6.2. Очистка на биологических фильтрах

Основными сооружениями для очистки сточных вод в локальных условиях являются биофильтры, биотэнки-биофильтры.

Биологический фильтр (биофильтр)  сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой (биопленкой), образованной колониями микроорганизмов (рис. 6.7). Биофильтр состоит (рис. 6.8): из фильтрующей загрузки 3, помещенной в резервуаре круглой или прямоугольной формы в плане; водораспределительного устройства 2, обеспечивающего равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра; дренажного устройства для удаления профильтрованной воды 4; воздухораспределительного устройства 6, с помощью которого поступает необходимое количество воздуха для окислительного процесса.

Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней нерастворимые примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, сорбируемые биологической пленкой. Густо заселяющие биопленку микроорганизмы окисляют органические вещества и отсюда получают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества и в то же время увеличивается масса активной биологической пленки в теле биофильтра.

Рис. 6.7. Схема обмена веществ в элементарном слое биофильтра: 1 – анаэробный слой биопленки; 2 – аэробный слой биопленки; 3 – слой сточной воды	Рис. 6.8. Схема биологического фильтра: 1 – подача сточных вод; 2 – водораспределительное устройство; 3 – фильтрующая загрузка; 4 – дренажное устройство; 5 – профильтрованная сточная вода; 6 – воздухораспределительное устройство

Отработавшая и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра.

Биофильтр, как и любой другой биоокислитель, представляет собой открытую экологическую систему, включающую живую (биоценоз, биопленки) и неживую (конструктивная часть биофильтра, компоненты движущихся жидкой и газовой фаз) среду, обеспеченную источниками энергии и питания. Экосистема – биофильтр отличается устойчивым равновесием, т.е. способностью за счет саморегулирования возвращаться в исходное состояние по производительности и эффективности работы после отклонений от нормального режима в результате воздействия окружающей среды и условий функционирования. Многообразие видового состава биоценозов является показателем жизнестойкости системы. Эффективность работы биофильтров зависит от многих факторов: влияния окружающей среды, состава сточных вод, режима эксплуатации, конструкции биофильтров, состава биоценозов биопленки и др.

6.3. Классификация биофильтров

Биофильтры могут работать на полную и неполную биологическую очистку и классифицируются по различным признакам, основным из которых является конструктивная особенность загрузочного материала. По этому признаку биофильтры делятся на биофильтры с объемной (гравий, шлак, керамзит, щебень и др.) и плоскостной (пластмассы, асбестоцемент, керамика, металл, ткани и др.) загрузкой.

Биофильтры с объемной загрузкой 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;

• большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60-80 мм и высоту слоя загрузки 8-16 м.

Объемный загрузочный материал имеет плотность 500-1500 кг/м³ и пористость 40-50 %.

Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на:

• с жесткой засыпной загрузкой. В качестве загрузки могут использоваться керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100-600 кг/м³, пористость – 70-90 %, высота слоя загрузки – 1-6 м;

• с жесткой блочной загрузкой. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (гофрированные и плоские листы или пространственные элементы), а также из асбестоцементных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40-100 кг/м³, пористость 90-97 %, высота слоя загрузки 2-16 м; плотность асбоцементной загрузки 200-250 кг/м³, пористость 80-90 %, высота слоя загрузки 2-6 м;

• с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов. Плотность такой загрузки 5-60 кг/м³, пористость 94-99 %, высота слоя загрузки 3-8 м.

К биофильтрам с плоскостной загрузкой следует отнести и погружные фильтры (дисковые и барабанные), которые используют для очистки бытовых и производственных сточных вод при расходах до 1000 м³/сут.

Существует большое число конструкций биофильтров, которые делят на биофильтры, работающие с полной и неполной биологической очисткой; с естественной и искусственной подачей воздуха; с рециркуляцией и без рециркуляции сточных вод; на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые (рис. 6.9).

Двухступенчатые биофильтры применяются в том случае, когда для достижения высокой степени очистки нельзя увеличить высоту биофильтра.

Биопленка выполняет такие же функции, как и активный ил. Она адсорбирует и перерабатывает органические вещества, находящиеся в сточных водах. Окислительная мощность биофильтров ниже мощности аэротенков.

Рис. 6.9. Схема установки для очистки сточных вод биофильтрами:

а – одноступенчатая; б – двухступенчатая; 1 – первичный отстойник; 2, 4 – биофильтры I и II ступеней; 3 – вторичный отстойник; 5 – третичный отстойник

На эффективность очистки сточных вод в биофильтрах влияют биохимические, массообменные, гидравлические и конструктивные параметры. Среди них следует отметить: БПК очищаемой сточной воды, природу органических загрязнений, скорость окисления, интенсивность дыхания микроорганизмов, массу веществ, абсорбируемых пленкой, толщину биопленки, интенсивность аэрации, площадь и высоту биофильтра, характеристику загрузки (размер кусков, пористость и удельную поверхность), физические свойства сточной воды, температуру процесса и гидравлическую нагрузку, интенсивность рециркуляции, равномерность распределения сточной воды по сечению загрузки, степень смачиваемости биопленки.

Капельные биофильтры. В капельном биофильтре сточная вода подается в виде капель или струй. Естественная вентиляция воздуха происходит через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Такие биофильтры имеют низкую нагрузку по воде – обычно 0,5…2 м³ на 1 м³ объема загрузочного материала в сутки. Капельные биофильтры рекомендуется применять при расходе сточных вод не более 1000 м³/сут. Они предназначаются для полной биологической очистки сточных вод.

Схема работы капельных биофильтров следующая. Сточная вода, осветленная в первичных отстойниках, самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, из которых напускается на поверхность биофильтра. Вода, профильтровавшаяся через толщу биофильтра, попадает в дренажную систему и далее по сплошному непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых выносимая пленка отделяется от очищенной воды. При нагрузке по загрязнениям больше допустимой поверхность капельных биофильтров быстро заиливается и работа их резко ухудшается.

Капельные биофильтры проектируются круглыми или прямоугольными в плане со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним – сплошным. Высота междонного пространства должна быть не менее 0,6 м для возможности его периодического осмотра. Дренаж биофильтров выполняется из железобетонных плит, уложенных на бетонные опоры. Общая площадь отверстий для пропуска воды в дренажную систему должна составлять не менее 5-8 % площади поверхности биофильтров. Во избежание заиливания лотков дренажной системы скорость движения воды в них должна быть не менее 0,6 м/с. Уклон нижнего днища к сборным лоткам принимается не менее 0,01; продольный уклон сборных лотков (максимально возможный по конструктивным соображениям) – не менее 0,005. Стенки биофильтров выполняются из сборного железобетона или кирпича и возвышаются над поверхностью загрузки на 0,5 м. Наилучшими материалами для засыпки биофильтров являются щебень, гравий и галька. Все применяемые для загрузки материалы должны удовлетворять требованиям прочности и морозостойкости. Загрузка биофильтров по высоте должна быть одинаковой крупности и только для нижнего поддерживающего слоя высотой 0,2 м следует применять загрузку крупностью 70-100 мм. Биофильтры с капельной фильтрацией имеют низкую производительность, но обеспечивают полную очистку. Гидравлическая нагрузка их равна 0,5-3 м³/(м²  сут). Их используют для очистки вод 1000 м³/сут при БПК не более 220 мг/л. Капельные биофильтры эксплуатируются в неотапливаемых помещениях.

Высоконагружаемые биофильтры. В России их называют аэрофильтрами, а за рубежом – биофильтрами высокой нагрузки. Отличительной особенностью этих сооружений является более высокая, чем в обычных капельных биофильтрах, окислительная мощность, что обусловлено меньшей заиливаемостью таких фильтров и лучшим обменом воздуха в них. Достигается это благодаря более крупному загрузочному материалу и повышенной в несколько раз нагрузке по воде. Повышенная скорость движения сточной воды обеспечивает постоянный вынос задержанных трудноокисляемых нерастворенных примесей и отмирающей биопленки. Поступающий в тело биофильтра кислород воздуха расходуется в основном на биологическое окисление части загрязнений, не вынесенных из тела биофильтра.

Конструктивными отличиями высоконагружаемых био-фильтров является большая высота слоя загрузки, большая крупность ее фракций и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом. В закрытое (обязательно) междонное пространство вентилятором подается воздух. На отводных трубопроводах должны быть предусмотрены гидравлические затворы глубиной 200 мм. Особенностями эксплуатационного характера являются необходимость орошения всей поверхности биофильтра с возможно малыми перерывами в подаче воды и поддержание повышенной нагрузки по воде на 1 м² поверхности фильтра (в плане). Только при этих условиях обеспечивается промывка фильтров. Высоконагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для неполной, так и для полной их очистки на очистных станциях пропускной способностью до 50 тыс.м³/сут. Они работают при гидравлической нагрузке 10-30 м³/(м² ·сут). Для лучшего растворения кислорода производят аэрацию. Объем воздуха, подаваемого в биофильтр, не превышает 16 м³ на 1 м³ сточной воды.

Башенные биофильтры имеют высоту 8-16 м применяются для очистных станций пропускной способностью до 50 тыс.м³/сут при благоприятном рельефе местности и при БПК_полн очищенных сточных вод 20-25 мг/л. В отечественной практике они распространения не получили.

Биофильтры с плоскостной загрузкой. Биофильтры с плоскостной загрузкой имеют широкое распространение, включая заводское изготовление загрузочного материала или комплекса сооружений небольшой пропускной способности. Им свойственны высокая пропускная способность сточных вод и снижение органических загрязнений, превышающее пропускную способность биофильтров с объемной загрузкой в 3-8 раз. Биофильтры с плоскостной загрузкой компактны, надежны в эксплуатации, не подвержены заилению, имеют малую энергоемкость. В качестве загрузки используются блочные, засыпные и рулонные материалы из пластических масс, металла, асбестоцемента, керамики, стекла, дерева, тканей и др. Высота слоя загрузочного материала 3-8 м, пористость 70-99 %, удельная площадь поверхности 60-250 м²/м³, плотность 10-250 кг/м³.

К биофильтрам с плоскостной загрузкой следует отнести и погружные биофильтры, которые используют для очистки бытовых и производственных сточных вод при расходах до 1000 м³/сут. Диски выполняют из пластмасс, асбоцемента или из металла; они имеют диаметр 0,6-3 м. Расстояние между дисками 10-20мм, частота вращения вала с дисками 1-10 мин^-1.

Существует биотенк-биофильтр (рис. 6.10). Он заключен в корпус с расположенными в шахматном порядке элементами загрузки, которые представляют собой полуцилиндры диаметром 80 мм. Сточная вода поступает сверху, наполняя элементы загрузки, и через край стекает вниз. На наружной поверхности элементов образуется биопленка, а в элементах – биомасса, напоминающая активный ил. Насыщение воды кислородом происходит при движении жидкости. Конструкция обеспечивает высокую производительность и эффективность очистки.

Рис. 6.10. Биотенк-биофильтр: 1 – корпус; 2 – элементы загрузки

Для удаления органических примесей и проведения процессов нитрификации, денитрификации разработана установка с кипящим слоем зернистого материала. В качестве зернистого материала служит песок, на поверхности которого культивируются микроорганизмы. Сточную воду предварительно насыщают кислородом и подают воду снизу вверх со скоростью 25-60 м/ч. В колонне образуется псевдоожиженный слой с поверхностью загрузки 3200м²/м³, что в 20 раз больше, чем в аэротенках, и в 40 раз больше, чем в биофильтрах. Процессы очистки протекают с очень высокой скоростью. Например, снижение БПК сточных вод на 85-90 % в установке достигается за 15 мин, а в аэротенке на это требуется 6-8 часов.

Расчет биофильтров. Для расчета капельных биофильтров сначала определяют коэффициент K:

, (6.18)

где L_a , L_t – БПК_полн сточных вод (поступающей и очищенной).

По среднезимней температуре сточных вод Т и значению K (табл. 6.7) определяют высоту биофильтра Н и гидравлическую нагрузку q. Если полученное значение K превышает значения, приведенные в табл. 6.7, необходимо вводить рециркуляцию и расчет производить по методике расчета высоконагружаемых биофильтров с рециркуляцией.

Таблица 6.7

Параметры для расчета капельных биофильтров

Гидравлическая нагрузка q	Значения K при среднезимней температуре сточной воды Т, оС
	8	10	12	14
1 1,5 2 1,5 3	8,0/11,6 5,9/10,2 4,9/8,2 4,3/6,9 3,8/6,0	9,8/12,6 7,0/10,9 5,7/10,0 4,9/8,3 4,4/7,1	10,7/13,8 8,2/11,7 6,6/10,7 5,6/10,1 5,0/8,6	11,4/15,1 10,0/12,8 8,0/11,5 6,7/10,7 5,9/10,2

Примечание. Перед чертой  значения K для высоты биофильтра H = 1,5 м, после черты  для H = 2 м.

Затем по расходу очищаемых сточных вод, м³/сут, и гидравлической нагрузке, м³/(м² ·сут), вычисляют общую площадь биофильтров, м²:

. (6.19)

Биофильтры устраивают в виде отдельных секций. Число и размеры секций зависят от способов распределения сточной воды по поверхности, условий их эксплуатации и др.; число секций принимается не менее двух и не более восьми; все секции должны быть рабочими.

Высоконагружаемые биофильтры, как правило, размещают на открытом воздухе; высоту биофильтра назначают в зависимости от БПК_полн очищенной сточной воды, а гидравлическую нагрузку принимают 10-30 м³/(м² ·сут); допустимое БПК_полн поступающих нa биофильтр сточных вод 300 мг/л.

Расчет высоконагружаемых биофильтров производят в такой последовательности: по формуле (6.18) находят K; по среднезимней температуре сточной воды Т и по найденному значению K определяют высоту биофильтра Н, гидравлическую нагрузку q и расход воздуха В_уд (табл. 6.8). Если полученное значение K отличается от приведенных в табл. 6.8, следует принимать для очистки без рециркуляции Н, q и В_уд по ближайшему большему значению K, для очистки с рециркуляцией по меньшему.

При очистке без рециркуляции находят площадь биофильтров по формуле (6.19); при очистке сточных вод с рециркуляцией определяют допустимое БПК_полн смеси, поступающей и рециркуляционной сточной воды, подаваемой на биофильтр L_см , мг/л, коэффициент рециркуляции п_р и площадь биофильтров F:

, (6.20)

; (6.21)

. (6.22)

Таблица 6.8

Параметры для расчета высоконагружаемых биофильтров (аэрофильтров)

Высота биофильтра Н, м	Значения K при среднезимней температуре сточной воды, Т, оС
	8		10		12		14
	и гидравлической нагрузке q, м3/(м2 ·сут)
	10	20	10	20	10	20	10	20
При Вуд = 8 м3 на 1 м3 воды
2 3 4	3,02 5,25 9,05	2,32 3,53 5,37	3,38 6,2 10,4	2,5 3,96 6,25	3,76 7,32 11,2	2,74 4,64 7,54	4,3 8,95 12,1	3,02 5,25 9,05
При Вуд = 10 м3 на 1 м3 воды
2 3 4	3,69 6,1 10,1	2,89 4,24 6,23	4,08 7,08 12,3	3,11 4,74 7,18	4,5 8,23 15,1	3,36 5,31 8,45	5,09 9,9 16,4	3,67 6,04 10
При Вуд = 12 м3 на 1 м3 воды
2 3 4	4,32 7,25 12	3,38 5,01 7,35	4,76 8,35 14,8	3,72 5,55 8,25	5,31 9,9 18,4	3,98 0,35 10,4	5,97 11,7 23,1	4,31 7,2 12

При расчете высоконагружаемых биофильтров для сточных вод, имеющих Т < 8 ^оС и Т > 14 ^оС:

K = 10^{αФ + β}, (6.23)

где α и β  коэффициенты, принимаемые по табл. 6.9; Ф – критериальный комплекс.

Таблица 6.9

Значения коэффициентов α и β

Удельный расход воздуха Вуд , м3/м3	Критериальный комплекс Ф	α	β
8	≤ 0,662 > 0,662	1,51 0,47	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

, (6.24)

где K_т  температурная константа потребления кислорода;

K_т = 0,2  1,047^{Т – 20}. (6.25)

Биофильтры с плоскостной загрузкой следует размещать в закрытом помещении. Высоту биофильтра назначают в зависимости от требуемой степени очистки. Допустимое БПК_полн поступающих сточных вод при полной биологической очистке составляет 250 мг/л, при неполной очистке  не ограничивается. Гидравлическая нагрузка зависит от необходимой степени очистки и содержания органических загрязнений в поступающей сточной воде.

Таблица 6.10

Значения критериального комплекса η при различном БПК_полн очищенных сточных вод L_t

Lt , мг/л	η	Lt , мг/л	η	Lt , мг/л	η
10 15 20	3,3 2,6 2,25	25 30 35	2 1,75 1,6	40 45 50	1,45 1,3 1,2

Для расчета биофильтров с плоскостной загрузкой в зависимости от требуемого БПК₅ очищенных сточных вод по табл. 6.10 находят критериальный комплекс:

, (6.26)

где P  пористость загрузочного материала, %; М_п  масса органических загрязнений по БПК₅ , приходящихся на единицу поверхности загрузочного материала биофильтра в 1 сут, г/(м² ·сут):

, (6.27)

где L_a  БПК₅ поступающих сточных вод, мг/л; q_п  гидравлическая нагрузка, м³/(м³ · сут); S_уд  удельная поверхность загрузочного материала, м²/м³; М_о  нагрузка по БПК₅ на 1 м³ объема биофильтра, г/(м³ · сут).

По заданной среднезимней температуре сточных вод Т подсчитывают K_т . Глубина слоя загрузки Н назначается в зависимости от требуемой степени очистки, но не менее 4 м; Р определяется конструктивными размерами плоскостной загрузки; М_п находят из формулы (6.26):

. (6.28)

Далее по заданному значению L_a и конструктивному размеру S_уд по формуле (6.27) определяют допустимую гидравлическую нагрузку q_п:

. (6.29)

Затем по заданному суточному расходу, м³/сут, и подсчитанной q_п вычисляют объем загрузочного материала биофильтра, число биофильтров и их конструктивные размеры.

Для расчета биофильтров с плоскостной загрузкой составлены табл. 6.11 и 6.12 (для блоков с пористостью 93-96 %; S_уд = = 90-110 м²/м³; L_а = 200-250 мг/л).

Вентилируются биофильтры естественным путем (капельные биофильтры и биофильтры с плоскостной загрузкой) или искусственной поддувкой с помощью вентиляторов (высоконагружаемые аэрофильтры).

Таблица 6.11

Допустимая гидравлическая нагрузка на биофильтры с плоскостной загрузкой

Необходимый эффект очистки, %	Гидравлическая нагрузка, м3/(м3·сут), при высоте слоя загрузки, м
	3				4
	и среднезимней температуре сточной воды, оС
	8	10	12	14	8	10	12	14
90 85 80	6,3 8,4 10,2	6,8 9,2 11,2	7,5 10 12,3	8,2 11 13,3	8,3 11,2 13,7	9,1 12,3 5	10 13,5 16,4	10,9 14,7 17,9

Таблица 6.12

Допустимая органическая нагрузка на биофильтр с плоскостной загрузкой

БПК очищенной воды, мг/л	Нагрузка по БПК, г/(м3·сут), при высоте слоя загрузки, м
	3			4
	и среднезимней температуре сточной воды, оС
	10-12	13-15	16-20	10-12	13-15	16-20
15 20 25 30 40	1150 1350 1650 1850 2150	1300 1550 1850 2100 2500	1550 1850 2200 2500 3000	1500 1800 2100 2450 2900	1750 2100 2450 2850 3200	2100 2500 2900 3400 4000

В практике проектирования применяются биофильтры с объемной загрузкой прямоугольной формы в плане с размерами сторон 3×3; 3,6×4; 9×12, 12×12, 15×15, 12×18 м и другими, с высотой слоя загрузки 2,3; 3 и 4, а также круглой формы в плане диаметром 6, 12, 18, 24 и 30 м, с высотой слоя загрузки 2, 3 и 4 м. Биофильтры с плоскостной загрузкой имеют проектные решения на пропускную способность 200-50000 м³/сут; биофильтры имеют круглую, прямоугольную и восьмигранную форму в плане с высотой слоя загрузки 3-6 м.

Надежная работа биофильтра может быть достигнута только при равномерном орошении водой его поверхности. Орошение производится распределительными устройствами, которые подразделяются на 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). Наибольшее распространение получило спринклерное орошение.