Технологические схемы работы биофильтров. Конструкции биофильтров

Биологический фильтр (биофильтр) — сооруже­ние, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой (биопленкой), образованной колониями микроорганизмов (рис. 1).

Биофильтр состоит из следующих частей:

-фильтрующей загрузки, помещенной в резервуаре круглой или прямоугольной формы в плане;

-водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра;

-дренажного устройства для удаления профильтрованной воды;

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

Процессы окисления 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.

Рис. 1. Схема биологического фильтра Рис.2 Капельный биофильтр

1 — подача сточных вод; 2— водораспределительное устройство; 3 — фильтрующая загрузка; 4 — дренажное устройст­во; 5— профильтрованная сточная вода; 6 — воздухораспределительное устройство/

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

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

Эффективность работы биофильтров зависит от многих факторов: влияния окружающей среды, состава сточных вод, режима эксплуатации, конструкции биофильтров, состава биоценозов биопленки и др.

КЛАССИФИКАЦИЯ БИОФИЛЬТРОВ

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

-капельные, имеющие крупность фракций загрузочного материала 20 —30 мм и высоту слоя загрузка 1—2 м;

-высоконагружаемые, имеющие крупность загрузочного материала 40—60 мм и высоту слоя загрузки 2 —4 м;

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

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

Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на следующие:

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

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

Рис. 3. Технологичес­кие схемы работы биофильт-

а — одноступенчатая; о — одноступенчатая с рециркуляцией; в — двухступенчатая; г — двух­ступенчатая с рециркуляцией; / — осветленные сточные воды после сооружений механической очист­ки; 2 — биологически очищен­ные сточные воды; 3 — избыточ­ная биопленка; 4 — подача сточ­ных вод на рециркуляцию; Б — биофильтр; EEI — биофильтр пер­вой ступени; Б-11 — биофильтр второй ступени; ВО — вторичный отстойник; ТО — третичный от­стойник

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.

По технологической схеме работы биофильтры могут быть одно- и двухступенчатыми, при этом режим работы назнача­ется как с рециркуляцией, так и без нее (рис. 3).

БИОФИЛЬТРЫ С ОБЪЕМНОЙ ЗАГРУЗКОЙ

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

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

Капельные биофильтры проектируются круглыми или прямоугольными в плане со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним — сплошным. Высота междудонного пространства должна быть не менее 0,6 м для возможности периодического его осмотра. Дренаж биофильтров выполняется из железобетонных плит, уложенных на бетонные опоры. Общая площадь отверстий для пропуска воды в дренажную систему должна составлять не менее 5—8% площади поверхности биофильтров. Во избежание заиливания лотков дренажной системы скорость движения воды в них должна быть не менее 0,6 м/с. Уклон нижнего днища к сборным лоткам принимается не менее 0,01; продольный уклон сборных лотков (максимально возможный по конструктивным соображениям) — не менее 0,005. Стенки биофильтров выполняются из сборного железобетона или кирпича и возвышаются над поверхностью загрузки на 0,5 м. Наилучшими материалами для засыпки биофильтров являются щебень, гравий и галька. Все применяемые для загрузки материалы должны удовлетворять требованиям прочности и морозостойкости. Загрузка биофильтров по высоте должна быть одинаковой крупности и только для нижнего поддерживающего слоя высотой 0,2 м следует применять загрузку крупностью 70—100 мм.

Высоконагружаемые биофильтры. В начале текущего столетия появились биофильтры, которые у нас в стране получили название аэрофильтры, а за рубежом — биофильтры высокой нагрузки (рис. 1). Отличительной особенностью этих сооружений является более высокая, чем в обычных капельных биофильтрах, окислительная мощность, что обусловлено меньшей заиляемостью таких фильтров и лучшим обменом воздуха в них. Достигается это благодаря более крупному загрузочному материалу и повышенной в несколько раз нагрузке по воде. Повышенная скорость движения сточной воды обеспечивает постоянный вынос задержанных трудноокисляемых нерастворенных примесей и отмирающей биопленки. Поступающий в тело биофильтра кислород воздуха расходуется в основном на биологическое окисление части загрязнений, не вынесенных из тела биофильтра. Конструктивными отличиями высоконагружаемых биофильтров является большая высота слоя загрузки, большая крупность ее фракций и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом. В закрытое (обязательно) междудонное пространство вентилятором подается воздух. На отводных трубопроводах должны быть предусмотрены гидравлические затворы глубиной 200 мм. Особенностями эксплуатационного характера являются необходимость орошения всей поверхности биофильтра с возможно малыми перерывами в подаче воды и поддержание повышенной нагрузки по воде на 1 м3 поверхности фильтра (в плане). Только при этих условиях обеспечивается промывка фильтров. Высоконагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для неполной, так и для полной их очистки на очистных станциях пропускной способностью до 50 тыс.м3/сут.

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

БИОФИЛЬТРЫ С ПЛОСКОСТНОЙ ЗАГРУЗКОЙ

Эти биофильтры насчитывают столетнюю историю использования их в качестве биологических окислителей. Но с конца 50-х годов XX столетия число строящихся станций биофильтрации стало уменьшаться, что было вызвано рядом причин: 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 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. В качестве загрузки используются блочные, засыпные и рулонные материалы из пластических масс, металла, асбестоцемента, керамики, стекла, дерева, тканей и др. Высота слоя загрузочного материала 3—8 м, пористость 70—99%, удельная площадь поверхности 60 — 250 м2/м3, плотность 10-250 кг/м3.