Б.4. Биофильтры с плоскостной загрузкой

С конца 50-х годов XX столетия число строящихся станций биофильтрации стало уменьшаться вследствие таких причин как: неиндустриальность строительства, отсутствие загрузочного материала, малая пропускная способность, изменение состава поступающих сточных вод, ненадежность работы при перегрузках, особенно по органическим загрязнениям, и др. Это привело к тому, что из общего числа проектируемых и строящихся биологических окислителей на долю биофильтров приходится не более 10%. В то же время при наличии дешевых местных материалов и дефиците электроэнергии, а также в тяжелых грунтовых условиях и сейсмичных районах предпочтение отдается биофильтрам. Например, в Кыргызстане из 31 действующей станции биологической очистки — 28 с биофильтрами. Следует отметить, что в ряде отраслей промышленности (гидролизно-дрожжевая, пищевая и др.), где сточные воды обладают значительной пенообразующей способностью, целесообразно применять биофильтры. В настоящее время сотни построенных станций биофильтрации работают в режиме, превышающем их расчетную пропускную способность как по расходу сточных вод, так и нагрузкам по органическим загрязнениям. Весьма актуальной стала проблема модернизации таких станций биофильтрации, что явилось стимулом для разработки новых высокопроизводительных загрузочных материалов. Следствием этого и стало появление новых биофильтров с плоскостной загрузкой (рис. Б.6). Они имеют высокую индустриальность строительства, включая заводское изготовление загрузочного материала или комплекса сооружений небольшой пропускной способности. Им свойственна высокая пропускная способность как по расходу сточных вод, так и по снижению органических загрязнений, превышающая пропускную способность биофильтров с объемной загрузкой в 3— 8 раз. Биофильтры с плоскостной загрузкой компактны, надежны в эксплуатации, не подвержены заилению, имеют малую энергоемкость (рис. Б.7). 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—8м, пористость 70—99%, удельная площадь поверхности 60— 250 м²/м³, плотность 10—250 кг/м³.

Рис. Б.6. Биофильтр с плоскостной (пластмассовой) загрузкой пропускной способностью 200 м³/сут.: 1 — корпус из асбестоцементных листов по металлическому каркасу; 2 — пластмассовая загрузка; 3 — решетка; 4 — бетонные столбовые опоры; 5 — подводящий трубопровод; 6 — реактивный ороситель; 7 — отводящие лотки

Рис. Б.7. Биофильтры с пластмассовой загрузкой пропускной способностью 70 тыс.м³/сут.: а); б) — монтаж прямоугольного в плане биофильтра; в — монтаж блочной загрузки

Б.9. Распределение сточных вод по биофильтрам

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.

Спринклерная система состоит из дозирующего бака, разводящей сети и спринклеров (рис. Б.8).

Рис. Б.8. Схема спринклерной водораспределительной сети биофильтра: 1 — дозирующий бак; 2 — магистральная труба; 3 — разводящие трубы; 4— спринклеры; 1—11 — расчетные участки водораспределительной сети

Дозирующий бак (рис. Б.9) 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—8 мин.

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.

Рис Б.9 Дозирующий бак с сифоном: 1 – сифон ; 2 – стакан; 3 – воздушная труба; 4 – трубка (регулятор .напора); 5 – патрубок; 6 – главная выпускная труба; 7 – переливная труба;8 — спринклер.

Один из типовых насадков, применяемый в отечественной практике, показан на рис. Б.10. Достоинством головки этого типа является то, что опора, к которой прикреплен отражательный обратный конус (зонтик), находится в стороне от движущейся струи и не мешает ее действию.

Рис. Б.10: Спринклерная головка. 1 — корпус; 2 — отражательный зонтик

При большой площади биофильтры разделяются на секции с самостоятельными водораспределительными сетями и отдельными дозирующими баками. В отечественной практике наибольшее распространение получил дозирующий бак с сифоном, основным преимуществом которого является отсутствие движущихся частей.

Выпускная труба из дозирующего бака представляет собой сифон, верхний срез которого возвышается над дном бака. Внутри дозирующего бака расположен опрокинутый стакан, установленный на подставках и не доходящий до дна бака. К стакану в верхней его части присоединены две трубки. Одна из них — воздушная трубка — заканчивается открытым концом в баке; другая трубка, представляющая собой вентиляционный затвор или регулятор напора, заканчивается открытым концом выше максимального уровня воды в баке. Кроме того, регулятор напора присоединен патрубком к главной выпускной трубе. В верхней части бака имеется переливная труба, диаметр которой принимается в соответствии с притоком воды в бак.

Действие автоматического сифона заключается в следующем . Вначале вода в баке стоит на низшем уровне А, соответствующем нижнему колену воздушной трубки. В сифоне вода в это время стоит на уровне Б₁ выходного отверстия спринклеров; регулятор напора заполнен водой до уровня В₁, на котором он присоединен к стакану. По мере поступления воды горизонт ее в баке повышается, при этом давление под стаканом и в отводной трубе остается равным атмосферному до тех пор, пока уровень ее не дойдет до отверстия воздушной трубки. После этого выход воздуха из-под стакана прекращается и воздушное давление в нем по мере заполнения бака начинает возрастать. Уровень воды при этом в главном сифоне и регуляторе понижается, в то время как горизонт ее в другой ветви регулятора остается все время на уровне переливного патрубка.

Когда горизонт воды в баке достигнет наивысшего уровня, а горизонт воды под стаканом достигнет верхнего края отводной трубы, уровень воды в регуляторе напора упадет до уровня нижнего его колена В₂, а в главном сифоне — до уровня Б₂ , также почти у нижнего колена. При этом давление воздуха под стаканом, в главной трубе сифона и в регуляторе напора будет равно высоте водяного столба h_изб. В следующий момент гидравлический затвор в регуляторе напора прорвется, давление под стаканом упадет до атмосферного, вследствие чего вода из бака устремится в главную трубу и будет вытекать из нее до тех пор, пока горизонт в баке не упадет до уровня А нижнего колена воздушной трубки. Как только воздух через нее проникает под стакан, действие сифона приостановится, при этом колено регулятора напора, засасывающего во время действия сифона воду из главной отводной трубы, останется заполненным водой.

Для регулирования наивысшего уровня воды в баке, при котором начинают действовать сифоны, верхнюю часть регулятора напора делают подвижной на сальниках; поднимая или опуская переливной патрубок регулятора напора, можно установить начало действия сифона как раз в тот момент, когда уровень воды под стаканом доходит до края выпускной трубы. Отводную трубу от бака можно устраивать с гидравлическим затвором и без него. Диаметр сифона равен диаметру магистральной трубы. Внутренний диаметр стакана принимают равным двум диаметрам трубы сифона, но он может быть и больше.

По мере вытекания воды из бака радиус действия спринклера, зависящий от напора, постепенно уменьшается, и таким образом орошается вся площадь круга вокруг спринклера. Для более равномерного распределения воды по орошаемой площади дозирующему баку придают такую форму, при которой площадь его горизонтальных сечений на различных уровнях пропорциональна расходу воды из бака в данный момент. Этому требованию с достаточным приближением удовлетворяет форма опрокинутой усеченной пирамиды. Площадь нижнего ее сечения назначают в зависимости от размера выходной трубы; площадь верхнего сечения (соответствующего уровню воды при максимальном напоре) определяется из указанного соотношения.

Расчет водораспределительной системы сводится к определению расхода воды из каждого разбрызгивателя (спринклера), определению необходимого их числа, диаметра разводящей сети, вместимости и времени работы дозирующего бака. Расчеты ведутся по максимальным расходам, поступающим в каждую секцию биофильтра; начальный свободный напор у разбрызгивателей принимается около 1,5 м, конечный — не менее 0,5 м; диаметр отверстий разбрызгивателей — 18—32 мм; период орошения при максимальном расходе —5—6 мин.

Максимальный расход воды из разбрызгивателя q , м³/с, определяется по формуле:

(1)

где μ — коэффициент истечения, принимаемый равным 0,67;

ω — полезная площадь сечения отверстия разбрызгивателя, м²;

Н_св — свободный напор у разбрызгивателя, м.

Максимальный секундный расход, который может быть подан на одну секцию биофильтра,

(2)

где n — число разбрызгивателей в одной секции;

F_c — площадь одной секции биофильтра, м²;

f_p — площадь, орошаемая одним разбрызгивателем.

Каждый разбрызгиватель орошает вокруг себя площадь радиусом R, который зависит от свободного напора у разбрызгивателя.