Фильтр биологической очистки. Установка биофильтров и биореактора для очистки сточных вод

Что такое биологический фильтр? Он имеет резервуар специальной формы, в котором очищаются сточные воды с применением биологических материалов — оболочка из разных микроорганизмов.

Во время очистительных работ происходит постоянная циркуляция воздуха благодаря температурной разнице атмосферы и очищаемой воды. Вентиляция является обязательным условием поддержания жизни – обеспечение микроорганизмов кислородом.

Классификация биофильтров

В биологических фильтрах предусмотрены разные материалы для загрузки. Выделяют:

Биофильтры с объемной нагрузкой. Они содержат горный щебень, керамзит, гальку и т.д.
Фильтры плоской нагрузки. Используются прочные пластмассы, работающие в температурном диапазоне от 6 до 30 градусов.

По используемой технологической схемы выделяют:

Фильтры с двумя ступенями очистки, которые выдают высокоочищенную воду. Их применяют при ограничении высоты устройства или при неблагоприятном климате.
Биофильтры с одной ступенью очистки.

По степени очистки биофильтры бывают:

с полной очисткой;
с неполной очисткой.

В зависимости от способа подачи воздуха биофильтры делятся:

с естественной циркуляцией воздуха;
с искусственной воздушной подачей.

Различают два режима работы биологических фильтров:

рециркуляционны — высококонцентрированная вода подается небольшими порциями для более эффективной очистки;
без рециркуляции – при низком загрязнении воды.

В зависимости от пропускной способности классифицируются на:

капельные — с малой пропускной способностью;
высоконагружаемые.

Биофильтры с объемной нагрузкой

Их принято разделять на:

Капельные, которые характеризуются малой производительностью. Зернистость тела загрузки будет 20-30 миллиметров при двухметровой высоте слоя.
Высоконагружаемые с размером загрузочного материала 40-60 миллиметров и четырехметровый слой.
Башенные биофильтры имеют большую высоту – 16 метров, а зернистостью 40-60 миллиметров.

Биофильтры с плоской загрузкой

Жесткая нагрузка обеспечивается кольцами, частями труб и подобными элементами. В бак засыпают крошку из металла, керамики или пластмассы. Их плотность доходить до 600 кг/м 3 , пористость материалов от 70%. Очищающий слой доходит до шести метров.
Жесткая нагрузка с блочной или решетчатой нагрузкой. Блоки изготавливают из асбестовых листов (плотность до 250 кг/м 3 , пористость от 80%, шесть метров загрузки) или некоторых разновидностей пластмасс (плотность от 40 до 100 кг/м 3 , пористость от 90%, фильтрующий слой до 16 метров).
Рулонная или мягкая нагрузка создается сеткой из металла, синтетическими тканями, пленкой из пластмассы. Загрузку выкладывают рулонами или закрепляют на каркас. Плотность до 60 кг/м3, пористость от 95% при высоте загрузки до 8 метров.
Биофильтры для погружения – резервуары с вогнутым днищем. Диски из пластмассы, металла или асбеста монтируются выше уровня очищаемых вод. Диски расположены 10-20 миллиметров друг от друга, их диаметр – 06-3 метра. Вал вращается с частотой до 40 мин -1 .

Засыпная и мягкая нагрузка используется при максимальном расходе 10 000 м 3 /сутки, блочная нагрузка – 50 000 м 3 /сутки. Погружные биофильтры эффективны при низких нагрузках.

Схема работы фильтра

Подача водной массы осуществляется капельным или струйным методом. Воздух проходит через дренаж фильтра или забирается с поверхности. Предварительно очищенная сточная вода с невысокой концентрацией загрязнений сама течет в распределитель, который порциями подает ее на поверхность загрузочной массы. Далее вода идет в систему дренажа, а оттуда на водные лотки за границами биологического фильтра. Во втором отстойнике удаляется биопленка.

Капельные биофильтры характеризуются низкой органической нагрузкой. Что бы вовремя очистить тело фильтра от мертвой биопленки, используют гидравлическую нагрузку.

Должно быть обеспечено равномерное орошение всей загрузки биофильтра. Это необходимо для исключения возникновения повышенной или пониженной гидравлической нагрузки.

Капельные фильтры почти невозможно регулировать под изменения внешних условий. При эксплуатации следят за показателями загрязненности и состоянием биофильтров. Очистка загрузки имеет высокую стоимость – используют полную ее замену. В биофильтр должна поступать сточная вода с количеством взвешенных частиц менее 100 мг/л.

При эксплуатации важным является аэрация фильтра. Концентрация кислорода не должна снижаться за 2 мг/л. Необходимо обеспечить периодическую очистку полости под дренажем и над днищем.

Капельный биологические фильтры плохо переносит зимой ветер. Для эффективной работы предусматривают противоветровую защиту. Неоднородная нагрузка приводит к заболачиванию фильтра, которая ликвидируется заменой загрузки. Работу нарушают и посторонние предметы в загрузочной массе и дозирующих баках.

Высоконагружаемые биофильтры

Этот тип фильтров имеет повышенный воздухообмен и, соответственно, окислительную способность. Обеспечивается повышенный обмен воздуха крупной фракцией загрузки и повышенной водонагрузки.

Очищаемые воды двигаются с большой скоростью и выносят трудноокисляемые вещества и отработанную биопленку. Кислород расходуется на оставшиеся загрязнения.

Высоконагружаемые биофильтры имеют высокий загрузочный слой, повышенную зернистость дренажа и днище особой формы для обеспечения искусственной циркуляции воздуха.

Промывка фильтра будет происходить только условиях постоянного беспрерывного и высокой подаче воды.

Высота массы загрузки прямо пропорциональна эффективности биофильтра.

В состав биологических фильтров могут входить:

тело фильтра – фильтрующая загрузка, которая расположена в резервуаре, доступном для проникновения воды. Наполнители (пластмасса, шлак, щебень, керамзит и т.д.) должны иметь низкую плотность и повышенную поверхностную площадь;
устройство для распределения воды, позволяющее равномерно орошать фильтрующую загрузку грязной водой;
дренаж;
устройство распределения воздуха – подает кислород для окислительных реакций.

Окислительные процессы в биофильтрах схожи с орошением полей или как в сооружениях биологической очистки, но интенсивнее.

Схема работы биофильтра

Загрузочная масса очищает воду от нерастворенных примесей, которые остались после пройденных отстойников. Биопленка сорбирует растворенную органику. Микроорганизмы в биопленки живут за счет окисления органических веществ. Так же часть органики идет на увеличении биомассы. Происходит два эффективных действия: уничтожение ненужной органики из воды и увеличения биологической пленки. Поток сточной воды уносит с собой омертвевшую часть пленки. Кислород подается естественным и искусственным путем с помощью вентиляции.

Расчет биофильтров

Расчет производится для поиска эффективной толщины загрузочной массы и характеристик водораспределительного устройства, фракции дренажа и диаметра лотков, отводящих воду.

Эффективный размер загрузочной массы рассчитывают по окислительной мощности – ОМ. ОМ – это масса необходимого кислорода в сутки. На нее влияет температура воды и окружающей среды, материала загрузочной массы, типа загрязнения, способа воздухообмена и т.д. Если за год средняя температура менее 3 градусов, то биофильтр переносят в более теплое помещение с возможностью обогрева и пятикратной подачей свежего.

Часто используют следующий алгоритм:

Определяют коэффициент К как произведение БПК20 входящей и выходящей воды.
Из таблиц определить высоту фильтра и допустимую гидравлическую нагрузку, зависящая от среднезимней температуры окружающей среды и К.
Общая площадь определяется делением расхода входящей воды на гидравлическую нагрузку.

Высоконагружаемые биофильтры

Для них существует точная методика расчета:

Определяется допустимая концентрация загрязнения входящей воды: табличный коэффициент К умножается на БПК вышедшей воды.
Рассчитывается коэффициент рециркуляции по специальной формуле. Он равен частному двух разностей: БПК поступающей сточной воды минус ее допустимая концентрация и допустимая концентрация минус БПК очищенной воды.
Для определения площади фильтра берется произведение объема среднесуточной подачи воды, увеличенное на 1 отношение рециркуляционного расхода к расходу сточной воды и коэффициента с пункта 2. Все нежно разделить на допустимую нагрузку и температуру.

Существуют дополнительные методы расчета биологических фильтров, которые используют сложные формулы и дают более точные результаты.

Схема вентиляции биофильтра

Как уже упоминалось выше, биофильтры имеют два способа подачи кислорода: искусственный и естественны. Вид вентиляции зависит от климатических условий и типа фильтра.

Для высоконагруженных биофильтров используют вентиляторы с низким давлением — ЭВР, ЦЧ. Аэрофильтры нуждаются в искусственной вентиляции. При монтаже биофильтра в закрытом пространстве, так же предусматривают принудительную подачу воздуха в него.

Обеспечивают постоянную циркуляцию воздуха, так как перерывы могут поднять температуру до 60 градусов и вызвать плохие запах от разложения отработанной биопленки.

Биофильтр эффективно работает при температуре выше 6 градусов. Если вода будет меньшей температуры, то следует предусмотреть подогрев подаваемой воды.

Что бы в зимнее время фильтр не переохлаждался, устанавливают противоветровую защиту в виде купольного сооружения и снижают коэффициент неравномерности подачи сточных вод. Так же вводят ограничение по подаче холодного воздуха: на квадратный метр за час должно подаваться только 20 кубических метров. В вентиляционные решетки вставляют жалюзи, экраны из тканевых материалов.

Толщина биопленки оказывает влияние на равновесие в фильтре. Большая толщина может привести к прекращению потребления кислорода и начнется гниение. Наиболее распространено в капельных фильтрах.

Ранее считалось, что естественная подача кислорода происходит только благодаря разности температур. Сегодня доказано, что на естественную вентиляцию влияют диффузные процессы во время окислительно-восстановительных реакций.

К атегория: Очистка сточных вод

Биофильтры

Биологические фильтры представляют собой сооружения, в которых процесс биологической очистки сточных вод протекает в искусственно созданных условиях. Биологические фильтры бывают периодического (контактные) и непрерывного действия. Контактные биофильтры вследствие их малой пропускной способности и высокой стоимости в настоящее время не применяют. Биофильтры непрерывного действия по пропускной способности могут быть подразделены на капельные и вы-соконагружаемые, по способу подачи в них воздуха и те и другие могут быть с естественной и с искуственной вентиляцией (аэрофильтры).

Капельные биофильтры. Капельные- непрерывно действующие биофильтры в зарубежной практике иногда называют оросительными или перколяторными.

Непрерывно действующий капельный биофильтр состоит из следующих основных частей: непроницаемого основания, дренажа, боковых стенок, фильтрующего материала и распределительных устройств. Биофильтры могут быть в плане круглые, прямоугольные, квадратные. Поверхность капельного биофильтра орошают сверху равномерно через небольшие промежутки времени; при этом вода подается в виде капель или струй (капельные или оросительные) либо в виде тонкого слоя воды (перколяторные).

В отечественной практике в капельные биофильтры воздух поступает естественным путем - сверху через открытую поверхность биофильтра и снизу через дренаж. Они имеют низкие нагрузки по воде (не более 0,5-1 м3 сточной воды на 1 м3 загрузочного материала), а также меньший по сравнению с высоконагружаемыми биофильтрами размер фракций загрузки (20-40 мм).

Проходя через фильтрующую загрузку биофильтра, загрязненная вода вследствие адсорбции оставляет в ней взвешенные и коллоидные органические вещества, не осевшие в первичных отстойниках, которые создают биопленку, густо заселенную микроорганизмами. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества и получают необходимую для своей жизнедеятельности энергию. Часть растворенных органических веществ микроорганизмы используют как пластический материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а в теле биофильтра увеличивается масса активной биологической пленки. Отработавшая и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.

Биофильтр (рис. 1) работает следующим образом. Осветленная в первичных отстойниках сточная вода самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, которые периодически напускают воду на поверхность биофильтра. Профильтрованная через толщу биофильтра вода проходит через отверстия в дырчатом дне (дренаже), поступает на сплошное непроницаемое днище, с которого стекает по отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых задерживается выносимая биопленка, отделяемая от очищенной сточной воды. Эффект очистки нормально работающих биофильтров подобного типа очень высок и может достигать по БПКго 90 % и более.

При расчете биофильтра определяют необходимый объем загрузочного материала для очистки поступающей сточной воды, а также рассчитывают распределительные устройства для орошения загрузки водой, дренаж и лотки, собирающие осветленную воду. В отечественной практике проектирования капельных биофильтров объем фильтрующей загрузки определяют по окислительной мощности биофильтра. Окислительная мощность- количество граммов кислорода, которое может быть получено с 1 м3 загрузочного материала в сутки для снижения биохимической потребности сточной воды. Окислительная мощность биофильтра колеблется в широких пределах, так как ее величина зависит от многих факторов: температуры сточной воды и наружного воздуха, свойств поступающей жидкости, материала загрузки, способа подачи воздуха и пр.

Рис. 1. Биофильтр 1 - распределительный слой; 2 - поддерживающий слой; 3 - бетон; 4 - дренаж; 5 - сборный лоток; 6 - подача сточной жидкости

Высоконагружаемые биофильтры. В 1929 г. в СССР и в 1936 г. в США появились новые типы биофильтров, которые в отечественной практике получили название аэрофильтров, а в зарубежной практике - высоконагружа-емых биофильтров. В СССР аэрофильтры были предложены профессорами Н. А. Базякиной и С. Н. Строгановым. Они впервые были построены в 1929 г. на Кожуховской станции биофильтрации и имеют явное преимущество по сравнению с капельными, поэтому получили широкое распространение. Высоконагружаемые биофильтры отличаются от капельных как конструкцией, так и эксплуатационными особенностями.

Конструктивными отличиями являются:
1) увеличение крупности зерен загрузочного материала (40-70 мм по всей высоте загрузки); материалом может служить щебень твердых пород;
2) искусственная продувка материала загрузки воздухом, а в связи с этим изменение конструкции днища и дренажа;
3) увеличение (при необходимости) высоты слоя фильтрующей загрузки.

К эксплуатационным особенностям относятся:
1) обязательное орошение всей поверхности биофильтров поступающей водой и по возможности уменьшение длительности перерывов в подаче воды на поверхность;
2) повышение нагрузки по воде на 1 м2 поверхности в целях создания естественных условий для самопроизвольной промывки фильтров;
3) разбавление в необходимых случаях поступающего стока очищенной сточной водой, т. е. введение рециркуляции.

Исследованиями установлено, что биофильтры высокой нагрузки могут обеспечить любую пропускную способность и любую степень очистки в зависимости от тех или иных конструктивных особенностей и режима их эксплуатации, которые заданы.

Высоконагружаемые биофильтры следует классифицировать по таким признакам.

1. По принципу действия - работающие с полной или неполной биологической очисткой. Первоначально биофильтры подобного типа проектировали только на неполную биологическую очистку. Предполагалось, что фильтры могут иметь повышенную пропускную способность только в том случае, если они снимают легкоокис-ляемые загрязнения, находящиеся в сточной воде, и выходящий сток имеет ВПК выше 20 мг/л; кроме того, процесс нитрификации в биофильтрах не происходит. Однако впоследствии исследованиями2 удалось установить, что высоконагружаемые биофильтры могут обеспечивать весьма высокий эффект очистки.

2. По способу подачи воздуха - с естественной и искусственной подачей воздуха; во втором случае они часто носят название аэрофильтров. Если высота загрузки в биофильтрах небольшая (1,5-2 м), то искусственная подача воздуха не обязательна; при большой высоте загрузки необходимо предусматривать искусственное нагнетание воздуха.

Рис. 2. Схема одноступенчатой работы биофильтров с рециркуляцией

3. По режиму работы - с рециркуляцией и без рециркуляции. Если концентрация поступающего загрязненного стока на биофильтр невысокая и расход воды на биофильтр достаточен для самопроизвольной его промывки, то рециркуляция стока не обязательна. При сильно загрязненном стоке рециркуляция желательна, в некоторых случаях обязательна.

4. По числу ступеней - одноступенчатые (рис. 2) и двухступенчатые. Двухступенчатую работу биофильтра предусматривают в том случае, если необходима полная биологическая очистка и биофильтры I ступени нельзя запроектировать достаточной высоты. В этом случае в I ступени будет осуществляться неполная очистка стока, а во II ступени - его доочистка.

5. По высоте - низкие до 2 м, высокие от 2 м и выше.

6. По конструктивным особенностям загрузки - с объемной загрузкой (гравий, щебень, керамзит и пр.) и с плоскостной загрузкой.

Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются: с жесткой загрузкой в виде колец или обрезков труб из керамических, пластмассовых и металлических засыпных элементов; с жесткой загрузкой в виде решеток или блоков из плоских и гофрированных листов; с мягкой или рулонной загрузкой из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей, которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов.

Высокие биофильтры предназначены для полной биологической очистки, низкие - для частичной.

Биофильтры с пластмассовой загрузкой. Отличительной особенностью этих фильтров является то, что они работают на загрузке из пластмассового материала в виде решеток, пакетов или пластмассовых колец. Благоприятные условия для обтекания воздухом материала загрузки фильтра обеспечивают более высокую пропускную способность, чем биофильтров других типов. Нагрузка в них для городских сточных вод (по исследованиям кафедры канализации МИСИ) может быть доведена до 10 м3 воды на 1 м3 загрузки материала. В качестве загрузочного материала применяют пластмассовые блоки из поливинилхлорида, полистирола и других жестких пластмасс, а также пластмассовую насадку из собранных в блоки или засыпаемых в биофильтр коротко нарезанных перфорированных труб. Такие биофильтры проектируются круглыми или многоугольными в плане высотой 3-4 м. Обычно их располагают в отапливаемом помещении.

Конструкции биофильтров. В отечественной практике наибольшее распространение получили биофильтры прямоугольной или круглой формы. На рис. 3 представлен типовой биологический фильтр прямоугольной формы из сборного железобетона, разработанный Союз-водоканалпроектом. На бетонном водонепроницаемом основании устроен дренаж, который отводит воду и обеспечивает благоприятные условия для аэрации загрузки биофильтра. Чаще всего дренаж выполняют из железобетонных плит, укладываемых на бетонные опоры.

Рис. 3. Типовой биологический фильтр прямоугольной формы со спринклерным распределением воды 1 - сборные блоки; 2 и 3 - балки и плиты перекрытия; 4 - распределительная камера; 5 - площадка обслуживания

Рис. 4. Высоконагружаемый биофильтр из сборного железобетона 1 - бутовый фундамент; 2 -плиты дренажного перекрытия; 3 - сборные элементы стенок; 4 - сборная плита; б - вентиляционные трубы; 6 - колосниковые плиты

Материал загрузки должен иметь развитую поверхность с размерами частиц, обеспечивающими быстрое образование микробиальной пленки. В то же время загрузочный материал должен быть достаточно пористым, так как это способствует хорошей аэрации загрузки фильтра и в значительной мере предотвращает заиление фильтра. Для загрузки биофильтров рекомендуют применять щебень, гальку прочных горных пород и керамзит.

Высоконагружаемые биофильтры при предварительной обработке частично очищенной сточной жидкости в аэротенках и биокоатуляторах, а также высоконагружаемые биофильтры II ступени и капельные биофильтры загружают материалом крупностью 30 - 50 мм. Нижний поддерживающий слой высотой 0,2 м во всех случаях имеет крупность загрузки 60-100 мм.

Высоконагружаемые биофильтры устраивают из сборного железобетона (рис. 4). Биофильтр представляет собой цилиндрический резервуар диаметром 17 м, высотой 2,3 м. Стенки биофильтра выполнены из 48 вертикально расположенных сборных цилиндрических элементов, днище - из монолитного бетона, дренажное перекрытие - из сборных колосниковых решеток.

Надежная работа биофильтра может быть достигнута только при равномерном орошении водой его поверхности. Орошение осуществляется специальными распределительными устройствами, которые бывают неподвижными и подвижными. 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 g помощью подвижных оросителей.

Спринклерная система состоит из дозирующего бака, разводящей сети и спринклеров. Спринклеры (сприн-клерные головки) представляют собой насадки, надетые на концы вертикальных отростков, ответвляющихся от распределительных труб, проложенных на поверхности или в самом биофильтре. Отверстия спринклерных головок делают небольшого диаметра 18-32 мм. На рис. 5 показан один из типов насадок, применяемых в отечественной практике. Во избежание коррозии спринклеры изготовляют из бронзы или латуни.

Рис. 5. Насадка для орошения поверхности биофильтра 1 - отражательный конус; 2 - головка

Рис. 6. Реактивный ороситель

Для лучшего распределения сточной воды по поверхности биофильтра и улучшения его работы сточная вода должна подаваться в спринклерную сеть периодически с небольшими интервалами. Для этой цели предусмотрен дозирующий бак, автоматически подающий воду в спринклерную сеть при его опорожнении.

Распределительную спринклерную сеть целесообразно проектировать так, чтобы каждую секцйю биофильтра обслуживал отдельный дозирующий бак. Существуют различные конструкции автоматически действующих аппаратов (баков), например автоматы с вращающимися рукавами, цилиндрическим затвором и др. Наибольшее распространение получил дозирующий бак с сифоном, который не имеет движущихся частей.

При расчете распределительной системы определяют расход воды из разбрызгивателя (спринклера), необходимое их число, рассчитывают разводящую сеть, объем и время работы дозирующего бака. Для нормальной работы биофильтры должны быть обеспечены необходимым количеством воздуха. В капельных биофильтрах создается естественная продувка (вентиляция) за счет разницы температур наружного воздуха и тела биофильтра. Основная масса воздуха поступает в тело биофильтров через междудонное пространство и сверху вместе с водой по мере ее движения в фильтре. Если температура сточных вод выше температуры воздуха, то ток воздуха будет восходящий (от дренажа к поверхности), при обратном соотношении-нисходящий, а при равенстве температур вентиляция может вообще отсутствовать. Как показали исследования работы биофильтров, необходимое количество воздуха должно составлять 8-12 м3 на 1 м3 сточной воды.

Биофильтры высотой более 2 м должны иметь искусственную вентиляцию. В этом случае воздух нагнетается вентилятором в междудонное пространство между днищем и дренажем под давлением 100 мм вод. ст. (980 Па). В том месте отводного лотка, где вода выходит из-под фильтра, устраивают гидравлический затвор высотой 200 мм, а междудонное пространство со всех сторон закрывают. Это делается для того, чтобы нагнетаемый вентилятором воздух поступал полностью в тело фильтра и не прорывался вместе с выходящей из-под него водой.

Рис. 7. Схема устройства дискового биофильтра 1 - дисковый блок из пластин; 2 - вал; 3-привод дискового блока; 4 и 7 - подводящий и отводящий лотки; 5 - ванна; 6 - водослив

Реактивный вращающийся ороситель состоит из двух или четырех дырчатых труб, консольно закрепленных на общем стояке (рис. 6). Вода из распределительной камеры поступает под некоторым напором в стояк, установленный на шариковых подшипниках; стояк может свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Из стояка вода поступает в радиально расположенные трубы и через отверстия в них выливается на поверхность биофильтра. Под действием реактивной силы, возникающей при истечении воды из отверстий, ороситель вращается. Диаметр отверстий в трубах принимается 10-15 мм; расстояние между отверстиями увеличивается от периферии к центру. Союзводоканалпроектом разработаны типовые проекты биофильтров диаметром 15, 21, 27 и 29 м с вращающимися оросителями.

В практике очистки сточных вод при расходах до 500 м3/сут находят применение погружные (дисковые) биофильтры (рис. 7). На вращающихся дисках, погруженных в сточную воду, образуется биологическая Пленка, с помощью которой осуществляется окисление сорбированных на ней органических загрязнений. Сточная вода поступает в корыто с полукруглым днищем через впускное отверстие, а отводится с противоположной стороны. Диски имеют обычно диаметр 2-3 м и вращаются со скоростью 1-40 об/мин. Расстояние между дисками 15-20 мм. Дисковые биофильтры устанавливают в виде полносборных установок заводского изготовления.

Исследованиями, проведенными в МИСИ им. В. В. Куйбышева и Одесском инженерно-строительном институте, установлено, что погружные биофильтры просты и надежны в эксплуатации и потребляют мало энергии для насыщения воды кислородом.

Часть 2

Биофильтры подразделяются на биофильтры периодического действия, или контактные, и биофильтры непрерывного действия. Биофильтры непрерывного действия в свою очередь могут быть подразделены на: а) биофильтры обычного типа; б) аэрофильтры; в) высоконагружаемые.

Контактные биофильтры вследствие их малой производительности и высокой стоимости в настоящее время не применяются.

Непрерывно действующий биофильтр обычного типа состоит из следующих основных частей: непроницаемого основания, дренажа, боковых стенок, фильтрующего материала и распределительных устройств. В плане биофильтры могут иметь форму круга, прямоугольника, квадрата или восьмиугольника. Их можно устраивать с водонепроницаемыми или ажурными стенками. Поступление воды в аппараты, распределяющие ее по поверхности биофильтра, происходит непрерывно, орошается же его поверхность через небольшие интервалы в 3-5 мин. водой, подаваемой из этих аппаратов в виде отдельных капель или струй. Такое орошение способствует лучшему проникновению в тело биофильтра воздуха, необходимого для окислительного процесса. Воздух также поступает через ажурные стенки биофильтра и дренаж. Схема работы непрерывно действующего биофильт. ра заключается в следующем: осветленная в первичных отстойниках сточная вода самотеком (или под напором) поступает g распределительные устройства, при помощи которых вода перио. дически напускается на поверхность биофильтра. Профильтро. вившаяся через толщу биофильтра вода проходит через отверЛ стия в дырчатом дне (дренаже), поступает на сплошное непро. ницаемое днище, с которого стекает по отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра.

Процессы окисления, происходящие в теле биофильтра, аналогичны процессам, которые происходят при естественных методах очистки воды на полях орошения или фильтрации, но отличаются от последних значительно большей интенсивностью. Эффект очистки сточных вод нормально работающими биофильтрами очень высок, БПК выходящего стока снижается на 90% и более.

Расчет биофильтра состоит в определении необходимого объема загрузочного материала для очистки поступающей воды, а также расчета распределительных устройств для орошения воды, дренажа и лотков для пропуска и сбора осветленных вод.

Объем загрузочного материала определяют по так называемой окислительной мощности биофильтра (ОМ), под которой понимается число граммов кислорода, которое может быть отдано 1 мг загрузочного материала в сутки для снижения биохимической потребности сточной воды.

Эта величина окислительной мощности биофильтра сильно -отеблется даже в каждом биофильтре, так как ее значение зависит от многих причин, например, от температуры наружного Б03цуха и сточной воды, концентрации и свойств поступающей жидкости, от материала загрузки, способа подачи воздуха и пр. Величина ее лишь в общем виде отображает процессы окисления органических веществ, происходящих в теле биофильтра. Можно говорить лишь о среднем значении окислительной мощности, определяемом экспериментальным путем на основе натурных измерений.

Рис. 1. Биофильтр прямоугольной формы

Необходимым условием нормальной работы биофильтра является их продувка воздухом. В биофильтрах обычного типа их продувка или вентиляция происходят естественным путем за счет разности температур наружного воздуха и тела биофильтра.

В отечественной практике наибольшее распространение получили прямоугольные фильтры (рис. 1).

Рис. 2. Днище биофильтра из железобетонных плит

Лучшим типом дренажа является дренаж из железобетонных плит, которые укладывают на бетонные или кирпичные опоры (рис. 2). В плитах имеются отверстия квадратной или цилиндрической формы. Другие типы дренажей (из кирпича, из керамических труб) применяются редко.

Днищу биофильтра придают уклон 0,02 к сборным лоткам, располагаемым на расстоянии 2,5-4 м друг от друга (в зависимости от размеров биофильтра) с уклоном 0,005-0,02. Из сборных лотков вода поступает в отводные лотки, имеющие уклон 0,003-0,005. Иногда сборных лотков под биофильтром не устраивают и его днищу придают общий уклон 0,01 в сторону отводных лотков. Фильтры могут быть как наземного, так и подземного типа.

Стенки наземных фильтров делают иногда ажурными, т.е. с отверстиями, через которые поступает воздух. Материалами для стенок могут служить железобетон, кирпич, бут и др.

Материал загрузки должен иметь развитую поверхность с размерами частиц, обеспечивающими быстрое образование микро-биальной пленки. С другой стороны, загрузочный материал должен быть достаточно пористым, так как это способствует хорошей продувке фильтра и в значительной мере предотвращает заиление. Материал должен обладать также достаточной прочностью, стойкостью против выветривания; кроме того, он не должен содержать примесей, которые могли бы повлиять на ба реальную флору биофильтров. Следует по возможности испо| зовать местный недорогой материал. В качестве загрузочного териала для биофильтров до сих пор применяли преимуществ но котельный шлак и кокс. Однако можно также примем щебень твердых пород, щебень из кирпича-железняка, гравий! гальку.

Рис. 3. Биофильтр круглой формы

Нормальная работа биофильтра может быть достигнута только при равномерном орошении водой его поверхности. Это орошение производится специальными распределительными устройствами, которые подразделяются на две основные группы: распределители неподвижные и подвижные.

К неподвижным распределителям относятся: а) дырчатые желоба или трубы и б) разбрызгиватели или спринклер; к подвижным: а) качающиеся желоба; б) движущееся наливное колесо и в) вращающиеся реактивные распределители (просители). При распределении воды по поверхности при помощи желобов или

В последнее время за рубежом начали применять подвижные еактивные распределители, работающие по принципу РрГиерова колеса. Стояк, куда поступает осветленная сточная во-С я установлен на шариковых подшипниках и может свободно вращаться вокруг вертикальной оси. К стояку присоединены две или четыре консольные горизонтальные трубы, расположенные оадиально на расстоянии 0,15 м над поверхностью биофильтра. Трубы удерживаются в горизонтальном положении металлическими растяжками. На трубе имеются отверстия, расположенные на определенном расстоянии друг от друга. Когда из этих отверстий под некоторым напором (от 0,25 до 0,8 м) выливается вода, распределитель под действием реактивной силы движется в противоположную сторону. Недостатком таких распределителей является возможность заиления отверстий и, как следствие этого, неравномерное орошение поверхности биофильтра.

На рис. 4 показан другой тип подвижного распределителя- распределитель в виде движущегося наливного колеса. Наливное колесо представляет собой длинный полый цилиндр с лопастями на поверхности. Цилиндр расположен над биофильтром и при подаче в него сточной воды движется по рельсам, уложенным на продольных стенах биофильтра. Питание распределителя сточной водой производится из жолоба при помощи сифона, конец которого опущен в жолоб. Сточная вода, поступая на лопасти одной стороны оросителя, приводит его во вра-шение. Ороситель начинает двигаться по рельсам вдоль биофильтра. Для изменения направления движения оросителя служит специальное приспособление, которое состоит из поддона с рукоятками и буфера; рукоятка, наталкиваясь на буфер, поворачивает поддон, вследствие чего сточная вода поступает на другую сторону подвижного колеса и оно движется в противоположную сторону.

К достоинствам таких распределителей следует отнести небольшую величину напора, необходимого для их работы, и равномерное распределение воды. Недостатком их является ненадежная работа зимой, так как при обмерзании рельсов аппарат может остановиться. Поэтому эти распределители могут найти себе применение главным образом для биофильтров, устраиваемых в южных районах, или для биофильтров малых размеров, устанавливаемых в закрытых помещениях.

Для расчета сборной сети лотков, отводящих очищенную жидкость из-под биофильтра (днища), необходимо знать расходы воды.

Рис. 4. Подвижный распределитель

В том месте отводного лотка, где вода выходит из-под фильтра, устраивают водяной затвор высотой 200-250 мм, а междудонное пространство со всех сторон закрывают. Это делается для того, чтобы нагнетаемый вентилятором воздух поступал полностью в тело аэрофильтра и не прорывался вместе с выходящей из-под него очищенной водой. Кроме того, чтобы создать дополнительное сопротивление движению воздуха вдоль внутренней поверхности стен аэрофильтра, их делают с горизонтальными ребрами. Междудонное пространство обычно делают высотой 0,5-0,6 м и перекрывают железобетонными плитами с отверстиями. Плиты покоятся на бетонных столбиках или ребрах. Воду на такие биофильтры подают, как правило, при помощи сприн-клерного распределителя.

Расчет аэрофильтра также ведут по окислительной мощности. Вследствие того что процесс окисления в аэрофильтре идет более интенсивно, чем в биофильтрах других типов, ОМ принимают обычно до 600 г. кислорода в сутки на 1 м3 загрузочного материала. Расход воздуха в сутки в среднем составляет 25- 30 м3 на 1 м3 загрузки. Такие аэрофильтры обычно работают с повышенными нагрузками (до 4-5 м3 воды в сутки на 1 м3 загрузки), поэтому во избежание быстрого заиления тела загрузки сточная вода, поступающая на аэрофильтры, не должна быть высококонцентрированной, т.е. БПК поступающей воды не должна быть выше 100-120 мг!л. Для этого высококонцентрированную сточную воду либо подвергают предварительной очистке на аэротенках (как это делается на Кожуховской станции аэрации), либо концентрированный сток разбавляют очищенной водой (Щукинская биологическая станция).

Аэрофильтры можно загружать шлаком или щебнем. Размеры зерен загрузки принимают различные. Так, например, на Кожуховской станции основной слой загружен щебнем или шлаком крупностью 25 мм; на Щукинской станции в одних секциях имеется загрузка крупностью 50-60 мм, в других - 25-45 мм и т. д.

Высоконагружаемые биофильтры начали внедряться в практику строительства в последнее время. Их отличие от обычных фильтров состоит прежде всего в том, что в них предусматривается иногда не полная биологическая очистка, как в обычных биофильтрах, а частичная очистка. Процесс минерализации органических загрязнений в этих биофильтрах по существу заканчивается стадией окисления легко окисляемых органических веществ; в этом случае сточная вода очищается не полностью. Вследствие этого нагрузка как по воде, так и по загрязнениям на 1 м2 поверхности биофильтра принимается увеличенной.

Рис. 5. Схема высоконагружаемых фильтров, работающих с рециркуляцией

При повышенной нагрузке в теле биофильтра происходит быстрое накопление биологической пленки, что может привести к заилению биофильтра. Промывка его обеспечивается разбавлением поступающих сточных вод очищенной водой, т.е. так называемой рециркуляцией и загрузкой биофильтра гладким материалом (щебнем). Следует указать, что в отдельных случаях увеличение высоты биофильтра может дать такие же результаты, как и применение рециркуляции.

Опыты, проведенные Академией коммунального хозяйства, показали, что для успешной работы таких фильтров необходимо, чтобы концентрация поступающей воды по ВПК не превышала 200 мг/л. Если концентрация сточной воды выше, то необходимо применять разбавление стока, т.е. рециркуляцию.

Исследования таких биофильтров в эксплуатационных условиях Щукинской биологической станции, произведенные кафедрой канализации Московского института инженеров городского строительства совместно с коллективом работников Щукинской станции, показали, что даже при нагрузке до 4,5 м3 на 1 м3 материала качество очищенного стока вполне удовлетворительно. В качестве загрузки наиболее рационально применять гранитный щебень крупностью 25-50 мм. При концентрации сточной воды по ВПК до 170 мг/л рециркуляция не обязательна.

- Биофильтры

Биологический фильтр -- сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой, образованной колониями микроорганизмов. Биофильтр состоит из следующих основных частей:

а)фильтрующей загрузки (тело фильтра) из шлака, гравия, керамзита, щебня, пластмасс, асбестоцемента, помещенной обычно в резервуаре с водопроницаемыми или водонепроницаемыми стенками;

б)водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное с небольшими интервалами орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра;

в) дренажного устройства для удаления отфильтровавшейся воды;

г)воздухораспределительного устройства, с помощью которого поступает необходимый для окислительного процесса воздух.

Процессы окисления, происходящие в биофильтре, аналогичны процессам, происходящим в других сооружениях биологической очистки, и в первую очередь на полях орошения и полях фильтрации. Однако в биофильтре эти процессы протекают значительно интенсивнее.

Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней не растворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, абсорбируемые биологической пленкой. Густо заселяющие биопленку микроорганизмы окисляют органические вещества и отсюда черпают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как пластический 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. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород воздуха поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра.

Классификация биофильтров

Биофильтры классифицируются по различным признакам.

1. По степени очистки --на биофильтры, работающие на полную и неполную биологическую очистку. Высокопроизводительные биофильтры могут работать на полную или неполную очистку в зависимости от необходимой степени очистки. Малопроизводительные биофильтры работают только на полную очистку.

2. По способу подачи воздуха -- на биофильтры с естественной и искусственной подачей воздуха. Во втором случае они часто носят название аэрофильтров. Наибольшее применение в настоящее время имеют биофильтры с искусственной подачей воздуха.

3. По режиму работы -- на биофильтры, работающие с рециркуляцией и без нее. Если концентрация загрязнений в поступающих на биофильтр сточных водах невысока и они могут быть поданы на биофильтр в таком объеме, который достаточен для самопроизвольной его промывки, то рециркуляция стока не обязательна. При очистке концентрированных сточных вод рециркуляция желательна, а в некоторых случаях обязательна. Рециркуляция позволяет понизить концентрацию сточных вод до необходимой величины, так же как и предварительная их обработка в аэротенках -- на неполную очистку.

4. По технологической схеме -- на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые. Двухступенчатые биофильтры применяются при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки.

Иногда предусматривается переключение фильтров, т. е. периодическая эксплуатация каждого из них в качестве фильтра первой и второй ступени.

5. По пропускной способности -- на биофильтры малой пропускной способности (капельные) и большой пропускной способности (высоко-нагружаемые).

6. По конструктивным особенностям загрузочного материала -- на биофильтры с объемной загрузкой и с плоскостной загрузкой.

Биофильтры с объемной загрузкой можно подразделить на: капельные биофильтры (малой пропускной способности), имеющие крупность фракций загрузочного материала 20--30 мм и высоту слоя загрузки 1--2 м;

высоко нагружаемые биофильтры, имеющие крупность загрузочного материала 40--60 мм и высоту слоя загрузки 2--4 м;биофильтры большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60--80 мм и высоту слоя загрузки 8--16 м. Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на: биофильтры с жесткой загрузкой в виде колец, обрезков труб и других элементов. В качестве загрузки могут быть использованы керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100--600 кг/м8, пористость 70--90%, высота слоя загрузки 1--6 м;биофильтры с жесткой загрузкой в виде решеток или блоков, собранных из чередующихся плоских и гофрированных листов. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.), а также из асбестоцементных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40-- 100 кг/м3, пористость 90--97%, высота слоя загрузки 2--16 м. Плотность асбестоцементной загрузки 200--250 кг/м3, пористость 80--90%, высота слоя загрузки 2--6 м;биофильтры 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 биофильтры, представляющие собой резервуары, заполненные сточной водой и имеющие днище вогнутой формы. Вдоль резервуара несколько выше уровня сточной воды устанавливается вал с насаженными пластмассовыми, асбестоцементными или металлическими дисками диаметром 0,6--3 м. Расстояние между дисками 10--20 мм, частота вращения вала с дисками 1--40 мин-1.

Плоскостные биофильтры с засыпной и мягкой загрузкой рекомендуется применять при расходах до 10 тыс. м3/сутки, с блочной загрузкой-- до 50 тыс. м3/сутки, погружные биофильтры -- для малых расходов до 500 м3/сутки.

Союзводоканалниипроектом составлен экспериментальный проект биофильтров пропускной способностью 200--1400 м3/сутки с загрузкой из пеностекольных блоков 375X375 мм, из гофрированных листов полиэтилена размером 500X500 мм типа «сложная волна» и асбестоцементных листов размером 974X2000 мм.

Основные типы биофильтров

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 она колеблется от 0,5 до 1 м3 воды на 1 м3 фильтра.

Схема работы капельных биофильтров следующая. Сточная вода, осветленная в первичных отстойниках, самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, из которых периодически напускается на поверхность биофильтра. Вода, отфильтровавшаяся 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.

Проектируются они круглыми или прямоугольными в плане со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним -- сплошным.

Высота между донного пространства должна быть не менее 0,6 м для возможности периодического его осмотра. Дренаж биофильтров выполняют 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 и возвышаются над поверхностью загрузки на 0,5 м для уменьшения влияния ветра на распределение воды по поверхности фильтра. При наличии дешевого загрузочного материала и свободной территории небольшие биофильтры можно устраивать без стенок; фильтрующий материал в этом случае засыпается под углом естественного откоса. Наилучшими материалами для засыпки биофильтров являются щебень и галька.

Все примененные для загрузки естественные и искусственные материалы должны удовлетворять следующим требованиям: при плотности до 1000 кг/м3 загруженный материал в естественном состоянии должен выдерживать нагрузку на поперечное сечение не менее 0,1 МПа, не менее 10 циклов испытаний на морозостойкость; кипячение в течение 1 ч в 5%-ном растворе соляной кислоты; материал не должен получать заметных повреждений или уменьшаться в весе более чем на 10% первоначальной загрузки биофильтров; загрузка биофильтров по высоте должна быть одинаковой крупности, и только для нижнего поддерживающего слоя высотой 0,2 м следует применять более крупную загрузку (диаметром 60--100 мм).

Высоко нагружаемые биофильтры . В начале текущего столетия появились биофильтры, которые у нас в стране получили название аэрофильтры, а за рубежом -- биофильтры высокой нагрузки. Отличительной особенностью этих сооружений является более высокая, чем в обычных капельных биофильтрах, окислительная мощность, что обусловлено незаиляемостью 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 трудно окисляемых нерастворимых примесей и отмирающей биопленки. Поступающий в тело биофильтра кислород воздуха расходуется в основном на биологическое окисление части загрязнений, не вынесенных из тела фильтра.

В СССР конструкции аэрофильтров были предложены Н.А. Базякиной и С.Н. Строгановым и в 1929 г. построены на Кожуховской биологической станции.

Конструктивными отличиями высоко нагружаемых биофильтров являются большая высота слоя загрузки, большая крупность ее зерен и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом.

Между донное пространство должно быть закрытым, и туда подается вентиляторами 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 площади поверхности фильтра (в плане). Только при этих условиях обеспечивается промывка фильтров.

Высоко нагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для частичной, так и для полной их очистки.

Как показали исследования, в одинаковых условиях (одинаковая высота и крупность загрузки, характер загрязнений, степень очистки сточных вод и т. д.) высоко нагружаемые биофильтры по сравнению с капельными имеют большую пропускную способность по объему пропускаемой через них воды, а не по количеству переработанных (окисленных) загрязнений. Повышенная же эффективность этих биофильтров по извлечению из сточных вод загрязняющих веществ достигается при увеличении высоты слоя загрузки, увеличении крупности зерен загрузки и лучшем воздухообмене.

Башенные биофильтры . Эти биофильтры имеют высоту 8--16 м и применяются для очистных станций пропускной способностью до 50 000 м3/сутки при благоприятном рельефе местности и при БПКго очищенной воды 20--25 мг/л. В отечественной практике они распространения не получили.

Вентиляция биофильтров

Естественная вентиляция в биофильтрах происходит вследствие разницы температур наружного воздуха и тела биофильтра.

Основная масса воздуха поступает в тело биофильтра через между донное пространство и сверху вместе с водой по мере ее движения в фильтре. Если температура сточных вод выше температуры воздуха, то устанавливается восходящий (от дренажа к поверхности) поток воздуха, при обратном соотношении---нисходящий; при равенстве температур вентиляция может совсем прекратиться. Интенсивность вентиляции биофильтров зависит также от высоты слоя фильтрующей загрузки, размеров ее зерен и высоты между донного пространства. Чем мельче загрузка, тем хуже условия вентиляции.

Исследования, проведенные Н.А. Базякиной, показали, что объем кислорода воздуха, используемого в биофильтрах, как и в других сооружениях биологической очистки, не превышает 7--8%.

Температура внутри биофильтра не должна быть ниже 6° С, иначе окислительный процесс практически прекращается.

В установках большой и средней пропускной способности необходимая температура поддерживается вследствие постоянного притока сточных вод, температура которых почти всегда выше 8° С. Поэтому такие фильтры обычно не требуют утепления. Небольшие фильтры, как уже отмечалось, приходится размещать в утепленных помещениях во избежание их переохлаждения, особенно в ночное время, когда приток сточной воды уменьшается.

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 при помощи подвижных оросителей.

Спринклерное орошение . Спринклерная система состоит из дозирующего бака, разводящей сети и спринклеров.

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 из латуни.

Достоинством головки этого типа является, то, что опора, к которой прикреплен отражательный обратный конус, находится в стороне от движущейся струи и не мешает ее действию.

Дозирующий бак автоматически подает воду в спринклерную сеть под постоянным напором. Продолжительность опорожнения бака (период орошения), зависящая в основном от вместимости бака и размеров выпускаемой трубы, всегда одинакова; продолжительность же наполнения бака зависит только от притока сточных вод, который колеблется в течение суток. Поэтому орошение биофильтра производится периодически, через неровные по продолжительности интервалы. Во избежание сильного охлаждения не обогреваемых биофильтров интервал между орошением не должен превышать 5--8 мин.

При большой площади биофильтры разделяются на секции с самостоятельными распределительными сетями и отдельными дозирующими баками.

В отечественной практике наибольшее распространение получил дозирующий бак с сифоном. Преимущество его перед другими состоит в том, что он совершенно не имеет 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, выведенным 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 выходного отверстия спринклеров; регулятор напора заполнен водой до уровня на котором он присоединен к стакану. По мере поступления воды горизонт ее в баке повышается, причем 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.

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 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 столба воды. 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 через нее воздух проникнет под стакан, действие сифона приостановится, причем 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 дойдет до края выпускной трубы. Отводную трубу от бака можно устраивать с гидравлическим затвором и без него. Диаметр сифона равен диаметру разводящей трубы. Внутренний диаметр колокола 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, емкости и времени работы дозирующего бака.

Распределительную сеть укладывают или на специальные столбы, или прямо на фильтрующую загрузку на глубине 0,7--0,8 м от поверхности биофильтра. Сеть укладывают с уклоном с тем, чтобы ее можно было опорожнить в случае необходимости. В конце каждой трубы целесообразно иметь пробку, через которую можно было бы промыть трубопровод чистой водой. Спринклерные головки устанавливают обычно на 0,15 м выше поверхности загрузки фильтра.

Реактивные вращающиеся водораспределители (оросители). Вращающийся ороситель состоит из двух или четырех дырчатых труб, консольно закрепленных на общем стояке.

Вода из распределительной камеры поступает под некоторым напором в стояк, установленный на шариковых подшипниках; стояк может свободно вращаться вокруг своей вертикальной оси. Из стояка вода поступает в радиально расположенные трубы и через отверстия в них выливается на поверхность биофильтра. Под действием реактивной силы, возникающей при истечении воды из отверстий, распределитель вращается.

Такие реактивные оросители получили большое распространение за рубежом (в Англии, ФРГ и Чехословакии) и вполне себя оправдали. У нас они применяются на очистных станциях во многих городах (Харькове, Славянске, Шереметьеве, Владимире и др.).

Союзводоканалниипроектом разработаны типовые проекты вращающихся оросителей для биофильтров диаметром 15, 21, 27 и 29 м.

Для приведения в действие реактивного оросителя необходим сравнительно небольшой напор (0,2--1 м), что является одним из достоинств этого устройства. Кроме того, при реактивных оросителях отпадает необходимость в устройстве дозаторов.

Диаметр отверстий в радиально расположенных трубах обычно колеблется от 10 до 15 мм; расстояние между отверстиями увеличивается от периферии к центру, что обеспечивает более равномерное орошение биофильтра.

Биофильтры с загрузкой из пеностекла или пластмассы

Сооружения биологической фильтрации, особенно с прикрепленным биоценозом, хорошо себя зарекомендовали в работе с малыми расходами и пиковыми нагрузками по органике. Они просты, удобны, в них за короткое время (до 30 минут) происходит скоростное изъятие загрязнений. На традиционных биофильтрах в качестве фильтрующей массы применяют объемный материал: щебень, гравий, керамзит. Блочные загрузки из блоков пеностекла имеют преимущества в технологическом, конструктивном и эксплуатационном отношениях по сравнению с другими материалами. Пеностекло - это теплоизоляционный строительный материал. Он отличается механической прочностью, влаго-, паро- и газонепроницаемостью, огнестойкостью, морозостойкостью, долговечностью, устойчивостью к воздействию кислот и продуктов разложения. Площадь адсорбционной поверхности пеностекла в зависимости от величины перфорации с учетом малых и больших пор- 200 кв.м/куб.м. Пеностекло имеет чрезмерно развитую поверхность, удерживает в единице объема большое количество биопленки, чем какой-либо другой вид загрузочного материала, что способствует интенсивному изъятию загрязнений из сточных вод. Распределение сточной воды по поверхности биофильтра осуществляется с помощью реактивного оросителя. Пластмассовые загрузки используются в виде жесткой (кольца, обрезки труб и т.д.), жестко-блочной (из плоских и гофрированных листов), а также мягкой (из пластмассовых пленок) засыпки. Таким образом, загрузка обладает высокой пустотностью, большой сорбционной поверхностью и относительно малым коэффициентом сцепления биопленки с поверхностью загрузки, что создает условия для образования тонкого слоя биопленки.

Пластмассовая загрузка исключает заиливание биофильтров, значительно увеличивает объем поступающего воздуха, что способствует повышению окислительной мощности. Кроме достоинств, биофильтры обладают и рядом недостатков. Так, высокая не равномерность поступления сточных вод от малых объектов крайне отрицательно влияет на работу биофильтров и аэротенков. В биофильтрах происходит подсыхание биопленки и наблюдается не равномерность температурного режима ее работы, создаются условия, способствующие заиливанию загрузки. Во избежания этих явлений в часы минимального притока сточных вод осуществляют рециркуляцию очищенных сточных вод, что приводит к дополнительным энергозатратам на перекачку стоков.

Биодисковые фильтры

Эти сооружения предназначены для расхода сточных вод до 1000 куб.м в сутки. В качестве загрузки для биодисковых фильтров рекомендуются перфорированные диски, изготовленные из объемных синтетических материалов пониженной плотности (пенопласта, пеностекла). Современные биодисковые фильтры представляют собой многосекционную емкость, наполненную вращающейся загрузкой. Диски набирают на горизонтально расположенном валу с расстоянием между ними 15-20 мм. Диски обычно погружены в очищаемую жидкость на 0,45Д (30--45 %), иногда до 0,75Д. Диаметр дисков находится в пределах от 0,4 до 3,0 метров в зависимости от производительности установки. Принцип действия данного сооружения следующий: диски - основной компонент сооружения - находится в постоянном вращательном движении, причем их поверхность перфорации покрывается биопленкой, которая находится в прикрепленном состоянии. Биомодули, создавая обширную поверхность, обеспечивают гидродинамические условия, при которых отторгнутая биопленка продолжает работать, находясь во взвешенном состоянии. Здесь совмещается режим работы прикрепленного биоценоза и взвешенного (активного) ила. За пределами зоны очищаемой воды микроорганизмы, находясь в биопленке, получают кислород непосредственно из атмосферы. При одинаковых категориях обрабатываемых городских сточных вод и заданном эффекте очистки время аэрации в БДФ составляет 60-90 минут, а в классических аэротенках - около 6 часов. Биодисковые фильтры компактны, конструктивно просты, устойчивы к различного рода перегрузкам, имеют низкие удельные энергозатраты. Кроме того, при использовании этих фильтров практически отпадает необходимость насосной станции, так как гидравлические потери сооружений не значительны. Биодисковые фильтры - многосекционные сооружения (3-6 секций). Основная масса удаленных биоразлагаемых загрязнений приходится на первую и вторую секции БДФ. Процесс снижения аммонийного азота и нитрификации успешно протекает в третьей и последующих секциях. Удаление азота достигает 40 %, что выше, чем в классических биофильтрах и аэротенках. Однако в очищенных водах присутствуют азотистые соли (биогенные соединения), поэтому в некоторых случаях требуется доочистка. Из биодисковых фильтров биологическая пленка потока обработанной жидкости выносится во вторичный отстойник. Разделение биопленки осуществляется гравитационным способом. Вторичные отстойники рекомендуется оборудовать тонкослойными модулями.

Биофильтраторы

Компактная установка биофильтратор предназначена для малых расходов сточных вод (от 2 до 600 куб.м в сутки) и обеспечивает полную биологическую очистку от разнообразных загрязнений в широком диапазоне концентраций. Установка имеет низкие капитальные вложения и энергетические затраты. Она проста и экономична в эксплуатации, не требует специального постоянного ухода.Биофильтратор состоит из аэрационной (сорбционной) зоны и зоны осветления. В сорбционной зоне установлены вращающиеся перфорированные диски из пенопласта или подобных материалов. Диски вращаются мотор-редукторм с частотой вращения 10-15 об/мин. За счет градиента давления жидкость и отторгнутая биопленка переливаются через отверстие, устроенное в разделительной перегородке. Укрупненные хлопья активного ила из зоны осветления опускаются вниз и через отверстия подсасываются в аэрационную зону за счет кинематики течения. Таким образом, происходит постоянный обмен биомассы между зонами сорбции и осветления. Очищаемая жидкость поднимается к лотку и отводится за пределы сооружения. Для интенсификации биотехнологии в биофильтре используется струйная аэрация, что позволяет исключить механическую систему привода мотор-редуктор. Такой метод очистки применяется дла расходов сточных вод от 0,5 до 1,5 куб.м в сутки и более, с загрузкой от низких до высоких значений концентрации биоразделяемых соединений (БПК). Струйный биофильтр работает следующим образом. Сточные воды, прошедшие механическую очистку, попадают в аэрационную зону, куда также поступает смесь осветленной жидкости и циркуляционного активного ила. Эта смесь из нижней части осветляется забирается по трубопроводу насосом и через струйный аэратор шахтного типа сбрасывается в аэрационную зону биофильтра. Струя потока вводится в межсекционное пространство (Рис. 4) ниже свободной поверхности на 15-30 см и отражается от специально спланированной поверхности дна. В результате возникают интенсивные воздушные восходящие потоки, которые приводят к движению биоротора. После контакта очищаемой жидкости в аэрационной зоне смесь или и сточной воды поступает на осветление. Зона осветления разделена на три отсека. В дегазационно-отстойной зоне при низходящем потоке отделяются выносимые из аэрационной зоне пузырьки газа малых размеров. Здесь укрупненные частицы ила осаждаются на дно отстойника и возвращаются в аэрационную систему. Далее смесь поступает во вторую зону отстаивания, где происоходит основной процесс разделения твердой и жидкой фаз с образованием взвешенного слоя, углубляющего процесс биофильтрации. Из этой зоны укрупненные хлопья активного ила также поступают в камеру аэрации. В последующем отделении обеспечивается окончательная очистка сточных вод. Вторая зона отстаивания работает в режиме отстойника. Осаждающиеся хлопья активного ила по стенке емкости сползают в зону их забора насосным агрегатом. Осветленные сточные воды через сбросный лоток отводятся на обеззараживание.

Биофильтр – это обладающий биологическим воздействием реактор неподвижного слоя для очистки воздуха или воды. Главной его целью является фильтрация газообразных примесей и растворенных в очищаемом веществе субстанций, а не твердых частиц.

Идея очищать отработанный воздух биологическим путем возникла еще в семидесятые годы двадцатого века, однако впервые была применена на практике лишь в 1980 году благодаря интенсивному исследованию ученых. Основываясь на микробиологической методике, несколько лет спустя была разработана концепция модульной установки с возможностью универсального применения.

Биофильтрация представляет собой относительно простой и экономичный процесс очистки отработанного воздуха, содержащего летучие органические соединения и неприятные запахи. При этом микроорганизмы разлагают вредные и пахучие вещества в такие безобидные продукты как двуокись углерода и воду. Биофильтры используются преимущественно для очистки воздуха. Для специфичных случаев также возможна биологическая очистка сточных вод, основанная по аналогичному принципу.

Биологическая очистка отработанного воздуха использует микроорганизмы, чтобы удалять вредные вещества из воздуха путем микробиологического распада. В роли расщепителей выступают различные микроорганизмы, такие как бактерии или грибы.

Весь процесс сводится к следующему: микроорганизмы превращают вредные вещества с помощью кислорода в углекислоту и воду, а это значит, что речь идет о реакции распада материи.

Эта реакция может протекать только тогда, когда вредные вещества из газообразного состояния переходят в жидкое, так как вода составляет жизненное пространство микроорганизмов. Именно поэтому переход вредных веществ в жидкое состояние является важнейшим фактором всех биологических методов. Выживают лишь те микроорганизмы, которые могут лучшим образом приспособиться к господствующим условиям и к питательной базе. При этом всегда речь идет о смеси из различных гетеротрофных видов, которые используют вредные вещества в воздухе как источник углерода и энергии.

Виды и способы эксплуатации биофильтров

Существуют различные виды биофильтров в зависимости от способа их эксплуатации и области применения. Например:

плоский рукавный,
контейнерного типа,
для колодцев,
этажный,
сотовый,
башенный.

Но во всех типах устройств отработанный воздух проходит через какой-либо фильтрующий материал.

В некоторых случаях перед биофильтром расположена воздухопромывная камера, в которой газ приобретает относительную влажность равную почти 100%. Это должно предотвращать высыхание материала. Кроме того, при необходимости в воздухопромывной камере происходит удаление из газа твердых частиц. Насыщенный водяным паром и очищенный от пыли сырой газ поступает непосредственно в биофильтр, в котором находится фильтрующий материал. Благодаря дополнительному орошению он всегда остается влажным. Именно здесь и живут микроорганизмы. При прохождении через фильтрующий слой вещества в составе отработанного воздуха сорбируются на поверхности материала, таким образом становясь питательной базой для обитающих здесь бактерий.

Чтобы гарантировать высокую микробную активность в фильтре, должны соблюдаться оптимальные условия для жизни микроорганизмов: уровень pH, влажность, температура и регулярное поступление питательного вещества. Практика показывает, что развивающиеся в биофильтрах микробные смешанные популяции очень выносливы, если соблюдать вышеперечисленные условия.

Фильтрующий материал

К фильтрующему материалу также предъявляются определенные требования.

Он должен обладать большой специфической поверхностью и вместе с тем комфортной зоной размножения для микроорганизмов, которая:

хорошо сохраняет влажность,
допускает лишь незначительное падение давления при прохождении газа,
самостоятельно регулирует колебания величины pH,
обеспечивает равномерное прохождение через фильтрующий слой,
имеет незначительную скорость перегнивания.

Кроме того, микроорганизмы должны снабжаться неорганическими питательными веществами и микроэлементами. Следующие материалы могут использоваться в качестве фильтрующего слоя:

Компост из древесины или мусора
Вереск, хворост или волокна кокосовой пальмы
Продукты торфа
Бумажный гранулят

Дополнительно для разрыхления добавляют инертные материалы, такие как керамзит, стиропор или пенопласт. При этом фильтрующий слой является не только носителем для микроорганизмов, но и поставщиком питательных веществ.

Преимущества и недостатки биофилтрации

При эксплуатации биофильтра основная проблема заключается в предотвращении высыхания или чрезмерного увлажнения фильтрующего слоя, а, следовательно, обеспечения равномерного прохождения через него загрязненного воздуха.

Этого можно достигнуть, прежде всего, капсуляцией биофильтров. В качестве недостатков этих устройств можно отметить следующие:

большие размеры занимаемой площади
затраты на энергию для повышения давления
необходимость дополнительного орошения

Однако по сравнению с другими методиками, например, с ионизацией воздуха при помощи ионизирующих труб, постоянный биологический процесс чистки благодаря экономии CO2 и многочисленными экономическими аспектами (средние расходы на приобретение, большой срок эксплуатации, средние издержки производства) является более выгодным.

Технологические основы

Технологической основой является по существу биохимическое окисление и вместе с тем разложение и преобразование материалов бактериями, грибами и дрожжами в безвредные и не обладающие неприятными запахами субстанции.

Предпосылками является то, что вредные материалы водорастворимы, биологически разлагаемы и не токсичны для микроорганизмов.

Быстро растущая популяция микроорганизмов, обитающая на фильтрующем слое, использует содержащиеся в загрязненном воздухе летучие органические соединения для собственных обменных процессов. Распад происходит при аэробных условиях и достаточном количестве кислорода. Последнее обеспечивается его достаточным содержанием непосредственно в воздухе. Необходимо использовать насыщенный водяным паром отработанный воздух, так как материал фильтра должен быть влажным.

Области применения биофильтров

Биофильтры находят свое применение для биологической очистки воздуха в следующих сферах:
Станции по очистке сточных вод
Полигоны ТБО, заводы по переработки мусора
Предприятия по покраске поверхностей с использованием растворителей (металл, дерево, пластмассы)
Переработка продуктов питания, грибные фермы, коптильни
Маслобойные предприятия и компании солодоращения
Сельскохозяйственные установки
Биогазовые установки, переработка газа из органических отходов
Скотоводческие фермы
Заводы по производству комбикормов
Скотобойни
Установки для сушки шлама
Промышленные производственные комплексы

Биофильтрация для устранения неприятного запаха

Основная область применения устройств биологической фильтрации - это очистка воздуха от неприятного запаха. Микробиологический распад веществ, образующих неприятный запах, на углекислый газ и воду происходит при окружающей температуре, так что нет никакой необходимости задействовать дополнительную энергию и добавки. Следовательно, издержки производства при этом процессе очень незначительны. Во многих областях биофильтрация становится неотъемлемой частью технического оснащения производства.

В Европе применяются тысячи устройств биофильтрации для устранения неприятных запахов, исходящих из самых разных эмиссионных источников. Проблемы возникновения невыносимого запаха часто встречаются вблизи от очистных установок, свалок, литейных заводов, пивоварен, предприятий пищевой промышленности, мест содержания животных, заводов по переработки мусора, сельскохозяйственных предприятий и скотобоен. Биофильтрация представляет собой самый малозатратный и самый надежный метод для уничтожения неприятных запахов - степень ее эффективности достигает 99%.

Биофильтры для канализационных колодцев

Биофильтры для колодцев устанавливаются непосредственно под брызговиком в шахту колодца, тем самым предотвращая выход сильных запахов из канализации. Они содержат интегрированный брызговик и фильтрующий слой (смесь из торфа и композита для микроорганизмов). Поступающая с поверхности вода направляется в всасывающий раструб под коллектором шлама и отводится по сточной трубе. Резиновая прокладка предотвращает выход неочищенного воздуха. Современные фильтры больше не препятствуют воздушному просачиванию. Современные фильтры на бумажной основе не требуют дополнительного обслуживания и функционируют от 5 до 6 лет без постоянного контроля и ухода. Их эффективность составляет около 99%.

Применение

Предназначен для эффективного устранения неприятных запахов из коммунальной или промышленной канализации.

Действие

Микроорганизмы, находящиеся в биофильтре, нейтрализуют неприятные запахи перед выходом их наружу.

Конструкция

Конструкция из материала HDPE (High Density Poly-Ethylene) и нержавеющей стали обеспечивает прочность устройства (~ 7 лет)

Биофильтры контейнерного типа

Главной целью биофильтрации является осуществление контакта микроорганизмов с загрязнениями содержащимися в струе воздуха. Фильтрационный материал составляющий почву для выращивания микроорганизмов помещен внутри биофильтра. Во время процесса биофильтрации, струя загрязнёного воздуха проникает в биофильтр, где происходит процесс абсорбции через фильтрационный материал. В эффекте разложения возникают метаболические полупродукты в виде СО2 и Н2О.

Преимущества:

Нет никаких отходов требующих специальной обработки.
Загрязнения раскладываются на нейтральные соединения такие как: H2O, CO2 и биомассу.
Биомасса сохраняется внутри аппарата и через какой-то промежуток времени подвергается компостированию вместе с фильтрующим материалом.
Правильно запроектированные биофильтры практически не требуют никакого обслуживания.
Исключительно низкая себестоимость инвестиции, а также низкие эксплуатационные расходы по сравнению с традиционными способами очистки воздуха.