Классификация биофильтров

Биофильтры могут работать на полную и неполную биологическую очистку и классифицируются по различным признакам, основным из которых является конструктивная особенность загрузочного материала. По этому признаку биофильтры делятся на биофильтры с объемной (гравий, шлак, керамзит, щебень и др.) и плоскостной (пластмассы, асбестоцемент, керамика, металл, ткани и др.) загрузкой.

Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на:

- капельные, имеющие крупность фракций загрузочного материала 20-30 мм и высоту слоя загрузки 1-2 м;

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

- большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60-80 мм и высоту слоя загрузки 8-16 м.

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

Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на:

- с жесткой засыпной загрузкой. В качестве загрузки могут использоваться керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100-600 кг/м³, пористость – 70-90 %, высота слоя загрузки – 1-6 м;

- с жесткой блочной загрузкой. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (гофрированные и плоские листы или пространственные элементы), а также из асбестоцементных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40-100 кг/м³, пористость 90-97 %, высота слоя загрузки 2-16 м; плотность асбоцементной загрузки 200-250 кг/м³, пористость 80-90 %, высота слоя загрузки 2-6 м;

- с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов. Плотность такой загрузки 5-60 кг/м³, пористость 94-99 %, высота слоя загрузки 3-8 м.

К биофильтрам с плоскостной загрузкой следует отнести и погружные фильтры (дисковые и барабанные), которые используют для очистки бытовых и производственных сточных вод при расходах до 1000 м³/сут.

Существует большое число конструкций биофильтров, которые делят на биофильтры, работающие с полной и неполной биологической очисткой; с естественной и искусственной подачей воздуха; с рециркуляцией и без рециркуляции сточных вод; на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые (рис. 6.9).

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

Биопленка выполняет такие же функции, как и активный ил. Она адсорбирует и перерабатывает органические вещества, находящиеся в сточных водах. Окислительная мощность биофильтров ниже мощности аэротенков.

Рис. 6.9. Схема установки для очистки сточных вод биофильтрами:

а – одноступенчатая; б – двухступенчатая; 1 – первичный отстойник; 2, 4 – биофильтры I и II ступеней; 3 – вторичный отстойник; 5 – третичный отстойник

На эффективность очистки сточных вод в биофильтрах влияют биохимические, массообменные, гидравлические и конструктивные параметры. Среди них следует отметить: БПК очищаемой сточной воды, природу органических загрязнений, скорость окисления, интенсивность дыхания микроорганизмов, массу веществ, абсорбируемых пленкой, толщину биопленки, интенсивность аэрации, площадь и высоту биофильтра, характеристику загрузки (размер кусков, пористость и удельную поверхность), физические свойства сточной воды, температуру процесса и гидравлическую нагрузку, интенсивность рециркуляции, равномерность распределения сточной воды по сечению загрузки, степень смачиваемости биопленки.

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 0,5…2 м³ на 1 м³ объема загрузочного материала в сутки. Капельные биофильтры рекомендуется применять при расходе сточных вод не более 1000 м³/сут. Они предназначаются для полной биологической очистки сточных вод.

Схема работы капельных биофильтров следующая. Сточная вода, осветленная в первичных отстойниках, самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, из которых 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. При нагрузке по загрязнениям больше допустимой поверхность капельных биофильтров быстро заиливается и работа их резко ухудшается.

Капельные биофильтры проектируются круглыми или прямоугольными в плане со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним – сплошным. Высота междонного пространства должна быть не менее 0,6 м для возможности его периодического осмотра. Дренаж биофильтров выполняется 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 или кирпича и возвышаются над поверхностью загрузки на 0,5 м. Наилучшими материалами для засыпки биофильтров являются щебень, гравий и галька. Все применяемые для загрузки материалы должны удовлетворять требованиям прочности и морозостойкости. Загрузка биофильтров по высоте должна быть одинаковой крупности и только для нижнего поддерживающего слоя высотой 0,2 м следует применять загрузку крупностью 70-100 мм. 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 1000 м³/сут при БПК не более 220 мг/л. Капельные биофильтры эксплуатируются в неотапливаемых помещениях.

Высоконагружаемые биофильтры. В России их называют аэрофильтрами, а за рубежом – биофильтрами высокой нагрузки. Отличительной особенностью этих сооружений является более высокая, чем в обычных капельных биофильтрах, окислительная мощность, что обусловлено меньшей заиливаемостью 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 биофильтра.

Конструктивными отличиями высоконагружаемых био-фильтров является большая высота слоя загрузки, большая крупность ее фракций и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом. В закрытое (обязательно) междонное пространство вентилятором подается 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 поверхности фильтра (в плане). Только при этих условиях обеспечивается промывка фильтров. Высоконагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для неполной, так и для полной их очистки на очистных станциях пропускной способностью до 50 тыс.м³/сут. Они работают при гидравлической нагрузке 10-30 м³/(м² ·сут). Для лучшего растворения кислорода производят аэрацию. Объем воздуха, подаваемого в биофильтр, не превышает 16 м³ на 1 м³ сточной воды.

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

Биофильтры с плоскостной загрузкой. Биофильтры с плоскостной загрузкой имеют широкое распространение, включая заводское изготовление загрузочного материала или комплекса сооружений небольшой пропускной способности. Им свойственны высокая пропускная способность сточных вод и снижение органических загрязнений, превышающее пропускную способность биофильтров с объемной загрузкой в 3-8 раз. Биофильтры с плоскостной загрузкой компактны, надежны в эксплуатации, не подвержены заилению, имеют малую энергоемкость. В качестве загрузки используются блочные, засыпные и рулонные материалы из пластических масс, металла, асбестоцемента, керамики, стекла, дерева, тканей и др. Высота слоя загрузочного материала 3-8 м, пористость 70-99 %, удельная площадь поверхности 60-250 м²/м³, плотность 10-250 кг/м³.

К биофильтрам с плоскостной загрузкой следует отнести и погружные биофильтры, которые используют для очистки бытовых и производственных сточных вод при расходах до 1000 м³/сут. Диски выполняют из пластмасс, асбоцемента или из металла; они имеют диаметр 0,6-3 м. Расстояние между дисками 10-20мм, частота вращения вала с дисками 1-10 мин^-1.

Существует биотенк-биофильтр (рис. 6.10). Он 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 край стекает вниз. На наружной поверхности элементов образуется биопленка, а в элементах – биомасса, напоминающая активный ил. Насыщение воды кислородом происходит при движении жидкости. Конструкция обеспечивает высокую производительность и эффективность очистки.

Рис. 6.10. Биотенк-биофильтр: 1 – корпус; 2 – элементы загрузки

Для удаления органических примесей и проведения процессов нитрификации, денитрификации разработана установка с кипящим слоем зернистого материала. В качестве зернистого материала служит песок, на поверхности которого культивируются микроорганизмы. Сточную воду предварительно насыщают кислородом и подают воду снизу вверх со скоростью 25-60 м/ч. В колонне образуется псевдоожиженный слой с поверхностью загрузки 3200м²/м³, что в 20 раз больше, чем в аэротенках, и в 40 раз больше, чем в биофильтрах. Процессы очистки протекают с очень высокой скоростью. Например, снижение БПК сточных вод на 85-90 % в установке достигается за 15 мин, а в аэротенке на это требуется 6-8 часов.

Расчет биофильтров. Для расчета капельных биофильтров сначала определяют коэффициент K:

,(6.18)

где L_a, L_t – БПК_полн сточных вод (поступающей и очищенной).

По среднезимней температуре сточных вод Т и значению K (табл. 6.7) определяют высоту биофильтра Н и гидравлическую нагрузку q. Если полученное значение K превышает значения, приведенные в табл. 6.7, необходимо вводить рециркуляцию и расчет производить по методике расчета высоконагружаемых биофильтров с рециркуляцией.

Таблица 6.7

Параметры для расчета капельных биофильтров

Гидравлическая нагрузка q	Значения K при среднезимней температуре сточной воды Т, оС
1,5 1,5	8,0/11,6 5,9/10,2 4,9/8,2 4,3/6,9 3,8/6,0	9,8/12,6 7,0/10,9 5,7/10,0 4,9/8,3 4,4/7,1	10,7/13,8 8,2/11,7 6,6/10,7 5,6/10,1 5,0/8,6	11,4/15,1 10,0/12,8 8,0/11,5 6,7/10,7 5,9/10,2

Примечание. Перед чертой - значения K для высоты биофильтра H = 1,5 м, после черты - для H = 2 м.

Затем по расходу очищаемых сточных вод, м³/сут, и гидравлической нагрузке, м³/(м² ·сут), вычисляют общую площадь биофильтров, м²:

. (6.19)

Биофильтры устраивают в виде отдельных секций. Число и размеры секций зависят от способов распределения сточной воды по поверхности, условий их эксплуатации и др.; число секций принимается не менее двух и не более восьми; все секции должны быть рабочими.

Высоконагружаемые биофильтры, как правило, размещают на открытом воздухе; высоту биофильтра назначают в зависимости от БПК_полн очищенной сточной воды, а гидравлическую нагрузку принимают 10-30 м³/(м² ·сут); допустимое БПК_полн поступающих нa биофильтр сточных вод 300 мг/л.

Расчет высоконагружаемых биофильтров производят в такой последовательности: по формуле (6.18) находят K;по среднезимней температуре сточной воды Т и по найденному значению K определяют высоту биофильтра Н, гидравлическую нагрузку q и расход воздуха В _уд(табл. 6.8). Если полученное значение K отличается от приведенных в табл. 6.8, следует принимать для очистки без рециркуляции Н, q и В _уд по ближайшему большему значению K,для очистки с рециркуляцией по меньшему.

При очистке без рециркуляции находят площадь биофильтров по формуле (6.19); при очистке сточных вод с рециркуляцией определяют допустимое БПК_полн смеси, поступающей и рециркуляционной сточной воды, подаваемой на биофильтр L _см , мг/л, коэффициент рециркуляции п _ри площадь биофильтров F:

, (6.20)

; (6.21)

. (6.22)

Таблица 6.8

Параметры для расчета высоконагружаемых биофильтров (аэрофильтров)

Высота биофильтра Н, м	Значения K при среднезимней температуре сточной воды, Т, оС
и гидравлической нагрузке q, м3/(м2 ·сут)
При В уд = 8 м3 на 1 м3 воды
	3,02 5,25 9,05	2,32 3,53 5,37	3,38 6,2 10,4	2,5 3,96 6,25	3,76 7,32 11,2	2,74 4,64 7,54	4,3 8,95 12,1	3,02 5,25 9,05
При В уд = 10 м3 на 1 м3 воды
	3,69 6,1 10,1	2,89 4,24 6,23	4,08 7,08 12,3	3,11 4,74 7,18	4,5 8,23 15,1	3,36 5,31 8,45	5,09 9,9 16,4	3,67 6,04
При В уд = 12 м3 на 1 м3 воды
	4,32 7,25	3,38 5,01 7,35	4,76 8,35 14,8	3,72 5,55 8,25	5,31 9,9 18,4	3,98 0,35 10,4	5,97 11,7 23,1	4,31 7,2

При расчете высоконагружаемых биофильтров для сточных вод, имеющих Т < 8 ^оС и Т > 14 ^оС:

K = 10^{αФ + β}, (6.23)

где αи β - коэффициенты, принимаемые по табл. 6.9; Ф – критериальный комплекс.

Таблица 6.9

Значения коэффициентов αи β

Удельный расход воздуха В уд, м3/м3	Критериальный комплекс Ф	α	β
	≤ 0,662 > 0,662	1,51 0,47	0,69
	≤ 0,85 > 0,85	1,2 0,4	0,13 0,83
	≤ 1,06 > 1,06	1,1 0,2	0,19 1,15

, (6.24)

где K _т - температурная константа потребления кислорода;

K _т = 0,2 × 1,047 ^{Т – 20}. (6.25)

Биофильтры с плоскостной загрузкой следует размещать в закрытом помещении. Высоту биофильтра назначают в зависимости от требуемой степени очистки. Допустимое БПК_полн поступающих сточных вод при полной биологической очистке составляет 250 мг/л, при неполной очистке - не ограничивается. Гидравлическая нагрузка зависит от необходимой степени очистки и содержания органических загрязнений в поступающей сточной воде.

Таблица 6.10

Значения критериального комплекса η при различном БПК_полн очищенных сточных вод L_t

Lt, мг/л	η	Lt, мг/л	η	Lt, мг/л	η
	3,3 2,6 2,25		1,75 1,6		1,45 1,3 1,2

Для расчета биофильтров с плоскостной загрузкой в зависимости от требуемого БПК₅ очищенных сточных вод по табл. 6.10 находят критериальный комплекс:

, (6.26)

где P - пористость загрузочного материала, %; М _п - масса органических загрязнений по БПК₅, приходящихся на единицу поверхности загрузочного материала биофильтра в 1 сут, г/(м² ·сут):

, (6.27)

где L_a - БПК₅ поступающих сточных вод, мг/л; q _п- гидравлическая нагрузка, м³/(м³ · сут); S _уд - удельная поверхность загрузочного материала, м²/м³; М _о - нагрузка по БПК₅ на 1 м³ объема биофильтра, г/(м³ · сут).

По заданной среднезимней температуре сточных вод Т подсчитывают K _т .Глубина слоя загрузки Н назначается в зависимости от требуемой степени очистки, но не менее 4 м; Р определяется конструктивными размерами плоскостной загрузки; М _пнаходят из формулы (6.26):

. (6.28)

Далее по заданному значению L_a и конструктивному размеру S _уд по формуле (6.27) определяют допустимую гидравлическую нагрузку q _п:

. (6.29)

Затем по заданному суточному расходу, м³/сут, и подсчитанной q _пвычисляют объем загрузочного материала биофильтра, число биофильтров и их конструктивные размеры.

Для расчета биофильтров с плоскостной загрузкой составлены табл. 6.11 и 6.12 (для блоков с пористостью 93-96 %; S _уд = = 90-110 м²/м³; L_а = 200-250 мг/л).

Вентилируются биофильтры естественным путем (капельные биофильтры и биофильтры с плоскостной загрузкой) или искусственной поддувкой с помощью вентиляторов (высоконагружаемые аэрофильтры).

Таблица 6.11

Допустимая гидравлическая нагрузка на биофильтры с плоскостной загрузкой

Необходимый эффект очистки, %	Гидравлическая нагрузка, м3/(м3·сут), при высоте слоя загрузки, м
и среднезимней температуре сточной воды, оС
	6,3 8,4 10,2	6,8 9,2 11,2	7,5 12,3	8,2 13,3	8,3 11,2 13,7	9,1 12,3	13,5 16,4	10,9 14,7 17,9

Таблица 6.12

Допустимая органическая нагрузка на биофильтр с плоскостной загрузкой

БПК очищенной воды, мг/л	Нагрузка по БПК, г/(м3·сут), при высоте слоя загрузки, м
и среднезимней температуре сточной воды, оС
10-12	13-15	16-20	10-12	13-15	16-20

В практике проектирования применяются биофильтры с объемной загрузкой прямоугольной формы в плане с размерами сторон 3×3; 3,6×4; 9×12, 12×12, 15×15, 12×18 м и другими, с высотой слоя загрузки 2,3; 3 и 4, а также круглой формы в плане диаметром 6, 12, 18, 24 и 30 м, с высотой слоя загрузки 2, 3 и 4 м. Биофильтры с плоскостной загрузкой имеют проектные решения на пропускную способность 200-50000 м³/сут; биофильтры имеют круглую, прямоугольную и восьмигранную форму в плане с высотой слоя загрузки 3-6 м.

Надежная работа биофильтра может быть достигнута только при равномерном орошении водой его поверхности. Орошение производится распределительными устройствами, которые подразделяются на 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). Наибольшее распространение получило спринклерное орошение.