie osadu po filtracji [%] Opór właściwy filtracji [m/kg] WODA OSADOWA Końcowa ilość filtratu [cm 3 ] Zawartość zawiesin w filtracie [mg/dm 3 ] Typ tkaniny filtracyjnej.... 6
Sprawozdanie z wykonanych badań powinno zawierać: krótkie omówienie zasady procesu ciśnieniowej filtracji osadów, cel i zakres badań, opis metodyki badań, tabelaryczne zestawienie wyników: Tabela 1 i Tabela 2, wykres t/v = f(v) dla zastosowanych tkanin filtracyjnych, obliczenia wartości oporu filtracji osadu dla zastosowanych tkanin filtracyjnych, wnioski w zakresie przydatności użytych w badaniach tkanin filtracyjnych, ewentualnie wpływu ciśnienia na wydajność procesu odwadniania osadów. 7