Физико-химические методы защиты биосферы. Очистка фильтрационных вод
.pdf• высоконагружаемые, с крупностью фракций загрузочного материала 40-60 мм и высотой слоя загрузки 2-4 м;
• башенные, с крупностью |
фракций загрузочного материала 60- |
80 мм и высотой слоя загрузки 8-16 |
м. |
Капельные биофильтры можно рекомендовать для очистки сточных вод до 1000 м3/сут, высоконагружаемые и башенные - при расходе до 3050 тыс. м3/сут.
В качестве загрузочного материала в биофильтрах с объемной за грузкой используют щебень, гравий, шлак, керамзит и другие материалы плотностью 500-1500 кг/ м3 и пористостью 40-50 %. Капельные био фильтры применяются для полной биологической очистки сточных вод до БПКполн 15 мг/л.
Биофильтры с плоскостной загрузкой можно разделить по типу за грузки:
• жесткая засыпная в виде колец, других элементов, выполненных из пластмассы, металла, керамических материалов, пеностекла и др.;
• жесткая блочная загрузка в виде решеток или блоков, собранных из чередующихся плоских или гофрированных листов. Могут быть ис пользованы полимерные материалы: полиэтилен, поливинилхлорид, поли пропилен, полистирол;
• мягкая из металлических сеток, полимерных пленок или синтети ческих тканей (капрон, нейлон), которые закрепляют на специальных кар касах или укладывают в виде рулонов.
Биофильтры с жесткой засыпной и мягкой загрузкой рекомендуется применять при расходах сточных вод до 10 тыс. м3/сут.
Основными технологическими характеристиками работы биофильт ра являются гидравлическая нагрузка Се), выражаемая в м3 сточной воды, подаваемой в сутки на 1 м3 или 1 м2 загрузки (м3/(м3-сут) или м3/(м2-сут)) и окислительная мощность (ОМ) биофильтра - количество кислорода, вы деляемое в сутки единицей объема загрузки (г 02/(м3-сут)). ОМ можно рас
считать по формуле |
|
|
|
ОМ = (БПКисх EnK04mu)g |
’ |
( 6 I) |
|
у |
|
\ ) |
|
где БПКИСХ и БГЖонищ - БПК исходной |
и очищенной сточной |
воды, |
|
г 0 2/м3; |
|
|
|
G - производительность сооружений, м3/сут;
V- объем загрузки биофильтра, м3
На эффективность очистки воды в биофильтрах влияет состав сточ ных вод и температура. Сточная вода, подаваемая на биофильтры, должна содержать биоразлагаемые органические примеси, для предотвращения быстрого заиливания загрузки БПК воды не должно превышать 200 мг О2/Л, содержание взвешенных веществ - не более 20 мг/л, нефте продуктов - не более 10 мг/л. Фильтр эффективно работает при температу рах не ниже 10 °С, поэтому при непрерывной работе биофильтра их необ ходимо размещать в отапливаемых помещениях.
Для очистки фильтрационных вод (производительность очистных сооружений до 100 м /сут) экономически целесообразно использовать биофильтры с засыпной объемной загрузкой, работающие в режиме ка пельного биофильтра.
Остановимся более подробно на устройстве и условиях эксплуата ции капельных биофильтров. Капельный биофильтр представляет собой прямоугольную железобетонную емкость высотой до 2 м, заполненную за грузочным материалом и снабженную дренажной системой для отвода очищенной сточной воды. Подача сточной воды осуществляется на по верхность фильтра через водораспределительную систему спринклерного типа. Вода, обогащенная кислородом воздуха, поступает в слой загрузоч ного материала и, проходя через слой загрузки, очищается. Конструкция биофильтра с естественной подачей воздуха (капельного биофильтра) по казана на рис. 6.1.
|
Капельные, а также вы- |
|||||
|
соконагружаемые |
биофильтры |
||||
|
широко применяются для био |
|||||
|
логической очистки |
хозяйст |
||||
|
венно-бытовых сточных вод |
|||||
|
при наличии |
местного загру |
||||
|
зочного материала |
(керамзит, |
||||
Рис. 6.1. Капельный биофильтр: 1 - корпус био |
гравий и т.п.). |
|
|
|
||
Капельные |
биофильтры |
|||||
фильтра, 2 - подача сточной воды через |
работают |
при |
гидравлической |
|||
спринклерные устройства, 3 - отвод очищенной |
||||||
нагрузке |
1-3 |
м3/(м-сут) и вы |
||||
воды по дренажной системе |
соте слоя загрузки 1-2 м.
Для стабильной и эффективной работы биофильтров требуется пред варительное образование на поверхности загрузочных материалов био пленки, рост которой успешно протекает при температуре 17-18 °С, по этому пуск биофильтров в эксплуатацию осуществляется в теплое время года. Период формирования биопленки и адаптации микроорганизмов к примесям сточных вод может длиться до 1 месяца. В качестве дополни тельного источника микрофлоры для сокращения периода адаптации мик-
роорганизмов можно использовать активный ил городских очистных со оружений. О «созревании» биопленки можно судить по снижению содер жания ионов аммония и увеличению нитрат-ионов в очищенной воде.
Биофильтры используют как в качестве основного метода очистки сточных вод от биоразлагаемых органических соединений, так и для до очистки сточных вод. Для предотвращения быстрого заиливания био фильтра сточные воды должны подвергаться предварительной очистке от взвешенных соединений механическими методами или коагуляцией.
Технологический расчет капельного биофильтра. В настоящее время в отечественной практике очистки сточных вод используются раз личные методы расчета капельных биофильтров. Наиболее часто приме няются методика, разработанная в Московском строительном университе те и АКХ им. Памфилова, и методика определения основных параметров биофильтра по его окислительной мощности.
I. Расчет капельных биофильтров по методике, разработанной в Московском строительном университете и АКХ им. Памфилова.
Капельные биофильтры рассчитывают в следующем порядке: 1. Определяют коэффициент очистки:
где L\,L2 - ВПК поступающих и очищенных сточных вод, г/м3
2.Определяют высоту фильтра Н и гидравлическую нагрузку по
среднезимней температуре сточных вод и найденному |
значению К |
|||||||
(табл. 6.1). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6.1 |
|
|
Параметры для расчета капельных биофильтров |
|
|
|||||
Гидравли- |
Значение К при среднезимней температуре сточной воды Т, °С |
|||||||
ческая на- |
|
8 |
10 |
|
|
12 |
|
14 |
грузка g, |
|
|
Высота био(;жльтра Я, м |
|
2 |
|||
м /(м-сут) |
1,5 |
2 |
1,5 |
2 |
1,5 |
2 |
1,5 |
|
1 |
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 |
П,7 |
10,0 |
12,8 |
2 |
4,9 |
8,2 |
5,7 |
10,0 |
5,6 |
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 |
3,8 |
6,0 |
4,4 |
7,1 |
5,0 |
8,6 |
5,9 |
10,2 |
3.Определяют общую площадь биофильтра (м2):
II. Расчет биофильтра по его окислительной мощности.
Объем загрузочного материала V определяют по уравнению
(6.2)
ОМ
Окислительная мощность фильтра зависит от температуры процесса очистки.
Полезную площадь биофильтра определяют по формуле
(6.3)
где Я - высота биофильтра, м.
Зная полезную площадь биофильтра, рассчитывают число необходи мых типовых фильтров.
Окислительная мощность биофильтров в зависимости от состава, концентрации сточных вод и гидравлической нагрузки может составлять ОТ 0,3 ДО 1,0 КГ с>2/(м3-сут).
6.2.Закономерности очистки сточных вод
вбиосорбционных фильтрах
Внастоящее время в практике очистки сточных вод наряду с био фильтрами применяют биосорбционные фильтры. В отличие от биофильт ров в качестве загрузочных материалов биосорбционных фильтров приме няют материалы с развитой пористой структурой, например углеродные сорбенты. Применение сорбентов в биофильтре, в котором обычно в каче стве загрузки используются инертные материалы с неразвитой поверхно стью (полимерные материалы, гравий и др.), позволяет значительно интен сифицировать процесс очистки.
Закономерности очистки сточных вод в биосорбционных аппаратах исследованы в НИИВОДГЕО (В.Н Швецов, С.В. Яковлев, И.В. Скирдов), Воронежском техническом университете, ПГТУ и др.
Вбиосорбционных процессах одновременно происходит сорбция ор ганических примесей на поверхности и в порах загрузки, формирование биопленки и биохимическое окисление сорбированных органических при
месей. Преимуществом использования биосорбционных фильтров является простота их конструкции и условий эксплуатации. Применяя в качестве фильтрующих материалов отходы различных производств, обладающие сорбционными свойствами, можно значительно снизить себестоимость очистки ФВ.
На поверхности углеродсодержащих материалов при очистке сточ ных вод, содержащих биологически окисляемые примеси, образуется био пленка, представляющая собой биоценоз, на 80-90 % состоящий из бакте риальных клеток, адаптированных к имеющимся органическим примесям.
Углеродные материалы способны адсорбировать на своей поверхно сти кислород и катализировать окислительные процессы, поэтому при биосорбционной очистке подвергаются деструкции биорезистентные при меси, не разрушаемые при очистке в аэротенках и биофильтрах. При био сорбции происходит биохимическая модификация адсорбированных трудноокисляемых веществ в биоразлагаемую форму экзоферментами, иммо билизованными в микропористой структуре АУ, диффузия продуктов к поверхности частиц сорбента и их биологическое окисление микроорга низмами биопленки.
Протекающие процессы обеспечивают постоянное биохимическое самовосстановление сорбента, способствуют значительному увеличению фильтроцикла сорбционных материалов, исключают необходимость их термической регенерации и частой замены и повышают степень очистки сточных вод.
В качестве загрузочного материала биосорбционного фильтра можно использовать как промышленные гранулированные АУ, например АУ марки АГ-3, так и углеродсодержащие отходы производств.
Биосорбционный фильтр может работать как высоконагружаемый биофильтр с принудительной подачей воздуха, так и в режиме капельного биофильтра. Принципиальная технологическая схема очистки сточных вод на биосорбционном фильтре с принудительной подачей воздуха представ лена на рис. 6.2.
Исходная вода поступает в аэрационную камеру биосорбера первой ступени, в которой происходит насыщение потока воды воздухом, пода ваемым компрессором. В аэрационной камере вода движется сверху вниз в противотоке с воздухом, что обеспечивает высокую степень растворения кислорода. Нижняя часть аэрационной колонны соединена с водораспре делительной системой, которая обеспечивает равномерное распределение потока обрабатываемой воды по всей площади биосорбционного фильтра. Поднимаясь вверх, вода проходит через слой АУ и переводит его в псев доожиженное состояние (взвешенный слой). С поверхности фильтра вода собирается лотками. Очистка воды протекает во взвешенном слое биоло гически активного АУ После очистки в первой ступени вода поступает в
пературе по сравнению с другими биологическими методами (при +3 °С). Эффективность очистки природных вод при этих температурах снижается незначительно, менее чем на 5-8 %. Таким образом, биосорбция является эффективным методом очистки сточных вод и может конкурировать с тра диционными методами биологической очистки.
При невысокой гидравлической нагрузке 2-3 м3/(м2 сут), что харак терно для очистки фильтрационных вод, можно использовать биосорбционные фильтры, работающие в капельном режиме с естественной подачей воздуха.
Для очистки воды, имеющей многокомпонентный состав и содержа щей высоко- и низкомолекулярные органические соединения, а также ион ные примеси, целесообразно использовать многослойные биосорбционные фильтры, в которых каждый слой загрузки фильтра обладает определен ными функциональными свойствами.
Для очистки фильтрационных вод полигонов ТБО разработана кон струкция многослойного биосорбционного фильтра, в которой в качестве загрузочных материалов используются отходы производств: дробленый металлургический шлак с размером частиц 2-4 мм, отсев при получении активных углей марки БАУ (фракция 1-2 мм и ниже), сорбент-Н.
Выбор материалов для загрузки фильтра осуществляется с учетом их сорбционных свойств. Шлак значительно улучшает органолептические свойства воды, снижая ее цветность за счет поглощения гуминовых соеди нений. Сорбент-Н как мезопористый материал также адсорбирует окра шенные примеси, отсев АУ по своим сорбционным характеристикам подо бен БАУ и способен к сорбции ароматических и других низкомолекуляр ных биорезистентных примесей.
Для очистки воды от ионных примесей - гидратированных ионов тяжелых металлов, целесообразно использовать природные ионообменные материалы, например диатомиты, цеолиты, керамзит и т.п.
На поверхности этих материалов в течение 5-7 суток происходит формирование биопленки, биоценоз которой представлен аэробными ви дами микроорганизмов: бактериями и простейшими. Бактерии относятся к родам Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, присутствуют микрококки, единично - нитчатые формы бактерий, простейшие представлены коло вратками, жгутиковыми, червями родов: Aspidisca, Vorticella, Paramecium, Rotatoria, Nematoda. Кроме бактерий в биопленке присутствуют грибы ро да Fusarium. Наиболее развитая биопленка образуется на сорбенте-Н. Формирующийся биоценоз обеспечивает протекание биохимических про цессов деструкции и окисления примесей.
В качестве дополнительного источника микрофлоры для интенсифи кации процессов биохимической очистки в биосорбционном фильтре мож
но рекомендовать использование активного ила сооружений очистки хо зяйственно-бытовых сточных вод, почвенный слой или кору длительного срока хранения (до 15 лет) - отхода в целлюлозно-бумажной промышлен ности.
Дренаж обеспечивается через гравийный слой фильтра. Материалы укладываются в фильтр в соответствии с их гидравлической крупностью. Высота слоев выбирается с учетом их сорбционной емкости. Например, при общей высоте биосорбционного фильтра 1,5 м высота слоев может быть следующей: кора - 10 см, шлак - 30 см, сорбент-Н - 50 см, отсев АУ - 40 см, диатомит - 20 см, дренажный слой - 5 см. Конструкция биофильт ра представлена на рис. 6.3.
ФВ |
Система орошения |
|
— ►v |
^ ... |
= » |
1
Рис. 6.3. Конструкция биосорбционного фильтра: 1 - кора; 2 - шлак; 3 - сорбент-Н; 4 - диатомит; 5 - гравий
Исходная сточная вода, прошедшая предварительную очистку от взвешенных веществ, поступает на поверхность фильтра через водорас пределительные устройства спринклерного типа. Равномерность подачи воды обеспечивается расположением спринклеров. Продолжительность цикла орошения должна составлять 5-10 мин. С увеличением периода ме жду орошениями уменьшается продолжительность пребывания воды в те ле биосорбционного фильтра. Периодичность подачи воды обеспечивается дозирующим устройством или качающимся желобом. Проходя через слои загрузки, вода очищается. Очищенная вода накапливается в сборнике очищенной воды, откуда подается на стадии доочистки. В первоначальный период (до 12 дней) фильтр работает в сорбционном режиме, затем по ме ре формирования на поверхности материалов биопленки и ее адаптации к
примесям фильтрационных вод начинают протекать биосорбционные про цессы. Эффективность работы биосорбционного фильтра, эксплуатируе мого в капельном режиме, зависит от нагрузки на биосорбционный фильтр и окислительной мощности загрузочных материалов.
ОМ биосорбционного фильтра при очистке ФВ, работающего с гид равлической нагрузкой 2 м3/(м2,сут), по показателям ВПК и ХПК составля ет:
• |
при остаточном значении ВПК 20 г Ог/м |
3 |
- |
3 |
тут), |
|
350 г CV(M |
||||
• |
при остаточном значении ХПК 50-70 мгО/дм |
- 750— |
800 г 02/(м3,сут).
Вода с такими показателями может быть доочищена в биологических прудах или физико-химическими методами.
Для интенсификации работы биосорбционных фильтров на их по верхности целесообразно высаживать солеустойчивые культуры (овес, костер безостый), что позволяет активизировать жизнедеятельность мик роорганизмов и повысить эффективность очистки воды от минеральных примесей.
Биохимическая очистка эффективно протекает при температуре не ниже 5 °С, поэтому биосорбционный фильтр в суровых климатических ус ловиях России может эксплуатироваться только в теплое время года (ап рель - сентябрь). В первоначальный период работы (апрель), когда средняя температура окружающей среды +5...+8 °С, он может работать в режиме сорбционного фильтра. Повышение температуры благоприятствует разви тию на поверхности материалов биопленки, и фильтр начинает работать как биореактор. При этом будут разлагаться ранее сорбировавшиеся орга нические примеси. Использование заглубленных биосорбционных фильт ров позволит расширить температурный диапазон их эксплуатации.
Саморегенерация загрузочных материалов в процессе биохимическо го окисления сорбированных примесей позволяет использовать биосорб ционные фильтры в течение длительного времени до 5 лет. Исчерпание эксплуатационных свойств загрузочных материалов обусловлено их меха ническим разрушением. Отработанные загрузочные материалы могут быть захоронены на полигоне ТБО.
Перспективы применения биосорбционного метода для очистки фильтрационных вод. Биосорбционный метод очистки сточных вод прост в аппаратурном оформлении и эксплуатации, не требует больших эконо мических и трудовых затрат, позволяет очищать сточные воды от биорезистентных примесей, не удаляемых традиционными методами биологиче ской очистки (аэротенки, биофильтры). Использование углеродных сор бентов в качестве загрузки фильтра позволяет расширить температурный
интервал применения метода (биосорбция эффективна при достаточно низких температурах до +3 °С).
Биосорбционные фильтры в меньшей мере подвержены влиянию из менения концентрации примесей в сточных водах на качество очистки, что существенно отличает их от других биологических очистных сооружений. Это преимущество необходимо учитывать при выборе методов очистки ФВ, т.к. концентрация примесей в них подвержена сезонным колебаниям, пиковая нагрузка характерна для паводкового и осеннего периодов.
Биосорбционный метод с использованием в качестве загрузочных материалов - отходов производств, можно рекомендовать как основной метод очистки фильтрационных вод:
•полигонов ТБО, находящихся на стад™ рекультивации и по стэксплуатации;
•при реконструкции действующих полигонов малой мощности. Граничные условия применения метода:
•концентрация органических примесей по ХПК не должна превы шать 400 мг/л;
•для предотвращения заиливания загрузки концентрация взвешен ных веществ не должна превышать 20-30 мг/л;
•гидравлическая нагрузка на сорбционные материалы фильтра
должна составлять 2,0-3 м /(м *сут);
•при использовании биосорбционных фильтров в режиме естест венной подачи воздуха высота фильтра не должна превышать 2 м для под держания необходимого кислородного режима;
•биосорбционные фильтры целесообразно эксплуатировать в тем пературном интервале +5.. .+30 °С;
•использование заглубленных биосорбционных фильтров позволит расширить температурный диапазон их эксплуатации.
Вопросы и задания к главе 6
6.1.Перечислите особенности биохимической очистки сточных вод
вбиофильтрах.
6.2.Какова классификация биофильтров по конструктивным осо бенностям загрузочных материалов и режиму эксплуатации?
6.3.Что характеризует гидравлическая нагрузка биофильтра?
6.4.Что характеризует окислительная мощность биофильтра?
6.5.Каковы особенности конструкции капельного биофильтра?
6.6.Используя методику расчета капельного биофильтра, разрабо танную в Московском строительном университете и АКХ им. Памфилова, рассчитайте необходимую площадь биофильтра по следующим исходным