5.3. Биологические фильтры

Биофильтры – сооружения, в которых сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой, образованной колониями микроорганизмов.

Биофильтр представляет собой сооружение круглой или прямоугольной формы в плане, внутри которого расположена фильтрующая загрузка из шлака, гравия, керамзита, щебня, пластмасс, асбоцемента или других материалов. Биофильтры оборудуются водораспределительным устройством, обеспечивающим равномерное орошение водой поверхности загрузки и дренажным устройством для отвода профильтрованной воды. Для интенсификации процессов биохимического окисления в биофильтры подается воздух при помощи воздухораспределительного устройства.

По конструктивным особенностям загрузочного материала биофильтры принято разделять на сооружения с объемной и плоскостной загрузкой. Биофильтры с объемной загрузкой в свою очередь 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;

– башенные, имеющие крупность загрузочного материала 60÷80 мм и высоту слоя загрузки 8÷16 м.

Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на:

– фильтры с жесткой загрузкой в виде колец, обрезков труб и других элементов. В качестве загрузки могут быть использованы керамические, пластмассовые и металлические элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100÷600 кг/м³, пористость 70÷90 %, высота слоя загрузки 1÷6 м;

– фильтры с жесткой загрузкой в виде решеток или блоков, собранных из чередующихся плоских или гофрированных листов. Такая загрузка может выполняться из различных видов пластмассы, а также из асбоцементных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40÷100 кг/м³, пористость 90÷97 %, высота 2÷16 м. Плотность асбоцементной загрузки 200÷250 кг/м³, пористость 80÷90 %, высота 2÷6 м;

– фильтры с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических сеток, полимерных пленок или синтетических тканей, которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов. Плотность такой загрузки 5÷60 кг/м³, пористость 94÷99 %, высота 3÷8 м.

Плоскостные биофильтры с засыпной и мягкой загрузкой рекомендуется применять при расходах до 10000 м³/сутки, с блочной загрузкой – до 50000 м³/сутки.

В капельном биофильтре (рис. 5.7) сточная вода подается в виде капель или струй. Фильтры обычно имеют естественную вентиляцию через открытую поверхность сооружения и дренаж. Такие биофильтры имеют низкую нагрузку по воде (0.5÷1 м³ воды на 1 м³ объема сооружения) и рекомендуются к применению при расходах до 1000 м³/сутки. Они предназначаются для полной биологической очистки сточной воды (БПК₂₀ = 10÷15 мг/л).

Капельные биофильтры имеют следующий порядок работы. Сточная вода самотеком или под напором поступает в распределительные устройства, из которых периодически выпускается на поверхность биофильтра. Профильтрованная вода попадает в дренажную систему и далее по сплошному непроницаемому днищу стекает к отводящим лоткам, расположенным за пределами фильтра.

Капельные биофильтры проектируются с двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним – сплошным. Высота междудонного пространства должна составлять не менее 0.6 м. Уклон нижнего днища к сборным лоткам – не менее 0.01. Стены биофильтра выполняют из сборного железобетона. Наиболее подходящий вид загрузки капельных биофильтров – щебень и галька.

Рис. 5.7. Капельный биофильтр. 1 – дозирующие баки сточной воды; 2 – спринклеры; 3 – железобетонная стенка; 4 – загрузка биофильтра; 5 – подача сточной воды; 6 – отводящий лоток

Конструктивными отличиями высоконагружаемых биофильтров (рис. 5.8) являются бóльшая высота слоя загрузки, крупность ее зерен и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки загрузочного материала воздухом. Воздух для аэрации загрузки подается в закрытое междудонное пространство биофильтров при помощи вентиляторов. Другое название высоконагружаемых биофильтров с искусственной аэрацией – аэрофильтры.

Эти сооружения имеют более высокую окислительную мощность по сравнению с капельными биофильтрами. Они могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод и применяться как для частичной, так и для полной их очистки. Конструктивные характеристики аэрофильтров представлены в приложении 35.

Башенные биофильтры рассчитывают на очистку воды до 20÷25 мг/л по БПК₂₀. Данные сооружения распространения в отечественной практике не получили.

Рис.5.8. Высоконагружаемый биофильтр с реактивным оросителем

Для обеспечения нормальной работы биофильтров часто применяется такой технологический прием как рециркуляция части очищенной воды. Рециркуляция обеспечивает:

– увеличение содержания растворенного кислорода в смеси, подаваемой в биофильтр;

– выравнивание концентрации биопленки по высоте сооружения;

– поддержание равномерной нагрузки.

С другой стороны использование рециркуляции имеет и негативные стороны: повышение нагрузки на биофильтр, рост объемов отстойников и энергопотребления на перекачивание воды.

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

Объем загрузки капельных биофильтров можно определять по величине их окислительной мощности [3]. В [1] рекомендована методика, основанная на определении гидравлической нагрузки на биофильтр:

1) вычисляется коэффициент К, зависящий от отношения БПК_полн исходной и очищенной воды:

.

(5.32)

2) по табл. 5.12 для стеднезимней температуры воды Т, принятой высоты загрузки Н и полученному значению К определяется гидравлическая нагрузка на биофильтр q.

Таблица 5.12

Параметры для расчета капельного биофильтра

Гидравлическая нагрузка q, м3/(м2· сут.)	Значения К при температуре сточной воды Т и высоте загрузки Н = 1.5/2.0 м
	8 ºС	10 ºС	12 ºС	14 ºС
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	8.2/11.7	10.0/12.8
2	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	3.8/6.0	4.4/7.1	5.0/8.6	5.9/10.2

Если полученное значение К превышает приведенное в табл. 5.12, то необходимо вводить рециркуляцию и расчет проводить по методике для высоконагружаемых биофильтров с рециркуляцией. Рециркуляцию необходимо использовать в любом случае при БПК_полн исходной воды более 220 мг/л. БПК_полн очищенной воды принимают равным 15 мг/л [1].

3) по известным суточному расходу Q и гидравлической нагрузке q определяется общая площадь сечения биофильтров, м²:

.

(5.33)

Количество избыточной биопленки, выносимой из капельных биофильтров, принимают равным 8 г/(чел. · сут) по сухому веществу, влажность пленки – 96 %.

При расчете высоконагружаемых биофильтров (аэрофильтров) по заданной величине БПК_полн очищенной воды устанавливается допустимая концентрация подаваемых на биофильтр сточных вод или смеси их с рециркуляционной водой при данной высоте загрузки и температуре сточной воды:

,

(5.34)

где k – коэффициент, принимаемый по табл. 5.13.

Таблица 5.13

Значения коэффициента k для определения допустимого значения

БПК сточной воды, подаваемой в биофильтр

Среднезимняя температура сточных вод, ºС	Значение k при рабочей высоте биофильтров, м
	2	2.5	3	3.5	4
8÷10 ºC	2.5	3.3	4.4	5.7	7.5
10÷14 ºC	3.3	4.4	5.7	7.5	9.6
> 14 ºC	4.4	5.7	7.5	9.6	12.0

БПК_полн исходной не должно превышать 300 мг/л. Если БПК_полн исходной воды более 300 мг/л, то рециркуляцию используют в обязательном порядке и по формуле (5.34) определяют БПК_полн смеси (L_см). Коэффициент рециркуляции определяется по выражению:

.

(5.35)

При этом величина рециркуляционного расхода составит:

.

(5.36)

Рабочие параметры аэрофильтров определяют по среднезимней температуре воды Т и на основании отношения k = L_вх/L_вых (или k = L_см/L_вых при использовании рециркуляции) по табл. 5.14.

Общая площадь биофильтров без рециркуляции вычисляется по выражению (5.33), площадь фильтров с рециркуляцией:

.

(5.37)

Количество избыточной биологической пленки, выносимой из высоконагружаемых биофильтров, принимают равной 28 г/(чел. · сут) по сухому веществу, влажность пленки – 96 %.

Таблица 5.14

Параметры для расчета аэрофильтров [1]

Высота загрузи, м	Значения k при среднезимней температуре воды Т, ºС, гидравлической нагрузке q, м3/(м2 · ч) и высоте загрузки Н, м
	Т = 8 ºС			Т = 10 ºС			Т = 12 ºС			Т = 14 ºС
	q, м3/(м2 · ч)			q, м3/(м2 · ч)			q, м3/(м2 · ч)			q, м3/(м2 · ч)
	10	20	30	10	20	30	10	20	30	10	20	30
удельный расход воздуха на аэрацию qa = 8 м3/м3
2	3.02	2.32	2.04	3.38	2.5	2.18	3.76	2.74	2.36	4.3	3.02	2.56
3	5.25	3.53	2.89	6.2	3.96	3.22	7.32	4.64	3.62	8.95	5.25	4.09
4	9.05	5.37	4.14	10.4	6.25	4.73	11.2	7.54	5.56	12.1	9.05	6.54
удельный расход воздуха на аэрацию qa = 10 м3/м3
2	3.69	2.89	2.58	4.08	3.11	2.76	4.5	3.36	2.93	5.09	3.67	3.16
3	6.1	4.24	3.56	7.08	4.74	3.94	8.23	5.31	4.36	9.9	6.04	4.84
4	10.1	6.23	4.9	12.3	7.18	5.68	15.1	8.45	6.88	16.4	10.0	7.42
удельный расход воздуха на аэрацию qa = 12 м3/м3
2	4.32	3.88	3.01	4.76	3.72	3.28	5.31	3.98	3.44	5.97	4.31	3.7
3	7.25	5.01	4.18	8.35	5.55	4.78	9.9	6.35	5.14	11.7	7.2	5.72
4	12.0	7.35	5.83	14.8	8.5	6.2	18.4	10.4	7.69	23.1	12.0	8.83

БПК_полн сточных вод, подаваемых на очистку в биофильтры с пластмассовой (плоскостной) загрузкой, не должно превышать 250 мг/л. При расчете данных фильтров удельную нагрузку на них определяют в зависимости от требуемой степени очистки, высоты биофильтра и температуры сточных вод по табл. 5.15.

Таблица 5.15

Параметры для расчета фильтров с пластмассовой загрузкой

Эффект очистки Э, %	Гидравлическая нагрузка q, м3/(м3 · сут)
	Высота загрузки H = 3 м				Высота загрузки H = 4 м
	Температура сточных вод T, °С
	8	10	12	14	8	10	12	14
90	6.3	6.8	7.5	8.2	8.3	9.1	10.0	10.9
85	8.4	9.2	10.0	11.0	11.2	12.3	13.5	14.7
80	10.2	11.2	12.3	13.3	13.7	15.0	16.4	17.9

По найденной гидравлической нагрузке определяется суммарные объем загрузки биофильтров, м³, и площадь сечения, м², по выражениям:

.	(5.38)
.	(5.39)

В качестве загрузки фильтров с пластмассовой (плоскостной) загрузкой применяют блоки из поливинилхлорида, полистирола, полиэтилена, полипропилена, полиамида, гладких или перфорированных пластмассовых труб диаметром 50÷100 мм или засыпные элементы в виде обрезков труб длиной 50÷150 мм, диаметром 30÷75 мм с перфорированными, гофрированными и гладкими стенками. Пористость загрузочного материала должна составлять 93÷96 %, удельная поверхность – 90÷110 м²/м³. В фильтрах предусматривается естественная аэрация.

В случае возможного прекращения притока сточных вод на биофильтр необходимо предусматривать рециркуляцию сточных вод во избежание высыхания биопленки на поверхности загрузки.

К биофильтрам с плоскостной загрузкой относят фильтры с вращающимися дисками, погруженными в резервуар со сточной водой (рис. 5.9). Диски изготавливают из пластмассы, асбоцемента или металла и погружают в воду на 1/3÷1/2 своего диаметра. Очистка осуществляется биологической пленкой, развивающейся на поверхности дисков.

Рис. 5.9. Устройство дискового биофильтра: 1 – дисковый блок из пластин; 2 – вал; 3 – привод дискового блока; 4 – подводящий лоток; 5 – ванна; 6 – водослив; 7 – отводящий лоток

Очищаемая вода поступает в корыто с полукруглым днищем через впускное отверстие или перелив, устраиваемый вдоль одной стороны, расположенной перпендикулярно дискам, а отводится через отверстие или перелив с противоположной стороны. Иногда сточная вода впускается и выпускается через стенки, расположенные параллельно дискам, что позволяет всем дискам работать последовательно,

Дисковые биофильтры рассчитывают исходя из нагрузки на 1 м² поверхности диска, которая, по зарубежным данным, составляет 7÷100 г/сут БПК на 1 м². При этом для достижения степени очистки, равной 60 %, нагрузка принимается 80 г/сут при расположении дисков в одну-две ступени, для получения степени очистки 80 % – 40 г/сут при расположении дисков в две-три ступени и степени очистки 90 % – 20 г/сут при расположении дисков в три-четыре ступени. Диаметр диска принимается 0.5÷3 м, частота его вращения 1÷40 об/мин, расстояние между дисками 10÷20 мм, зазор между днищем и дисками 25÷50 мм. Число пластин на валу от 20 до 200.

В настоящее время дисковые биофильтры широко используют за рубежом в виде полносборных установок заводского изготовления для очистки небольших количеств сточных вод – до 1000 м³/сут., т. е. когда велик коэффициент неравномерности поступления сточных вод. Их можно применять и для очистки производственных сточных вод. Преимущества погружных биофильтров – незначительные гидравлические потери и малая потребность в энергии для насыщения сточных вод кислородом (в 5÷6 раз меньше, чем в аэротенках).

Количество рабочих секций биофильтров на очистных сооружениях должно составлять не менее двух. Максимальное число рабочих секций – 6÷8 штук. В практике водоочистки применяют биофильтры прямоугольной формы в плане с размерами сторон 3×3, 3.6×4, 9×12, 12×12, 15×15, 12×18 и др., с высотой загрузки 2.3, 3 и 4 м, а также круглой формы в плане диаметром 6, 12, 18, 24 и 30 м с высотой загрузки 2, 3 и 4 м.