Применение фильтр-прессов Hydrotrend для фильтрации и обезвоживания суспензий гальванических шламов

На основе данных оригинальных исследований фильтровальных свойств гальваношламов в статье даны общие рекомендации относительно выбора характеристик фильтровального оборудования HydroTrend. Показано, что применение камерных и мембранных фильтр-прессов при обезвоживании гальванических шламов, дает возможность получения осадка толщиной 14...50 мм при влажности 40...80 %. При этом удельная производительность переработки варьируется в пределах 40-350 л/м²*ч зависимости от природы и свойств суспензии

Одним из основных источников загрязнения почвы, водоемов, сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами являются сточные воды и шламы гальванических производств. В настоящее время подобные производства имеют практически все предприятия машиностроительной, электротехнической и других отраслей промышленности.

Известные методы очистки технологических стоков сводятся к их переработке в гидроксиды тяжелых металлов и выделению их в виде гальваношламов. Переработка последних для многих предприятии обременительна, поэтому после нейтрализации гальваношламы направляются на захоронение.

Накопление гальваношламов в отвалах занимает полезные площади и приводит к загрязнению водоемов, связанному с просачиванием в водоносные горизонты.

Вопрос глубокого обезвоживания подобных отходов эффективно не решен практически нигде. Во всем мире для укачанных целей применяется самые разнообразные установки: барабанные и дисковые вакуум-фильтры, центрифуги и центрипрессы, камерные и ленточные фильтр-прессы.

На большинстве предприятий, где имеются участки механического обезвоживания, установленное оборудование является слишком сложным и ненадежным, особенно это касается центрифуг и ленточных фильтр-прессов.

По данным одного из изготовителей фильтровального оборудования - немецкой фирмы Hoesch - примерно в 70% случаев на очистных сооружениях всего мира применяют камерные фильтр-прессы.

 Фильтр-прессы 

Какоборудование для фильтрования промышленных суспензий камерные фильтр-прессы известны еще с прошлого века. Однако целый ряд недостатков конструкции резко ограничивали область их применения. В первую очередь это - необходимость затрат тяжелого физического труда на перемещение плит при выгрузке осадка, невозможность регенерации фильтрующей перегородки без съема ее с фильтр-пресса, большая металлоемкость, сравнительно малая единичная мощность.

Более прогрессивное оборудование - автоматические фильтр-прессы типа КМП (старое название ФПАКМ) - были  разработаны  УкрНИИхиммашем в 50-х годах XX века для   применения  в  химической промышленности, выпусаются до сих пор Бердичевским ПО Прогресс.

Однако значительная сложность конструкции, большая энергоемкость, малая единичная мощность (максимальная поверхность фильтрования одного фильтра - 25 м²) и главное, недостаточная надежность отдельных узлов и деталей являлись существенными недостатками при их эксплуатации. Между тем, новые конструкторские решения и развитие электроники привели в середине  80-х годов XX века к созданию новых фильтр-прессов, которые выгодно отличающихся от своих предшественников.

 Фильтр-прессы нового поколения - саморазгружающиеся машины с вертикально расположенными плитами верхней подвески. Они просты в эксплуатации, обладают минимальной энергоемкостью, обеспечивают получение отфильтрованного осадка низкой влажности. В настоящее время подобное оборудование выпускает целый ряд фирм США, Германии, Италии, Франции, Великобритании, Чехии, Японии, КНР, Кореи, Индии, России.

 Принципиальная конструкция всех современных фильтр-прессов достаточно проста и более ремонтопригодная, в отличие от других типов фильтровального оборудования.

В целом, фильтр-пресс представляет собой набор фильтровальных плит, подвешенных вертикально на боковых упорах, которые опираются на лонжероны, либо на верхней балке. Лонжероны одним концом жестко закреплены на упорной плите, другим на передней стойке.

Балка опирается на переднюю и заднюю стойки. На передней стойке закреплен механизм зажима плит: в большинстве случаев - гидроцилиндр, на задней - размещены технологические запорно-регулирующие клапаны. Фильтровальные плиты изготовлены из полипропилена и могут иметь различную глубину камеры фильтрования - от 7,5 до 25 мм, что соответствует толщине выгружаемого осадка 15...50 мм.

Это позволяет, при предварительно обоснованном выборе необходимой глубины камеры, проводить фильтрование с максимально возможной для данной суспензии производительностью. При необходимости, возможно применение фильтровальных плит, оснащенных мембранами для прессования осадка.

 Фильтр-прессы HydroTrend имеет ряд конструкторских особенностей, выводящих их на уровень зарубежных производителей:

1. Полностью автоматическая система разгрузки фильтр-пресса. Возможность полного отказа от участия человека в выгрузке осадка. Возможность выгрузки поочередно из каждой камеры, поочередно по несколько камер (пакетная разгрузка), одновременно из всех камер.
2. Высокая степень герметичности, как на центрифугах. Суспензия и фильтрат движутся по закрытой системе, нет контакта с воздухом рабочей зоны как на вакуумных и ленточных фильтрах.
3. Низкая энергоемкость по сравнению с другими типами фильтров. Если на вакуумных и ленточных фильтрах, а также центрифугах привод фильтра расходует электроэнергию постоянно, то на фильтр-прессах только во время зажима плит и выгрузки осадка. На фильтр-прессах нет сложной энергоемкой кинематики как на ленточных фильтрах. На фильтр-прессах нет энергоемкой вакуумной системы как на вакуум-фильтрах. На фильтр-прессах нет энергоемкого привода как на центрифугах. 
4. Полностью   автоматическое   устройство   регенерации   фильтровального полотна   водой.    Для    экономичного использования фильтр-прессов большое значение имеет срок службы фильтровальных салфеток, что в большой степени связано с эффективностью их регенерации. Фильтр-прессы оснащаются автоматическим промывным устройством (мойкой), которое с заданной периодичностью смывает загрязнения с ткани. Мойка представляет собой трубу с соплами, которая может перемещаться вверх-вниз между плитами и вперед-назад вдоль фильтр-пресса.
5. Мощная станция гидропривода, позволяющая производить отвод и подвод нажимной плиты за 30 секунд   и  обеспечивающая усилие  зажима   плит   до   450  тонн,   что  позволяет   надежно герметизировать камеры. Система управления фильтр-прессов позволяет отслеживать давление в гидросистеме зажима плит и, в случае необходимости, выполнять "подкачку зажима" без участия оператора.
6. Герметичный каплесборник для сбора капельной жидкости и проливов фильтрата. В раме фильтр-пресса под фильтровальными плитами смонтирован   двухстворчатый поддон-каплесборник, перекрывающий проем для выгрузки осадка.  При выполнении    операций    разгрузки,    створки  поддона    раскрываются,  предоставляя    осадку возможность беспрепятственно выпадать на транспортер или в специальный бункер. В ходе выполнения других операций, в особенности, регенерации, створки поддона плотно закрываются, надежно защищая проем выгрузки осадка от аварийных течей суспензии или подаваемой на регенерацию воды.
7. Система   автоматики,   построенная   на   промышленном  микроконтроллере (Siemens, Alan Bradley и т.п.),   совместимая  с множеством современных АСУ ТП и SCADA-систем.   Современный  уровень развития  техники требует соответствующего уровня автоматизации процессом работы фильтр-пресса. Наличие связанного с фильтр-прессом внешнего оборудования   предполагает   получение   определенной   информации   о   состоянии предыдущего и последующего участков производства.
8. Система автоматики для фильтр-прессов   позволяет  не  только  обеспечить  бесперебойный   полностью  автоматизированный  режим работы самого фильтр-пресса  и связанного  с  ним  внешнего оборудования,  но может быть интегрирована в общую систему автоматики конкретного производства. В систему получения данных входят датчики давления, уровня, положения, путевые выключатели, расходомеры. По отработанным  алгоритмам  система  автоматики  управляет  насосами  и  золотниками  станции гидропривода,   запорной   арматурой,   насосами   подачи   суспензии   и   промывных   жидкостей, осуществляет синхронизацию работы нескольких фильтр-прессов в одной линии.

Исследование фильтровальных свойств гальваношламов

При выборе технологии и оборудовании фильтрования предполагает проведение предварительных экспериментов, направленных на изучение фильтровальных свойств исследуемой суспензии. Мы предлагаем предварительно изучить суспензию клиента в собственной лаборатории, оснащенной установками, моделирующими работу фильтр-пресса.

Поверхности фильтрования варьируются в интервале 0,01 м² - 0,5 м². Особое внимание уделяется вопросу выбора фильтровальных тканей. В настоящее время открыт доступ к широкому ассортименту высококачественных тканей, поставляемых как отечественными зарубежными производителями. Их фильтровальные свойства находятся в широком диапазоне: проницаемость по воздуху колеблется от 15 до 150 л/м²*с, размер пор - от 20 до 100 мкм.

Современные ткани имеют монофилументную структуру и каландрированную поверхность, благодаря чему осадок легче отстает при разгрузке фильтр-пресса. Кроме того, такие ткани меньше забиваются в процессе фильтрования и лучше поддаются регенерации.

За последнее время в лаборатории были проведены испытания фильтровальных свойств гальваношламов самых разнообразных составов и свойств. Типичные результаты этих экспериментов представлены в Приложении 1.

 Основной показатель - расчетная производительность показывает объем суспензии, который может быть отфильтрован в течение часа с 1 м² фильтрующей поверхности. В качестве фильтрующей перегородки использовалась полиэфирная ткань Terilen-0303.

Очевидно, что скорость и эффективность обезвоживания определяется гранулометрическим составом и количеством твердой фазы суспензии, а также вязкостью жидкой фазы, которая, в свою очередь, зависит от химического состава и температуры.

Поэтому данные таблицы могут лишь ориентировочно использоваться при подборе фильтровального оборудования. В каждом конкретном случае необходимо проведение оригинальных краткосрочных исследований в лаборатории, при этом нужно отправить нам 8-10 литров исходной суспензии.

Кроме экспериментов с "чистыми" суспензиями, проводились исследования влияния флокулянта - полиакриламида. При добавлении 0,1% раствора флокулянта из расчета 2,5% от массы твердого в суспензии удельная производительность фильтрования возрастает в 2...3 раза: для хромсодержащих гальваношламов - до 200 л/ м²*ч, для никельсодержащих гальваношламов - до 180 л/ м²*ч, для цинксодержащих гальваношламов - до 120 л/ м²*ч.

 Особенности выбора фильтр-прессов

Учитывая нагрузку на фильтровальный участок и зная производительность фильтрования, в каждом конкретном случае можно определить необходимую площадь фильтрования. Фильтр-прессы HydroTrend имеют поверхность фильтрования от 0,5 до 1180 м². Однако при выборе фильтр-пресса следует учитывать ряд аспектов.

1. Во-первых,   алгоритм   работы   фильтр-пресса   предполагает  чередование   фазы   активного фильтрования с фазой выполнения так называемых вспомогательных операций. В это время не происходит отбора суспензии и выделение фильтрата. При обезвоживании гальваношламов вспомогательными операциями будут: зажим фильтр-пресса (до 1 мин), закрытие поддона для выгрузки осадка (10-15 сек), прессование осадка (до 5 мин), просушка осадка (до 3 мин), открытие поддона для выгрузки осадка (10-15 сек), раскрытие блоков плит фильтр-пресса (5-10 мин). Время цикла работы складывается из длительности фильтрования и общей длительности вспомогательных операций. Поэтому реальная производительность фильтрования будет ниже расчетной скорости фильтрования.
2. Во-вторых,  эффективная   работа  фильтр-пресса   предполагает   периодическое   проведение регенерации. С точки зрения производительности, данная операция является вспомогательной и требует вывода фильтр-пресса из производственного процесса на срок до 40 мин. Соответственно, на время регенерации одного фильтр-пресса снижается пропускная способность всего участка фильтрования на величину, зависящую от количества установленных фильтр-прессов.

Существенным является вопрос выбора камерного или мембранного варианта исполнения фильтр-пресса. Использование мембран позволяет достичь двух положительных эффектов.

1. Во-первых,  в  ходе  фильтрования   наступает  момент,  когда  скорость  процесса  начинает усиленно   снижаться.   Это   происходит  в   начале   зафильтровывания   камеры   осадком   по периметру. Дальнейшее фильтрование характеризуется малой мгновенной производительностью. Для обеспечения высокой удельной, производительности, дофильтровывание эффективнее проводить с помощью мембран.
2. Второй случай относится к вопросам получения осадка с минимально возможной влажностью. Осадок, подпрессованный с помощью мембран в меньшей степени подвержен растрескиванию и более эффективно поддается просушке. В случаях затрудненного обезвоживания гальваношламов отжим мембранами позволяет существенно снизить влажность выгружаемого осадка.

Заключение

Таким образом, на основе проведенных исследований показана принципиальная возможность обезвоживания гальванических шламов с помощью современных фильтр-прессов, производимых компанией HydroTrend.

Показано, что производительность фильтрования варьируется в пределах 0,04...0,2 м³/м²*ч, влажность выгружаемого осадка - 40...80%, в зависимости от природы гальваношламов, В отдельных случаях труднофильтруемых суспензий для снижения влажности осадка целесообразно применение мембранных фильтр-прессов.

Параметры фильтрования типичных гальваношламов 

№	Наименование суспензии	Содержание твердой фазы, г/л	Параметры фильтрования		Толщина осадка, мм	Влажность осадка, %	Расчетная производительность, л/м² ч
			Длительность, мин.	Давление, атм
1.	Сточные воды медьхромбариевого катализатора	55	10	3	5	60-63	150
2.	Гальваностоки, нейтрализованные раствором NOH	10	35	4	7	40-42	350
3.	Гальваностоки после электрокоагуляции содовом раствором	68	20	5	5-7	76-79	230
4.	Сгущенные гальваностоки после электрокоагуляции	150-200	20	2	23	39-42	250
5.	Никельсодержащие гальваношламы	20	50+10 отжим	3+5 отжим	5-7	77-80	70
6.	Цинкосодержащие гальваношламы	35-40	100-120	4-5	15	75-80	45
7.	Цинк- и хромсодержащие гальваношламы (50:50)	30	90+10 отжим	5	15	65-70	40
8.	Хромсодержащие гальваношламы	50	80	5	12	70	65

Как видно из данных таблицы, фильтровальные свойства различных по природе гальваношламов значительно отличатся между собой. В одних случаях фильтрование происходит достаточно быстро при невысоком давлении (№ 1...4), в других - 1...2 часа. Влажность выгружаемого осадка колеблется в пределах 40...80%. В некоторых случаях (№. 5, 7) удовлетворительную влажность осадка можно получить только применением отжимных мембран.

Толщина получаемого в экспериментах осадка лежит в пределах 7...25 мм. Так как в фильтр-прессе фильтрование в камере происходит в обе стороны, то толщина выгружаемого осадка из фильтр-пресса будет составлять 14 - 50 мм.