2017-12-14
4493Биофильтры
Биологические фильтры представляют собой сооружения, в которых процесс биологической очистки сточных вод протекает в искусственно созданных условиях. Биологические фильтры бывают периодического (контактные) и непрерывного действия. Контактные биофильтры вследствие их малой пропускной способности и высокой стоимости в настоящее время не применяют. Биофильтры непрерывного действия по пропускной способности могут быть подразделены на капельные и высоконагружаемые, по способу подачи в них воздуха и те и другие могут быть с естественной и с искусственной вентиляцией (аэрофильтры).
Капельные биофильтры. Капельные— непрерывно действующие биофильтры в зарубежной практике иногда называют оросительными или перколяторными.
Непрерывно действующий капельный биофильтр состоит из следующих основных частей: непроницаемого основания, дренажа, боковых стенок, фильтрующего материала и распределительных устройств. Биофильтры могут быть в плане круглые, прямоугольные, квадратные. Поверхность капельного биофильтра орошают сверху равномерно через небольшие промежутки времени; при этом вода подается в виде капель или струй (капельные или оросительные) либо в виде тонкого слоя воды (перколяторные).
|
|
|
В отечественной практике в капельные биофильтры воздух поступает естественным путем — сверху через открытую поверхность биофильтра и снизу через дренаж. Они имеют низкие нагрузки по воде (не более 0,5—1 м3 сточной воды на 1 м3 загрузочного материала), а также меньший по сравнению с высоконагружаемыми биофильтрами размер фракций загрузки (20—40 мм).
Капельные биофильтры рекомендуется проектировать на пропускную способность не более 1000 м3/сут. Они предназначены для полной биологической очистки сточной жидкости с БПКго очищенной воды до 15 мг/л.
Проходя через фильтрующую загрузку биофильтра, загрязненная вода вследствие адсорбции оставляет в ней взвешенные и коллоидные органические вещества, не осевшие в первичных отстойниках, которые создают биопленку, густо заселенную микроорганизмами. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества и получают необходимую для своей жизнедеятельности энергию. Часть растворенных органических веществ микроорганизмы используют как пластический материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а в теле биофильтра увеличивается масса активной биологической пленки. Отработавшая и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.
Биофильтр (рис. 1) работает следующим образом. Осветленная в первичных отстойниках сточная вода самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, которые периодически напускают воду на поверхность биофильтра. Профильтрованная через толщу биофильтра вода проходит через отверстия в дырчатом дне (дренаже), поступает на сплошное непроницаемое днище, с которого стекает по отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых задерживается выносимая биопленка, отделяемая от очищенной сточной воды. Эффект очистки нормально работающих биофильтров подобного типа очень высок и может достигать по БПКго 90 % и более.
|
|
|
При расчете биофильтра определяют необходимый объем загрузочного материала для очистки поступающей сточной воды, а также рассчитывают распределительные устройства для орошения загрузки водой, дренаж и лотки, собирающие осветленную воду. В отечественной практике проектирования капельных биофильтров объем фильтрующей загрузки определяют по окислительной мощности биофильтра. Окислительная мощность— количество граммов кислорода, которое может быть получено с 1 м3 загрузочного материала в сутки для снижения биохимической потребности сточной воды. Окислительная мощность биофильтра колеблется в широких пределах, так как ее величина зависит от многих факторов: температуры сточной воды и наружного воздуха, свойств поступающей жидкости, материала загрузки, способа подачи воздуха и пр.
Рис. 1. Биофильтр 1 — распределительный слой; 2 — поддерживающий слой; 3 — бетон; 4 — дренаж; 5 — сборный лоток; 6 — подача сточной жидкости
Конструктивными отличиями являются:
1) увеличение крупности зерен загрузочного материала (40—70 мм по всей высоте загрузки); материалом может служить щебень твердых пород;
2) искусственная продувка материала загрузки воздухом, а в связи с этим изменение конструкции днища и дренажа;
3) увеличение (при необходимости) высоты слоя фильтрующей загрузки.
К эксплуатационным особенностям относятся:
1) обязательное орошение всей поверхности биофильтров поступающей водой и по возможности уменьшение длительности перерывов в подаче воды на поверхность;
2) повышение нагрузки по воде на 1м2 поверхности в целях создания естественных условий для самопроизвольной промывки фильтров;
3) разбавление в необходимых случаях поступающего стока очищенной сточной водой, т. е. введение рециркуляции.
Исследованиями установлено, что биофильтры высокой нагрузки могут обеспечить любую пропускную способность и любую степень очистки в зависимости от тех или иных конструктивных особенностей и режима их эксплуатации, которые заданы.
Конструкции биофильтров. В отечественной практике наибольшее распространение получили биофильтры прямоугольной или круглой формы. На рис. 3 представлен типовой биологический фильтр прямоугольной формы из сборного железобетона. На бетонном водонепроницаемом основании устроен дренаж, который отводит воду и обеспечивает благоприятные условия для аэрации загрузки биофильтра. Чаще всего дренаж выполняют из железобетонных плит, укладываемых на бетонные опоры.
Рис. 3. Типовой биологический фильтр прямоугольной формы со спринклерным распределением воды 1 — сборные блоки; 2 и 3 — балки и плиты перекрытия; 4 — распределительная камера; 5 — площадка обслуживания.
Рис. 4. Высоконагружаемый биофильтр из сборного железобетона 1 — бутовый фундамент; 2 —плиты дренажного перекрытия; 3 — сборные элементы стенок; 4 — сборная плита; б — вентиляционные трубы; 6 — колосниковые плиты
Материал загрузки должен иметь развитую поверхность с размерами частиц, обеспечивающими быстрое образование микробиальной пленки. В то же время загрузочный материал должен быть достаточно пористым, так как это способствует хорошей аэрации загрузки фильтра и в значительной мере предотвращает заиление фильтра. Для загрузки биофильтров рекомендуют применять щебень, гальку прочных горных пород и керамзит.
|
|
|
Высоконагружаемые биофильтры при предварительной обработке частично очищенной сточной жидкости в аэротенках и биокоатуляторах, а также высоконагружаемые биофильтры II ступени и капельные биофильтры загружают материалом крупностью 30 — 50 мм. Нижний поддерживающий слой высотой 0,2 м во всех случаях имеет крупность загрузки 60—100 мм.
Высоконагружаемые биофильтры устраивают из сборного железобетона (рис. 4). Биофильтр представляет собой цилиндрический резервуар диаметром 17 м, высотой 2,3 м. Стенки биофильтра выполнены из 48 вертикально расположенных сборных цилиндрических элементов, днище — из монолитного бетона, дренажное перекрытие — из сборных колосниковых решеток.
Надежная работа биофильтра может быть достигнута только при равномерном орошении водой его поверхности. Орошение осуществляется специальными распределительными устройствами, которые бывают неподвижными и подвижными. 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 сприн-клерное орошение и орошение с помощью подвижных оросителей.
Сприн-клерная система состоит из дозирующего бака, разводящей сети и спринклеров. Спринклеры (сприн-клерные головки) представляют собой насадки, надетые на концы вертикальных отростков, ответвляющихся от распределительных труб, проложенных на поверхности или в самом биофильтре. Отверстия сприн-клерных головок делают небольшого диаметра 18—32 мм. На рис. 5 показан один из типов насадок, применяемых в отечественной практике. Во избежание коррозии спринклеры изготовляют из бронзы или латуни.
|
|
|
Для лучшего распределения сточной воды по поверхности биофильтра и улучшения его работы сточная вода должна подаваться в спринклерную сеть периодически с небольшими интервалами. Для этой цели предусмотрен дозирующий бак, автоматически подающий воду в спринклерную сеть при его опорожнении.
Распределительную сприн-клерную сеть целесообразно проектировать так, чтобы каждую секциию биофильтра обслуживал отдельный дозирующий бак. Существуют различные конструкции автоматически действующих аппаратов (баков), например автоматы с вращающимися рукавами, цилиндрическим затвором и др. Наибольшее распространение получил дозирующий бак с сифоном, который не имеет движущихся частей.
При расчете распределительной системы определяют расход воды из разбрызгивателя (спринклера), необходимое их число, рассчитывают разводящую сеть, объем и время работы дозирующего бака. Для нормальной работы биофильтры должны быть обеспечены необходимым количеством воздуха. В капельных биофильтрах создается естественная продувка (вентиляция) за счет разницы температур наружного воздуха и тела биофильтра. Основная масса воздуха поступает в тело биофильтров через междудонное пространство и сверху вместе с водой по мере ее движения в фильтре. Если температура сточных вод выше температуры воздуха, то ток воздуха будет восходящий (от дренажа к поверхности), при обратном соотношении—нисходящий, а при равенстве температур вентиляция может вообще отсутствовать. Как показали исследования работы биофильтров, необходимое количество воздуха должно составлять 8—12 м3 на 1 м3 сточной воды.
Биофильтры высотой более 2 м должны иметь искусственную вентиляцию. В этом случае воздух нагнетается вентилятором в междудонное пространство между днищем и дренажем под давлением 100 мм вод. ст. (980 Па). В том месте отводного лотка, где вода выходит из-под фильтра, устраивают гидравлический затвор высотой 200 мм, а междудонное пространство со всех сторон закрывают. Это делается для того, чтобы нагнетаемый вентилятором воздух поступал полностью в тело фильтра и не прорывался вместе с выходящей из-под него водой.
Рис. 7. Схема устройства дискового биофильтра 1 — дисковый блок из пластин; 2 — вал; 3—привод дискового блока; 4 и 7 — подводящий и отводящий лотки; 5 — ванна; 6 — водослив
Реактивный вращающийся ороситель состоит из двух или четырех дырчатых труб, консольно закрепленных на общем стояке (рис. 6). Вода из распределительной камеры поступает под некоторым напором в стояк, установленный на шариковых подшипниках; стояк может свободно вращаться вокруг 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, ороситель вращается. Диаметр отверстий в трубах принимается 10—15 мм; расстояние между отверстиями увеличивается от периферии к центру.
В практике очистки сточных вод при расходах до 500 м3/сут находят применение погружные (дисковые) биофильтры (рис. 7). На вращающихся дисках, погруженных в сточную воду, образуется биологическая Пленка, с помощью которой осуществляется окисление сорбированных на ней органических загрязнений. Сточная вода поступает в корыто с полукруглым днищем через впускное отверстие, а отводится с противоположной стороны. Диски имеют обычно диаметр 2—3 м и вращаются со скоростью 1—40 об/мин. Расстояние между дисками 15—20 мм. Дисковые биофильтры устанавливают в виде полносборных установок заводского изготовления.
Исследованиями, проведенными в МИСИ им. В. В. Куйбышева и Одесском инженерно-строительном институте, установлено, что погружные биофильтры просты и надежны в эксплуатации и потребляют мало энергии для насыщения воды кислородом.
Расчет биофильтров
1. Определяется коэффициент К:
· без рециркуляции 
;
· с рециркуляцией 
,
где La – БПКполн исходной сточной воды, мг/л; 
– БПКполн исходной сточной воды, предельная для данной конструкции биофильтра, мг/л; Lt – БПКполн очищенной сточной воды.
2. В зависимости от типа фильтра по справочным данным (табл. 8) определяются рекомендуемые значения высоты биофильтра (Н), гидравлической нагрузки (q), удельного расхода воздуха (В), нагрузка по БПК.
3. Для биофильтров с рециркуляцией определяются БПКполн смеси исходной и рециркуляционной сточных вод, мг/л, и коэффициент рециркуляции - n:
Lсм=K×Lt;
.
4. Необходимая площадь биофильтров:
· без рециркуляции 
;
· с рециркуляцией 
,
где Q – расчетный расход сточных вод, м3/сут; q – гидравлическая нагрузка, м3/(м2сут).×
5. Максимальный часовой расход воздуха, м3/ч,
Дв.ч.= Qмах.ч.×В,
где Qмах.ч – максимально-часовой расход сточных вод, м3/ч; В – удельный расход воздуха, м3/м3.
На эти расходы должны быть подобраны типовые проекты воздуходувных станций (табл. П11).
Капельные фильтры наиболее просты по конструкции и загружаются материалами мелких фракций, имеющими развитую макропористую поверхность. Объем загрузки таких фильтров отличается повышенной концентрацией микроорганизмов.
1. БПКполн сточных вод, поступающих на капельные биофильтры, должна быть не более 220 мг/л, а при большей величине БПК следует предусматривать рециркуляцию.
2. Окислительная мощность капельного биофильтра составляет 0,15÷0,3 кг/м3сут.
3. Крупность фракции загрузочного материала составляет 25÷40 мм.
4. Высоту фильтра (Н) и гидравлическую нагрузку (q) определяют с учетом среднезимней температуры сточной воды (t °C) и вычислительного значения K (табл. 8).
Таблица 8. Параметры капельного биофильтра
| Гидрав-лическая нагрузка, м3/(м2сут)× | Значения K в зависимости от температуры сточной воды, высоты биофильтра и гидравлической нагрузки | |||||||
| t=8 °С | t=10 °С | t=12 °С | t=14 °С | |||||
| Н=1,5 м | Н=2 м | Н=1,5 м | Н=2 м | Н=1,5 м | Н=2 м | Н=1,5 м | Н=2 м | |
| 8,0 | 11,6 | 9,8 | 12,6 | 10,7 | 13,8 | 11,4 | 15,1 | |
| 1,5 | 5,9 | 10,2 | 7,0 | 10,9 | 8,2 | 11,7 | 10,0 | 12,8 |
| 4,9 | 8,2 | 5,7 | 10,0 | 6,6 | 10,7 | 8,0 | 11,5 | |
| 2,5 | 4,3 | 6,9 | 4,9 | 8,3 | 5,6 | 10,1 | 6,7 | 10,7 |
| 3,8 | 6,0 | 4,4 | 7,1 | 6,0 | 8,6 | 5,9 | 10,0 |
Высоконагружаемые биофильтры отличаются от капельных большей окислительной мощностью, равной 0,75÷2,25 кг/м3сут, обусловленной лучшим обменом воздуха и незаиляемостью загрузки. Достигается это применением загрузочного материала повышенной крупности – 40÷70 мм, увеличением рабочей высоты до 2¸4 м и гидравлической нагрузки до 10–30 м3/(м2сут).×
Высоконагружаемые биофильтры могут быть с естественной и искусственной аэрацией. Особенностью аэрофильтров является специальная конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом.
Подбор количества и диаметра аэрофильтров можно производить по табл. 9 и 10.
Таблица 9.Площадь загрузки аэрофильтров
| Количество аэрофильтров в группе | Диаметр аэрофильтров, м | ||||
| Площадь загрузки группы аэрофильтров, м2 | |||||
| – | |||||
| – | – | ||||
| – | – | ||||
| – | – |
Таблица 10. Параметры аэрофильтра
| В, м3/м2 | Н, м | Значения коэффициента К при среднезимней температуре сточной воды Т, °С | |||||||||||
| 8 °С | 10 °С | 12 °С | 14 °С | ||||||||||
| Гидравлическая нагрузка q, м3/(м2 сут) | |||||||||||||
| 3,02 | 2,32 | 2,04 | 3,38 | 2,5 | 2,18 | 3,76 | 2,74 | 2,36 | 4,3 | 3,02 | 2,56 | ||
| 5,25 | 3,53 | 2,89 | 6,2 | 3,93 | 3,22 | 7,32 | 4,64 | 3,62 | 8,95 | 5,25 | 4,09 | ||
| 9,05 | 5,17 | 4,14 | 10,4 | 6,25 | 4,73 | 11,2 | 7,54 | 5,56 | 12,1 | 9,05 | 6,51 | ||
1  0
| 3,69 | 2,89 | 2,58 | 4,07 | 3,11 | 2,76 | 4,5 | 3,36 | 2,93 | 5,09 | 3,67 | 3,16 | |
| 6,1 | 4,24 | 3,56 | 7,08 | 4,74 | 3,94 | 8,23 | 5,33 | 4,36 | 9,9 | 6,04 | 4,84 | ||
| 10,1 | 6,23 | 4,9 | 12,3 | 7,18 | 5,68 | 15,1 | 8,45 | 6,88 | 16,4 | 10,0 | 7,42 | ||
| 4,32 | 3,38 | 3,01 | 4,76 | 3,72 | 3,28 | 5,31 | 3,98 | 3,44 | 5,97 | 4,31 | 3,7 | ||
| 7,25 | 5,01 | 4,18 | 8,35 | 5,55 | 4,78 | 9,9 | 6,35 | 5,14 | 11,7 | 7,2 | 5,72 | ||
| 12,0 | 7,35 | 5,83 | 14,8 | 8,5 | 6,92 | 18,4 | 10,4 | 7,69 | 23,1 | 12,0 | 8,83 |
Биофильтры с пластмассовой загрузкой.
Пластмассовая загрузка имеет большую пористость (73¸99 %) по сравнению с загрузкой из фракционных материалов, благодаря чему обеспечивается условие обтекания биологической пленки воздухом и соответственно повышается производительность сооружений.
Наибольший технико-экономический эффект может быть получен при использовании биофильтров с пластмассовой загрузкой для неполной биологической очистки, а также при очистке сточных вод от небольших городов и промышленных предприятий. Пластмассовая загрузка может также успешно применяться при реконструкции и расширении станций очистки сточных вод с биофильтрами согласно СНИП. БПКполн 4 м и предусматривать естественную аэрацию.¸сточных вод, подаваемых на биофильтры с пластмассовой загрузкой, следует принимать не более 250 мг/л, рабочую высоту загрузки 3
При расчете биофильтров с пластмассовой загрузкой гидравлическую нагрузку и допускаемую нагрузку по БПК5 можно определять по табл. 11 и 12 в зависимости от заданной степени очистки, температуры сточной воды и высоты слоя загрузки.
Таблица 11. Допустимая нагрузка на биофильтры с пластмассовой загрузкой
| Степень очистки, % | Гидравлическая нагрузка, м3/м2сут, при высоте слоя загрузки, м | |||||||
| При среднезимней температуре сточной воды, °С | ||||||||
| 6,3 | 7,5 | 8,2 | 8,3 | 9,1 | 10,9 | |||
| 8,4 | 9,2 | 11,2 | 12,3 | 13,5 | 14,7 | |||
| 10,2 | 11,2 | 12,3 | 13,3 | 13,7 | 16,4 | 17,9 |
Таблица 12.Допустимая нагрузка по БПК5 на биофильтры с пластмассовой загрузкой.
| БПК5очищенной воды, мг/л | Нагрузка по БПК5, кг/м3сут, при высоте слоя загрузки, м | |||||
| При среднезимней температуре сточной воды 0 °С | ||||||
| 12¸10 | 15¸13 | 20¸16 | 12¸10 | 15¸13 | 20¸16 | |
| 1,15 | 1,3 | 1,55 | 1,5 | 1,75 | 2,1 | |
| 1,35 | 1,55 | 1,86 | 1,8 | 2,1 | 2,5 | |
| 1,65 | 1,85 | 2,2 | 2,1 | 2,4 | 2,9 | |
| 1,85 | 2,1 | 2,5 | 2,45 | 2,85 | 3,4 | |
| 2,15 | 2,5 | 3,0 | 2,9 | 3,2 | 4,0 |
