2.16 Биологические фильтры: классификация, схемы работы, принцип расчета. Материалы загрузки, дозирующие устройства, оросительные системы.

Общие принципы биофильтрации:

Биофильтры- сооружения биохимической очистки сточных вод от органических загрязнений, фиксированной биомассой, биологической пленкой, образованной колонией микроорганизмов на поверхности фильтрующей загрузки.

Принцип действия: биологическая пленка, которая нарастает очищает сточную воду. У биопленки 2 слоя – анаэробный (намного толще аэробного) и аэробный. Толщина пленки может быть от нескольких микрометров в верхних слоях до 3-6мм в нижних. Фильтруясь через загрузку вода оставляет нерастворимые примеси, коллойдные и органические вещества, сорбируемые пленкой.

Недостаток биофильтров: направлены на определенную мощность, их нельзя регулировать, как аэротенки.

Биофильтры состоят из частей: фильтрующая загрузка, помещенная в резервуар круглой или прямоугольной формы, водораспределительное устройство (равномерно распределяют воду по биофильтру), дренажное устройство (удаление очищенной воды), вентиляционное устройство (подает необходимый для окислительного процесса воздух).

Толщина биологической пленки зависит от качества св и тд.

РИС 1.

Процессы очистки схожи с процессами очистки на полях фильтрации и орошения, на полях орошения процессы медленнее. Биопленка отмирает, водой выносится из тела биофильтра. Прирост пленки должен быть равен отмиранию пленки.

Классификация биофильтров: по виду загрузочного материала:

1. С объемной загрузкой (лучше всего щебень)(виды: капельные(РИС. 14): крупность фракций 25-40мм и высота слоя загрузки 1-2м; высоконагружаемые: 40-70мм, слой 2-4м; биофильтры большой высоты (редко используют): 60-80мм, 8-16м)

Капельный БФ.1-дозирующие баки СВ;2-спринклеры;3-загрузочный материал;4-стены БФ;5-подача СВ в БФ.

Капельные: с производительностью до 1тыс. м3/сут. В капельном биофильтре сточная вода подается в виде капель или струек. Естественная вентилляция – через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Схема работы капельных биофильтров следующая. Сточная вода, осветленная в первичных отстойниках, самотеком (или под напором) по­ступает в распределительные устройства, из которых периодически напус­кается на поверхность биофильтра. Вода, профильтровавшаяся через толщу загрузки, проходит через дренажную систему, а далее по непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами био­фильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых от­мершая биоплёнка отделяется от очищенной воды. При нагрузке по орга­ническим загрязнениям больше допустимой, загрузочный материал быстро заиливается, и работа капельных биофильтров резко ухудшается. На них низкая гидравлическая нагрузка. Капельные биофильтры размещают либо в отапливаемых, либо в неотапливаемых зданиях, никогла на улице. Нагрузка по БПК не выше 220мг/л. Если больше нагрузки, то предусматриваем рециркуляцию сточной воды, либо не применяем капельные. Их проектируют на полную биологическую очистку, выход БПК 15мг/л. Гидравлическая нагрузка: 1-3 м3/м2*сут.

Расчет капельных биофильтров:

Определяют коэффициент:

k_bf=L_en/L_ex; по этому коэффициенту, по принятой высоте загрузки и по температуре воды по таблице 37 определяем гидравлическую нагрузку q_bf (по таблице она от 1 до 3 м3/м2/сут).

Затем определяем площадь биофильтра:

F_bf=Q_сут^макс/q_bf

Высокнагружаемые (аэрофильтры):

применяют при БПК до 300, рабочая высота 2-4м, гидравлическая нагрузка 10-30м3/(м2сут), вентиляция принудительная, удельный расход воздуха 8-12м3/м3, крупность фракций 40-70мм. При большей БПК_полн необходимо предусматривать рециркуляцию очищенных сточных вод. Коэффици­ент рециркуляции K_rc следует определять по фор­муле

где L_mix — БПК_полн смеси исходной и циркулирую­щей воды, при этом L_mix — не более 300 мг/л;

L_en, L_ex — БПК_полн соответственно исходной и очищенной сточной воды.

Отличительной особенностью этих сооружений является более вы­сокая, по сравнению с капельными биофильтрами, окислительная мощ­ность, что обусловлено меньшей заиляемостью таких фильтров и лучшим обменом воздуха в них. Достигается это благодаря крупным фракциям загрузочного материала и повышенной в несколько раз нагрузке по воде. Вы­сокая скорость движения сточной воды в биофильтре обеспечивает посто­янный вынос задержанных трудноокисляемых нерастворенных примесей и отмирающей биопленки. Они предназначаются для неполной и полной биологической очистки сточных вод.

Порядок расчета тот же, как и для капельных (только по таблице 38 СНиП).

Башенные биофильтры применяют на неполную биологическую очистку, при производительности до 50 тыс. м3/сут. Используются редко, в России не применяются.

2. Плоскостная загрузка: С плоскостной загрузкой: виды: жесткая засыпная загрузка (керамические, пластмассовые, металлические засыпные элементы), плотность 100-600 кг/м3, пористость 70-90%, высота слоя загрузки 3-6м; с жесткой блочной загрузкой (полиэтиленовые, полипропиленовые блоки, асбестоцементные листы и тд.), плотность 40-100кг/м3, пористость 90-97%, высота загрузки 2-16м; с мягкой или рулонной загрузкой (металлические сетки, пластмассовые пленки и тд.), кладутся в виде рулонов, крепятся на каркасах, плотность 5-60кг/м3, пористость 94-99%, высота загрузки 3-8 м (рис 7)

Рулонная загрузка

Жесткие засыпные элементы и блочная загрузка: РИС 2-6.

А)кольца рашигаб)кольца с перегородкой

Засыпной загрузочный материал

Жесткие блочные загрузки

Загрузочный материал типа флокор

Преимущество плоскостной загрузки: плотность загрузки материала ниже, чем у объемных, значит легче фундамент сооружения, пористость выше, значит следовательно лучше вентиляция, не надо принудительной вентиляции, удельная поверхность выше, нет мертвых зон на соприкосновении фракций засыпного материала.

При плоскостной загрузке: БПК на входе не более 250 мг/л, высота рабочих биофильтров 3-4м, в качестве загрузки – блоки из пвх, полистирола, полиэтилена, полипропилена, гладких или перфорированных пластмассовых труб диаметром 50-100мм или засыпные элементы в виде обрезков труб.

При расчете с пластмассовой загрузкой надлежит определять: гидравлическую нагрузку q_pf Рассчитывают по таблице 39.

На производительность влияет конфигурация засыпного материала. От нее зависит режим движения жидкости в биофильтре.

Системы распределения, сбора, вентиляции:

Надежная работа биофильтра может быть достигнута только при равномерном орошении водой его поверхности. Орошение производится распределительными устройствами, которые подразделяются на две основ­ные группы: 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). В отечественной и за­рубежной практике наибольшее распространение получили спринклерное орошение и орошение с помощью подвижных оросителей.

1-дозирующий бак;2-магистральная труба;3-разводящая сеть;4-спринклеры;1.6-линиии распределительной системы;7.11-Расчетные участки водораспред.сети.

Спринклерная система состоит из дози­рующего бака, разводящей сети и спринклеров. Дозирующий бак автоматически подает воду в спринклерную сеть под постоян­ным напором. Продолжительность опорожнения бака (период орошения), зависящая в основном от вместимости бака и размеров выпускной трубы, всегда одинакова; продолжительность же наполнения бака зависит только от притока сточных вод, который колеблется в течение суток. Поэтому орошение биофильтра производится периодически, через неравные по про­должительности интервалы. Во избежание сильного охлаждения необогреваемых биофильтров интервал между орошением не должен превышать 5-8мин. Спринклеры (спринклерные головки) - специальные насадки, наде­тые на концы стояков, которые ответвляются от водораспределительных труб, уложенных на поверхности или в теле биофильтра. Отверстия спринклерных головок невелики - обычно 19; 22 и 25 мм. Во избежание коррозии спринклеры изготовляют из бронзы или латуни. Выпускная труба из дозирующего бака – сифон. РИС. 9, 10.

По мере вытекания воды из бака радиус действия спринклера, за­висящий от напора, постепенно уменьшается, и таким образом орошается вся площадь круга вокруг спринклера.

1-сифон,2-стакан,3-воздушная труба,4-трубка(регулятор напора),5-патрубок,6-главная выпускная труба,7-переливная труба,8-спринклер.

Расчет сводится к определению объема бака, диаметров распределительной сети, количества спринклеров.

Водоструйная система орошения.(РИС.11)

Водоструйная система ороше­ния (в основном для биофильтров с плоскостной загрузкой) состоит из:

• магистрального трубопровода или лотка

• разводящей сети или лотков;

• насадочных элементов цилиндрического, конического или коноидального типа с отверстиями диаметром 15-32 мм, расположен­ными на днище разводящих труб и лотков;

• водоотбойных круглых в плане розеток, имеющих плоскую или вогнутую сферическую форму с гладкими или фигурными кром­ками.

Водоотбойные розетки располагаются над поверхностью загрузоч­ного материала или непосредственно на его поверхности; в первом случае они подвешиваются к разводящим трубопроводам или лоткам, а во втором - закрепляются на поверхности загрузки. Разводящая сеть располагается над поверхностью загрузочного материала на расстоянии 0,5 - 1 м.

Расчет водоструйной системы сводится к определению размеров разводящей сети (ширина и высота лотка или диаметр трубы), а также чис­ла и диаметра отверстий насадочных элементов. При монтаже водоструй­ной системы особое внимание обращается на расположение водоотбойных розеток по отношению к насадочным элементам, вертикальная ось которых должна располагаться строго над центром водоотбойных розеток.

Следует отметить, что гидравлическая нагрузка на биофильтры с плоскостным загрузочным материалом должна быть достаточна, чтобы обеспечить пленочное течение жидкости и отсутствие мертвых зон. Не­большая гидравлическая нагрузка приводит к срыву режима пленочного течения и переходу его в струйный, что существенно снижает коэффициент использования поверхности для биообрастаний. Она хуже спринклерной.

Реактивная система орошения.

Вращающийся ороситель состоит из двух, четырех или шести дырчатых труб, консольно закрепленных на общем стояке. Вода из распределитель­ной камеры под напором поступает в стояк, установленный на шариковых подшипниках; стояк может вращаться вокруг своей 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, распределитель вращается. Такие реактивные оросители получили большое распростране­ние в отечественной и зарубежной практике. Для приведения в действие реактивного оросителя необходим сравнительно небольшой напор (0,2 - 1м), что является одним из досто­инств этого водораспределителя. Кроме того, при реактивных оросителях не надо устраивать дозаторы. Диаметр отверстий – 10-15мм, расстояние между отверстиями растет от периферии к центру, чтоб было более равномерное орошение.

При расчете определяют: размеры, число распределительных труб, число отверстий, расстояние между отверстиями, число оборотов оросителя, напор.

первый –двухтрубн;второй-четырехтрубн.

Система вентиляции:

В зависимости от типа и конструкции биофильтров различают два типа вентиляции биофильтров: естественную и искусственную. Искусственная вентиляция в основном используется в высоконагружаемых биофильтрах (аэрофильтрах). Для других типов биофильтров искусственная аэрация применяется только для обеспечения необходимого воздухообмена внутри помещения, в котором размещается биофильтр, или поддержания требуемой температуры.

Самый высокий рисунок- ж/б плиты;по середине-кирпичи; нижний-керамические трубы

Дренажная система: Высота меежду донного пространства не менее 60 см для осмотра. Общая площадь отверстий в дренажной системе не менее 5-8%, уклон не менее 10 промиль, продольный уклон сборных лотков не менее 5 промиль, стены биофильтра железобетонные, возвышаются не менее 0,5м, скорость сточных вод не менее 0,6 м/с. Рис. 15-17.

1-корпус;2-пластмассовая загрузка;3-решетка;4-бетонные столбовые опоры;5-подводящий трубопровод;6-реактивный ороситель.

Технологические схемы с биофильтрами.

В классической схеме очистка осуществляется в проточном режиме с периодическим или непрерывным орошением, схема включает вторичный отстойник. Оборудование для подачи и отведения сточных вод, оборудование для вентиляции. Используют по технологической схеме: 1 и 2 ступенчатая работа, может быть с рециркуляцией и без, иногда биофильтр применяют в комплексе с аэротенками в первичной очистке, если тяжелые примеси, в качестве вторичной очистки как денитрификаторы. Вообще это несовременные сооружения, используются редко.

Преимущества биофильтров по сравнению с аэротенками:

1. Меньше контролируемых показателей и параметров

2. Значительная экономия энергии

3. Быстрое восстановление активности микроорганизмов после токсического шока

4. По удалению углерода у биофильтров окислительная мощность при соотношении с аэротенками в 3-4 раза больше, нитрификация идет где-то в 5 раз быстрее, общий азот снижается в 2 раза больше.

Недостатки:

1. Низкая эффективность очистки при одинаковой объемной загрузке

2. Риск заиливания, особенно для объемной загрузки

3. Повышенная стоимость строительства

4. Образование преимущественно нестабильного осадка

5. Риск появления дополнительных неудобств (запах, мухи).

Из общего числа проектируемых и строящихся биологических окислителей на долю биофильтров приходится не более 10%.

Следует отметить, что в ряде отраслей промышленности (гидролизно-дрожжевая, пищевая, и др.), где сточные воды обладают значительной пенообразующей способностью, целесообразно применять биофильтры.

Основными методами интенсификации биофильтров являются:

1) изменение технологической схемы работы всего комплекса со­оружений;

2) замена объёмной загрузки на плоскостную;

3) изменение системы водораспределения сточных вод по поверхно­сти загрузки биофильтра;

4) использование многоступенчатой схемы очистки в биофильтрах;

5) повышение ферментативной активности микроорганизмов за счёт воздействия ультразвуком.

На схеме А дана технологическая схема до реконструкции, схема Б и В соот­ветственно с частичной и полной перегрузкой объёмной загрузки на пло­скостную с возможным наращиванием ограждающих стен и увеличением слоя загрузочного материала. В этом случае сохраняется одноступенчатая биологическая очистка. Схемы Г и Д предполагают перевод технологиче­ской схемы очистки на двухступенчатую и перегрузку объёмной загрузки на плоскостную только первой или обеих ступеней биофильтров.

Схема реконструкции Биофильтрации.

1-ПО,2-ВО,3-третичный отстойник,4-БФ с объемной загрузкой,5-БФс плоскостной загрузкой.