12.6. Расчёт и проектирование биофильтров

Длительное время в отечественной практике использовался способ расчета биофильтров по окислительной мощности. По этому методу необ­ходимый объем материала загрузки определяется по уравнению

W = L_en Q/OM, (12.23)

где L_en - БПК поступающих сточных вод, г/м³; Q - расход сточных вод, м³/сут; ОМ— окислительная мощность биофильтра, г/(м³сут).

Окислительная мощность 1 м³ загрузки биофильтра определяется в зависимости от среднегодовой температуры воздуха.

К.Н. Корольков предложил для расчета изъятия органических за­грязнений воспользоваться следующей закономерностью:

dL_exldt = -KL_t

(12.24)

допустив, что масса органических веществ, адсорбированных активным илом, пропорциональна концентрации их в жидкости в момент времени t (здесь к - константа скорости изъятия органических загрязнений).

И.С. Постников ввел в расчетные уравнения высоту биофильтра Д имеющую большое значение для эффективности очистки сточных вод.

Проф. СВ. Яковлевым был предложен графоаналитический способ расчета высоконагружаемых биофильтров, в основу которого положена функциональная зависимость БПК5 выходящей после очистки на био­фильтре воды от ряда факторов:

Lex =AL_e„, A, q, Т, Н, В), (12.25)

где L_ex L_en - БПК сточных вод, соответственно выходящих и поступаю­щих, г/м³; А - концентрация взвешенных загрязнений в сточных водах, по­ступающих на биофильтр, г/м³; q - гидравлическая нагрузка, м³/ (м²/сут); Т-температура сточной воды, °С; Н - высота биофильтра, м; В - расход возду­ха, необходимый для аэрации 1 м³ сточной воды, м³.

Обработав многочисленные отечественные и зарубежные данные, проф. СВ. Яковлев получил критериальную зависимость (кривая 1 на рис. 12.12):

Э = /(Ф,), (12.26) 3 = L_ex-l00/L_eB, (12.27)

0_t=lO-H-K_rlq⁰-⁴, (12.28)

где Ф/ - критериальный комплекс; Kj - температурная константа.

Для определения допустимой гидравлической нагрузки на фильтр при заданных значениях L_en, L_ex и //были получены следующие формулы:

при L_en/L_ex < 10

q = [H-K_r/0,\9lq{L_eJLjf\ (12.29) при L_eJL_ex> 10

q = [1,63 ■ Н ■ К_т llq{L_en IZ J - 0,69]²'⁵. (12.30)

Этот метод позволяет рассчитывать биофильтр на любую степень очистки с учетом различных скоростей окисления органического вещества по высоте загрузки. В дальнейшем проф. СВ. Яковлевым и канд. техн. наук Э.П. Фазуллиной были проведены исследования влияния на очистку сточ­ных вод объема подаваемого воздуха, крупности загрузки и рециркуляции.

329

На основе проведенных исследований в критериальный комплекс, кроме высоты биофильтра, температурного коэффициента и гидравлической на­грузки, предлагалось ввести объем подаваемого воздуха, который влияет на результаты очистки. Расход воздуха составлял 8; 16 и 32 м³ на 1 м³ воды. При этом увеличение подачи воздуха свыше 16 м³ не дало дальнейшего улучшения очистки воды. Значение БПК выходящей жидкости при расходе воздуха 8 и 16 м³ было различным.

При обработке опытных данных в координатах Э = L_ex 100/Ь_еп и Ф) = 10 НЛУ<7°'⁴ были получены две кривые (рис. 12.12), 1 - без учета влия­ния воздуха; 2 - при подаче воздуха в количестве 16 и 32 м³ на 1 м³ сточной воды. При этом первая (при расходе воздуха 8 м³ на 1 м³ сточной воды) совпала с кривой 1, полученной без учета расхода воздуха. С учетом расхо­да воздуха В, м³ на 1 м³ сточной воды, критериальный комплекс имеет вид:

Ф₂=Нх-ВУ-Kf/qt , (12.31)

где х, у, с и z - параметры, определяемые опытным путем.

э,%

у
\
N
0.	6 1,	2 1	8 2	4 Ф,

В результате обработки данных иссле­дований была рекомендована следующая фор­мула для определения параметров биофильт­ров:

lg(L_en/L_ex) = a-H-B°'⁶-Kc/_q°'⁴₊V, (12.32) где а-и р - постоянные коэффициенты,

К = Ю^аФ^, (12.33)

где Ф₂ - критериальный комплекс, определяе-Рис. 12.12. Зависимость _{мый по} ф_орму_ле Э=/(Ф)

2 уд 1

.0,4.

(12.34)

здесь К_т - температурная константа потребления кислорода, .определяемая по формуле:

К_т =0,2-1,047^Г~²⁰ (12.35)

а и р - константы, принимаемые по табл. 12.3, а значения К_т приведены в табл. 12.4.

Область применения критериального комплекса характеризуется выражением (12.32), при гидравлической нагрузке, равной 1-30 м³/(м² сут), и высоте биофильтра до 4 м. В компонентах критериального комплекса возможны отклонения от найденных значений показателей степени при очистке различных производственных стоков.

О

Таблица 12.3

Значения коэффициентов а и fi

Таблица 12.4

Значение К_т при различных значениях Т

т, °с	Kj	Т, °С	Кт
8	0,115	15	0,158
9	0,120	16	0,166
10	0,126	17	0,174
11	0,132	18	0,183
12	0,138	19	0,190
13	0,145	20	0,20
14	0,151	21	0,21

BvA, м3/м3	Ф	а	р
8	< 0,662 > 0,66 2	1,51 0,469	0 0,69
10	<0,85 >0,85	1,2 0,4	0,13 0,83
12	<1,06 >1,06	1,1 0,2	0,19 1,15

пытами установлено, что закономерность очистки сточной жид­кости на биофильтрах при введении рециркуляции принципиально не отли­чается от закономерности очистки ее без рециркуляции. При наличии ре­циркуляции в выражение (12.32) вместо L_e„ следует подставлять значение L_CM - БПКсмеси исходной и рециркулируемой сточной воды. При общем расходе сточных вод, поступающих на биофильтр Q, м³/сут, расход воды, необходимой для разбавления поступающих сточных вод, определяется по формуле:

L_CM = [ten Q + Lex- Qpeu )/[Q + Qpeu)'> <¹²³⁶^

Графоаналитический метод оказался весьма гибким и был положен в основу расчета башенных биофильтров, предложенного канд. техн. наук Д.Ф. Харитоновым. Критериальный комплекс был представлен в виде:

Фз = ^_гя°'⁶⁷А⁰'⁵- (¹²-^3?)

Профессоры СМ. Шифрин и Ю.А. Феофанов изучали возможность гидравлического моделирования высоконагружаемых биофильтров. По­скольку биофильтры могут классифицироваться как аппараты со стацио­нарным слоем загрузки, то по своим гидродинамическим свойствам они занимают промежуточное положение между идеальными вытеснителем и смесителем. Следовательно, они могут быть представлены либо моделью идеального вытеснителя с перемешиванием жидкости, либо моделью по­

следовательно соединенных проточных идеальных смесителей, число кото­рых в цепочке (а также продолжительность пребывания жидкости в каждом смесителе) зависит от высоты сооружения и гидравлической нагрузки на биофильтр.

Анализ различных методов расчета высоконагружаемых био­фильтров показывает, что эффективность их работы зависит от гидравличе­ской нагрузки, продолжительности контакта сточной воды с биопленкой, температуры сточной воды и количества воздуха, поступающего в тело биофильтра. Последний фактор прямо связан с крупностью фракций загру­зочного материала и его пористостью. Натурные замеры и расчеты порис­тости загрузочного материала показывают, что независимо от крупности загрузки пористость составляет примерно 50% объема. В то же время объ­ем единичной поры зависит от крупности фракций загрузки, что и является причиной снижения пропускной способности биофильтров с объемной за­грузкой при уменьшении крупности фракций загрузки. Следовательно, производительность биофильтров зависит от диаметра фракций загрузки, ее пористости и удельной площади поверхности загрузочного материала. Но с увеличением крупности фракций загрузочного материала уменьшается площадь рабочей поверхности для образования биопленки. Поэтому для повышения пропускной способности биофильтров следует идти по пути увеличения пористости загрузки. Биофильтры с плоскостной загрузкой имеют пористость 70-99% и рабочую поверхность для образования био­пленки от 60 до 250 м²/м³ загрузки. В этом заключается основное принци­пиальное отличие биофильтров с плоскостной загрузкой от биофильтров с объемной загрузкой.

Метод расчета биофильтров с плоскостной загрузкой предложен проф. Ю.В. Вороновым. Известно, что L_ex является функцией следующих величин:

L =/l ,q _f,S _А,т,в,н,р\ О²-³⁸) ex \ en ^п pf уд )

где q_pf - гидравлическая нагрузка, м³/(м²сут); S_vd - удельная поверхность загрузочного материала, м²/м³; Т - температура сточной воды; °С; В - рас­ход воздуха, м³ на 1 м³ сточной воды; Н - высота биофильтра, м; Р - порис­тость загрузочного материала, %.

В биофильтрах с плоскостной загрузкой аэрация осуществляется естественным путем, поэтому можно считать, что воздуха вполне доста­точно и функциональную зависимость (12.38) можно записать в виде

Lex=f{F,T,H,P), (12.39)

где F — масса органических загрязнений по БПК₅, поступающих в сутки на единицу площади поверхности загрузочного материала биофильтра, г/(м²сут).

P = ^Len4nj^Syd Результаты лабораторных и по- Lav, мг/л лупроизводственных испытаний, а также данные эксплуатации производственных сооружений биофильтров с плоскостной загрузкой обработаны в координатах Ь_а. и л (рис. 12.13). При этом

tj = Р-Н K_T/F . (12.41)

В табл. 12.5 приведены значения критериального комплекса т] в зависимо­сти от БПК₅ очищенной сточной воды. Полученная зависимость может быть вы­ражена аналитически:

При/,_£Г= 11-100 мг/л

^^2,18-0,385,,.

(12.40)

(

При L_ex = 7 - 1 1 МГ/Л

(12.42) Таблица 12.5

Lex, мг/л	1	мг/л	Ч
10	3,30	35	1,60
15	2,60	40	1,45
20	2,25	45	1,30
25	2,00	50	1,20
W	1.75

12.43)

Для определения высоты слоя загрузки биофильтра можно вос­пользоваться следующими формулами: при L_ex = 11 -100 мг/л

Н = 2,6(2,18 - lqL_ex)■ F/P К_т ; (12.44)

при L_ex = 7 - 11 мг/л

Я = 15,13-(1,23 - IqUx) -F/P-Kj; (12.45)

при L_ex =11 мг/л

Н^Ъ-F/PKj (12.46)

Метод расчета биофильтров с объемной загрузкой (капельных и высоконагружаемых), разработанный проф. СВ. Яковлевым, и метод рас-

чета биофильтров с плоскостной загрузкой, разработанный проф. Ю.В. Во­роновым, заложены в современную нормативную базу проектирования биологических фильтров.

Расчёт капельных биофильтров

Капельные биофильтры в зависимости от расхода сточных вод и среднегодовой температуры воздуха размещают в неотапливаемых или отапливаемых помещениях, допустимое значение БПК_11ШШ сточных вод, подаваемых на биофильтр, составляет 220 мг/л; гидравлическая нагрузка -1-3 м7(м²сут).

Расчет капельных биофильтров производится в такой последова­тельности:

I) определяется коэффициент Л":

К = L_en /Lex, (12.47) где L_e„, L_ex, - БПК_1|олн сточных вод, соответственно, поступающей и очи­щенной;