3.4.4. Комбинированный (гибридный) биореактор
Аппарат состоит из двух частей: верхняя часть (25−40% от общего объема) заполнена загрузкой и функционирует как анаэробный биофильтр, а нижняя, не заполненная загрузочным материалом, представляет собой UASB-зону. Биореактор можно рассматривать как анаэробный биофильтр с «укороченным» слоем загрузки или как UASB-реактор с газоилоотделительным устройством в виде загрузочного материала (рис. 33). Опыт эксплуатации гибридных биореакторов показал, что сильного обрастания загрузочного материала биопленкой не наблюдается, концентрация биомассы в загрузочном слое составляет 2−6 кг/м3. Основная функция загрузочного материала − удержание в пустотах флокул биомассы, поднятых вверх пузырьками биогаза.
Рис. 33. Гибридный биореактор:
1 − Распределительная система; 2 − поддерживающая решетка;
3 − Слой загрузочного материала;
А − исходная сточная вода; Б − биогаз; В − очищенная сточная вода
По сравнению с анаэробными биофильтрами в гибридных биореакторах экономится 60−75% дорогостоящего загрузочного материала, исключается заиливание загрузки. Период запуска гибридного биореактора менее продолжительный, чем для UASB-реактора. Указанные достоинства и опыт эксплуатации свидетельствуют о больших перспективах для биореакторов комбинированного типа.
3.4.5. Биореактор с псевдоожиженным слоем носителя.
Среди современных систем анаэробной очистки стоков биореактор с псевдоожиженным слоем носителя биопленки является наиболее производительным. Биореакторы такого типа (рис. 34) в настоящее время успешно применяются во всех видах биологической очистки воды − аэробная и анаэробная очистка, , нитрификация и денитрификация, глубокая доочистка сточных и природных вод.
Рис. 34. Биореактор с псевдоожиженным слоем частиц носителя:
1 − Распределительная система; 2 − слой частиц носителя; 3 − насос;
А − исходная сточная вода; Б − биогаз; В − очищенная сточная вода; Г − рециркуляция сточной воды
Псевдоожижающим агентом может быть жидкость, газ или газожидкостная смесь. В анаэробных процессах ожижение частиц носителя осуществляют, как правило, восходящим потоком циркулирующей в замкнутом контуре очищаемой воды. Некоторый (небольшой) вклад в ожижение вносит также образующийся биогаз. В принципе возможно псевдоожижение в результате рециркуляции биогаза.
В биореакторе носитель может находиться в состоянии псевдоожижения (свободное витание частиц в объеме слоя) или в виде расширенного слоя (колебательное движение частиц). В качестве носителя исследованы различные материалы, но на практике получил распространение кварцевый песок с размером частиц 0,2−0,3 мм. Частицы меньшего диаметра вымываются из аппарата, а ожижение слоя из крупных частиц песка требует больших энергозатрат. Линейная скорость восходящего потока сточной воды для создания расширенного слоя носителя составляет 2−10 м/ч. Режим псевдоожижения требует значительно большей скорости − 6−35 м/ч. На частицах носителя формируется биопленка толщиной 0,06−0,20 мм, что позволяет поддерживать в биореакторе высокую концентрацию биомассы − 20−40 кг/м3.
Небольшая толщина биопленки и витание частиц носителя в жидкой среде способствует интенсивному массообмену, следствием чего является высокая активность биопленки. Движение жидкости и контакт между частицами приводят к удалению отмершей биомассы и постоянному обновлению биопленки. Чрезмерное увеличение толщины биопленки снижает плотность частиц и повышает вероятность вымывания их из аппарата. Для эффективного удержания частиц носителя в реакторе предусматривают расширение его верхней части и размещение газоилоотделительных устройств, аналогичных применяемым в UASB-реакторах.
Несмотря на высокую производительность, биореакторы с псевдоожиженным слоем в составе промышленных установок используются гораздо реже, чем, например, UASB-реакторы, что объясняется сложностью создания экономичной системы распределения и рециркуляции сточной воды в аппарате, повышенными эксплуатационными затратами.
В зависимости от характеристик сточной воды и местных условий любой из рассмотренных типов анаэробных биореакторов может оказаться наиболее пригодным. Сравнительная характеристика биореакторов приведена в табл. 7.