Процесс изъятия и окисления органических загрязнений сточных вод в биологических фильтрах принципиально не отличается от аналогичных процессов, протекающих при очистке сточных вод в других сооружениях биологической очистки, однако ход процесса в биологических фильтрах во многом зависит от конструктивных особенностей этих сооружений. В частности, конструкцией биологического фильтра обусловлена специфика гидродинамических условий в нем, а следовательно, характер и скорость подвода органических веществ и кислорода воздуха к клеткам микроорганизмов биологической пленки, отвода от них продуктов биохимических реакций, что в свою очередь влияет на скорость процесса очистки сточных вод и эффективность работы сооружений.

Очистка осуществляется при контакте протекающей сточной воды через загрузку с неподвижно закрепленной на ее поверхности биологической пленкой. Ход массообменных процессов, происходящих в элементарном объеме биологаческого фильтра, схематично представлен на рис. 2.1 а. Перенос загрязнений определяется законами молекулярной и турбулентной диффузии вещества. При молекулярной диффузии массообмен происходит как за счет разности концентраций веществ на границе раздела фаз жидкость - воздух (максимальная концентрация загрязнений) и жидкость - биопленка (минимальная концентрация). Турбулентная диффузия происходит вследствие перемешивания жидкости при ее протоке через загрузку биологического фильтра. При этом скорость турбулентной диффузии может намного превышать скорость молекулярной диффузии.

t/почнал Soda

Эаеряонени*

воздух

Ppo?f/ктм реакций -

Лоробос

I HjP?/точмая I сТиоплснка

Оресничес/fue бещестба биогенные j/гсменты MP da, Mg, б и dp.

Рислород

А в I P I » I *u

биологическая

пленка

C0 Zl H;0, H0 2j Wj

Энергия

Прирост биомассы

Энергетические WMC

Нонструктиш обмен

Рис. 2.1. Схемы массообменных процессов, протекающих при очистке сточных вод на биологических фильтрах (а), и окислительных процессов , происходящих в биопленке (б)

Кислород воздуха, необходимый для протекания биологического процесса, поступает к биопленке из порового пространства загрузки биологического фильтра. Перенос и фиксирование (сорбция) органических веществ на поверхности клетки или в околоклеточном пространстве сопровождаются гидролизом сложных соединений под действием различных ферментов, а также в результате диффузии веществ через проницаемую мембрану клетки.

В ходе внутриклеточных процессов происходит окисление органических веществ (энергетический обмен) и синтез нового материала клетки (конструктивный обмен). Процесс окисления сопровождается выделением энергии, процесс синтеза идет с ее потреблением (рис. 2.16).

Продукты распада органических загрязнений выносятся из биогшенки в слой жидкости и отводятся с потоком жидкости (растворенные вещества) и с потоком воздуха (газообразные). Одновременно потоком жидкости вымывается избыточная (прирастающая) биопленка, которая выносится из биологического фильтра вместе с очищенной водой. Для отделения избыточной биопленки очищенные сточные воды после биологических фильтров отстаивают во вторичных отстойниках.

Характер протекания процесса очистки сточных вод на биологическом фильтре показан на рис. 2.2. Как видно из рисунка, концентрация органических загрязнений Ь н сначала быстро снижается при продолжительности процесса от г 0 До что свидетельствует о высоких скоростях изъятия загрязнений на этом участке. Одновременно резко увеличивается количество биопленки (кривая 2) по сравнению с начальным С н, причем скорость роста микроорганизмов биоиленки по мере уменьшения концентрации загрязнений в жидкости постепенно снижается. К моменту времени /1 количество биопленки становится стабильным, так как недостаток питания тормозит дальнейший рост клеток.

Рис. 2.2.

1 - концентрация органических загрязнений; 2 - общая масса биогшенки, закретенной на загрузке и циркулирующей; 3 -масса биопленки, закрепленной на загрузке биологического фильтра; 4 - концентрация нитритов и нитратов; 5 - зольность биомассы

Прирост биомассы в этот момент времени максимальный. При дальнейшем увеличении продолжительности процесса очистки сточных вод в биологическом фильтре концентрация органических загрязнений продолжает снижаться (кривая /), но скорость на участках б - / 2 и / 2 - Ь значительно ниже, чем в начале процесса. Ввиду низкой остаточной концентрации загрязнений в жидкости, отсутствия достаточного питания для жизнедеятельности микроорганизмов биопленки на этих участках начинается процесс отмирания (самоокисления) биомассы. Часть биопленки смывается с за1рузки биологического фильтра и поступает в очищаемую жидкость. Вследствие распада биомассы ее общее количество уменьшается (кривая 2), также уменьшается количество биопленки, закрепленной на загрузке (кривая 3), зольность биомассы повышается (кривая 5).

Участок I (см. рис. 2.2) при продолжительности процесса очистки сточных вод от /] до? 2 характеризует режим работы биологических фильтров при неполной биологической очистке. При работе в этом режиме концентрация загрязнений по ВПК снижается до 100...30 мг/л, наблюдается большой прирост биомассы, процесс идет без нитрификации.

При продолжительности процесса очистки от до Ь (участок II) биологические фильтры работают в режиме полной биологической очистки; ВПК жидкости снижается до Ь 0 - = 15...25 мг/л, в очищенной жидкости появляются нитриты и нитраты (кривая 4). Количество биомассы как закрепленной на загрузке биологического фильтра, так и выносимой с очищенной жидкостью, снижается вследствие процессов самоокисления.

Увеличение продолжительности процесса от и до / 4 сопровождается дальнейшим распадом и следовательно, уменьшением количества биомассы в биологическом фильтре (кривые 2 и 3), зольность ее повышается. Этот участок III характеризует режим стабилизации биомассы , аналогичный режиму продолженной аэрации при очистке сточных вод с активным илом. При работе биологических фильтров в этом режиме можно получить наименьший прирост биопленки, высокую степень минерализации выносимой из биологического фильтра избыточной биопленки, что позволяет облегчить дальнейшую ее обработку. Стабилизированная избыточная биомасса, выносимая из биологических фильтров, работающих в этом режиме, не требует дополнительного сбраживания и может быть сразу направлена на иловые площадки для подсушивания.

Концентрация загрязнений сточных вод на участке III не только не снижается по сравнению с концентрацией загрязнений на участке II, но и может даже несколько увеличиваться (кривая 1 ) за счет вторичного загрязнения очищенной жидкости продуктами распада биомассы. В конце участка III при продолжительности процесса Ц в биологическом фильтре развиваются микроорганизмы, адаптированные к остаточным трудноокисляемым загрязнениям сточных вод, что обусловливает дальнейшее снижение концентрации загрязнений.

Участок IV характеризует работу биологических фильтров в режиме доочистки сточных вод до величины остаточных загрязнений по ВПК Ь й = 15...5 мг/л. В этом режиме прирост биомассы крайне незначительный, зольность избыточной биомассы высокая, процесс нитрификации протекает интенсивно.

Рассмотренный ход процесса очистки сточных вод на биологических фильтрах на контакте иллюстрирует возможность работы этих сооружений в различных режимах, а их режим работы, принятый на основании местных условий и требуемого качества очищенных сточных вод, обусловливает выбор конструкции этих сооружений, технологических параметров их работы, схемы всей очистной станции.

Основные технологические параметры, определяющие режим работы биологических фильтров: нагрузка по органическим загрязнениям, окислительная мощность, гидравлическая нагрузка, средняя продолжительность протока сточных вод, коэффициент рециркуляции, расход подаваемого воздуха.

измеряется количеством органических загрязнений, подаваемых вместе со сточными водами на биологический фильтр в единицу времени, и является основным показателем, определяющим режим и условия биологического процесса (см. рис. 2.2). Обычно пользуются удельной нагрузкой по БПК полн, отнесенной к 1 м 3 объема биологического фильтра: N - Ь еп QJW, где N - удельная

нагрузка по БПК П0Л11 , г/сут-м 3 ; Ь еп - БПК полн исходных сточных вод, г/м 3 ; 0^, - расход сточных вод, м 3 /сут; ]Г- объем биологического фильтра, м 3 .

Для сравнения режимов работы биологических фильтров удельную нагрузку правильнее определять на единицу площади поверхности биопленки или площади поверхности фракций загрузки: Ы = Ь е „ 0,^ а, где - удельная нагрузка, г/сут-м 2 ; /в - площадь поверхности загрузки, м 2 .

Окислительную мощность, или производительность биологического фильтра по количеству изъятых органических загрязнений в процессе очистки сточных вод, выражают в граммах БПК полн на 1 м 3 загрузки в сутки: ОМ = (Ь еп ~ ()*/№, где ОМ - окислительная мощность, г/сут-м 3 ; А^-БПКполн очищенных сточных вод, г/м 3 .

- количество сточных вод, поступающих на биологический фильтр, отнесенное к 1 м 2 площади сооружения в плане: ц - ()„/Г, где q - гидравлическая нагрузка, м 3 /м 5 -сут; площадь биологического фильтра, м 2 .

Средняя продолжительность протока сточных вод через биологический фильтр Г со зависит от гидравлической нагрузки, высоты биологического фильтра, способа подачи сточных вод на поверхность загрузки, типа загрузки и распределения в ней биопленки. Величина г ср является показателем продолжительности процесса очистки сточных вод в биологическом фильтре. При повышении гидравлической нагрузки увеличивается скорость движения жидкости через биологический фильтр и уменьшается продолжительность протока; с увеличением высоты биологического фильтра увеличивается продолжительность пребывания сточных вод в загрузке. Загрузка, а также закрепленная на ней биопленка, оказывая сопротивление движению протекающей жидкости, тем самым определяют путь, по которому движется поток жидкости, а следовательно, влияют на продолжительность протока.

Коэффициент рециркуляции - отношение расхода рециркулируемой очищенной жидкости к общему расходу исходных сточных вод, поступающих на биологический фильтр, п = (2и-

Рециркуляция, т.е. повторный пропуск части очищенной ЖИДкости через биологический фильтр, позволяет увеличить продолжительность процесса очистки, снизить начальную концентрацию загрязнений исходных сточных вод и повысить гидравлическую нагрузку, обеспечивающую промывку загрузки сооружения в процессе его работы. Коэффициент рециркуляции принимают в зависимости от предельно допустимой концентрации загрязнений по БПК полн смеси исходных и рециркулируемых сточных вод, которую можно направить на биологический фильтр без опасений заиливания пор загрузки в результате прироста биопленки. Коэффициент рециркуляции определяют по формуле п = (L en - L mix)/ (L mix - L ex ), где L mix -БПК п0ЛН смеси исходных и рециркулируемых сточных вод, г/м 3 .

Количество кислорода, требуемое для окисления органических загрязнений сточных вод микроорганизмами биопленки, должно обеспечиваться подачей в тело биологического фильтра соответствующего количества воздуха. Недостаток кислорода замедляет скорость биологического процесса. Однако влияние количества подаваемого воздуха на скорость процесса очистки сказывается только до тех пор, пока процесс не будет полностью обеспечен требуемым количеством кислорода. Если достаточный воздухообмен в поровом пространстве загрузки биологических фильтров не обеспечивается естественной вентиляцией, то предусматривают принудительную подачу воздуха.

Наиболее важным конструктивным элементом биологического фильтра является загрузка. Тип и характеристика загрузки существенно влияют на протекание процесса очистки сточных вод. Загрузка биофильтра характеризуется следующими основными параметрами: высотой слоя, удельной площадью поверхности, пористостью и плотностью загрузки. Высота слоя загрузки, или рабочая высота биологического фильтра, определяет наравне с другими параметрами продолжительность пребывания сточных вод в биологическом фильтре.

От удельной площади поверхности загрузки зависит и общая площадь поверхности закрепленной на ней биопленки, а следовательно, и площадь, через которую осуществляется перенос органических загрязнений из жидкости, обтекающей загрузку, к бактериальным клеткам. Как правило, процесс массо-переноса является фактором, лимитирующим скорость изъятия загрязнений, и потому от площади поверхности загрузки в значительной мере зависит окислительная мощность биологического фильтра.

Следует отметить, что для процесса очистки сточных вод важным является площадь поверхности биопленки, а не общее количество биомассы в загрузке. При накоплении биомассы увеличивается толщина биопленки, а активно работающим остается по-прежнему только наружный аэробный слой. Внутри, у поверхности загрузки, образуется анаэробная зона (рис. 2.1а), которая почти не участвует в процессе изъятия и окисления загрязнений. Увеличение количества биомассы уменьшает объем порового пространства загрузки, затрудняет воздухообмен в биологическом филыре, а также снабжение микроорганизмов кислородом воздуха. Пористость загрузки биологических фильтров должна быть такой, чтобы при установившемся режиме работы сооружения (когда количество биопленки в загрузке остается постоянным и ее прирост соответствует выносу) объехМ свободных пор был достаточен для снабжения биоплёнки кислородом воздуха.

Загрузку, применяемую для биологических фильтров, условно можно разделить на два вида: объемную и плоскостную. В качестве объемной загрузки используют щебень, гравий прочных горных пород, кокс, керамзит и другие материалы, характеризуемые определенной крупностью фракций, механической прочностью и стойкостью к разрушению . Такой материал имеет пористость 40...50 %, плотность 500... 1500 кг/м 3 , удельную поверхность в зависимости от размера фракций загрузки 30... 120 м 2 /м 3 .

В качестве плоскостной загрузки применяют листовой материал (пластмассу, асбестоцемент и др.), мягкие рулонные материалы (пластмассовую пленку, синтетические ткани), а также засыпные элементы (кольца, отрезки труб и др.). Загрузку из листовых материалов выполняют в виде различных блоков и кассет, которые укладывают в тело биологического фильтра, мягкие рулонные материалы закрепляют на каркасах или свободно подвешивают.

Пористость плоскостной загрузки из листовых материалов составляет 80...97 %, из рулонных материалов - 94...99, из засыпных элементов - 70...90 %. Удельная поверхность листовой и рулонной загрузки - 80... 130 м 2 /м 3 , засыпной - 70... 100 м 2 /м 3 , плотность листовой загрузки 40-100 кг/м 3 , рулонной - 5.. .60 кг/м 3 , засыпной- 100...600 кг/м 3 .

Применение плоскостной загрузки позволяет упростить конструкцию биологического фильтра, снизить строительные и монтажные расходы.

→ Очистка сточных вод

Классификация биофильтров

Биофильтры могут работать на полную и неполную биологическую очистку и классифицируются по различным признакам, основными из которых являются конструктивные особенности и вид загрузочного материала.

По виду загрузочного материала биофильтры делятся на: биофильтры с объемной загрузкой (гравий, шлак, керамзит, щебень и др.) и биофильтры с плоскостной загрузкой (пластмассы, асбестоцемент, керамика, металл, ткани и др.).

Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на следующие виды: – капельные, имеющие крупность фракций загрузочного материала 20-30 мм и высоту слоя загрузки 1-2 м; – высоконагружаемые, имеющие крупность загрузочного материала 40-60 мм и высоту слоя загрузки 2-4м; – биофильтры большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60-80 мм и высоту слоя загрузки 8-16 м.

Объемный загрузочный материал имеет плотность 500-1500 кг/м3 и пористость 40-50%.

Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на следующие виды: – с жесткой засыпной загрузкой. В качестве загрузки могут использоваться керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100-600 кг/м3, пористость 70-90%, высота слоя загрузки 1-6 м; – с жесткой блочной загрузкой. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (гофрированные и плоские листы или пространственные элементы), а также из’ асбестоце-ментных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40-100 кг/м3, пористость 90-97%), высота слоя загрузки 2-16 м; – с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов. Плотность такой загрузки 5-60 кг/м3, пористость 94-99%, высота слоя загрузки 3-8 м.

Пропускная способность биофильтров зависит от конструктивных особенностей того или иного типа сооружения и объясняется содержанием активной биомассы на единицу объема биофильтра.

Биофильтры с объёмной загрузкой (капельные биофильтры). В капельном биофильтре сточная вода подается в виде капель или струй. Естественная вентиляция воздуха осуществляется через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Такие биофильтры имеют низкую нагрузку по воде – обычно 0,5-2 м3 на 1 м3 объема загрузочного материала в сутки. Капельные биофильтры впервые появились в Салфорде (Великобритания) в 1893 г., их рекомендуется применять при расходе сточных вод не более 1000 м3/сут. Они предназначаются для полной биологической очистки сточных вод.

Схема работы капельных биофильтров следующая. Сточная вода, осветленная в первичных отстойниках, самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, из которых периодически напускается на поверхность биофильтра. Вода, профильтровавшаяся через толщу загрузки, проходит через дренажную систему, а далее по непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых отмершая биоплёнка отделяется от очищенной воды. При нагрузке по органическим загрязнениям больше допустимой, загрузочный материал быстро заиливается, и работа капельных биофильтров резко ухудшается.

Высоко нагружаемые биофильтры. В начале XX столетия появились биофильтры, которые у нас в стране получили название – аэрофильтры, а за рубежом – биофильтры высокой нагрузки.

Отличительной особенностью этих сооружений является более высокая, по сравнению с капельными биофильтрами, окислительная мощность, что обусловлено меньшей заиляемостью таких фильтров и лучшим обменом воздуха в них. Достигается это благодаря крупным фракциям загрузочного материала и повышенной в несколько раз нагрузке по воде. Высокая скорость движения сточной воды в биофильтре обеспечивает постоянный вынос задержанных трудноокисляемых нерастворенных примесей и отмирающей биопленки. Поступающий в тело биофильтра кислород воздуха расходуется в основном на биологическое окисление части загрязнений, не вынесенных из тела биофильтра. Конструкции аэрофильтров были предложены Н.А. Базякиной и С.Н. Строгановым и в 1929 г. построены на Кожуховской биологической станции. Они предназначаются для неполной и полной биологической очистки сточных вод.

Башенные биофильтры. Эти биофильтры имеют высоту 8-16 м и применяются для очистных станций пропускной способностью до 50 тыс.м3/сут при благоприятном рельефе местности и при БПК очищенных сточных вод 20-25 мг/л. В отечественной практике они распространения не получили.

Биофильтры с плоскостной загрузкой. Появление в 50-х годах XX века плоскостных – блочных, мягких и засыпных загрузочных материалов позволило значительно повысить производительность биологических фильтров (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Биофильтр с плоскостной (пластмассовой) загрузкой:
1 – корпус из облегчённых листов по металлическому каркасу; 2 – пластмассовая загрузка; 3 – решетка; 4 – бетонные столбовые опоры; 5 – подводящий трубопровод; б – реактивный ороситель; 7 – отводящие лотки

Как видно из таблицы, плотность плоскостных загрузочных материалов (12,2-140 кг/м3) значительно меньше, чем традиционных из гравия или щебня (1350-1500 кг/м3), что позволяет упростить и облегчить фундамент и ограждающие конструкции биофильтров. Пористость плоскостных загрузочных материалов (87-99%) более чем вдвое выше, чем у объемных загрузок (40-50%), что позволяет отказаться от принудительной вентиляции и сэкономить значительное количество электроэнергии. Удельная поверхность плоскостных загрузочных материалов 80-450 м /м, против 50-80 м /м3 у объемных. Однако, даже при одинаковой удельной поверхности активная поверхность плоскостных загрузочных материалов значительно больше за счет отсутствия мертвых зон, образующихся при соприкосновении фракций засыпного загрузочного материала.

Установлено, что на производительность биофильтра большое влияние оказывает конфигурация загрузочного материала. В загрузочных материалах, где жидкость движется строго вертикально по гладкой поверхности, гидравлический режим ламинарный (идеальный вытеснитель), а в загрузочном материале со сложной формой поверхности, где поток отклоняется по вертикали (Флокор, Пласдек и др.), режим движения жидкости турбулентный. По данным зарубежных ученых, производительность сложных загрузочных материалов, по сравнению с гладкими (при одинаковой площади удельной поверхности и в одинаковых условиях работы), на 67% выше.

Биофильтры насчитывают столетнюю историю использования их в качестве биологических окислителей. Но с конца 50-х годов XX столетия число строящихся станций биофильтрации в нашей стране по субъективным и объективным причинам стало уменьшаться. Среди этих причин можно выделить следующие: неиндустриальность строительства; отсутствие загрузочного материала; малая пропускная способность; изменение состава поступающих на очистку сточных вод; ненадежность работы при перегрузках (особенно по органическим загрязнениям) и ряд других. Из общего числа проектируемых и строящихся биологических окислителей на долю биофильтров приходится не более 10%.

Вместе с тем при наличии дешевых местных материалов и дефиците электроэнергии, а также в тяжелых грунтовых условиях и сейсмичных районах предпочтение отдается биофильтрам. Например, в Киргизии из 31 действующей станции биологической очистки – 28 с биофильтрами. Следует отметить, что в ряде отраслей промышленности (гидролизно-дрожжевая, пищевая, и др.), где сточные воды обладают значительной пе-нообразующей способностью, целесообразно применять биофильтры.

В настоящее время сотни построенных станций биофильтрации работают в режиме, превышающем их расчетную пропускную способность, как по расходу сточных вод, так и нагрузкам по органическим загрязнениям. Весьма актуальной стала проблема модернизации таких станций биофильтрации, что явилось стимулом для разработки новых высокопроизводительных загрузочных материалов. Следствием этого и стало появление новых биофильтров с плоскостной загрузкой. Они имеют высокую индуст-иальность строительства, включая заводское изготовление блочного загрузочного материала или комплекса сооружений небольшой пропускной способности. Им свойственна высокая пропускная способность, как по расходу сточных вод, так и по снижению органических загрязнений, превышающая соответствующие показатели биофильтров с объемной загрузкой в 3-8 раз.

Сооружения биологической очистки сточных вод. Биофильтры

Биофильтры. Представляют собой прямоугольные или круглые в плане сооружения со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки, и нижним сплошным. Колосниковая решетка или дырчатое днище, дренаж биофильтров устраивается из железобетонных плит. Общая площадь отверстий дренажа принимается не менее 5—8% площади поверхности фильтра.

Фильтрующим материалом служит щебень, галька горных пород, керамзит, шлак. Загрузка фильтрующего слоя по всей его высоте должна производиться материалом одинаковой крупности (табл.61).

Таблица 61. Крупность зерен загрузочного материала для биофильтра (СНиП II-Г. 6—62)

Мелочи в загрузочном материале должно быть не более 5%. Нижний поддерживающий слой во всех типах биофильтров должен применяться с размерами 60—100 мм.

Орошение биофильтров сточными водами производится через небольшие равномерные промежутки времени. Распределение сточных вод может быть капельным, струйным или в виде тонкого слоя.

Кислород, обеспечивающий жизнедеятельность бактерий, поступает в тело фильтра естественной или искусственной вентиляцией. Количество кислорода, получаемое с 1 м3 фильтрующего материала в сутки для снижения БПК сточных вод, называется окислительной мощностью. Она зависит от температуры сточных вод, наружного воздуха, характера загрязнений (табл. 62).

Таблица 62. Окислительная мощность, г, кислорода в сутки на 1 м3 загрузочного материала биофильтров (СНиП II-Г. 6—62)

Примечания: 1. Указанные в табл. 62 величины окислительной мощности определены для сточных вод со среднезимней температурой +10°. При другой среднезимнеи температуре сточных вод значения окислительной мощности следует увеличивать илн уменьшать пропорционально отношению фактической температуры к 10°С

2. При значении часового коэффициента неравномерности притока более 2, объем фильтрующего материала следует увеличить пропорционально отношению фактического коэффициента неравномерности К=2.

При среднегодовой температуре наружного воздуха ниже + 10°С и коэффициенте рециркуляции сточных вод более 4, а также при среднегодовой температуре воздуха до +3°С биофильтры любой производительности, и при среднегодовой температуре от +3 до +6°C биофильтры с производительностью до 500 м3 в сутки необходимо размещать в отапливаемых помещениях с расчетной температурой внутреннего воздуха на +20С выше температуры сточных вод и пятикратным воздухообменом в час. При производительности более 500 м3/сутки и среднегодовой температуре воздуха от +3 до +6°C биофильтры можно размещать в неотапливаемых помещениях облегченной конструкции.

При поступлении сточных вод с перерывами в течение суток строительство биофильтров в неотапливаемых помещениях или открытого типа должно обосновываться теплотехническим расчетом. При этом необходимо принимать во внимание опыт эксплуатации очистных сооружений, находящихся в данном районе или в других районах с аналогичными условиями.

Окислительную мощность биофильтра ОМ можно определить по формулам:

при работе с рециркуляцией

, (135)

без рециркуляции

, (136)

где LCM — БПК5 смеси поступающих сточных вод, мг/л;

Ld — БПКб поступающих на очистку сточных вод, мг/л;

Lt — БПК5 очищенных сточных вод, мг/л;

QcyT — суточный расход сточных вод, м3/сутки;

F — площадь фильтра, м2;

Н — высота загрузки фильтра, м;

q — расход сточных вод, л/сек;

n — коэффициент рециркуляции, определяемый по формуле (133).

При расчете биофильтров для промышленных сточных вод предприятий пищевой промышленности можно рекомендовать коэффициент скорости биохимического окисления Кс.б, указывающий на интенсивность прироста биологической пленки, определяемый по формуле

Кс.б = 21/a, (137)

где а — разность, проц., между ХПК и БПК20 сточных вод.

Низкие значения коэффициента указывают на нецелесообразность биохимических способов очистки сточных вод. Обратная величина коэффициента скорости биохимического окисления характеризует скорость прироста биологической пленки.

Коэффициент скорости биохимического окисления смеси сточных вод с различным размером загрязнений определяется по формуле

, (138)

где Q1, Q2...Qn — расходы различных по концентрации сточных вод;

а1, а2,...an — соответствующие разности, проц., между ХПК и БПК20.

Чем меньше коэффициент, тем больше интенсивность фактора прироста биологической пленки, поэтому коэффициент оказывает влияние на выбор фильтрующего материала (табл. 63).

Таблица 63. Зависимость вида загрузочного материала от коэффициента скорости биохимического окисления

Биофильтры подразделяются на капельные, высоконагружаемые, аэрофильтры, башенные.

Отличительной особенностью капельных биофильтров является небольшой диаметр фракций загрузочного материала (30— 50 мм) и высота загрузки (2 м), при этом нижний поддерживающий слой высотой 0,2 м принимается размером 60—100 мм, а также низкая нагрузка по сточной воде от 0,5 до 1,0 мг на 1 мг загрузки фильтра.

Высоконагружаемые биофильтры отличаются от капельных значительно большей гидравлической нагрузкой. Для капельных биофильтров нагрузка на 1 м2 поверхности в сутки составляет 1—2 м3 сточных вод, для высоконагружаемых — 10—30 м3 на 1 м2 поверхности в сутки, т. е. в 10—30 раз больше.

Более высокая окислительная мощность высоконагружаемых биофильтров обусловливается незаиляемостыо, лучшим обменом воздуха, что достигается благодаря более крупному загрузочному материалу и повышенной нагрузкой по воде. Значительные скорости прохода воды через загрузочный материал обеспечивают постоянный вынос трудноокисляемых примесей и отмирающей биопленки. Крупность частиц загрузки принимается размером 40—60 мм, что обеспечивает большой объем пор.

Конструктивные и эксплуатационные особенности высоконагружаемых биофильтров и их отличие от капельных следующие:

высота слоя фильтрующей загрузки доходит до 4 м. Количество загрязнений, вносимых на 1 м2 площади фильтра в сутки, зависит от высоты фильтра. При высоте его 4 м окислительная мощность составляет 2400 г 02/м2, 3м — 2200, 2,5 м — 2000, 1 м— 1800 г 02/м2;
крупность зерен доходит до 65 мм по всей высоте загрузки;
искусственная вентиляция фильтра обеспечивается особой конструкцией днища и дренажа (ограждение глухими стенами с гидрозатвором) ;
интервалы в орошении фильтра сточной водой должны быть сокращены до минимума. Нагрузка по воде должна быть повышенной и постоянной;
направление концентрированных сточных вод на фильтры недопустимо, поэтому для поддержания повышенной нагрузки по воде необходимо их разбавление условно чистыми или очищаемыми водами при помощи рециркуляции;
высоконагружаемые биофильтры могут работать на заданную степень очистки сточных вод;
применяются как для полной, так и для частичной очистки сточных вод.

Высоконагружаемые биофильтры могут быть одно- (рис. 19) и двухступенчатые.

Рис. 19. Схема одноступенчатых высоконагружаемых биофильтров: П.О. — первичный отстойник; Н.С. — насосная станция; Б — биофильтр; В.О. — вторичный отстойник, К.Б, — коигакгиый бассейн; 1,2 — возможные варианты рециркуляции очищенной жидкости, 3 — удаление избыточной биопленки; 4 — хтораторная; 5 — очищенные и обеззараженные сточные воды иа выпуск.

Применение двухступенчатых высоконагружаемых биофильтров рекомендуется при благоприятном рельефе местности и при необходимости более глубокой очистки сточных вод. Разновидностью высоконагружаемых биофильтров могут быть сооружения перемежающейся фильтрации (рис. 20).

Рис. 20. Схема двухступенчатых высоконагружаемых биофильтров с перемежающейся фильтрацией: ПО — первичный отстойник, K1, К2 — камеры переключения, ИС — насосная станция, Б — биофильтры, ВО — вторичные отстойники, КБ контактный бассейн, 1 — удаление избыточной бнопленки, 2 — хлораторная, 3 — очищенные сточные воды на выпуск

Разновидностью высоконагружаемых биофильтров являются аэрофильтры. Особенность фильтров этого типа.— большая высота (3—4 м) и принудительная вентиляция, которая может осуществляться вентиляторами низкого давления.

Материал загрузки тела аэрофильтра должен быть по возможности гладким. Аэрофильтры устраиваются двух- и трехслойные. Нижний слой рекомендуется устраивать толщиной 0,2 м из кусков загрузочного материала размером 50—70 мм, а верхний — размером 30—40 мм (рис. 21).

Рис. 21. Схема аэрофильтра: 1 — загрузка, 2 — реактивный водораспределитель, 3 — гидрозатвор

Устойчивой работы и высокого эффекта очистки на аэрофильтрах можно достичь, если сточные воды, направляемые на очистку, будут иметь БПК не более 150 мг/л. Расчет аэрофильтров можно проводить по их окислительной мощности (табл. 64).

Таблица 64. Окислительная мощность, г, кислорода на 1 м3 загрузки аэрофильтра (СНиП II-Г. 6—62)

Данные табл. 64 определены для сточных вод со среднезимней температурой +10°C. При температуре сточных вод более или менее +10оС окислительную мощность аэрофильтра необходимо увеличивать или уменьшать соответственно пропорционально отношению фактической температуры к+10°С.

Б.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Биологический фильтр (биофильтр) - сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой (биопленкой), образованной колониями микроорганизмов (рис. Б.1).

Биофильтр состоит из следующих частей:

Фильтрующей загрузки, помещенной в резервуаре круглой или прямоугольной формы в плане;

Водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра;

Дренажного устройства для удаления профильтрованной воды;

Воздухораспределительного устройства, с помощью которого поступает необходимый для окислительного процесса воздух.

Рис. Б.1.Схема биологического фильтра: 1 - подача сточных вод; 2- водораспределительное устройство; 3 - фильтрующая загрузка; 4 - дренажное устройство; 5 - профильтрованная сточная вода; 6 - воздухораспределительное устройство

Процессы окисления в биофильтре аналогичны процессам, происходящим в других сооружениях биологической очистки, и в первую очередь на полях орошения и полях фильтрации. Однако в биофильтре эти процессы протекают значительно интенсивнее.

Рис. Б.2. Схема обмена веществ в элементарном слое биофильтра: 1- анаэробный слой биопленки; 2 - аэробный слой биопленки; 3 - слой сточной воды

Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней нерастворимые примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, сорбируемые биологической пленкой. Густо заселяющие биопленку микроорганизмы окисляют органические вещества и отсюда получают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества и, в то же время, увеличивается масса активной биологической пленки в теле биофильтра.

Отработавшая и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра (рис. Б.2).

Биофильтр, как и любой другой биоокислитель, представляет собой открытую экологическую систему, ограниченную в пространстве, включающую живую (биоценоз биопленки) и неживую (конструктивная часть биофильтра, компоненты движущихся жидкой и газовой фаз) среду, обеспеченную источниками энергии и питания. Экосистема - биофильтр отличается устойчивым равновесием, т.е. способностью за счет саморегулирования возвращаться в исходное состояние по производительности и эффективности работы после отклонений от стабильного режима в результате воздействия окружающей среды и условий функционирования. Многообразие видового состава биоценозов является показателем жизнестойкости системы. Эффективность работы биофильтров зависит от многих факторов: влияния окружающей среды, состава сточных вод, режима эксплуатации, конструкции биофильтров, состава биоценозов биопленки и др.

Что такое биологический фильтр? Он имеет резервуар специальной формы, в котором очищаются сточные воды с применением биологических материалов — оболочка из разных микроорганизмов.

Во время очистительных работ происходит постоянная циркуляция воздуха благодаря температурной разнице атмосферы и очищаемой воды. Вентиляция является обязательным условием поддержания жизни – обеспечение микроорганизмов кислородом.

Классификация биофильтров

В биологических фильтрах предусмотрены разные материалы для загрузки. Выделяют:

Биофильтры с объемной нагрузкой. Они содержат горный щебень, керамзит, гальку и т.д.
Фильтры плоской нагрузки. Используются прочные пластмассы, работающие в температурном диапазоне от 6 до 30 градусов.

По используемой технологической схемы выделяют:

Фильтры с двумя ступенями очистки, которые выдают высокоочищенную воду. Их применяют при ограничении высоты устройства или при неблагоприятном климате.
Биофильтры с одной ступенью очистки.

По степени очистки биофильтры бывают:

с полной очисткой;
с неполной очисткой.

В зависимости от способа подачи воздуха биофильтры делятся:

с естественной циркуляцией воздуха;
с искусственной воздушной подачей.

Различают два режима работы биологических фильтров:

рециркуляционны — высококонцентрированная вода подается небольшими порциями для более эффективной очистки;
без рециркуляции – при низком загрязнении воды.

В зависимости от пропускной способности классифицируются на:

капельные — с малой пропускной способностью;
высоконагружаемые.

Биофильтры с объемной нагрузкой

Их принято разделять на:

Капельные, которые характеризуются малой производительностью. Зернистость тела загрузки будет 20-30 миллиметров при двухметровой высоте слоя.
Высоконагружаемые с размером загрузочного материала 40-60 миллиметров и четырехметровый слой.
Башенные биофильтры имеют большую высоту – 16 метров, а зернистостью 40-60 миллиметров.

Биофильтры с плоской загрузкой

Жесткая нагрузка обеспечивается кольцами, частями труб и подобными элементами. В бак засыпают крошку из металла, керамики или пластмассы. Их плотность доходить до 600 кг/м 3 , пористость материалов от 70%. Очищающий слой доходит до шести метров.
Жесткая нагрузка с блочной или решетчатой нагрузкой. Блоки изготавливают из асбестовых листов (плотность до 250 кг/м 3 , пористость от 80%, шесть метров загрузки) или некоторых разновидностей пластмасс (плотность от 40 до 100 кг/м 3 , пористость от 90%, фильтрующий слой до 16 метров).
Рулонная или мягкая нагрузка создается сеткой из металла, синтетическими тканями, пленкой из пластмассы. Загрузку выкладывают рулонами или закрепляют на каркас. Плотность до 60 кг/м3, пористость от 95% при высоте загрузки до 8 метров.
Биофильтры для погружения – резервуары с вогнутым днищем. Диски из пластмассы, металла или асбеста монтируются выше уровня очищаемых вод. Диски расположены 10-20 миллиметров друг от друга, их диаметр – 06-3 метра. Вал вращается с частотой до 40 мин -1 .

Засыпная и мягкая нагрузка используется при максимальном расходе 10 000 м 3 /сутки, блочная нагрузка – 50 000 м 3 /сутки. Погружные биофильтры эффективны при низких нагрузках.

Схема работы фильтра

Подача водной массы осуществляется капельным или струйным методом. Воздух проходит через дренаж фильтра или забирается с поверхности. Предварительно очищенная сточная вода с невысокой концентрацией загрязнений сама течет в распределитель, который порциями подает ее на поверхность загрузочной массы. Далее вода идет в систему дренажа, а оттуда на водные лотки за границами биологического фильтра. Во втором отстойнике удаляется биопленка.

Капельные биофильтры характеризуются низкой органической нагрузкой. Что бы вовремя очистить тело фильтра от мертвой биопленки, используют гидравлическую нагрузку.

Должно быть обеспечено равномерное орошение всей загрузки биофильтра. Это необходимо для исключения возникновения повышенной или пониженной гидравлической нагрузки.

Капельные фильтры почти невозможно регулировать под изменения внешних условий. При эксплуатации следят за показателями загрязненности и состоянием биофильтров. Очистка загрузки имеет высокую стоимость – используют полную ее замену. В биофильтр должна поступать сточная вода с количеством взвешенных частиц менее 100 мг/л.

При эксплуатации важным является аэрация фильтра. Концентрация кислорода не должна снижаться за 2 мг/л. Необходимо обеспечить периодическую очистку полости под дренажем и над днищем.

Капельный биологические фильтры плохо переносит зимой ветер. Для эффективной работы предусматривают противоветровую защиту. Неоднородная нагрузка приводит к заболачиванию фильтра, которая ликвидируется заменой загрузки. Работу нарушают и посторонние предметы в загрузочной массе и дозирующих баках.

Высоконагружаемые биофильтры

Этот тип фильтров имеет повышенный воздухообмен и, соответственно, окислительную способность. Обеспечивается повышенный обмен воздуха крупной фракцией загрузки и повышенной водонагрузки.

Очищаемые воды двигаются с большой скоростью и выносят трудноокисляемые вещества и отработанную биопленку. Кислород расходуется на оставшиеся загрязнения.

Высоконагружаемые биофильтры имеют высокий загрузочный слой, повышенную зернистость дренажа и днище особой формы для обеспечения искусственной циркуляции воздуха.

Промывка фильтра будет происходить только условиях постоянного беспрерывного и высокой подаче воды.

Высота массы загрузки прямо пропорциональна эффективности биофильтра.

В состав биологических фильтров могут входить:

тело фильтра – фильтрующая загрузка, которая расположена в резервуаре, доступном для проникновения воды. Наполнители (пластмасса, шлак, щебень, керамзит и т.д.) должны иметь низкую плотность и повышенную поверхностную площадь;
устройство для распределения воды, позволяющее равномерно орошать фильтрующую загрузку грязной водой;
дренаж;
устройство распределения воздуха – подает кислород для окислительных реакций.

Окислительные процессы в биофильтрах схожи с орошением полей или как в сооружениях биологической очистки, но интенсивнее.

Схема работы биофильтра

Загрузочная масса очищает воду от нерастворенных примесей, которые остались после пройденных отстойников. Биопленка сорбирует растворенную органику. Микроорганизмы в биопленки живут за счет окисления органических веществ. Так же часть органики идет на увеличении биомассы. Происходит два эффективных действия: уничтожение ненужной органики из воды и увеличения биологической пленки. Поток сточной воды уносит с собой омертвевшую часть пленки. Кислород подается естественным и искусственным путем с помощью вентиляции.

Расчет биофильтров

Расчет производится для поиска эффективной толщины загрузочной массы и характеристик водораспределительного устройства, фракции дренажа и диаметра лотков, отводящих воду.

Эффективный размер загрузочной массы рассчитывают по окислительной мощности – ОМ. ОМ – это масса необходимого кислорода в сутки. На нее влияет температура воды и окружающей среды, материала загрузочной массы, типа загрязнения, способа воздухообмена и т.д. Если за год средняя температура менее 3 градусов, то биофильтр переносят в более теплое помещение с возможностью обогрева и пятикратной подачей свежего.

Часто используют следующий алгоритм:

Определяют коэффициент К как произведение БПК20 входящей и выходящей воды.
Из таблиц определить высоту фильтра и допустимую гидравлическую нагрузку, зависящая от среднезимней температуры окружающей среды и К.
Общая площадь определяется делением расхода входящей воды на гидравлическую нагрузку.

Высоконагружаемые биофильтры

Для них существует точная методика расчета:

Определяется допустимая концентрация загрязнения входящей воды: табличный коэффициент К умножается на БПК вышедшей воды.
Рассчитывается коэффициент рециркуляции по специальной формуле. Он равен частному двух разностей: БПК поступающей сточной воды минус ее допустимая концентрация и допустимая концентрация минус БПК очищенной воды.
Для определения площади фильтра берется произведение объема среднесуточной подачи воды, увеличенное на 1 отношение рециркуляционного расхода к расходу сточной воды и коэффициента с пункта 2. Все нежно разделить на допустимую нагрузку и температуру.

Существуют дополнительные методы расчета биологических фильтров, которые используют сложные формулы и дают более точные результаты.

Схема вентиляции биофильтра

Как уже упоминалось выше, биофильтры имеют два способа подачи кислорода: искусственный и естественны. Вид вентиляции зависит от климатических условий и типа фильтра.

Для высоконагруженных биофильтров используют вентиляторы с низким давлением — ЭВР, ЦЧ. Аэрофильтры нуждаются в искусственной вентиляции. При монтаже биофильтра в закрытом пространстве, так же предусматривают принудительную подачу воздуха в него.

Обеспечивают постоянную циркуляцию воздуха, так как перерывы могут поднять температуру до 60 градусов и вызвать плохие запах от разложения отработанной биопленки.

Биофильтр эффективно работает при температуре выше 6 градусов. Если вода будет меньшей температуры, то следует предусмотреть подогрев подаваемой воды.

Что бы в зимнее время фильтр не переохлаждался, устанавливают противоветровую защиту в виде купольного сооружения и снижают коэффициент неравномерности подачи сточных вод. Так же вводят ограничение по подаче холодного воздуха: на квадратный метр за час должно подаваться только 20 кубических метров. В вентиляционные решетки вставляют жалюзи, экраны из тканевых материалов.

Толщина биопленки оказывает влияние на равновесие в фильтре. Большая толщина может привести к прекращению потребления кислорода и начнется гниение. Наиболее распространено в капельных фильтрах.

Ранее считалось, что естественная подача кислорода происходит только благодаря разности температур. Сегодня доказано, что на естественную вентиляцию влияют диффузные процессы во время окислительно-восстановительных реакций.