Filtry prasowe do mechanicznego odwadniania osadów

• 1. Odwadnianie osadów
• 2. Opis prasy filtracyjnej
• 3. Dobór rozmiaru prasy filtracyjnej do odwadniania szlamu
• 4. Działanie prasy filtracyjnej
• 5. Rodzaje pras filtracyjnych
• 6. Połączenie systemu DAF i prasy filtracyjnej w oczyszczaniu ścieków
• 7. Podsumowanie

1. Odwadnianie osadów

Większość oczyszczalni ścieków ma wspólny cel, jakim jest maksymalne ograniczenie ilości wytwarzanych osadów, zarówno w procesach oczyszczania wstępnego, jak i wtórnego.

Odwadnianie osadów można przeprowadzać za pomocą procesów mechanicznych lub termicznych, przy czym procesy mechaniczne są znacznie tańszą opcją. Oto główne technologie mechanicznego odwadniania osadów:

• Dekantatory odśrodkowe.
• Filtry pasmowe.
• Prasy śrubowe.
• Filtry prasowe.

Filtry prasowe to technologia, która pozwala osiągnąć najwyższy stopień odwodnienia, a ponadto charakteryzuje się niższymi kosztami energii i odczynników.

Proces suszenia	% zawartości suchej masy w błocie	Zużycie energii	Zużycie odczynników
Dekanter odśrodkowy	18–23	Bardzo wysoki	Bardzo wysoki
Filtr pasmowy	18–22	Bas	Bardzo wysoki
Prasa śrubowa	22–26	Bas	Bardzo wysoki
Filtr prasowy	25–50	Bardzo niski	Bas

Jak już wspomnieliśmy, filtry prasowe to technologia, która pozwala uzyskać największą suchość osadów, ale w przeciwieństwie do innych systemów działają one w trybie przerywanym.

Filtry prasowe znajdują zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, a w wielu przypadkach uzyskany osad odwodniony można sprzedać, jak ma to miejsce w następujących przypadkach:

• Przemysł ceramiczny: Stosowany jest w przemyśle ceramicznym w celu poprawy właściwości porcelany, gliny, marmuru, kwarcu i pigmentów.          
• Przemysł wydobywczy: W górnictwie filtr prasowy wykorzystuje się do odwadniania szlamów węglowych i innych minerałów, dzięki czemu uzyskuje się suche substancje stałe o znacznej czystości. Stosuje się go w procesie wydobycia metali, takich jak żelazo, ołów, miedź, cynk, złoto itp.
• Przemysł spożywczy: W tego typu gałęziach przemysłu stosuje się go do oczyszczania i poprawy jakości syropów, syropów cukrowych, piwa, wina, drożdży i cukrów, a także innych produktów.
• Farmacja: W przemyśle farmaceutycznym powszechnie stosuje się prasę filtracyjną do oddzielania cieczy, przy czym najważniejszym z nich jest surowica krwi, ponieważ służy ona jako surowiec do syntezy różnych leków.
• Chemia: W przemyśle chemicznym tego typu filtry stosuje się do zagęszczania produktów i oddzielania odpadów.

2. Czym jest prasa filtracyjna?

Filtr prasowy to maszyna zamontowana na konstrukcji nośnej, w której znajduje się zespół komór z siatkami filtracyjnymi. Szlam jest pompowany za pomocą pompy, zazwyczaj pneumatycznej, aby uniknąć problemów z działaniem wynikających ze znacznej ilości cząstek stałych obecnych w filtrowanej cieczy.

Filtr prasowy składa się z:

Obramowanie lub rama filtra prasowego

Jest to konstrukcja, która tworzy i podtrzymuje cały zespół prasy filtracyjnej.

Komora filtra

Komory, które mają kształt wklęsły i są ustawione naprzeciwko siebie, to przestrzenie znajdujące się pomiędzy płytami filtracyjnymi. Pełnią one rolę formy dla osadu, który tworzy się w ich wnętrzu. Zespół płyt pozostaje zamknięty i szczelny przy wysokich ciśnieniach dzięki działaniu zespołu elektrohydraulicznego, który wykorzystuje centralny tłok do dociskania pakietu komór.

Płyty mogą mieć różne wymiary. Najczęściej spotykane mają wymiary od 80 x 80 cm do 250 x 250 cm. Materiały konstrukcyjne to zazwyczaj tworzywa sztuczne, takie jak polipropylen.

Filtry prasowe zazwyczaj pracują przy ciśnieniu rzędu 6 barów, ale istnieją również urządzenia wysokociśnieniowe, osiągające nawet 16 barów, a nawet więcej, których celem jest uzyskanie jak największego stopnia odwodnienia. Liczba komór zależy od objętości osadu, jaki ma zostać uzyskany podczas każdego cyklu suszenia, i zazwyczaj wynosi od 12 do 50.

Aby obliczyć liczbę potrzebnych komór, wystarczy podzielić ilość osadu, który ma zostać odwodniony, przez objętość jednej komory, biorąc pod uwagę gęstość osadu oraz stężenie, jakie można uzyskać za pomocą filtra. Wartość tę ustala się w badaniach laboratoryjnych i zależy ona od rodzaju osadu.

Tkaniny lub materiały filtracyjne

Są to tkaniny wykonane zazwyczaj z tworzyw sztucznych (PP, poliester, poliamid itp.). Tkaniny te przepuszczają ciecz i pełnią funkcję filtrów, zatrzymując zawieszone cząstki stałe.

Zawartość szlamu wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia, aż do wartości granicznej określonej w badaniach laboratoryjnych.

Kolektory

Zbiornik to element systemu filtracji służący do oddzielania cząstek stałych od cieczy w procesie filtracji. W kontekście prasy filtracyjnej kolektor może odnosić się konkretnie do systemu lub elementów, które zbierają filtrat (ciecz, która przeszła przez medium filtracyjne) po tym, jak zawiesina (mieszanina cząstek stałych i cieczy) została wyciśnięta przez płyty filtracyjne.

3. Dobór rozmiaru prasy filtracyjnej do odwadniania osadów

Opracowaliśmy przykład na podstawie następujących danych:

• Przepływ osadu na wlocie = 1,25^m³/h. – Zawartość suchej masy osadu na wlocie = 3%
• Gęstość osadu: 1,1 kg/l. – Czas wytwarzania osadu: 8 godzin dziennie

Obliczamy ilość substancji stałych (MS) i cieczy na podstawie dziennego natężenia przepływu ścieków:

• Q = 1,25^m³/h × 8 h/dobę = 10^m³/dobę=> 10 × 1,1 = 11 000 kg/dobę osadu.
• Zawartość substancji stałych w tych osadach wynosi 3%.
• MS = 11 000 kg/dzień × 3% = 330 kg/dzień osadu.
• Natomiast pozostała część to frakcja płynna = 11 000 – 330 = 10 670 kg/dobę płynu do odprowadzenia.
• Jeśli placki osadowe osiągną wilgotność 30% => Dzienne wytwarzanie osadu = 330/0,3 = 1100 kg/dzień osadu odwodnionego przez prasę filtracyjną.
• Z czego SS = 330 kg/dzień, a odprowadzona ciecz = 10 670 kg/dzień.

Podsumowując, błoto z wytłoczyn uzyskuje się w następujący sposób:

• Jeśli osad szlamowy ma gęstość d = 1,4 kg/l, to objętość wytworzonego osadu szlamowego o zawartości 30% wyniesie = 1100 kg/dzień / 1,4 kg/l = 785,7 litrów/dzień.
• Filtr prasowy musi usunąć dziennie 785,7 litrów osadu.

Załóżmy, że system filtracji działa przez 8 godzin dziennie, a jeden cykl filtracji (obejmujący napełnianie, filtrowanie, opróżnianie i różne czynności dodatkowe) trwa 4 godziny. W tych warunkach potrzebne będą 2 operacje filtrowania, aby odwodnić osad wytworzony w ciągu jednego dnia, a każde suszenie da = 785,7/2 = 392,9 litrów osadu o 30% suchości.

Pojemność prasy filtracyjnej = 785,7 litrów / 2 = 392,85 litrów.

Aby określić liczbę potrzebnych płyt, wychodzimy od:

• Rozmiar płyt: 1000 x 1000 x 25 mm
• Pojemność jednej płyty = 19,7 l. Powierzchnia jednej płyty = 153,1^dm²

Liczba płyt potrzebnych do przeprowadzenia jednego cyklu suszenia wynosi = 393 litrów / 19,7 = 19,9, czyli 20 komór. Ponieważ liczba płyt filtracyjnych wynosi n+1 komór => 20 + 1 = 21 płyt filtracyjnych. Powierzchnia filtracyjna prasy filtracyjnej wyniesie zatem = 20 x 1,53 m = 30,3^m²

4. Działanie prasy filtracyjnej

Strumień płynnego szlamu trafia do komór poprzez kolektor, z którego odgałęzia się doprowadzenie do każdej komory. Szlam ten jest wtłaczany do komór za pomocą pompy pneumatycznej.

Woda odprowadzona jest zbierana po przeciwnej stronie po przejściu przez filtr. W ten sposób tkaniny filtracyjne oraz gromadzący się osad sprzyjają wzrostowi ciśnienia, zwiększeniu stężenia oraz tworzeniu się placków osadowych. 

Szlam doprowadzany powinien szybko wypełniać komory filtracyjne, tworząc jednolite placki (czas trwania ok. 5–6 minut). Z tego powodu często stosuje się wspomagające pompy niskociśnieniowe.

W zależności od rodzaju oddzielanego osadu do zbiornika osadowego dodaje się odpowiedni środek flokulujący lub zawiesinę wapienną. Czasami dodaje się również wcześniej środki koagulujące, takie jak Fe(OH)_₃ lub PAC.

Podczas gdy zużycie flokulantów zazwyczaj nie przekracza 4 kg/t suchej masy, zużycie wapna sięga nawet 15% suchej masy osadu, co przekłada się na wyższy stopień odwodnienia, kosztem większej produkcji osadu (suchej masy).

W miarę formowania się placka szlamowego ciśnienie wewnątrz komór rośnie, aż do momentu, gdy osiąga wartość asymptotyczną, a pompa pneumatyczna zmniejsza swoją częstotliwość pracy, aż praktycznie się zatrzymuje. W tym momencie zatrzymuje się również przepływ odprowadzanej wody, co jest wykrywane przez czujnik przepływu. Zakończenie cyklu prasowania jest wykrywane przez sygnał z presostatu, który ostrzega operatora o tej sytuacji. W tym momencie placki szlamowe są gotowe do wyładowania.

Zespół filtra prasowego montuje się zazwyczaj na podwyższonej konstrukcji, tak aby pod zespołem komór można było umieścić pojemnik, w którym gromadzą się sprasowane cząstki stałe. Zbiorniki te są zazwyczaj wyposażone w urządzenie do opróżniania na wypadek, gdyby do ich wnętrza dostała się woda lub nieprawidłowo uformowane placki. Filtry te są zazwyczaj umieszczane na zewnątrz i wyposażone w daszek, który zapobiega przedostawaniu się deszczu do zbiornika osadu.

Rozładunek tortów jest bardzo prosty. Wystarczy zwolnić siłownik elektrohydrauliczny, który je utrzymuje w pozycji zamkniętej, a następnie otworzyć je i rozsunąć, aby opadły do zbiornika pod wpływem własnej wagi.

W przypadku małych filtrów (z płytami o długości do 1 m) można przeprowadzić opróżnianie ręcznie, a nawet posłużyć się dźwignią, aby oddzielić zgrubienia od płyt, do których mogą się przykleić. W przypadku większych rozmiarów stosuje się automatyczne systemy opróżniania, które przesuwają płyty i towarzyszą ich otwieraniu wibracjami lub stukaniem, co powoduje odpadanie zgrubień. W każdym przypadku konieczne jest sprawdzenie, czy na płytach nie pozostały przyklejone placki, ani w całości, ani częściowo, aby uniknąć nieprawidłowego zamknięcia podczas kolejnych cykli suszenia i wycieków szlamu. Powszechnym rozwiązaniem jest przepuszczanie strumieni powietrza w celu dodatkowego wysuszenia placków i upewnienia się, że cała woda została odfiltrowana.

Aby zoptymalizować proces zbierania osadu suchego, montuje się systemy rozdrabniania placków, co pozwala zmniejszyć objętość zajmowaną wewnątrz zbiorników.

Konserwacja tego typu filtrów jest bardzo prosta, ponieważ sprowadza się jedynie do utrzymania w czystości tkanin przymocowanych do płyt. W tym celu należy je regularnie czyścić, co oznacza albo mycie w obiegu zamkniętym, albo demontaż i czyszczenie osobno, a następnie ponowny montaż po wyczyszczeniu.

5. Rodzaje pras filtracyjnych

Istnieje kilka rodzajów pras filtracyjnych, z których każdy ma swoje specyficzne cechy i zastosowania. Poniżej opisano niektóre z najpopularniejszych typów:

• Filtry prasowe z płytami i ramami: Jest to najbardziej tradycyjny typ. Składa się z szeregu naprzemiennie ułożonych płyt i ram, pomiędzy którymi znajduje się medium filtracyjne. Ciała stałe gromadzą się w komorach utworzonych między płytami, podczas gdy woda przepływa przez medium filtracyjne i jest odprowadzana. Ten typ filtra prasowego jest wszechstronny i można go dostosować do różnych rodzajów osadów.
• Filtry prasowe z membranami do dodatkowego prasowania: W tego typu filtrach prasowych do każdej płyty dodaje się elastyczne membrany. Membrany te umożliwiają większe ściśnięcie placka osadowego, ponieważ są one napompowywane hydraulicznie lub pneumatycznie, co przekłada się na większą wydajność odwadniania.
• Filtry taśmowe: W odróżnieniu od filtrów prasowych z płytami i ramami, filtry te wykorzystują ciągłą taśmę filtracyjną, która przesuwa się przez układ napinanych rolek. Szlam jest pompowany na taśmę, gdzie woda jest przez nią filtrowana, a cząstki stałe pozostają zatrzymane. Ten typ filtra jest szczególnie odpowiedni do dużych objętości szlamu i oferuje wysoką wydajność odwadniania, ale osiąga niższe wartości odwadniania niż filtr płytowo-ramowy. Stężenie suchego szlamu można zwiększyć poprzez dodanie określonych odczynników oraz wcześniejsze przygotowanie stołów odsączających.
• Filtr prasowy pionowy lub wieżowy: Ten typ filtra prasowego jest podobny do filtra płytowo-ramowego, ale zamiast układać płyty poziomo, rozmieszcza się je pionowo w formie wieży. Pozwala to na lepsze wykorzystanie przestrzeni i większą wydajność odwadniania na ograniczonej powierzchni. Filtry prasowe wieżowe są idealnym rozwiązaniem dla instalacji o ograniczonej przestrzeni.

Filtry komorowe: Prasa filtracyjna z płytami i ramami wykorzystuje szereg płyt i ram filtracyjnych, natomiast prasa filtracyjna komorowa wykorzystuje płyty filtracyjne do tworzenia komór filtracyjnych. Konstrukcja z płytami i ramami pozwala na łatwe nakładanie tkaniny, natomiast konstrukcja z komorami wbudowanymi wymaga mocnego przymocowania tkaniny do płyt. Wybór między tymi dwiema konstrukcjami zależy od konkretnych wymagań zastosowania, wydajności filtracji i innych czynników operacyjnych.

6. Połączenie systemu DAF z prasą filtracyjną w oczyszczalniach ścieków

W konwencjonalnej oczyszczalni ścieków osad oddzielony w osadniku ma stężenie wahające się od 0,6 do 1,5% suchej masy, w zależności od tego, czy jest to osad wtórny, czy pierwotny. Stężenie to jest zbyt niskie, aby można było osad osuszyć w prasie filtracyjnej, dlatego konieczne jest zainstalowanie zagęszczacza pośredniego.

Zagęszczarka to urządzenie o znacznych rozmiarach i wysokich kosztach, wymagające zbiornika, odpowiednich układów mechanicznych oraz pomp przelewowych. Szlam zagęszczony w tych urządzeniach osiąga zazwyczaj stężenie suchej masy na poziomie od 3% do 4%, co uznaje się już za odpowiednie do poddania go mechanicznej obróbce suszącej.

Szlam ten jest przechowywany w zbiorniku akumulacyjnym, a następnie wprowadzany do prasy filtracyjnej za pomocą pompy pneumatycznej, po dodaniu środków flokulujących i koagulujących, jeśli jest to konieczne.

Jeśli zamiast instalacji do klarowania przez sedymentację zdecyduje się na montaż systemu flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF), system zagęszczania pośredniego nie jest konieczny, ponieważ osad uzyskany w DAF ma od 4% do 5% suchej masy. System DAF oferuje następujące zalety:

• Oszczędność osprzę wyposaż wyposażenia wyposażenia
• Nie ma potrzeby montowania zagęszczacza.
• Większa wydajność w oddzielaniu zawiesin stałych.
• W ten sposób uzyskuje się wodę o lepszej jakości.

Jeśli spojrzymy na kwestie ekonomiczne, nie ma dużej różnicy w nakładach inwestycyjnych i zużyciu energii między tymi dwoma systemami, ponieważ system DAF wymaga dodatkowego wyposażenia do zwiększania i zmniejszania ciśnienia dostarczanego powietrza.

Schemat blokowy systemu DAF + prasa filtracyjna do oddzielania i suszenia osadów

7. Podsumowanie

Odpady stałe powstające podczas oczyszczania ścieków należy usuwać, przetwarzać i odwadniać w celu maksymalnego zmniejszenia ich objętości, tak aby osiągnąć co najmniej poziom redukcji pozwalający na ich przyjęcie na zatwierdzonym składowisku odpadów. W tym celu stosuje się różne technologie, wśród których wyróżniają się procesy suszenia mechanicznego, a w szczególności suszenie za pomocą pras filtracyjnych, ponieważ zapewnia ono wysoki stopień wysuszenia przy niskich kosztach energii i odczynników.

Warto pamiętać, że szlam przeznaczony do oczyszczania musi trafić do prasy filtracyjnej w odpowiednim stanie, po dodaniu odpowiednich środków koagulujących i flokulujących oraz w minimalnym stężeniu umożliwiającym przeprowadzenie procesu (3% – 5%).

Osady pochodzące z systemów oczyszczania przez sedymentację rzadko osiągają takie stężenia, dlatego konieczne jest zastosowanie pośredniego zagęszczania.

Skuteczną alternatywą, pozwalającą zaoszczędzić miejsce i obniżyć koszty, a także zapewniającą większą redukcję zanieczyszczeń w ściekach, jest flotacja powietrzem rozpuszczonym (DAF) – w tej dziedzinie firma Sigmadaf posiada sprawdzone doświadczenie.

Szlamy wydobyte z filtra DAF mają już minimalne stężenie wymagane do bezpośredniego wprowadzenia do prasy filtracyjnej w celu odwodnienia.

Bibliografia i źródła

Jaka jest różnica między prasą filtracyjną z płytami i ramą a prasą z komorą wbudowaną?

Filtr prasowy – najlepsza alternatywa dla odwadniania szlamu

Prasa filtracyjna: cechy charakterystyczne, elementy składowe, zasada działania, zastosowania