4.2. Реакторы с прикрепленной биомассой

В этой группе реакторов наиболее близки друг к другу по конструкции биофильтр с восходящем и реактор нисходящем потоком (DSFF-реактор). Общей чертой анаэробных биофильтра и реактора с нисходящим потоком является использование неподвижного или ограниченно подвижного слоя загрузочного материала, свойства которого играют определенную роль. Основными характеристиками загрузочных материалов, общими для обоих типов реакторов, являются форма и размер элементов, общая плотность, наличие внутренней пористости, механические свойства.

Из-за опасности забивания межзагрузочного пространства взвешенными веществами содержащими в сточной воде, избытком биомассы при работе с такими реакторами важно учитывать состав сточных вод и прежде всего, концентрацию и степень биоразлагаемости взвешенных веществ, возможность использования в ходе трансформации гипсовых или карбонатных отложений.

Анаэробный биофильтр – первый анаэробный фильтр с восходящем потоком прикрепленной биомассой был предложен Янгом Маккарти в 1967 г. В этом сооружении сточная вода подается через данную распределительную систему, проходит через слой загрузочного материала и отводиться из верхней части реактора.

В современных анаэробных биофильтрах в качестве загрузки применяют в основном плоскостные пластмассовые изделия. Раньше использовались объемные материалы – гранит, щебень, шлак и т.д.

Биомасса в анаэробных биофильтрах удерживается в основном в виде флоккул и гранул, расположенных в пустотах загрузочного материала, а также в виде биопленок, прикрепленной к его поверхности. Под действием силы тяжести большая часть биомассы скапливается в подзагрузочном пространстве и в нижних слоях загрузки. Концентрация его составляет 5-20 кг БВБ (беззольного вещества биомассы), при этом на долю флоккул приходиться до 70 %. Поскольку в анаэробных биофильтрах движение потоков жидкости и биогаза сонаправлено, значительного перемешивания в реакторе не происходит, а гидравлический режим приближается к режиму идеального вытеснения. В результате этого по высоте реактора наблюдается значительные градиенты не только концентрации биомассы, но также концентрации субстрата и промежуточных продуктов (ЛЖК). При работе стоков и ХПК выше 10 г/л накопление ЛЖК в нижней части может привести к срыву процесса. Поэтому при высоких концентрациях субстрата применяется рециркуляция очищенного стока. В соответствии с распространением взвешенной биомассы по высоте реактора, очистка по ХПК в основном происходит в нижней его трети. В верхней части загрузочного материала биомасса удерживается главным образом в виде биопленки. Участие этой зоны реактора в удалении загрязнений незначительно, в основном она выполняет функции отделения биогаза и ловушки для биомассы.

Анаэробный биофильтры весьма устойчивы к колебаниям рН, токсичности стока, снижению tº, гидравлическим и органическим перегрузкам.

Недостатки – заиливание нижней части реактора, вследствие чего возникают каналы движения жидкости, через которые проскакивает сточная вода. Работы по совершенствованию анаэробных биофильтров имеют 2 направления (тенденции). Увеличение пустотности и снижение адгезионной способности загрузочного материала в нижней части реактора и повышение равномерности распределения биомассы в реакторе за счет увеличения роли её прикрепленной фракции.

Конструкция биофильтра, разработанная фирмой “Дегремон” предусматривает использование 2-х слоев загрузочного материала. В нижней части реактора расположены блоки из вертикально ориентированных пластиковых труб с гладкой поверхностью и внутренней сотовой структурой, а верхней части засыпной загрузочный материал с гофрированной поверхностью и меньшим объемом единичных пустот.

Второе направление совершенствования конструкции анаэробного биофильтра связано с применением загрузочных материалов с внутренней пористостью, прежде всего пенополиуретана с открытыми порами. Этот материал способен удерживать в 5-7 раз больше прикрепленной биомассы, чем другие.

В последние годы стали применять и гибридные реакторы. У этих реакторов загрузочным материалом загружают 25-40 % верхней части, а нижняя часть заполняется анаэробным илом.

б) реактор с нисходящим потоком сточных вод

В этой конструкции сточная вода подается в верхнюю часть реактора и проходит нисходящим потоком через слой загрузочного материала, отвод очищенной сточной воды производиться из подзагрузочного пространства.

Процесс очистки осуществляется анаэробной биопленкой, развивающейся на поверхности загрузки. В отличии от анаэробных биофильтров взвешенная составляющая биомасса в этих реакторах представлена в основном быстрорастущей гидролитической кислотогенной-микрофлорой. Метаногенная биомасса в таких условиях может длительно удерживаться только в биопленке, которая обуславливает до 95 % активности биореактора. Таким образом, способы закрепления биомассы и ее свойства в анаэробных биофильтрах и реакторах с нисходящим потоком значительно отличаются друг от друга.

Экспериментально показано, что в условиях нисходящего потока решающее значение имеют поверхностные свойства загрузочного материала определяющее развитие биопленки (микрорельеф, ф-х свойства, химическая природа функциональных групп). При этом на гладких поверхностях биопленка может вообще не образовываться.

Наилучшими загрузочными материалами для реакторов с нисходящим потоком являются обожженная глина и мягкие плоскостные загрузки с внутренней пористостью – нитчатые материалы из синтетических нитей. В реакторах со строгой вертикальной ориентацией каналов биопленка предохраняется как от накопления на ней оседающих взвешенных частиц, так и от нежелательного воздействия восходящего потока газа. Каналы могут быть образованы отдельными трубками различной формы, отверстиями в блоках, гофрироватых листах или промежутками между листами. Это конструкция получила название DSFR-реактора (Donne flow stationary fixed film reactor – реактор с нисходящим потоком сточных вод и неподвижно закрепленной биопленки).

Удельная производительность DSFR-реакторов ∞ поверхности загрузочного материала, расположенного в единице объема. Однако при величине отношения поверхности к объему >100 м²/м³ в условиях длительной эксплуатации возникает опасность перекрытия каналов загрузочного материала, в результате всплывания оторвавшихся кусков биопленки.

Но при оптимальных значениях удельной поверхности загрузочного материала реактора с нисходящим потоком гораздо менее восприимчивы к забиванию взвешенными веществами и избыточной биомассой, чем анаэробные биофильтры. Нисходящий поток воды сонаправленный с действием силы тяжести выносит из реактора оседающие взвешенные вещества и избыточную биопленку. Еще одним преимуществом этих реакторов является способность обрабатывать высоконцентривованные сточные воды (ХПК до 140 г/л) без применения рециркуляции. Это достигается за счет того, что встречные потоки биогаза и обрабатываемой жидкости создают режим полного перемешивания. Свежий субстрат добавляется в верхнюю часть реактора, где перемешивание, вызванное газообразованием наиболее интенсивно.

Массообмен в реакторах с нисходящим потоком улучшается при наличии горизонтальных сплошных разрывов между блоками загрузочного материала. Это способствует более равномерному распределению стоков между каналами, уменьшает объем “мертвых зон”, которые могут образовываться при закупорке отдельных каналов.

Применяются также реакторы, в которых отсутствует вертикальные каналы, а в качестве загрузочного материала используются засыпные пластиковые элементы типа колец.

Недостатком биореакторов с нисходящим потоком является более низкое количество биомассы, длительность периода запуска, из-за чего происходит нарастание биопленки.

В) реакторы с псевдоожиженным слоем носителя.

Эти реакторы наиболее производительны среди реакторов с прикрепленной биомассой (биопленкой).

Псевдоожижение – процесс, при котором зернистый материал (мелкие частицы) приводятся в состояние, подобное жидкости, в следствии прохождения через него псевдоожижающего агента – жидкости и газа. Псевдоожиженные системы могут быть 2-х фазными: жидкость - твердые частицы (Ж-Т) или газ – жидкость - твердые частицы (Г-Ж-Т), т.е. псевдоожижающим агентом (сплошной средой) в общем случае могут быть, жидкость, газ или газожидкостная смесь. В случае применения твердых частиц с плотностью < 1, псевдоожижение осуществляется нисходящим потоком. Если в такой псевдоожиженный слой снизу подается газ, то имеет место противоточное движение фаз (газа и жидкости).

В системах очистки, как правило применяют ожижение восходящим потоком обрабатываемой жидкости. При этом восходящий поток образующегося биогаза вносит дополнительный (небольшой вклад в псевдоожижение). Возможно также псевдоожижение с помощью рециркуляции биогаза, а также псевдоожижение с нисходящим потоком жидкости или без противоточной рециркуляции биогаза.

Наиболее распостраненным носителем в реакторах с псевдоожиженным слоем является кварцевый песок, иногда оксид алюминия, активированные угли, антрацит, обожженная глина, стекло, поливинилхлорид и тд.

Оптимальный диаметр частиц зависит от их плотности. Применение маленьких частиц ограничивается их выносом, большим снижением удельной плотности поверхности.

Свойства поверхности частиц носителя также играют очень важную роль. Микропористые частицы лучше колонизируются м/о, чем гладкие.

Большое значение для эксплуатации реакторов имеет толщина биопленки. При размерах частиц 0,3-0,6 мм она варьируется от 0,06 до 0,2 мм. При очень большой удельной площади поверхности носителя (1000-3000 м²/ м³) возможно поддержание в реакторе концентрации биомассы до 30 кг/ м³. Однако чрезмерное увеличение толщины биопленки приводит к снижению плотности частиц, выносу их из реактора и потери биомассы.

В конструкции реакторов этого типа важным узлом является распределительная система, которая должна обеспечить равномерную подачу СВ по всему горизонтальному сечению реактора.

Отличительной чертой реактора с псевдоожиженным слоем является более высокая активность биопленки, чем в реакторах с неподвижным загрузочным материалом – 1,5 г ХПК/г БВБ сут. Малая толщина биопленки, интенсивное перемешивание частиц носителя облегчают массообмен. Действие связывающих сил, из-за турбулентности воды, приводит к постоянному обновлению биопленки, удалению отмершей биомассы.

Высокоэффективное удержание метаногенной биомассы в биопленке на частицах носителя позволяет уменьшить время пребывания СВ в реакторах с псевдоожиженным слоем до 1-3 ч. Это свойство делает их пригодными, с экономической точки зрения, для обработки низкоконцентрированных СВ, в том числе и с низкой температурой стока (10-15 ºС).

Таким образом благодаря высокой концентрации активной метаногенной биомассы, реактор с псевдоожиженным слоем является наиболее производительным среди всех современных систем анаэробной очистки. Производительность промышленных реакторов составляет 20-50 кг ХПК/сут. Однако из-за больших капитальных затрат, общее число промышленных установок не велико.