Как происходит очистка загрязненной воды в биофильтрах. Биофильтры

Биологический фильтр -- сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой, образованной колониями микроорганизмов. Биофильтр состоит из следующих основных частей:

а)фильтрующей загрузки (тело фильтра) из шлака, гравия, керамзита, щебня, пластмасс, асбестоцемента, помещенной обычно в резервуаре с водопроницаемыми или водонепроницаемыми стенками;

б)водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное с небольшими интервалами орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра;

в) дренажного устройства для удаления отфильтровавшейся воды;

г)воздухораспределительного устройства, с помощью которого поступает необходимый для окислительного процесса воздух.

Процессы окисления, происходящие 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.

Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней не растворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, абсорбируемые биологической пленкой. Густо заселяющие биопленку микроорганизмы окисляют органические вещества и отсюда черпают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как пластический 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. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород воздуха поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра.

Классификация биофильтров

Биофильтры классифицируются по различным признакам.

1. По степени очистки --на биофильтры, работающие на полную и неполную биологическую очистку. Высокопроизводительные биофильтры могут работать на полную или неполную очистку в зависимости от необходимой степени очистки. Малопроизводительные биофильтры работают только на полную очистку.

2. По способу подачи воздуха -- на биофильтры с естественной и искусственной подачей воздуха. Во втором случае они часто носят название аэрофильтров. Наибольшее применение в настоящее время имеют биофильтры с искусственной подачей воздуха.

3. По режиму работы -- на биофильтры, работающие с рециркуляцией и без нее. Если концентрация загрязнений в поступающих на биофильтр сточных водах невысока и они могут быть поданы на биофильтр в таком объеме, который достаточен для самопроизвольной его промывки, то рециркуляция стока не обязательна. При очистке концентрированных сточных вод рециркуляция желательна, а в некоторых случаях обязательна. Рециркуляция позволяет понизить концентрацию сточных вод до необходимой величины, так же как и предварительная их обработка в аэротенках -- на неполную очистку.

4. По технологической схеме -- на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые. Двухступенчатые биофильтры применяются при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки.

Иногда предусматривается переключение фильтров, т. е. периодическая эксплуатация каждого из них в качестве фильтра первой и второй ступени.

5. По пропускной способности -- на биофильтры малой пропускной способности (капельные) и большой пропускной способности (высоко-нагружаемые).

6. По конструктивным особенностям загрузочного материала -- на биофильтры с объемной загрузкой и с плоскостной загрузкой.

Биофильтры с объемной загрузкой можно подразделить на: капельные биофильтры (малой пропускной способности), имеющие крупность фракций загрузочного материала 20--30 мм и высоту слоя загрузки 1--2 м;

высоко нагружаемые биофильтры, имеющие крупность загрузочного материала 40--60 мм и высоту слоя загрузки 2--4 м;биофильтры большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60--80 мм и высоту слоя загрузки 8--16 м. Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на: биофильтры с жесткой загрузкой в виде колец, обрезков труб и других элементов. В качестве загрузки могут быть использованы керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100--600 кг/м8, пористость 70--90%, высота слоя загрузки 1--6 м;биофильтры с жесткой загрузкой в виде решеток или блоков, собранных из чередующихся плоских и гофрированных листов. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.), а также из асбестоцементных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40-- 100 кг/м3, пористость 90--97%, высота слоя загрузки 2--16 м. Плотность асбестоцементной загрузки 200--250 кг/м3, пористость 80--90%, высота слоя загрузки 2--6 м;биофильтры 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.

К биофильтрам с плоскостной загрузкой следует отнести и погружные биофильтры, представляющие собой резервуары, заполненные сточной водой и имеющие днище вогнутой формы. Вдоль резервуара несколько выше уровня сточной воды устанавливается вал с насаженными пластмассовыми, асбестоцементными или металлическими дисками диаметром 0,6--3 м. Расстояние между дисками 10--20 мм, частота вращения вала с дисками 1--40 мин-1.

Плоскостные биофильтры с засыпной и мягкой загрузкой рекомендуется применять при расходах до 10 тыс. м3/сутки, с блочной загрузкой-- до 50 тыс. м3/сутки, погружные биофильтры -- для малых расходов до 500 м3/сутки.

Союзводоканалниипроектом составлен экспериментальный проект биофильтров пропускной способностью 200--1400 м3/сутки с загрузкой из пеностекольных блоков 375X375 мм, из гофрированных листов полиэтилена размером 500X500 мм типа «сложная волна» и асбестоцементных листов размером 974X2000 мм.

Основные типы биофильтров

Капельные биофильтры. В капельном биофильтре сточная вода подается в виде капель или струй. Естественная вентиляция воздуха происходит через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Такие биофильтры имеют низкую нагрузку по воде; обычно она колеблется от 0,5 до 1 м3 воды на 1 м3 фильтра.

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, отфильтровавшаяся через толщу биофильтра, попадает в дренажную систему и далее по сплошному непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых выносимая пленка отделяется от очищенной воды.

При нагрузке по загрязнениям больше допустимой поверхность капельных биофильтров быстро заиливается, и работа их резко ухудшается.

Проектируются они круглыми или прямоугольными в плане со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним -- сплошным.

Высота между донного пространства должна быть не менее 0,6 м для возможности периодического его осмотра. Дренаж биофильтров выполняют из железобетонных плит, уложенных на бетонные опоры. Общая площадь отверстий для пропуска воды в дренажную систему должна составлять не менее 5--8% площади поверхности биофильтров. Во избежание заиливания лотков дренажной системы скорость движения воды в них должна быть не менее 0,6 м/с.

Уклон нижнего днища к сборным лоткам принимается не менее 0,01, продольный уклон сборных лотков (максимально возможный по конструктивным соображениям) -- не менее 0,005.

Стенки биофильтров выполняются из сборного железобетона и возвышаются над поверхностью загрузки на 0,5 м для уменьшения влияния ветра на распределение воды по поверхности фильтра. При наличии дешевого загрузочного материала и свободной территории небольшие биофильтры можно устраивать без стенок; фильтрующий материал в этом случае засыпается под углом естественного откоса. Наилучшими материалами для засыпки биофильтров являются щебень и галька.

Все примененные для загрузки естественные и искусственные материалы должны удовлетворять следующим требованиям: при плотности до 1000 кг/м3 загруженный материал в естественном состоянии должен выдерживать нагрузку на поперечное сечение не менее 0,1 МПа, не менее 10 циклов испытаний на морозостойкость; кипячение в течение 1 ч в 5%-ном растворе соляной кислоты; материал не должен получать заметных повреждений или уменьшаться в весе более чем на 10% первоначальной загрузки биофильтров; загрузка биофильтров по высоте должна быть одинаковой крупности, и только для нижнего поддерживающего слоя высотой 0,2 м следует применять более крупную загрузку (диаметром 60--100 мм).

Высоко нагружаемые биофильтры . В начале текущего столетия появились биофильтры, которые у нас в стране получили название аэрофильтры, а за рубежом -- биофильтры высокой нагрузки. Отличительной особенностью этих сооружений является более высокая, чем в обычных капельных биофильтрах, окислительная мощность, что обусловлено незаиляемостью таких фильтров и лучшим обменом воздуха в них. Достигается это благодаря более крупному загрузочному материалу и повышенной в несколько раз нагрузке по воде.

Повышенная скорость движения сточной воды обеспечивает постоянный вынос задержанных трудно окисляемых нерастворимых примесей и отмирающей биопленки. Поступающий в тело биофильтра кислород воздуха расходуется в основном на биологическое окисление части загрязнений, не вынесенных из тела фильтра.

В СССР конструкции аэрофильтров были предложены Н.А. Базякиной и С.Н. Строгановым и в 1929 г. построены на Кожуховской биологической станции.

Конструктивными отличиями высоко нагружаемых биофильтров являются большая высота слоя загрузки, большая крупность ее зерен и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом.

Между донное пространство должно быть закрытым, и туда подается вентиляторами воздух. На отводных трубопроводах должны быть предусмотрены гидравлические затворы глубиной 200 мм.

Особенностями эксплуатационного характера являются необходимость орошения всей поверхности биофильтра с возможно малыми перерывами в подаче воды и поддержание повышенной нагрузки по воде на 1 м2 площади поверхности фильтра (в плане). Только при этих условиях обеспечивается промывка фильтров.

Высоко нагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для частичной, так и для полной их очистки.

Как показали исследования, в одинаковых условиях (одинаковая высота и крупность загрузки, характер загрязнений, степень очистки сточных вод и т. д.) высоко нагружаемые биофильтры по сравнению с капельными имеют большую пропускную способность по объему пропускаемой через них воды, а не по количеству переработанных (окисленных) загрязнений. Повышенная же эффективность этих биофильтров по извлечению из сточных вод загрязняющих веществ достигается при увеличении высоты слоя загрузки, увеличении крупности зерен загрузки и лучшем воздухообмене.

Башенные биофильтры . Эти биофильтры имеют высоту 8--16 м и применяются для очистных станций пропускной способностью до 50 000 м3/сутки при благоприятном рельефе местности и при БПКго очищенной воды 20--25 мг/л. В отечественной практике они распространения не получили.

Вентиляция биофильтров

Естественная вентиляция в биофильтрах происходит вследствие разницы температур наружного воздуха и тела биофильтра.

Основная масса воздуха поступает в тело биофильтра через между донное пространство и сверху вместе с водой по мере ее движения в фильтре. Если температура сточных вод выше температуры воздуха, то устанавливается восходящий (от дренажа к поверхности) поток воздуха, при обратном соотношении---нисходящий; при равенстве температур вентиляция может совсем прекратиться. Интенсивность вентиляции биофильтров зависит также от высоты слоя фильтрующей загрузки, размеров ее зерен и высоты между донного пространства. Чем мельче загрузка, тем хуже условия вентиляции.

Исследования, проведенные Н.А. Базякиной, показали, что объем кислорода воздуха, используемого в биофильтрах, как и в других сооружениях биологической очистки, не превышает 7--8%.

Температура внутри биофильтра не должна быть ниже 6° С, иначе окислительный процесс практически прекращается.

В установках большой и средней пропускной способности необходимая температура поддерживается вследствие постоянного притока сточных вод, температура которых почти всегда выше 8° С. Поэтому такие фильтры обычно не требуют утепления. Небольшие фильтры, как уже отмечалось, приходится размещать в утепленных помещениях во избежание их переохлаждения, особенно в ночное время, когда приток сточной воды уменьшается.

Распределение сточных вод по биофильтрам

Надежная работа биофильтра может быть достигнута только при равномерном орошении водой его поверхности. Орошение производится распределительными устройствами, которые подразделяются на две основные группы: неподвижные и подвижные.

К неподвижным распределителям относятся дырчатые желоба или трубы и разбрызгиватели (спринклеры), к подвижным -- качающиеся желоба, движущиеся наливные колеса и вращающиеся реактивные распределители (оросители).

В отечественной и зарубежной практике наибольшее распространение получили спринклерное орошение и орошение при помощи подвижных оросителей.

Спринклерное орошение . Спринклерная система состоит из дозирующего бака, разводящей сети и спринклеров.

Спринклеры (спринклерные головки) -- специальные насадки, надетые на концы стояков, которые ответвляются от водораспределительных труб, уложенных на поверхности или в теле биофильтра. Отверстия спринклерных головок невелики -- обычно 19, 22 и 25 мм. Во избежание коррозии спринклеры изготовляют из бронзы или из латуни.

Достоинством головки этого типа является, то, что опора, к которой прикреплен отражательный обратный конус, находится в стороне от движущейся струи и не мешает ее действию.

Дозирующий бак автоматически подает воду в спринклерную сеть под постоянным напором. Продолжительность опорожнения бака (период орошения), зависящая в основном от вместимости бака и размеров выпускаемой трубы, всегда одинакова; продолжительность же наполнения бака зависит только от притока сточных вод, который колеблется в течение суток. Поэтому орошение биофильтра производится периодически, через неровные по продолжительности интервалы. Во избежание сильного охлаждения не обогреваемых биофильтров интервал между орошением не должен превышать 5--8 мин.

При большой площади биофильтры разделяются на секции с самостоятельными распределительными сетями и отдельными дозирующими баками.

В отечественной практике наибольшее распространение получил дозирующий бак с сифоном. Преимущество его перед другими состоит в том, что он совершенно не имеет движущихся частей.

Выпускная труба из дозирующего бака представляет собой сифон, верхний срез которого возвышается над дном бака. Внутри дозирующего бака расположен опрокинутый стакан, установленный на подставках и не доходящий до дна бака. К стакану в верхней его части присоединены две трубки: одна из них -- воздушная трубка -- заканчивается открытым концом в баке, другая трубка, представляющая собой вентиляционный затвор, или регулятор напора, заканчивается открытым концом, выведенным выше максимального уровня воды в баке. Кроме того, регулятор напора присоединен патрубком к главной выпускной трубе. В верхней части бака имеется переливная труба, диаметр которой принимается в соответствии с притоком воды в бак.

Действие автоматического сифона заключается в следующем. Вначале вода в баке стоит на низшем уровне А, соответствующем нижнему колену воздушной трубки. В сифоне вода в это время стоит на уровне выходного отверстия спринклеров; регулятор напора заполнен водой до уровня на котором он присоединен к стакану. По мере поступления воды горизонт ее в баке повышается, причем давление под стаканом и в отводной трубе остается равным атмосферному до тех пор, пока уровень ее не дойдет до отверстия воздушной трубки. После этого выход воздуха из-под стакана прекращается и воздушное давление в нем по мере заполнения бака начинает возрастать.

Когда горизонт воды в баке достигнет наивысшего уровня, а горизонт воды под стаканом достигнет верхнего края отводной трубы, уровень воды в регуляторе напора упадет до нижнего его колена В2, а в главном сифоне -- до уровня Б2> также почти у нижнего колена. При этом давление воздуха под стаканом, в главной трубе сифона и в регуляторе напора будет равно высоте столба воды. В следующий момент гидравлический затвор в регуляторе напора прорвется, давление под стаканом упадет до атмосферного, вследствие чего вода из бака устремится в главную трубу и будет вытекать из нее до тех пор, пока горизонт в баке не упадет до уровня А нижнего колена воздушной трубки. Как только через нее воздух проникнет под стакан, действие сифона приостановится, причем колено регулятора напора, засасывающего во время действия сифона воду из главной отводной трубы, останется заполненным водой.

Для регулирования наивысшего уровня воды в баке, при котором начинают действовать сифоны, верхнюю часть регулятора напора делают подвижной на сальниках; поднимая или опуская переливной патрубок регулятора напора, можно установить начало действия сифона как раз в тот момент, когда уровень воды под стаканом дойдет до края выпускной трубы. Отводную трубу от бака можно устраивать с гидравлическим затвором и без него. Диаметр сифона равен диаметру разводящей трубы. Внутренний диаметр колокола принимают равным двум диаметрам трубы сифона, но он может быть и больше.

По мере вытекания воды из бака радиус действия спринклера, зависящий от напора, постепенно уменьшается и таким образом орошается вся площадь круга вокруг спринклера. Для более равномерного распределения воды по орошаемой площади дозирующему баку придают такую форму, при которой площадь его горизонтальных сечений на различных уровнях пропорциональна расходу воды из бака в данный момент. Этому требованию с достаточным приближением удовлетворяет форма опрокинутой усеченной пирамиды. Площадь нижнего ее сечения назначают в зависимости от размера выходной трубы; площадь верхнего сечения (соответствующего уровню воды при максимальном напоре) определяется из указанного соотношения.

Расчет водораспределительной системы сводится к определению расхода воды из каждого разбрызгивателя (спринклера), определению необходимого их числа, диаметра разводящей сети, емкости и времени работы дозирующего бака.

Распределительную сеть укладывают или на специальные столбы, или прямо на фильтрующую загрузку на глубине 0,7--0,8 м от поверхности биофильтра. Сеть укладывают с уклоном с тем, чтобы ее можно было опорожнить в случае необходимости. В конце каждой трубы целесообразно иметь пробку, через которую можно было бы промыть трубопровод чистой водой. Спринклерные головки устанавливают обычно на 0,15 м выше поверхности загрузки фильтра.

Реактивные вращающиеся водораспределители (оросители). Вращающийся ороситель состоит из двух или четырех дырчатых труб, консольно закрепленных на общем стояке.

Вода из распределительной камеры поступает под некоторым напором в стояк, установленный на шариковых подшипниках; стояк может свободно вращаться вокруг своей вертикальной оси. Из стояка вода поступает в радиально расположенные трубы и через отверстия в них выливается на поверхность биофильтра. Под действием реактивной силы, возникающей при истечении воды из отверстий, распределитель вращается.

Такие реактивные оросители получили большое распространение за рубежом (в Англии, ФРГ и Чехословакии) и вполне себя оправдали. У нас они применяются на очистных станциях во многих городах (Харькове, Славянске, Шереметьеве, Владимире и др.).

Союзводоканалниипроектом разработаны типовые проекты вращающихся оросителей для биофильтров диаметром 15, 21, 27 и 29 м.

Для приведения в действие реактивного оросителя необходим сравнительно небольшой напор (0,2--1 м), что является одним из достоинств этого устройства. Кроме того, при реактивных оросителях отпадает необходимость в устройстве дозаторов.

Диаметр отверстий в радиально расположенных трубах обычно колеблется от 10 до 15 мм; расстояние между отверстиями увеличивается от периферии к центру, что обеспечивает более равномерное орошение биофильтра.

Биофильтры с загрузкой из пеностекла или пластмассы

Сооружения биологической фильтрации, особенно с прикрепленным биоценозом, хорошо себя зарекомендовали в работе с малыми расходами и пиковыми нагрузками по органике. Они просты, удобны, в них за короткое время (до 30 минут) происходит скоростное изъятие загрязнений. На традиционных биофильтрах в качестве фильтрующей массы применяют объемный материал: щебень, гравий, керамзит. Блочные загрузки из блоков пеностекла имеют преимущества в технологическом, конструктивном и эксплуатационном отношениях по сравнению с другими материалами. Пеностекло - это теплоизоляционный строительный материал. Он отличается механической прочностью, влаго-, паро- и газонепроницаемостью, огнестойкостью, морозостойкостью, долговечностью, устойчивостью к воздействию кислот и продуктов разложения. Площадь адсорбционной поверхности пеностекла в зависимости от величины перфорации с учетом малых и больших пор- 200 кв.м/куб.м. Пеностекло имеет чрезмерно развитую поверхность, удерживает в единице объема большое количество биопленки, чем какой-либо другой вид загрузочного материала, что способствует интенсивному изъятию загрязнений из сточных вод. Распределение сточной воды по поверхности биофильтра осуществляется с помощью реактивного оросителя. Пластмассовые загрузки используются в виде жесткой (кольца, обрезки труб и т.д.), жестко-блочной (из плоских и гофрированных листов), а также мягкой (из пластмассовых пленок) засыпки. Таким образом, загрузка обладает высокой пустотностью, большой сорбционной поверхностью и относительно малым коэффициентом сцепления биопленки с поверхностью загрузки, что создает условия для образования тонкого слоя биопленки.

Пластмассовая загрузка исключает заиливание биофильтров, значительно увеличивает объем поступающего воздуха, что способствует повышению окислительной мощности. Кроме достоинств, биофильтры обладают и рядом недостатков. Так, высокая не равномерность поступления сточных вод от малых объектов крайне отрицательно влияет на работу биофильтров и аэротенков. В биофильтрах происходит подсыхание биопленки и наблюдается не равномерность температурного режима ее работы, создаются условия, способствующие заиливанию загрузки. Во избежания этих явлений в часы минимального притока сточных вод осуществляют рециркуляцию очищенных сточных вод, что приводит к дополнительным энергозатратам на перекачку стоков.

Биодисковые фильтры

Эти сооружения предназначены для расхода сточных вод до 1000 куб.м в сутки. В качестве загрузки для биодисковых фильтров рекомендуются перфорированные диски, изготовленные из объемных синтетических материалов пониженной плотности (пенопласта, пеностекла). Современные биодисковые фильтры представляют собой многосекционную емкость, наполненную вращающейся загрузкой. Диски набирают на горизонтально расположенном валу с расстоянием между ними 15-20 мм. Диски обычно погружены в очищаемую жидкость на 0,45Д (30--45 %), иногда до 0,75Д. Диаметр дисков находится в пределах от 0,4 до 3,0 метров в зависимости от производительности установки. Принцип действия данного сооружения следующий: диски - основной компонент сооружения - находится в постоянном вращательном движении, причем их поверхность перфорации покрывается биопленкой, которая находится в прикрепленном состоянии. Биомодули, создавая обширную поверхность, обеспечивают гидродинамические условия, при которых отторгнутая биопленка продолжает работать, находясь во взвешенном состоянии. Здесь совмещается режим работы прикрепленного биоценоза и взвешенного (активного) ила. За пределами зоны очищаемой воды микроорганизмы, находясь в биопленке, получают кислород непосредственно из атмосферы. При одинаковых категориях обрабатываемых городских сточных вод и заданном эффекте очистки время аэрации в БДФ составляет 60-90 минут, а в классических аэротенках - около 6 часов. Биодисковые фильтры компактны, конструктивно просты, устойчивы к различного рода перегрузкам, имеют низкие удельные энергозатраты. Кроме того, при использовании этих фильтров практически отпадает необходимость насосной станции, так как гидравлические потери сооружений не значительны. Биодисковые фильтры - многосекционные сооружения (3-6 секций). Основная масса удаленных биоразлагаемых загрязнений приходится на первую и вторую секции БДФ. Процесс снижения аммонийного азота и нитрификации успешно протекает в третьей и последующих секциях. Удаление азота достигает 40 %, что выше, чем в классических биофильтрах и аэротенках. Однако в очищенных водах присутствуют азотистые соли (биогенные соединения), поэтому в некоторых случаях требуется доочистка. Из биодисковых фильтров биологическая пленка потока обработанной жидкости выносится во вторичный отстойник. Разделение биопленки осуществляется гравитационным способом. Вторичные отстойники рекомендуется оборудовать тонкослойными модулями.

Биофильтраторы

Компактная установка биофильтратор предназначена для малых расходов сточных вод (от 2 до 600 куб.м в сутки) и обеспечивает полную биологическую очистку от разнообразных загрязнений в широком диапазоне концентраций. Установка имеет низкие капитальные вложения и энергетические затраты. Она проста и экономична в эксплуатации, не требует специального постоянного ухода.Биофильтратор состоит из аэрационной (сорбционной) зоны и зоны осветления. В сорбционной зоне установлены вращающиеся перфорированные диски из пенопласта или подобных материалов. Диски вращаются мотор-редукторм с частотой вращения 10-15 об/мин. За счет градиента давления жидкость и отторгнутая биопленка переливаются через отверстие, устроенное в разделительной перегородке. Укрупненные хлопья активного ила из зоны осветления опускаются вниз и через отверстия подсасываются в аэрационную зону за счет кинематики течения. Таким образом, происходит постоянный обмен биомассы между зонами сорбции и осветления. Очищаемая жидкость поднимается к лотку и отводится за пределы сооружения. Для интенсификации биотехнологии в биофильтре используется струйная аэрация, что позволяет исключить механическую систему привода мотор-редуктор. Такой метод очистки применяется дла расходов сточных вод от 0,5 до 1,5 куб.м в сутки и более, с загрузкой от низких до высоких значений концентрации биоразделяемых соединений (БПК). Струйный биофильтр работает следующим образом. Сточные воды, прошедшие механическую очистку, попадают в аэрационную зону, куда также поступает смесь осветленной жидкости и циркуляционного активного ила. Эта смесь из нижней части осветляется забирается по трубопроводу насосом и через струйный аэратор шахтного типа сбрасывается в аэрационную зону биофильтра. Струя потока вводится в межсекционное пространство (Рис. 4) ниже свободной поверхности на 15-30 см и отражается от специально спланированной поверхности дна. В результате возникают интенсивные воздушные восходящие потоки, которые приводят к движению биоротора. После контакта очищаемой жидкости в аэрационной зоне смесь или и сточной воды поступает на осветление. Зона осветления разделена на три отсека. В дегазационно-отстойной зоне при низходящем потоке отделяются выносимые из аэрационной зоне пузырьки газа малых размеров. Здесь укрупненные частицы ила осаждаются на дно отстойника и возвращаются в аэрационную систему. Далее смесь поступает во вторую зону отстаивания, где происоходит основной процесс разделения твердой и жидкой фаз с образованием взвешенного слоя, углубляющего процесс биофильтрации. Из этой зоны укрупненные хлопья активного ила также поступают в камеру аэрации. В последующем отделении обеспечивается окончательная очистка сточных вод. Вторая зона отстаивания работает в режиме отстойника. Осаждающиеся хлопья активного ила по стенке емкости сползают в зону их забора насосным агрегатом. Осветленные сточные воды через сбросный лоток отводятся на обеззараживание.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В ведение

Г лава 1. Б иологические фильтры: общая характеристика и классификация

а) фильтрующей загрузки (тело фильтра) из шлака, гравия, керамзита, щебня, пластмасс, асбестоцемента, помещенной обычно в резервуаре с водопроницаемыми или водонепроницаемыми стенками;

б) водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное с небольшими интервалами орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра;

в) дренажного устройства для удаления профильтровавшейся воды;

г) воздухораспределительного устройства, с помощью которого по ступает необходимый для окислительного процесса воздух.

Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней нерастворенные 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 черпают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как пластический 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. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород воздуха поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра.

Классификация биофильтров

Биофильтры классифицируются по различным признакам.

4. По технологической схеме -- на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые. Схемы работы одноступенчатых биофильтров с рециркуляцией и без нее приведены на 4.91, а, а двухступенчатых с рециркуляцией -- на 4.91,6. Двухступенчатые биофильтры применяются при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки.

5. По пропускной способности -- на биофильтры малой пропускной способности (капельные) и большой пропускной способности (высоконагружаемые).

высоконагружаемые биофильтры, имеющие крупность загрузочного материала 40--60 мм и высоту слоя загрузки 2--4 м;

биофильтры большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60--80 мм и высоту слоя загрузки 8--16 м. Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на: биофильтры с жесткой загрузкой в виде колец, обрезков труб и других элементов. В качестве загрузки могут быть использованы керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100--600 кг/м8, пористость 70--90%, высота слоя загрузки 1--6 м;

биофильтры с жесткой загрузкой в виде решеток или блоков, собранных из чередующихся плоских и гофрированных листов. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.), а также из асбестоцементных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40-- 100 кг/м3, пористость 90--97%, высота слоя загрузки 2--16 м. Плотность асбестоцементной загрузки 200--250 кг/м3, пористость 80--90%, высота слоя загрузки 2--6 м;

биофильтры 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.

Союзводоканалниипроектом составлен экспериментальный проект биофильтров пропускной способностью 200--1400 м3/сутки с загрузкой из пеностеклянных блоков 375X375 мм, из гофрированных листов полиэтилена размером 500X500 мм типа «сложная волна» (4. 92) и асбестоцементных листов размером 974X2000 мм.

Основные типы биофильтров

Капельные биофильтры. В капельном биофильтре (4.93) сточная вода подается в виде капель или струй. Естественная вентиляция воздуха происходит через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Такие биофильтры имеют низкую нагрузку по воде; обычно она колеблется от 0,5 до 1 м3 воды на 1 м3 фильтра.

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 биофильтра, попадает в дренажную систему и далее по сплошному непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых выносимая пленка отделяется от очищенной воды.

Высота междудонного пространства должна быть не менее 0,6 м для возможности периодического его осмотра. Дренаж биофильтров выполняют из железобетонных плит, уложенных на бетонные опоры. Общая площадь отверстий для пропуска воды в дренажную систему должна составлять не менее 5--8% площади поверхности биофильтров. Во избежание заиливания лотков дренажной системы скорость движения воды в них должна быть не менее 0,6 м/с.

Высоконагружаемые биофильтры. В начале текущего столетия появились биофильтры, которые у нас в стране получили название аэрофильтры, а за рубежом -- биофильтры высокой нагрузки. Отличительной особенностью этих сооружений является более высокая, чем в обычных капельных биофильтрах, окислительная мощность, что обусловлено незаиляемостью таких фильтров и лучшим обменом воздуха в них. Достигается это благодаря более крупному загрузочному материалу и повышенной в несколько раз нагрузке по воде.

Повышенная скорость движения сточной воды 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 фильтра.

Конструктивными отличиями высоконагружаемых биофильтров являются большая высота слоя загрузки, большая крупность ее зерен и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом.

Междудонное пространство должно быть закрытым, и туда подается вентиляторами воздух. На отводных трубопроводах должны быть предусмотрены гидравлические затворы глубиной 200 мм.

Высоконагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для частичной, так и для полной их очистки.

Как показали исследования, в одинаковых условиях (одинаковая высота и крупность загрузки, характер загрязнений, степень очистки сточных вод и т. д.) высоконагружаемые биофильтры по сравнению с капельными имеют большую пропускную способность по объему пропускаемой через них воды, а не по количеству переработанных (окисленных) загрязнений. Повышенная же эффективность этих биофильтров по извлечению из сточных вод загрязняющих веществ достигается при увеличении высоты слоя загрузки, увеличении крупности зерен загрузки и лучшем воздухообмене.

Башенные биофильтры. Эти биофильтры имеют высоту 8--16 м и применяются для очистных станций пропускной способностью до 50 000 м3/сутки при благоприятном рельефе местности и при БПКго очищенной воды 20--25 мг/л. В отечественной практике они распространения не получили.

Расчет биофильтров

Капельные биофильтры. Расчет биофильтров состоит в определении необходимого объема загрузочного материала для очистки сточной воды и размеров элементов водораспределительных устройств, дренажа, лотков для сбора и отведения воды.

Объем фильтрующей загрузки определяют по окислительной мощности ОМ. Под окислительной мощностью понимается масса кислорода, выраженная в граммах БПК, которая может быть получена в сутки с 1 м3 загрузочного материала биофильтра.

Окислительная мощность биофильтра зависит от температуры сточной воды и наружного воздуха, от характера поступающих загрязнений, материала загрузки, способа подачи воздуха и др.

При иной среднегодовой температуре окислительную мощность увеличивают или уменьшают пропорционально отношению фактической температуры к 10° С.

При среднегодовой температуре воздуха до 3° С биофильтры любой пропускной способности размещаются в отапливаемых помещениях с пятикратным воздухообменом в 1 ч; температура в них должна быть на 2° выше температуры сточной воды. В таких же помещениях располагаются биофильтры пропускной способностью до 500 м3/сутки, если среднегодовая температура воздуха 3--6° С. Биофильтры большой пропускной способности в этом случае размещаются в шатрах.

Биофильтры устраивают в виде отдельных секций. Число и размеры секций зависят от способов распределения сточной воды по поверхности, условий их эксплуатации и пр.; число секций должно быть не менее 2 и не более 6--8; все секции должны быть рабочими.

Высоконагружаемые биофильтры. В результате исследований, проведенных АКХ и МИСИ (И. С. Постников, В. В. Безенов и С. В. Яковлев), разработаны достаточно точные методы расчета высоконагружаемых биофильтров.

Высоту биофильтра назначают в зависимости от местных условий и требуемой степени очистки сточных вод. Если очищенная сточная вода должна иметь БПК2о=25... 30 мг/л, высота биофильтра должна быть не менее 2 м, если БПК2о=20 мг/л -- не менее 3 м и при БПК2о= 15 мг/л -- не менее 4 м.

Приведенный метод имеет серьезные недостатки: высота биофильтра может назначаться в пределах от 2 до 4 м; отсутствует возможность проанализировать работу действующих биофильтров и рассчитать биофильтр на любую заданную степень очистки и пр.

Более точным является метод, предложенный проф. С. В. Яковлевым. Он дает возможность рассчитать биофильтр на любую пропускную способность и степень очистки.

Как известно, одновременно с процессом изъятия из сточных вод загрязняющих их веществ в теле биофильтров идет процесс окисления этих веществ. При этом, естественно, окисление идет значительно медленнее, чем изъятие загрязнений.

На основании анализа каждого процесса проф. С. В. Яковлевым предложены уравнения, характеризующие зависимость между основными факторами, обусловливающими работу биофильтров, и рекомендован графоаналитический метод расчета биофильтров.

Вентиляция биофильтров

Основная масса воздуха поступает в тело биофильтра через междудонное пространство и сверху вместе с водой по мере ее движения в фильтре. Если температура сточных вод выше температуры воздуха, то устанавливается восходящий (от дренажа к поверхности) поток воздуха, при обратном соотношении -- нисходящий; при равенстве температур вентиляция может совсем прекратиться. Интенсивность вентиляции биофильтров зависит также от высоты слоя фильтрующей загрузки, размеров ее зерен и высоты междудонного пространства. Чем мельче загрузка, тем хуже условия вентиляции.

Исследования, проведенные Н. А. Базякиной, показали, что объем кислорода воздуха, используемого в биофильтрах, как и в других сооружениях биологической очистки, не превышает 7--8%.

Распределение сточных вод по биофильтрам

Спринклерное орошение. Спринклерная система состоит из дозирующего бака, разводящей сети и спринклеров.

Дозирующий бак автоматически подает воду в спринклерную сеть под постоянным напором. Продолжительность опорожнения бака (период орошения), зависящая в основном от вместимости бака и размеров выпускаемой трубы, всегда одинакова; продолжительность же наполнения бака зависит только от притока сточных вод, который колеблется в течение суток. Поэтому орошение биофильтра производится периодически, через неровные по продолжительности интервалы. Во избежание сильного охлаждения необогреваемых биофильтров интервал между орошением не должен превышать 5--8 мин.

В отечественной практике наибольшее распространение получил дозирующий бак с сифоном (4. 97). Преимущество его перед другими состоит в том, что он совершенно не имеет движущихся частей.

Действие автоматического сифона заключается в следующем. Вначале вода в баке стоит на низшем уровне А, соответствующем нижнему колену воздушной трубки. В сифоне вода в это время стоит на уровне Б выходного отверстия спринклеров; регулятор напора заполнен водой до уровня Вь на котором он присоединен к стакану. По мере поступления воды горизонт ее в баке повышается, причем давление под стаканом и в отводной трубе остается равным атмосферному до тех пор, пока уровень ее не дойдет до отверстия воздушной трубки. После этого выход воздуха из-под стакана прекращается и воздудшое давление в нем по мере заполнения бака начинает возрастать.

Когда горизонт воды в баке достигнет наивысшего уровня, а горизонт воды под стаканом достигнет верхнего края отводной трубы, уровень воды в регуляторе напора упадет до нижнего его колена В2, а в главном сифоне -- до уровня Б2> также почти у нижнего колена. При этом давление воздуха под стаканом, в главной трубе сифона и в регуляторе напора будет равно высоте столба воды /гИзб. В следующий момент гидравлический затвор в регуляторе напора прорвется, давление под стаканом упадет до атмосферного, вследствие чего вода из бака устремится в главную трубу и будет вытекать из нее до тех пор, пока горизонт в баке не упадет до уровня А нижнего колена воздушной трубки. Как только через нее воздух проникнет под стакан, действие сифона приостановится, причем колено регулятора напора, засасывающего во время действия сифона воду из главной отводной трубы, останется заполненным водой.

Реактивные вращающиеся водораспределители (оросители). Вращающийся ороситель состоит из двух или четырех дырчатых труб, консольно закрепленных на общем стояке (4.100).

Глава 2. О чистка в биофильтрах

Биофильтры -- это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов.

В качестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и высокой удельной поверхностью: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки, металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.

Биофильтры делят на: работающие с полной и неполной биологической очисткой; с естественной и искусственной подачей воздуха; с рециркуляцией и без рециркуляции сточных вод; одноступенчатые и двухступенчатые, капельные и высоконагружаемые.

Двухступенчатые биофильтры применяются в том случае, когда невозможно увеличивать высоту биофильтра для достижения высокой степени очистки.

Башенные биофильтры применяют для очистных сооружений производительностью до 5000 м3/сут. Погружные или дисковые биофильтры работают при расходах до 500 м3/сут. Они представляют собой резервуар, в котором имеется вращающийся вал с насаженными на нем дисками. Уровень сточной воды в резервуаре устанавливают на 2-3 см ниже горизонтального вала. Размер дисков 0,6-3 м, а расстояние между ними 10-20 мм. Диски могут быть металлические, пластмассовые и асбестоцементные. Вал вращается со скоростью 1-40 об/мин.

Биотенк-биофильтр (рис. 5.72) заключен в корпус с расположенными в шахматном порядке элементами загрузки, которые представляют собой полуцилиндры диаметром 80 мм. Сточная вода поступает сверху, наполняя элементы загрузки, и через края стекает вниз. На наружных поверхностях элементов образуется биопленка, а в элементах -- биомасса, напоминающая активный ил. Насыщение воды кислородом происходит при движении жидкости. биологический фильтр аэрация сточный

Применение кислорода для аэрации сточных вод

При пневматической аэрации вместо воздуха начинают использовать технический кислород. Иногда этот процесс называют "биоосаждением". Его проводят в закрытых аппаратах, которые называются окситенками.

Разработано несколько конструкций окситенков. На практике применяют окситенки двух типов: 1) комбинированные, работающие по принципу реактора-смесителя; 2) секционные окситенки-вытеснители с отдельным вторичным отстойником. Схема секционного окситенка показана на рис. 5.73. Окситенк представляет собой герметически перекрытый прямоугольный резервуар, разделенный перегородками с отверстиями на 4-6 секций. Верхнее отверстие перегородки служит для прохода газа, нижнее -- для прохода иловой смеси. Сточная вода, циркуляционный ил, кислород входят в первую секцию.

Среднюю продолжительность пребывания сточных вод в окситенке определяют по формуле:

т = (1а-1)/, (5.34)

где КQi и Ки -- коэффициенты, учитывающие влияние соответственно концентрации растворенного кислорода и дозы активного ила; Sn -- зольность ила, доли единицы; а -- доза активного ила, г/л; р -- удельная скорость окисления, мг; ВПК юлн на 1 г беззольного вещества или за 1ч.

В зависимости от состава очищаемых сточных вод в окситенках оптимальная концентрация кислорода в воде составляет 10-12 мг/л, а доза ила -- 7-10 г/л.

Бытовые сточные воды поступают в усреднитель, а затем в отстойник. После осветления воду направляют в смеситель, где смешивают с производственной сточной водой, поступающей из отстойника. Далее смесь бытовых и промышленных вод поступает в аэротенк. После отделения активного ила во вторичном отстойнике, сточные воды обезвреживают хлором, затем сбрасывают в водоем или направляют для использования в производстве.

Осадок из отстойников поступает в метантенки. Выделяемый в процессе сбраживания газ из метантенков направляют на сжигание в котельню.

Г лава 3. А ппаратурное оформление

3.1 Биофильтр «Гринвей »

Биофильтр «Гринвей» может конструироваться с одноступенчатым септиком и в виде самостоятельного сооружения после двухступенчатого септика. На рис. 4.4 показан одноступенчатый септик с биофильтром. В нижней части биофильтра установлена ткань «Водоросль». Полиамидная ткань защищает входные отверстия на картридже биофильтра от заиливания. В картридже размещается фильтрующая загрузка. Материал и диаметр загрузки назначается по аналогии с капельным биофильтром. Можно использовать фильтрующие материалы из искусственных материалов. После септика и биофильтра эффект очистки соответствует сооружениям полной биологической очистки. При использовании двухступенчатого септика с отдельно расположенным биофильтром отмечается глубокая очистка сточных вод. Показатели загрязнений сточных вод приведены в табл. 5.6.

Рис. 5.4. Комплексное очистное сооружение «Осина»: 1, 11 - асбестоцементные трубы; 2 - пенопласт; 3 - лабиринт; 4 - пригруз; 5, 7 - полиэтиленовые трубы; 6 - перегородки; 8 - отверстие; 9 - железобетонный корпус; 10 - загрузка

Сооружение «Осина»

У сооружения «Осина» биофильтр является составной частью. Сооружение разработано в Европе и нашло применение в России. Конструкция выполнена из железобетона и состоит из двухсекционного анаэробного сооружения и биофильтра с керамзитовой загрузкой. Анаэробная очистка протекает без доступа кислорода. Подача сточной воды осуществляется под уровень воды. Первая ступень анаэробной очистки отделяется от второй перегородкой. В центре перегородки выполнено отверстие, через которое очищенная вода поступает на вторую ступень анаэробной очистки. На поверхности анаэробных сооружений формируется корка из всплывающих загрязнений, выносимых газами. Между второй септической камерой и биофильтром установлен сифон. Вода через сифон поступает на биофильтр. В биофильтре над загрузкой размещается сетка, которая препятствует всплытию керамзита. В нижней части биофильтра размещается дренаж, а выше - поддерживающий слой и далее - загрузка. Производительность установки - 800 литров в сутки. Площадь сооружения равна 2,5 м2. Установка размещается ниже и выше уровня земли. На рис. 5.4 приведена схема сооружения очистки «Осина». В табл. 5.7 приведены показатели качества очистки сточных вод.

Установка «Осина» может быть использована при последующей доочистке на полях подземной или поверхностной очистки сточных вод, но при соответствующем экологическом обосновании. Ожидать эффективной работы установки в зимний период невозможно из-за понижения температуры воды вследствие промерзания грунта. Данное сооружение нуждается в регулярном обслуживании. Авторы предлагают выгрузку осадка и замену биофильтра осуществлять один раз в 3 года, а это будет зависеть от условий эксплуатации.

3.2 Очистные сооружения «Биодиск»

Очистные сооружения «Биодиск» разработаны для численности населения 100, 350 и 1000 человек . Производительность станции очистки составляет 20, 70 и 200 м3/сут. Станция очистки располагается в утепленных укрытиях на поверхности земли. Сточная вода от жилой застройки поступает в подземную насосную станцию, где очищается от грубых загрязнений на решетке-контейнере. Вода погружными насосами подается в приемную камеру и далее - на тангенциальные песколовки, где происходит очистка от песка. Песколовки назначаются, если производительность станции превышает 100 м3 в сутки. Из песколовки сточные воды самотеком поступают в септик. Септик рассчитан на пребывание воды в течение 12…24 часов. В септике происходит очистка сточных вод от взвешенных веществ, органических и азотных загрязнений, фосфатов и СПАВ. Из септика очищенная вода через отверстия в нижней части корыта подается на «Биодиск», разделенный на пять или семь дисковых барабанов. Количество барабанов зависит от производительности станции очистки. Движение жидкости происходит поступательно, и сооружение работает как вытеснитель. Биопленка на барабанах размножается и отмирает. Отмирающая биопленка с очищенной водой выносится во вторичный отстойник. Во вторичном отстойнике биопленка оседает и периодически перекачивается с помощью погружного насоса в септик. Для удаления фосфора во вторичный отстойник вводят реагенты. Этот же насос используется во вторичном отстойнике и для рециркуляции очищенных стоков. Рециркуляция воды снижает концентрацию загрязнений, поступающих на установку «Биодиск», позволяет регулировать ее качество и подвергает денитрификации нитраты. В дневное и ночное время рециркуляция обеспечивает непрерывную работу очистных сооружений. Для доочистки сточных вод применяется биореактор, загруженный ершами. Подача воздуха к ершам осуществляется эжектором. В эжектор сточные воды подаются погружным насосом, который установлен в емкости биореактора. Регенерация ершей осуществляется интенсивной подачей воздуха. Загрязнения, формируемые в биореакторе, перекачиваются погружным насосом в септик. Очищенная вода обеззараживается на установке УФ-облучения и сбрасывается в водоем. Осадок из септика удаляется периодически один раз в 6…12 месяцев в илоупнотнитель. Вода из илоуплотнителя возвращается в септик, а осадок подогревается до температуры 70 °С, что обеспечивает разрушения яиц гельминтов и частичное удаление патогенной микрофлоры. Обработанный осадок может храниться на иловых площадках или вывозиться на свалку.

Объединение на установке «Биодиск» септика, дискового биофильтра и вторичного отстойника не является оптимальным, так как нарушается гидравлическая схема работы дисковых биофильтров малой производительности, что приводит к нарушению очистки. Работа септика зависит от расхода и концентраций загрязнений сточных вод, количества рециркулируемой воды и воздействия на воду продуктов перегнивания.

3.3 Затопленные биофильтры

Двухступенчатый затопленный биофильтр ФЗД представляет собой две ступени безнапорных фильтров, загруженных различными зернистыми загрузками.

Первая ступень биофильтра ФЗД работает в режиме затопленного биофильтра. Высота керамзитовой недробленой загрузки (диаметр загрузки 2-10 мм) составляет 2,2 м. Снизу через водяную дренажную дырчатую распределительную систему подается сточная вода, а через воздушную - воздух для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов. Воздух подается на биофильтр ФЗД от воздуходувки в количестве З м3 на 1 м3 сточных вод. Фильтруясь снизу вверх через керамзитовую загрузку с нарощенной на ней биопленкой, частично очищенные сточные воды, отражаясь от струенаправляющего устройства, через водослив переливаются в открытый гидравлический канал, соединяющий первую ступень биофильтра ФЗД со второй ступенью. Затем очищаемая жидкость по распределительному желобу, один конец которого врезан в открытый гидравлический канал, поступает на биофильтр второй ступени фильтра ФЗД, который в зависимости от вида сточных вод и требуемой глубины очистки может загружаться различными фильтрующими материалами: керамзитом, цеолитизированным туфом, активированным углем или другими фильтрующими материалами. Высота загрузки второй ступени биофильтра ФЗД - 1 м, диаметр загрузки может изменяться в широких пределах: от 0,63 до 5 мм в зависимости от требуемой степени очистки, направление фильтрации - сверху вниз. Отвод очищенной воды с биофильтра второй ступени ФЗД производится через сифон для поддержания минимального уровня воды в начале фильтроцикла. Перед второй ступенью можно вводить окислитель: хлор, озон и др. Если перед второй ступенью фильтра ФЗД окислитель не вводится, вторая ступень работает в режиме затопленного биофильтра.

Обратная водовоздушная промывка осуществляется поэтапно: на первом - продувка воздухом интенсивностью 5-7 л/(с·м2) в течение 2-3 мин, на втором - совместная подача воздуха (той же интенсивностью) и воды (интенсивностью 5-6 л/(с·м2) в течение 5 мин, на третьем - промывка интенсивностью 14-16 л/(с·м2) в течение 5 мин, для этого используется очищенная вода, хранящаяся в специальном резевуаре. Грязная вода собирается в отдельной емкости, оборудованной простейшей системой аэрации для поддержания биопленки во взвешенном состоянии. Равномерная подача промывных вод из резервуара в «голову» очистных сооружений способствует повышению эффекта отстаивания на 20-30 %. Образующийся осадок (0,2-0,4 % от объема обрабатываемой воды) представляет собой смесь сырого осадка и биопленки в соотношении примерно 4:1.

Биофильтр ФЗД (табл. 5.8) по сравнению с биофильтром «оксипор» позволяет использовать различные виды загрузок на первой и второй ступенях с различными диаметрами, применять различные виды окислителей перед второй ступенью.

Рис. 2. Затопленный безнапорный биофильтр: 1 - первая ступень биофильтра, 2 - вторая ступень биофильтра; 3 - камера; 4 - водослив; 5 - струенаправляющее устройство; 6 - распределительные желоба; 7 - трубчатый дренаж; 8 - сборный дренаж осветленной воды второй ступени; 9 - воздушный трубчатый дренаж

Затопленные биофильтры могут быть использованы при соответствующем обосновании.

3.4 Биофильтры Matala

Выпускаются шесть плотностных разновидностей материалов «Matala®» как в форме плоских листов, так и в рулонах («R-Matala®»), причем четыре из этих разновидностей предназначены для садоводства и разведения декоративных пород карпов.

По существу, такие плотностные разновидности разрабатывались для их использования в качестве комбинированных материалов по принципу «прогрессивной фильтрации«; ниже приведены увеличенные изображения этих четырех разновидностей.

В случае использования для фильтрации воды в садоводстве в отстойных или отсадочных баках более приемлемы разновидности материала «Matala®» с низкой плотностью, а для биофильтров лучше подходят другие плотностные разновидности материала «Matala®».

Данные четыре плотностные разновидности материала «Matala®» обладают особой поверхностью фильтрующего материала представлена полипропиленовыми волокнами, имеющими определенную форму и объединенными в матрицу с превосходным трехмерным распределением.

В результате, этот фильтрующий материал обладает очень большим «свободным объемом» - до 94% (у керамзита или гравия - лишь 30%), так что вода может течь по материалу очень равномерно, без завихрений и колебаний плотности потока.

Поскольку фильтрующий материал «Matala®» более стойкий, он обладает некоторыми особыми преимуществами при установке и очистке: При установке «Matala®» в фильтры не требуются сетки для дополнительной поддержки.

Резка материала очень проста. Можно использовать большой кухонный нож без зубцов или кольцевую пилу для резки на месте.

Очистка материала - работа стала существенно чище и выполняется гораздо проще и быстрее, чем очистка других губок. Вымойте на месте или сполосните грязь с материала «Matala®» путем простого опускания и поднятия его из воды.

Если материал засорен слишком большим количеством твердой взвеси или водорослей, их можно удалить струей из шланга.

В фильтрационном материале «Matala®» в складках и местах соединения волокон созданы многочисленные поровые пространства. При прохождении этих пространств водный поток замедляется, образуя идеальную среду для первичного прикрепления и роста нитрифицирующих бактерий, формирующих тонкую биопленку.

Если различные разновидности материала «Matala®» установить последовательно, то взвешенные частицы и бактериальные хлопья будут очень легко захватываться без образования засоров и анаэробных зон.

При использовании метода последовательной фильтрации материал «Matala®» можно устанавливать в многокамерных фильтрах в качестве «уплотняющего» агента. Можно заполнять и эффективно использовать всю площадь или диаметр фильтрационных камер. В системах с картриджами в виде сот следует устанавливать другие типы фильтрационного материала во избежание засорения и блокировки фильтра.

В результате при одинаковых условиях эксплуатации фильтры с материалом «Matala®» обладают большей производительностью и эффективностью по сравнению с фильтрами, в которых используются другие материалы.

З аключение

Биофильтры с капельной фильтрацией имеют низкую производительность, но обеспечивают полную очистку. Гидравлическая нагрузка их равна 0,5-3 м3/(м2-сут). Их используют для очистки вод до 1 ООО м3/сут при БПК не более 200 мг/л. Высоконагружаемые биофильтры работают при гидравлической нагрузке 10-30 м3/(м2сут), т.е. очищают в 10-15 раз больше сточной воды, чем капельные. Однако они не обеспечивают полную биологическую очистку.

Для лучшего растворения кислорода производят аэрацию. Объем воздуха, подаваемого в биофильтр, не превышает 16 м3 на 1 м3 сточной воды. При БПК 300 мг/л обязательна рециркуляция очищенной воды.

С писок использованных источников

1. Архипченко И.А., Орлова О.В., Лихачев Ю.М., Федашко М.Я. Получение высококачественных биокомпостов // Экология и промышленность России, июль 2000, с.16.

2. Багрянцев Г.И., Малахов В.М., Черников В.Е. Термическое обезвреживание и переработка промышленных отходов и бытового мусора // Экология и промышленность, март 2001 г.

3. Бикбау М.Я. Новые подходы к переработке ТБО // Экологический вестник России, декабрь 2006 г.

4. Вайсман Я.И., Рудакова Л.В., Нурисламов Г.Р. Использование биотуннелей в технологии компостирования биологических отходов // Экология и промышленность, июнь 2001 г.

5. Галицкая И.В. Экологические проблемы обращения и утилизации бытовых и промышленных отходов // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология, 2005, № 2, с. 144-147.

6. Марьин В.К., Кузнецов Ю.С., Белоусов В.В., Калашников Д.В. Технологические основы переработки отходов: Учебное пособие. - Пенза: ПГУАС, 2004. - 204с.

7. Пальгунов П.П., Сумароков М.В. Утилизация промышленных отходов. - М.: Стройиздат, 1990. - 352 с.

8. Семенов В.Н. Современный комплекс для переработки бытовых и промышленных отходов // Технология машиностроения, 2005, № 1.

9. Сметанин В.И. Защита окружающей среды от отходов производства и потребления. - М.: КолосС, 2003. - 230с.

10. Спасибожко В.В. Основы безотходной технологии: Учебное пособие. - 2-е изд. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2001. - 132с.

11. Федеральный закон 89 - ФЗ «Об отходах производства и потребления» от 24.06.98. (Собрание законодательства, 1998, №26)

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Состав сточных вод. Характеристика сточных вод различного происхождения. Основные методы очистки сточных вод. Технологическая схема и компоновка оборудования. Механический расчет первичного и вторичного отстойников. Техническая характеристика фильтра.

дипломная работа , добавлен 16.09.2015

Применение механической очистки бытовых и производственных сточных вод для удаления взвешенных веществ: решеток, песколовок и отстойников. Сооружения биологической очистки и расчет аэротенков, биофильтров, полей фильтрации и вторичных отстойников.

курсовая работа , добавлен 25.04.2012

Расчет необходимой степени очистки сточных вод по взвешенным веществам, биологического потребления кислорода и активного кислорода. Выбор технологической схемы очистки. Определение количества песка, задерживаемого в песколовке. Расчет системы аэрации.

курсовая работа , добавлен 24.06.2014

Определение концентрации загрязнений сточных вод. Оценка степени загрязнения сточных вод, поступающих от населенного пункта. Разработка схемы очистки сточных вод с последующим их сбросом в водоем. Расчет необходимых сооружений для очистки сточных вод.

курсовая работа , добавлен 09.01.2012

Эффективность процесса биохимической очистки сточных вод, концентрация активного ила. Использование технического кислорода для аэрации. Биоадсорбционный способ биологической очистки. Использование мутагенеза, штаммов и адаптированных микроорганизмов.

контрольная работа , добавлен 08.04.2015

Физико-химическая характеристика сточных вод. Механические и физико-химические методы очистки сточных вод. Сущность биохимической очистки сточных вод коксохимических производств. Обзор технологических схем биохимических установок для очистки сточных вод.

курсовая работа , добавлен 30.05.2014

Характеристика современной очистки сточных вод для удаления загрязнений, примесей и вредных веществ. Методы очистки сточных вод: механические, химические, физико-химические и биологические. Анализ процессов флотации, сорбции. Знакомство с цеолитами.

реферат , добавлен 21.11.2011

Общая характеристика проблем защиты окружающей среды. Знакомство с этапами разработки технологической схемы очистки и деминерализации сточных пластовых вод на месторождении "Дыш". Рассмотрение методов очистки сточных вод нефтедобывающих предприятий.

дипломная работа , добавлен 21.04.2016

Внедрение технологии очистки сточных вод, образующихся при производстве стеновых и облицовочных материалов. Состав сточных вод предприятия. Локальная очистка и нейтрализация сточных вод. Механические, физико-химические и химические методы очистки.

курсовая работа , добавлен 04.10.2009

Описание и принцип действия песколовок. Расчет первичных отстойников, предназначенных для предварительного осветления сточных вод. Азротенки-вытеснители для очистки сточных вод. Выбор типа вторичных отстойников, схема расчета глубины и диаметра.

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

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.

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.