14 Ковальчук Очистка стічних вод

наявність у завантаженні достатньої кількості пор, через які атмосферне повітря надходить до біоплівки, тобто пористість завантаження.

Пористість завантаження - це виражене у відсотках відношення об’єму пор у завантаженні до загального об’єму завантаження.

Чим більша пористість матеріалу завантаження - тим краще буде надходити атмосферний кисень до біоплівки і тим ефективніше будуть здійснюватись біохімічні процеси в біофільтрі.

При штучній вентиляції завантаження користуються таким показником, як питома витрата повітря.

Питома витрата повітря - це кількість повітря в м3, що подається в біофільтр у розрахунку на 1 м3 очищуваних стічних вод.

Дослідження, виконані Н.А.Базякіною, показали, що кількість кисню повітря, що використовується в біофільтрах, як і в інших спорудах біохімічної очистки, не перевищує 7-8 %. При цьому необхідна кількість повітря складає 8-16 м3 на 1 м3 стічних вод.

Для біохімічних реакторів із закріпленою біомасою, до яких відносяться біофільтри, надзвичайно важливим є своєчасне видалення надлишкової біоплівки, яка приростає в результаті окислення органічних речовин, а також затримання нерозчинних домішок, що надходять із очищуваними стічними водами. Як вказувалося раніше, процес відторгнення відпрацьованої біоплівки від завантаження в біофільтрах здійснюється постійно, по мірі збільшення товщини біоплівки. Тому ефективність видалення надлишкової біоплівки з тіла біофільтра буде визначатися здатністю стічних вод, що стікають по поверхні завантаження, до змивання з нього цієї біоплівки. При малих швидкостях обтікання завантаження стічними водами вже відпрацьована біоплівка може затримуватись у завантаженні й вкриватись свіжою біоплівкою чи, відриваючись від вищих шарів завантаження, затримуватись у нижчих його шарах. У результаті цього в біофільтрі будуть акумулюватись органічні нерозчинні речовини, які надалі потребуватимуть окислення киснем повітря, що надходить у біофільтр. З іншої сторони, збільшення швидкості обтікання завантаження може привести до відривання від нього біоплівки. Тому для нормальної експлуатації біофільтрів дуже важливо визначити оптимальний режим обтікання стічними водами поверхні завантаження, який суттєво впливає також і на надходження кисню повітря до біоплівки. Для підтримання оптимального режиму обтікання завантаження користуються таким показником, як гідравлічне навантаження на поверхню біофільтра - чи просто гідравлічне навантаження.

Гідравлічне навантаження - це витрата стічних вод в м3, яка може бути подана на біофільтр у розрахунку на 1 м2 площі його поверхні за 1 добу.

Іноді гідравлічне навантаження визначають у розрахунку не на 1 м2 площі поверхні завантаження, а на 1 м3 його об’єму.

221

Об’ємне гідравлічне навантаження - це витрата стічних вод в м3,

яка може бути подана на біофільтр у розрахунку на 1 м3 його об’єму за 1 добу.

Очевидно, що об’ємне гідравлічне навантаження може розглядатись як кількість стічних вод, що може бути очищена в 1 м3 завантаження біофіль-

тра за добу, чи як продуктивність біофільтра.

Особливістю режиму роботи біофільтра є забезпечення необхідної ефективності очистки стічних вод (наприклад, зниження БПКповн очищених стічних вод до 15-20 мг/л при повній біологічній очистці) при їх одноразовому протіканні через завантаження. При цьому в залежності від матеріалу завантаження, режиму експлуатації біофільтра, виду очищуваних стічних вод за одиницю часу в одиниці об’єму завантаження буде окислюватись певна кількість забруднень, що характеризується таким показником, як окислювальна потужність біофільтра.

Окислювальна потужність біофільтра - це кількість забруднень по

БПКповн чи БПК5, яка може бути видалена із стічних вод протягом 1 доби в 1 м3 його завантаження.

Збільшення концентрації забруднень у стічних водах, що подаються на біофільтр, при незмінному матеріалі й висоті завантаження призведе до погіршання якості очистки і, як наслідок, до зміни окислювальної потужності. Тому окислювальна потужність завантаження біофільтра залежить від кількості забруднень, що надходять на біофільтр, а точніше, від органічного навантаження.

Органічне навантаження - це кількість забруднень по БПКповн чи БПК5, яка надходить із очищуваними стічними водами в розрахунку на 1 м3 завантаження біофільтра за 1 добу.

При очистці стічних вод на біофільтрах часто застосовують так звану рециркуляцію, коли очищувані стічні води, перед подачею на біофільтр, змішуються із вже очищеними стічними водами.

Коефіцієнт рециркуляції - це відношення витрат очищених і очищуваних стічних вод, які зміщуються перед подачею на біофільтри.

9.1.3. Класифікація біофільтрів

Класифікація біофільтрів може здійснюватись за багатьма ознаками, головними з яких є тип використовуваного завантаження, спосіб контакту біоплівки з очищуваними стічними водами і спосіб подачі повітря в тіло біофільтра.

За способом контакту біоплівки із очищуваними стічними вода-

ми розрізняють:

1. Біофільтри, що заливаються очищуваними стічними водами;

222

2.Біофільтри, що зрошуються очищуваними стічними водами;

3.Біофільтри, що занурюються в очищувані стічні води.

Слід відмітити, що перший тип біофільтрів не використовується на практиці вже декілька десятків років.

За типом завантаження біофільтри поділяють на біофільтри із об’ємним (щебінь, гравій, керамзит, шлак тощо) і площинним (пластмаси, азбестоцемент, кераміка, метал тощо) завантаженням.

Біофільтри з об’ємним завантаженням за розміром і висотою завантаження поділяються на:

1.Краплинні, які мають крупність фракцій матеріалу завантаження 20-40 мм і висоту шару завантаження 1,5-2 м;

2.Високонавантажувані, які мають крупність фракцій матеріалу завантаження 40-60 мм і висоту шару завантаження 2-4 м (у вітчизняній практиці високонавантажувані біофільтри з висотою шару завантаження більшою 2 м і штучною вентиляцією отримали назву аерофільтри);

3.Вежні (великої висоти), які мають крупність фракцій матеріалу заванта-

ження 60-80 мм і висоту шару завантаження 8-16 м; Об’ємне завантаження біофільтрів має питому вагу 500-1500 кг/м3 і

пористість 40-50 %.

Біофільтри з площинним завантаженням поділяють за типом заван-

таження на:

1.Біофільтри із жорстким засипним завантаженням у вигляді кілець,

обрізків труб й інших елементів із кераміки, пластмаси, металу й ін. мате-

ріалів. У залежності від матеріалу завантаження його питома вага становить 100-600 кг/м3, пористість - 70-90 %, а висота шару завантаження - 1-6 м;

2.Біофільтри із жорстким блочним завантаженням у вигляді решіток чи блоків, що збираються з пласких чи гофрованих листів, найчастіше пластмасових (полівінілхлорид, поліетилен, поліпропілен, полістирол й ін.) чи

азбестоцементних. Питома вага пластмасового завантаження становить 40-100 кг/м3, пористість - 90-97 %, а висота шару завантаження - 2-16 м. Питома вага азбестоцементного завантаження становить 200-250 кг/м3, пористість -80-90 %, а висота шару завантаження - 2-6 м;

3.Біофільтри з м’яким завантаженням із металевих сіток, пластмасових плівок чи синтетичних тканин (нейлон, капрон), які кріпляться на спеціальних каркасах чи вкладаються у вигляді рулонів. Таке завантаження ви-

сота шару 3-8 м має питому вагу 5-60 кг/м3 і пористість - 94-99 %. Порівняльна характеристика різних типів біофільтрів наведена у

таблиці 9.1.

За способом подачі повітря в тіло біофільтра вони поділяються на: 1. Біофільтри з природною вентиляцією;

223

2. Біофільтри із штучною вентиляцією.

За ступенем очистки розрізняють біофільтри:

1.Такі, що працюють у режимі повної біологічної очистки стічних вод;

2.Такі, що працюють у режимі неповної біологічної очистки стічних вод.

За способом розподілу стічних вод по поверхні біофільтри бува-

ють:

1.З нерухомими водорозподільними пристроями (спринклери, дірчасті труби і жолоби, водоструминні зрошувачі);

2.З рухомими водорозподільними пристроями (реактивні зрошувачі, рухомі наливні колеса і жолоби, що коливаються).

За технологічною схемою роботи біофільтри можуть бути одночи двоступінчастими, працювати з рециркуляцією чи без рециркуляції очищених стічних вод.

9.2. Біофільтри з об’ємним завантаженням 9.2.1. Краплинні біофільтри

Особливістю краплинних біофільтрів є невеликий діаметр фракцій матеріалу завантаження - 20-40 мм, незначна висота завантаження - 1,5-2 м, а також низькі гідравлічні навантаження на поверхню - 1-3 м3/(м2.добу) і об’єм завантаження - 0,5-1 м3/(м3.добу). Зрошування поверхні біофільтра здійснюється періодично з інтервалом 5-8 хв, при цьому стічна вода стікає по поверхні завантаження у вигляді краплин чи струменів. Природна вентиляція завантаження біофільтра здійснюється через відкриту поверхню й дренаж. Крап-

224

линні біофільтри рекомендується використовувати для повної біологічної очистки стічних вод на станціях продуктивністю до 1000 м3/добу. Гранична БПКповн освітлених стічних вод, які подаються на краплинні біофільтри, складає 220 мг/л.

Рис. 9.4. Схема краплинного біофільтра:

1 - подаючий трубопровід; 2 - дозувальний бак; 3 - спринклери; 4 - розподільна мережа; 5 - завантаження; 6 - суцільне дно; 7 - дірчасте дно (дренаж); 8 - огороджуючі стіни; 9 - відвідні лотки; 10 - збірний лоток у суцільному дні

225

Очистка стічних вод на краплинних біофільтрах здійснюється наступним чином (див. рис. 9.4). Освітлена в первинних відстійниках стічна вода під напором (а при можливості - самопливом) надходить у розподільні пристрої, за допомогою яких періодично розбризкується по поверхні біофільтра. Вода, що профільтрувалася через завантаження біофільтра і пройшла через дренаж, по суцільному водонепроникному дну стікає до влаштованих у ньому збірних лотків, якими відводиться у відвідні лотки, що розміщені за межами біофільтра. Далі вода надходить у вторинні відстійники, де від очищених стічних вод відділяється надлишкова біоплівка.

Краплинні біофільтри проектуються звичайно прямокутними чи круглими в плані. Їх влаштовують у вигляді 2-8 окремих секцій (усі секції біофільтра - робочі). Розміри кожної секції приймають у залежності від способу розподілу води по поверхні, умов експлуатації й інших чинників.

Стіни біофільтрів влаштовуються з цегли, бутового каменю, бетону чи збірного залізобетону. Товщина стін визначається за розрахунком, а їх висота приймається на 0,5 м вище поверхні завантаження для запобігання розбризкуванню стічних вод за межі біофільтра.

Дірчасте дно чи дренаж біофільтрів звичайно влаштовується із залізобетонних плит у вигляді колосникових решіток стандартної форми (рис. 9.5). Для хорошого проникання повітря в товщу завантаження загальна площа отворів дренажу повинна складати не менше 5-8 % від площі поверхні біофільтра. Дренаж розташовується на висоті 0,6 м від суцільного дна, утворюючи міждонний простір, що служить для збирання біологічно очищеної рідини, що профільтрувалася, а також для вентиляції біофільтрів. Суцільне дно з бетону має похил не менше 0,01 до збірних лотків шириною 0,15-0,2 м, що розташовуються на відстані 3-4 м один від одного. Для запобігання замулюванню дна біофільтра і лотків надлишковою біоплівкою, що виноситься із очищеними стічними водами, похили збірних і відвідних лотків (максимально можливі із конструктивних міркувань) повинні бути не меншими 0,005, а швидкість руху в них води - не меншою 0,6 м/с. При необхідності можна обмежитися відвідними лотками, що влаштовуються на периферії біофільтра. У цьому випадку дно біофільтра повинно мати похил до лотків, рівний 0,01. Доцільно передбачити також можливість періодичного промивання міждонного простору чистою водою із брандспойту.

Найчастіше в якості завантаження краплинних біофільтрів використовують щебінь, гальку й гравій міцних гірських порід, а також керамзит. Усі ці матеріали повинні мати певні розміри (табл. 9.2) і задовольняти вимогам міцності й морозостійкості [2], а саме: витримувати тиск не менше 0,1 МПа при насипній щільності до 1000 кг/м3, не менш ніж п’ятиразове просочування насиченим розчином сірчанокислого натрію, не менше 10 циклів випробувань на морозостійкість, а також кип’ятіння протягом 1 год у 5 %-у розчині соля-

226

Рис. 9.5. Дренаж біофільтрів із залізобетонних плит у вигляді колосникових решіток

ної кислоти, маса якої повинна перевищувати масу випробовуваного матеріалу в 3 рази. Після таких випробовувань матеріал не повинен мати помітних пошкоджень, і його маса не повинна зменшитись у порівнянні з початковою більш ніж на 10 %.

Завантаження біофільтрів влаштовується однакової крупності по всій висоті крім нижнього підстеляючого шару висотою 0,2 м, який має крупність

70-100 мм.

У краплинних біофільтрах застосовується природна вентиляція завантаження. Рух повітря в завантаженні при цьому відбувається внаслідок різниці температур очищуваних стічних вод і повітря. Якщо температура стічних вод вища температури повітря, то рух повітря в завантаженні біофільтра буде висхідним від дренажу до його поверхні. При зворотному співвідношенні виникає низхідний рух повітря, а при рівних температурах стічних вод і повітря його рух стає нестійким, і можливе припинення надходження повітря в тіло біофільтра. Інтенсивність вентиляції біофільтрів залежить від їх висоти

227

Таблиця 9.2.

Крупність матеріалу завантаження біофільтрів [2]

й розмірів завантаження. Чим вищі біофільтри, тим краща в них тяга повітря. Чим менші розміри завантаження, тим менший об’єм його пор, і більший опір виникає при проходженні повітря через завантаження.

Надходження повітря в краплинні біофільтри здійснюється через дренаж шляхом влаштування отворів або щілин у стінах біофільтра на висоті міждонного простору. При цьому площа отворів для вентиляції не повинна бути меншою 1 % площі біофільтра в плані. Отвори повинні мати заглушки, які можуть перекриватися в зимовий час для запобігання переохолодженню біофільтра. Вентиляція біофільтрів шляхом влаштування дірчастих стін себе не виправдала, бо повітря проникає крізь отвори всього лише на глибину 2-3 м, і при цьому відбувається додаткове охолодження біофільтрів.

Температура в тілі біофільтра не повинна бути меншою +4 °С, бо при нижчих температурах біохімічний процес окислення органічних речовин припиняється. Тому краплинні біофільтри будь-якої продуктивності при середньорічній температурі повітря до +3 °С, а при середньорічній температурі повітря від +3 до +6 °С - біофільтри продуктивністю до 500 м3/добу, розміщуються в опалюваних приміщеннях із п’ятикратним обміном повітря за 1 годину й розрахунковою температурою внутрішнього повітря на 2 °С вище температури стічних вод. Біофільтри продуктивністю більше 500 м3/добу при середньорічній температурі повітря від +3 до +6 °С необхідно розміщувати в неопалюваних приміщеннях полегшеної конструкції. При середньорічній температурі повітря більше +6 °С біофільтри влаштовують на відкритому повітрі.

Краплинні біофільтри забезпечують практично повне окислення затриманих органічних забруднень (ефективність очистки по БПКповн може досягати 90 % і більше), високий ступінь мінералізації надлишкової біоплівки, нітрифікацію амонійного азоту. Це зумовлено, головним чином, низькими

228

швидкостями руху стічної води по поверхні завантаження, в результаті чого відмерла біоплівка й грубодисперсні домішки стічних вод у переважній кількості не змиваються з поверхні завантаження, залишаються в тілі біофільтра, де мінералізуються киснем повітря, що надходить у біофільтр. Згідно СНиП 2.04.03-85 кількість надлишкової біоплівки, що виноситься із краплинних біофільтрів, складає 8 г/(жит.добу) за сухою речовиною, а її вологість - 96 %. Вона має переважно зернисту структуру, практично не загниває і в деяких країнах використовується як гумус.

Краплинні біофільтри відрізняються нескладною конструкцією, не потребують великих витрат енергії, мають низькі експлуатаційні витрати, прості в експлуатації. Однак при навантаженнях по забрудненнях більше допустимої для них величини поверхня біофільтрів швидко замулюється, і їх робота різко погіршується. До недоліків краплинних біофільтрів можна також віднести їх малу продуктивність і низьку окислювальну потужність, появу неприємних запахів. Крім цього вони мають велику чутливість до зміни якості й температури очищуваних стічних вод.

9.2.2. Високонавантажувані біофільтри

Характерною відмінністю високонавантажуваних біофільтрів від краплинних є їх більша продуктивність та окислювальна потужність, що зумовлюється незамулюваністю їх завантаження і кращим обміном у них повітря. Це досягається завдяки застосуванню більш крупного матеріалу завантаження - до 40-70 мм, збільшенню його висоти до 2-4 м, підвищеному гідравлічному навантаженню - до 10-30 м3/(м2.добу), а також застосуванню штучної вентиляції завантаження. У зв’язку з підвищенням гідравлічного навантаження повна біологічна очистка забезпечується при значеннях БПКповн освітлених стічних вод, що подаються на високонавантажувані біофільтри, які не перевищують 300 мг/л.

Підвищена швидкість протікання стічних вод по поверхні завантаження, яка досягається його практично безперервним зрошуванням, забезпечує постійне вимивання з біофільтра надлишкової біологічної плівки і важкоокислюваних грубодисперсних домішок стічних вод. Таким чином, кисень повітря, що надходить у високонавантажувані біофільтри, використовується на окислення лише органічних забруднень, які адсорбуються на поверхні біоплівки, і не витрачається на окислення надлишкової біоплівки й грубодисперсних домішок очищуваних стічних вод. Ця обставина пояснює більшу окислювальну потужність високонавантажуваних біофільтрів у порівнянні з краплинними.

229

Рис. 9.6. Високонавантажуваний біофільтр:

1 - корпус; 2 - завантаження; 3 - реактивний зрошувач; 4 - дренаж; 5 - гідрозатвор; 6 - суцільне дно; 7 - вентиляційна камера

Згідно СНиП 2.04.03-85 кількість надлишкової біоплівки, яка виноситься із високонавантажуваних біофільтрів, складає 28 г/(жит.добу) за сухою речовиною, а її вологість - 96 %. Надлишкова біоплівка з високонавантажуваних біофільтрів швидко загниває, а тому вона повинна піддаватись наступній стабілізації.

230