Фильтр биологической очистки. Биофильтры для очистки воды

Биофильтр – это обладающий биологическим воздействием реактор неподвижного слоя для очистки воздуха или воды. Главной его целью является фильтрация газообразных примесей и растворенных в очищаемом веществе субстанций, а не твердых частиц.

Идея очищать отработанный воздух биологическим путем возникла еще в семидесятые годы двадцатого века, однако впервые была применена на практике лишь в 1980 году благодаря интенсивному исследованию ученых. Основываясь на микробиологической методике, несколько лет спустя была разработана концепция модульной установки с возможностью универсального применения.

Биофильтрация представляет собой относительно простой и экономичный процесс очистки отработанного воздуха, содержащего летучие органические соединения и неприятные запахи. При этом микроорганизмы разлагают вредные и пахучие вещества в такие безобидные продукты как двуокись углерода и воду. Биофильтры используются преимущественно для очистки воздуха. Для специфичных случаев также возможна биологическая очистка сточных вод, основанная по аналогичному принципу.

Биологическая очистка отработанного воздуха использует микроорганизмы, чтобы удалять вредные вещества из воздуха путем микробиологического распада. В роли расщепителей выступают различные микроорганизмы, такие как бактерии или грибы.

Весь процесс сводится к следующему: микроорганизмы превращают вредные вещества с помощью кислорода в углекислоту и воду, а это значит, что речь идет о реакции распада материи.

Эта реакция может протекать только тогда, когда вредные вещества из газообразного состояния переходят в жидкое, так как вода составляет жизненное пространство микроорганизмов. Именно поэтому переход вредных веществ в жидкое состояние является важнейшим фактором всех биологических методов. Выживают лишь те микроорганизмы, которые могут лучшим образом приспособиться к господствующим условиям и к питательной базе. При этом всегда речь идет о смеси из различных гетеротрофных видов, которые используют вредные вещества в воздухе как источник углерода и энергии.

Виды и способы эксплуатации биофильтров

Существуют различные виды биофильтров в зависимости от способа их эксплуатации и области применения. Например:

плоский рукавный,
контейнерного типа,
для колодцев,
этажный,
сотовый,
башенный.

Но во всех типах устройств отработанный воздух проходит через какой-либо фильтрующий материал.

В некоторых случаях перед биофильтром расположена воздухопромывная камера, в которой газ приобретает относительную влажность равную почти 100%. Это должно предотвращать высыхание материала. Кроме того, при необходимости в воздухопромывной камере происходит удаление из газа твердых частиц. Насыщенный водяным паром и очищенный от пыли сырой газ поступает непосредственно в биофильтр, в котором находится фильтрующий материал. Благодаря дополнительному орошению он всегда остается влажным. Именно здесь и живут микроорганизмы. При прохождении через фильтрующий слой вещества в составе отработанного воздуха сорбируются на поверхности материала, таким образом становясь питательной базой для обитающих здесь бактерий.

Чтобы гарантировать высокую микробную активность в фильтре, должны соблюдаться оптимальные условия для жизни микроорганизмов: уровень pH, влажность, температура и регулярное поступление питательного вещества. Практика показывает, что развивающиеся в биофильтрах микробные смешанные популяции очень выносливы, если соблюдать вышеперечисленные условия.

Фильтрующий материал

К фильтрующему материалу также предъявляются определенные требования.

Он должен обладать большой специфической поверхностью и вместе с тем комфортной зоной размножения для микроорганизмов, которая:

хорошо сохраняет влажность,
допускает лишь незначительное падение давления при прохождении газа,
самостоятельно регулирует колебания величины pH,
обеспечивает равномерное прохождение через фильтрующий слой,
имеет незначительную скорость перегнивания.

Кроме того, микроорганизмы должны снабжаться неорганическими питательными веществами и микроэлементами. Следующие материалы могут использоваться в качестве фильтрующего слоя:

Компост из древесины или мусора
Вереск, хворост или волокна кокосовой пальмы
Продукты торфа
Бумажный гранулят

Дополнительно для разрыхления добавляют инертные материалы, такие как керамзит, стиропор или пенопласт. При этом фильтрующий слой является не только носителем для микроорганизмов, но и поставщиком питательных веществ.

Преимущества и недостатки биофилтрации

При эксплуатации биофильтра основная проблема заключается в предотвращении высыхания или чрезмерного увлажнения фильтрующего слоя, а, следовательно, обеспечения равномерного прохождения через него загрязненного воздуха.

Этого можно достигнуть, прежде всего, капсуляцией биофильтров. В качестве недостатков этих устройств можно отметить следующие:

большие размеры занимаемой площади
затраты на энергию для повышения давления
необходимость дополнительного орошения

Однако по сравнению с другими методиками, например, с ионизацией воздуха при помощи ионизирующих труб, постоянный биологический процесс чистки благодаря экономии CO2 и многочисленными экономическими аспектами (средние расходы на приобретение, большой срок эксплуатации, средние издержки производства) является более выгодным.

Технологические основы

Технологической основой является по существу биохимическое окисление и вместе с тем разложение и преобразование материалов бактериями, грибами и дрожжами в безвредные и не обладающие неприятными запахами субстанции.

Предпосылками является то, что вредные материалы водорастворимы, биологически разлагаемы и не токсичны для микроорганизмов.

Быстро растущая популяция микроорганизмов, обитающая на фильтрующем слое, использует содержащиеся в загрязненном воздухе летучие органические соединения для собственных обменных процессов. Распад происходит при аэробных условиях и достаточном количестве кислорода. Последнее обеспечивается его достаточным содержанием непосредственно в воздухе. Необходимо использовать насыщенный водяным паром отработанный воздух, так как материал фильтра должен быть влажным.

Области применения биофильтров

Биофильтры находят свое применение для биологической очистки воздуха в следующих сферах:
Станции по очистке сточных вод
Полигоны ТБО, заводы по переработки мусора
Предприятия по покраске поверхностей с использованием растворителей (металл, дерево, пластмассы)
Переработка продуктов питания, грибные фермы, коптильни
Маслобойные предприятия и компании солодоращения
Сельскохозяйственные установки
Биогазовые установки, переработка газа из органических отходов
Скотоводческие фермы
Заводы по производству комбикормов
Скотобойни
Установки для сушки шлама
Промышленные производственные комплексы

Биофильтрация для устранения неприятного запаха

Основная область применения устройств биологической фильтрации - это очистка воздуха от неприятного запаха. Микробиологический распад веществ, образующих неприятный запах, на углекислый газ и воду происходит при окружающей температуре, так что нет никакой необходимости задействовать дополнительную энергию и добавки. Следовательно, издержки производства при этом процессе очень незначительны. Во многих областях биофильтрация становится неотъемлемой частью технического оснащения производства.

В Европе применяются тысячи устройств биофильтрации для устранения неприятных запахов, исходящих из самых разных эмиссионных источников. Проблемы возникновения невыносимого запаха часто встречаются вблизи от очистных установок, свалок, литейных заводов, пивоварен, предприятий пищевой промышленности, мест содержания животных, заводов по переработки мусора, сельскохозяйственных предприятий и скотобоен. Биофильтрация представляет собой самый малозатратный и самый надежный метод для уничтожения неприятных запахов - степень ее эффективности достигает 99%.

Биофильтры для канализационных колодцев

Биофильтры для колодцев устанавливаются непосредственно под брызговиком в шахту колодца, тем самым предотвращая выход сильных запахов из канализации. Они содержат интегрированный брызговик и фильтрующий слой (смесь из торфа и композита для микроорганизмов). Поступающая с поверхности вода направляется в всасывающий раструб под коллектором шлама и отводится по сточной трубе. Резиновая прокладка предотвращает выход неочищенного воздуха. Современные фильтры больше не препятствуют воздушному просачиванию. Современные фильтры на бумажной основе не требуют дополнительного обслуживания и функционируют от 5 до 6 лет без постоянного контроля и ухода. Их эффективность составляет около 99%.

Применение

Предназначен для эффективного устранения неприятных запахов из коммунальной или промышленной канализации.

Действие

Микроорганизмы, находящиеся в биофильтре, нейтрализуют неприятные запахи перед выходом их наружу.

Конструкция

Конструкция из материала HDPE (High Density Poly-Ethylene) и нержавеющей стали обеспечивает прочность устройства (~ 7 лет)

Биофильтры контейнерного типа

Главной целью биофильтрации является осуществление контакта микроорганизмов с загрязнениями содержащимися в струе воздуха. Фильтрационный материал составляющий почву для выращивания микроорганизмов помещен внутри биофильтра. Во время процесса биофильтрации, струя загрязнёного воздуха проникает в биофильтр, где происходит процесс абсорбции через фильтрационный материал. В эффекте разложения возникают метаболические полупродукты в виде СО2 и Н2О.

Преимущества:

Нет никаких отходов требующих специальной обработки.
Загрязнения раскладываются на нейтральные соединения такие как: H2O, CO2 и биомассу.
Биомасса сохраняется внутри аппарата и через какой-то промежуток времени подвергается компостированию вместе с фильтрующим материалом.
Правильно запроектированные биофильтры практически не требуют никакого обслуживания.
Исключительно низкая себестоимость инвестиции, а также низкие эксплуатационные расходы по сравнению с традиционными способами очистки воздуха.

Требования к отработанному воздуху

Важнейшими предпосылками для функционирования биофильтров являются:

Соблюдение благоприятного температурного режима (+5°C - +55°C).
Орошение фильтрующего слоя для предотвращения его высыхания.
Предотвращение образования щелей и трещин в фильтрующем слое.
Очищаемые вещества должны быть водорастворимыми.
Очищаемые вещества должны быть биологически разложимыми.
Регулярное поступление питательных веществ в зону обитания микроорганизмов.

Ссылки

H.C. Flemming and J. Wingender (2010). Nature Reviews Microbiology.

Joseph S. Devinny, Marc A. Deshusses and Todd S. Webster (1999). Biofiltration for Air Pollution Control.

Hermann Bubinger, Hans-Gerd Schwinning (1992). Grundlagen und Anwendungsbeispiele der Biofiltertechnologie.

Andreas Oberhammer (1997). Verfahren zur gleichmäßigen Befeuchtung ener Filtermasse

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.

Что из себя представляет биофильтр? Это приспособление имеет ёмкость определённой формы, которая при использовании биоматериалов очищает сточные воды.

Что из себя представляет биофильтр? Это приспособление имеет ёмкость определённой формы, которая при использовании биоматериалов очищает сточные воды. Данные биоматериалы состоят из различных микроорганизмов. С помощью перепадов температуры атмосферы и очищаемой жидкости, в процессе очистительных работ осуществляется бесперебойная циркуляция воздуха. Это нужно для того, чтобы микроорганизмы в ёмкости получили кислород, который необходим им для жизни.

Разновидности биологических фильтров.

В биофильтрах существуют различные материалы, которые в них загружают. Можно выделить такие, как:

Фильтры, использующие объёмную нагрузку. В них может содержаться галька, щебень и так далее.
Технология плоской нагрузки. Производятся из крепких видов пластмассы, функционирующие в температурном спектре от 6 до 30 градусов.

По технологическим схемам разделяют:

Биофильтры с двумя этапами очистки, производящие воду высокой степени очищенности. Их обычно используют при тяжёлых погодных условиях или ограниченности высоты прибора.
Биологические фильтры с одним этапом.

По качеству очистки разделяют следующие виды:

Полная очистка.
Не полная очистка.

По типу передачи воздуха фильтры подразделяются на:

С природной подачей.
С искусственной циркуляцией воздуха.

Так же можно выделить 2 режима функционирования биофильтров:

С рециркуляцией - сильно загрязнённая жидкость подаётся небольшими объёмами для более качественной очистки.
Без рециркуляции - применяется, если вода загрязнена не очень сильно.

В зависимости от количества очищенной воды за промежуток времени выделяют:

Капельные - с небольшой проходимостью воды.
Высоконагружаемые - с возможностью очистки больших объёмов.

Биологические фильтры применяющие объёмную нагрузку подразделяются на:

Капельные. Им свойственна небольшая производительность. Если размер слоя будет 2 метра, то их загрузка составит 2-3 сантиметра.
Высоконагружаемые. При 4-ёх метровом слое их загрузка составит 4-6 сантиметра.
Башенные фильтры производятся высотой в 16 метров и имеют зернистость 4-6 сантиметров.

Все вышеперечисленные разновидности биофильтров могут быть реализованы, смонтированы и запущены нашей компанией сайт.

Фильтры использующие плоскую загрузку.

Усиленная загрузка производится элементами труб, кольцами и похожими компонентами. В резервуар закладывают металлическую или пластмассовую крошку. Слой очистки может составлять до 6 метров.

Смягчённая нагрузка производится металлической сеткой, синтетикой или пластмассовой плёнкой. Нагрузку закладывают рулонным методом или прикрепляют на корпус. Высота нагрузки составит 8 метров, а пористость не менее 95 процентов.

Биологические фильтры для погружения - ёмкости с вогнутым дном. Металлические, пластмассовые или асбестовые диски прикрепляются выше уровня очищаемой жидкости. Эти диски прикрепляются на расстояние 1-2 сантиметра друг от друга.

Схема функционирования биофильтра.

Подача воды может быть двух типов: струйным и капельным. Воздушные массы собираются с поверхности. Очищенные до этого сточные воды с низким загрязнением сами протекают в распределительное отделение, которое частями выдаёт её поверх массы загрузки. После этого, водная масса течёт в систему дренажа, затем на лотки за границами биофильтра. С другого отстойника убирается биоплёнка.

Биологические фильтры капельного типа подразумевают работу с небольшой, органической загрузкой. Для того, чтобы фильтр своевременно очищался от мертвой плёнки, производится гидравлическая загрузка.

Биофильтры капельного типа не могут быть отрегулированы под переменчивость внешних факторов. При использовании смотрят на степень загрязнённости и состояние фильтров. Намного выгоднее производить полную смену загрузки, так как её очистка стоит очень дорого. В фильтр должны заливаться сточные воды с концентрацией взвешенных частиц не более 100 миллиграмм на литр.

Очень значимым фактором при использовании является аэризация биофильтра. Количество кислорода не должно быть ниже, чем 2 миллиграмма на литр. Время от времени важно производить очистку углубления под дренажем и над дном.

Биофильтр капельного типа очень тяжело реагирует на зимние холодные ветра. Для качественной эксплуатации фильтра устанавливают защиту от ветра. Разная нагрузка ведёт за собой заболачивание биофильтра, которую можно убрать сменой загрузки. Эксплуатации фильтра так же могут вредить посторонние вещества в загрузке и дозирующих ёмкостях.

Высоконагружаемые биологические фильтры

Данному виду биофильтров характерен увеличенный воздухообмен и, следственно, окислительная мощность. Производится увеличенный воздухообмен большой фракцией загрузки и увеличенной нагрузки воды.

Очищаемые водные массы передвигаются на высокой скорости и сносят трудно-окисляемые вещества и биоплёнку. На остальное загрязнение тратится кислород.

Фильтрам с высокой нагрузкой характерен высокий слой загрузки, увеличенная зернистость дренажа и дно специального типа для того, чтобы была произведена искусственная циркуляция воздушных масс.

Промывка данного типа биофильтра может осуществляться только при бесперебойной и постоянной подаче воды.

Чем выше высота загрузки, тем эффективнее биологический фильтр и наоборот.

Устройство и функционирование фильтров

К составу биофильтров могут относиться:

Тело биофильтра - загрузка для фильтрации, которая находится в ёмкости, открытой для поступления в неё водных масс. Наполнители обязаны быть с невысокой плотностью и увеличенной площадью поверхности.
Приспособление, которое распределяет воду. Оно обеспечивает планомерное орошение загрузки неочищенной водой.
Дренаж.
Приспособление, которое распределяет воздушные массы. Производит реакции окисления с помощью кислорода. Эти реакции в биологических фильтрах похожи на орошение земельных угодий, но в более высоком темпе.

Принцип работы биологического фильтра

Загрузка производит очистку воды от не растворившихся веществ, которые прошли через отстойники. Микроорганизмы в ней существуют с помощью окисления органики. Остальные органические вещества служат для повышения биологической массы. Производится 2 эффективных процесса: в воде убиваются ненужные органические вещества и повышается биоплёнка. Массы сточной воды заберут с собой мёртвую часть биоплёнки. Вентиляция подаёт кислород двумя способами: искусственным и естественным.

Расчёт фильтров

Биофильтры капельного типа

Расчёт нужен для того, чтобы найти эффективный размер загрузки и параметров устройства водораспределения, а так же размера лотка, для отвода жидкости. Размер загрузки вычисляется по мощности окисления - ОМ. Мощность окисления - это количество обязательного кислорода в день. На неё оказывает влияние температура жидкости и воздуха, материалы загрузки, способы подачи воздуха и так далее. При среднегодовой температуре ниже трёх градусов, биологический фильтр должен быть перенесён в более обогреваемую среду с 5-кратной подачей воздуха.

Для биологических фильтров с высокой нагрузкой существует точный метод подсчёта:

Рассчитывается предельная концентрация загрязнения входящей водной массы. Далее, с помощью формул определяется коэффициент рециркуляции. Существуют методики подсчёта биофильтров, для которых используются усложнённые формулы, но которые дадут результаты высокой точности.

Вентилирование биофильтров

Как упоминалось выше по тексту, биологические фильтры имеют 2 типа передачи кислорода, естественный и искусственный. Тип вентилирования выбирают в зависимости от вида биофильтра и погодных условий.

Для фильтров с высокой нагрузкой применяют вентиляцию с невысоким давлением. Что касается аэрофильтров, то для них используют искусственное вентилирование. Установка фильтра в замкнутом пространстве подразумевает обязательную подачу воздушных масс в него.

Должна производиться постоянная циркуляция воздуха, ведь перебои могут повысить температуру до 60 градусов и вызвать появление неприятных запахов от гниения биологической плёнки.

Фильтр эффективно функционирует при температурах более шести градусов. В случаях, когда температура жидкости ниже шести градусов, нужно подогревать её перед подачей.

Для того, чтобы в холодные времена года биофильтр не замерзал, используют защиту от ветра и понижают коэффициент неравномерной подачи воды. Далее проводят ограничения по поступлению прохладного воздуха: за 60 минут на 1 кв. метр производится подача не более 20 куб. метров. Вентилируемые решётки оснащаются жалюзями, защитой из ткани.

Ширина биологической плёнки прямо влияет на равновесие в биофильтре. Чем больше ширина, тем больше вероятность, что воздушные массы перестанут поступать и начнётся процесс гниения. С этой проблемой чаще всегда сталкиваются при использовании фильтров капельного типа.

Раньше думали, что естественное поступление кислорода возможно только из-за различных температур. Но в итоге стало известно, что на него оказывает влияние процессы диффузии.

Для начала необходимо разобраться с тем, что представляет собой биологический фильтр. Итак, биофильтр – это специальных резервуар, который обеспечивает фильтрацию сточных вод посредством специального загрузочного материала, покрытого биологической пленкой, состоящей из колоний различных микроорганизмов.

Следует отметить, что непрерывная вентиляция атмосферного воздуха через загрузку фильтра возможно за счет разницы в температурах между сточными водами и воздухом. Именно так обеспечивается тот уровень концентрации кислорода, который необходим для жизнедеятельности микроорганизмов.

Какие бывают биофильтры?

Одной из важнейших составных частей биофильтра можно считать загрузочный материал. По его типу все биофильтры для очистки сточных вод можно разделить на:

1. Фильтры с объемной нагрузкой (для них характерно широкое использование щебня прочных горных пород, гальки, шлака и керамзита);

2. Фильтры с плоскостной нагрузкой (в данном случае необходимо применения пластмасс, которые способны выдерживать температуру 6-30 градусов по Цельсию, и при этом не потерять свою прочность).

Также биофильтры можно классифицировать на:

1. Двухступенчатые, которые могут обеспечить высокую степень очистки сточных труб в том случае, когда увеличить высоту устройства невозможно;

2. Биофильтры с капельным типом фильтрации. Хоть они и обладают низкой производительностью, но именно данный вид может обеспечить полную очистку вод.

Для всех биофильтров, независимо от их конструкции, характерно наличие следующих составных частей:

1. Фильтрующая нагрузка, которая также является телом фильтра. Она состоит из щебня, керамзита, гравия, шлака и пластика. Обычно она помещается в специальном резервуаре, стенки которого как водопроницаемы, так и водонепроницаемы;

2. Водораспределительное устройство, которое обеспечивает равномерность орошения сточными водами поверхности загрузки биологического фильтра;

3. Дренажное устройство, с помощью которого происходит удаление сточной воды;

4. Воздухораспределительное устройство, которое обеспечивает бесперебойное попадание в систему биофильтра потоков воздуха, с участием которого происходит окислительный процесс.

Также несколько слов необходимо сказать и о биопленке, которая способствует разложению органических веществ для их дальнейшего использования в качестве дополнительного источника энергии м питания. Омертвевшая биопленка в процессе дальнейшей эксплуатации биофильтра отслаивается, смывает протекающей сточной водой и в дальнейшем выносится из оборудования для очистки сточных вод. Для того, чтобы обеспечить загрузку биофильтра, к использованию рекомендуются материалы, характеризующиеся высокой пористостью, малой плотностью и высокой удельной поверхностью. К ним, в первую очередь, относятся щебень, шлак, керамзит, гравий, металл и различные пластиковые сетки, которые обычно скручивают в специальные рулоны. Также следует отметить, что функции биопленки идентичны функциям активного ила: она успешно адсорбирует и перерабатывает биологические вещества, находящиеся в сточных водах.

Механизм действия биофильтра

После того, как сточные вода прошли свою первичную механическую очистку в отстойнике, где удаляются тяжелые фракции загрязняющих веществ, они попадают в секцию биологической очистки. Она осуществляется следующим образом: загрязненная вода при прохождении через фильтрующую нагрузку оставляет на ней все примеси, которые не смогли образовать осадок на уровне первичного отстойника. Также на ней остаются различные коллоидные и растворенные органические вещества, которые сорбируются биологической пленкой.

Далее колонии микроорганизмов, которые питались веществами органического происхождения, получают новый источник энергии для продолжения своей жизнедеятельности. Часть органических веществ будут использованы микроорганизмами как материал для увеличения их численности. Так обеспечивается одновременно и очистка сточных вод, и рост численности микроорганизмов в колонии. Кислород, без которого невозможен данный биохимический процесс, поступает в загрузку путем естественной и искусственной вентиляции фильтра.

На эффективность очистки сточных вод с помощью биофильтра оказывают влияние следующие факторы:

Биологическая потребность в кислороде (БПК) сточной воды, которая проходит процесс очищения;
Природа загрязнения веществ;
Скорость окислительных реакций;
Интенсивность дыхания микроорганизмов;
Толщина используемой биопленки;
Состав веществ, обитающих в биопленке;
Температура сточных вод, которые проходят через биофильтр.

Капельные биофильтры

Данный вид биофильтров характеризуется тем, что сточная вода подается в виде капель или струй. Для обеспечения вентиляции воздуха предусмотрены открытая крыша фильтра для очистки сточных вод и дренаж. Такой вид биофильтров характеризуется низкой нагрузкой по воде.

Принцип работы капельных биофильтров следующий: после прохождения сточной воды через первичный отстойник, она осветляется и поступает в распределительное устройство, из которого она периодически напускается на поверхность биофильтра. Вода, профильтрованная при помощи биофильтра, попадает в дренаж, откуда вытекает к специальным отводным лоткам, расположенным за пределами устройства. После этого вода попадает во вторичные отстойники, где происходит отделение выносимой пленки от уже очищенной воды.

Следует отметить, что если сделать нагрузку на поверхность биофильтра выше допустимой, то поверхность биофильтров данного вида быстро заиливается, что приводит к ухудшению их работы. Также капельные биофильтры чаще всего проектируются круглой или прямоугольной формы, со сплошными стенками и двойным дном. Верхнее дно изготавливается в виде колосниковой решетки, а нижнее является сплошным. Расстояние между доньями равно 0,6 метров, что дает возможность специалистам периодически проводить осмотр устройства.

Высоконагружаемые биофильтры (аэрофильтры)

Главное отличие данного вида биофильтров от капельных в первую очередь состоит в повышенной окислительной мощности. Она в первую очередь обусловлена лучшим обменом воздуха и неспособностью загрузки заиливаться. Это достигается с помощью использования специального загрузочного материала с показателем крупности, равным 40-70 мм, а также увеличением высоты работы нагрузки и ее гидравлики.

Материалом загрузки чаще всего выступают антрацит, песок, сланец, пемза, обычных диаметр частиц которых колеблется от 4 до 8 миллиметров. По направлению потока сточной воды, которая подверглась обработке, биофильтры делятся на восходящие и нисходящие. Фильтрование сточных вод достигается за счет рециркуляции допустимой смеси поступающей и циркулируемой сточной воды, которая подается в биофильтр.

Для чего используется плоскостная загрузка в биофильтрах?

В первую очередь, она обеспечивает пропускную способность биофильтров, пористость которой увеличивается до 70-90 %. Следует отметить, что биофильтр с плоскостной загрузкой чаще всего устанавливают в помещении. Также многие специалисты уже давно установили, что качество очищенной воды с помощью биофильтра данного типа практически приравнивается к качеству очищенной сточной воды, которая была достигнута с помощью специальных установок, которые обеспечивают полное биологическое окисление с активным илом.

У данного метода есть один недостаток: фильтрация сточных вод происходит по причине необходимости 20-кратной рециркуляции. Это объясняется тем, что снабжение кислородом осуществляется по причине насыщения ем жидкости в период орошения загрузки биофильтра. Следует отметить, что биофильтры с плоскостной нагрузкой обладают большой производительностью и эффективностью, чем другие виды биофильтров.

Сравнение биологических очистных систем

Каждый, кто хотя бы раз сталкивался с проблемой очистки канализационных, промышленных и бытовых стоков, знаком с понятиями "биофильтр" и "аэротенк". Эти сооружения, применяемые в рамках биологических процессов очистки воды, в последние годы обрели довольно высокую популярность. Их активно применяют в частном жилом строительстве, обеспечивая автономную очистку сточных вод.

На чём основывается биологическая методика очистки сточных вод? В её основе лежит использование особого рода микроорганизмов, способных перерабатывать растворенные в воде вещества органического и неорганического происхождения в рамках процессов собственного жизнеобеспечения. В частности, эти микроорганизмы способны разрушать органические соединения (нитриты, сульфиты, сероводород), разлагая их на составные элементы - воду, ионы, двуокись углерода и пр. Не подлежащие разложению на составные компоненты вещества становятся частью биомассы. А сам процесс разрушения веществ органического происхожденияименуют биохимическим окислением. Именно способностью к окислению и определяется возможность биохимического разрушения тех или иных веществ.

Биофильтр или аэротенк - оба эти варианта сооружений биологической очистки служат одной цели - очистке сточных вод до безопасного для окружающей среды состояния, до норм ПДК.

1. Биофильтр

Биофильтр представляет собой очистные сооружения , заполненные фильтрующими элементами и снабженные определённым запасом микроорганизмов, образующих на поверхности особую пленку. Фактически, именно жизнедеятельность присутствующей в составе этого сооружения биомассы и определяет эффективность процессов очистки сточных вод.

Все биофильтры делятся на категории , согласно:

заявленному количеству степеней очистки выделяют одно- и двухступенчатные варианты;
по принципу обеспечения доступа воздуха - принудительного (искусственно вентилируемые) и с естественной вентиляцией;
степени очистки (с полной или частичной загрузкой);
типу загрузочного материала/наполнителя - с зернистым заполнением (используют керамзит, щебень, шлак, гальку, либо плоскостным - заполненным сетками, пластиковыми листами, металлическими листовыми материалами, сборными металлическими блоками (ячеистыми или решетчатыми), обрезками труб, засыпными элементами из пластика, керамики, металлов.

Все биофильтры с объёмной загрузкой можно разделить на:

капельные - мелкофракционные, с высотой засыпки в 1-2 м и размером элементов не более 30 мм;
высоконагрузочные - аэрационные, обладающие более интенсивным воздействием, оснащаемые принудительной системой вентиляции (размер фракций в этом случае достигает 60 мм, а высота загрузки - 4 м);
башенные - глубинные сооружения, высота загрузки в которых достигает 18 м при размерах фракций до 80 мм.

Помимо этого, существует категория погружных биофильтров, позволяющих обеспечить локальную фильтрацию стоков по месту требования. Они представляют собой барабанные или винтовые конструкции с покрытием из биопленки, обеспечивающей необходимый уровень содержания микроорганизмов в ходе очистки.

2. Аэротенк

Представляет собой аэрируемые очистные сооружения из стеклопластика или железобетона, процесс очистки стоков в которых производится за счёт смешивания активных иловых биомасс с аэрированными (насыщенными кислородом) сточными водами.

Аэротенки могут обеспечивать различный уровень очистки воды - от частичного (с удалением элементов, вызывающих загнивание и очищением до уровня разложения стоков на воду, нитраты и другие компоненты) до полного, обеспечивающего глубокую биологическую очистку воды .

Аэротенки оснащаются различными аэрационными приспособлениями - пневматическими, механическим, смешанными, обеспечивающими насыщение сточных масс кислородом, необходимым для эффективной их очистки.

Аэротенк может вводить стоки по принципу проточного или полупроточного поступления, контактным путём или на основании переменной рабочей подачи.

Существуют варианты с разным количеством ступеней очистки - обычно не более двух.

Помимо этого, они могут иметь различную нагрузку на активную биомассу и подразделяются на подвиды согласно выбранному гидродинамическому режиму :

вытесняющие,
смесительные,
с рассредоточенным выпуском.

Что выбрать?

Биофильтры и аэротенки - идеальное решение для почв, в составе которых преобладает глина, либо на участках с высоким уровнем грунтовых вод. Фактически, это высокотехнологичные разработки, ориентированные на максимально глубокую очистку стоков - в пределах 60 - 98% .

Если говорить о сравнении биофильтра или аэротенка, то всё зависит от того, каковы будут условия эксплуатации очистных сооружений. Если на участке нужна простая и энергонезависимая система очистки - стоит отдать предпочтение биофильтрам. Если же основной упор делается на качество - стоит выбрать аэротенк, способный обеспечить наиболее высокий уровень очистки стоков, но требующий постоянного доступа к электропитанию и требующий поддержания определённого уровня влажности в системе.

Argel