I. Опыт применения биофильтров

http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000021/index.sht
ml
Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Биологические фильтры Москва: Стройиздат, 1982 - с. 120 ил.
Содержание
О книге
Предисловие
I. Опыт применения биофильтров
o 1. Биофильтры с жесткой и мягкой загрузкой
и виды загрузочных материалов
o 2. Погружные биофильтры
o 3. Высоконагружаемые биофильтры
 II. Исследования биофильтров новых конструкций
o 1. Биофильтры с жесткой загрузкой
o 2. Биофильтры с мягкой загрузкой
o 3. Погружные биофильтры
III. Проектирование биофильтров
o 2. Общие требования к проектированию биофильтров
o 3. Расчет биофильтров
o 4. Проектные решения станций биофильтрации и биофильтров с
плоскостной загрузкой
o 5. Технико-экономические расчеты
IV. Рекомендации по пуску и эксплуатации биофильтров
Список литературы






О книге
Рассмотрена биологическая очистка бытовых и производственных сточных вод на
высоконагружаемых биологических фильтрах. Особое внимание уделено биологическим
фильтрам с засыпными и блочными загрузочными материалами новых видов. Обобщен
зарубежный и отечественный опыт применения биологических фильтров с плоскостной
загрузкой. Даны рекомендации по расчету, проектированию и эксплуатации
биологических фильтров. Материал второго издания обновлен в соответствии с новыми
техническими решениями.
Предисловие
В Советском Союзе охране водоемов, неразрывно связанной с здравоохранением, а
также с благоустройством и санитарно-гигиеническим состоянием городов, уделяется
огромное внимание. Отведение производственных и городских сточных вод и разработка
новых эффективных методов их очистки - актуальные задачи современности.
В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 -1985
годы и на период до 1990 года, утвержденных на XXVI съезде КПСС, даны четкие
указания по осуществлению мер по комплексному и рациональному использованию и
охране водных ресурсов.
1
Верховным Советом СССР в 1970 г. утверждены "Основы водного законодательства
СССР и Союзных республик", направленные на охрану водных богатств нашей страны, на
предупреждение от загрязнения и истощения водоемов.
В декабре 1978 г. было принято постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О
дополнительных мерах по усилению охраны природы и улучшению использования
природных ресурсов", которым предусматривается разработка и осуществление
комплекса мероприятий по внедрению малоотходных технологических процессов,
бессточных систем канализации, обеспечение серийного производства оборудования для
очистных сооружений, и в том числе для биофильтров с пластмассовой загрузкой.
В материалах ноябрьского (1981 г.) Пленума ЦК КПСС отмечена особая важность
успешного развития топливно-энергетического комплекса, одним из элементов которого
являются разработка и быстрое внедрение энергосберегающей техники и технологии. В
соответствии с проектом Государственного плана экономического и социального развития
СССР на 1981-1985 годы примерно в 1,5 раза возрастают темпы обновления техники, что
ставит большие и ответственные задачи перед научно-исследовательскими и проектными
институтами.
За последние годы в ряде научно-исследовательских институтов проделана большая
работа в области изучения и усовершенствования методов очистки сточных вод на
биологических окислителях. Однако исследованиям по очистке производственных
сточных вод на биологических фильтрах уделяется все еще недостаточно внимания и
освещены они в литературе мало.
В настоящее время в СССР и за рубежом применяются биологические фильтры с новыми
видами загрузочных материалов (пластмассы, асбестоцемент и др.), что позволяет
значительно увеличить пропускную способность биологических фильтров и расширить
область их применения для очистки производственных сточных вод. Биологические
фильтры, особенно с плоскостной загрузкой и погружные, значительно меньше расходуют
электроэнергию по сравнению с аэротенками.
В книге обобщены результаты многолетних исследований авторов, отечественный и
зарубежный опыт по очистке городских и производственных сточных вод на биофильтрах
с плоскостной и объемной загрузкой. В исследованиях принимали участие сотрудники
кафедры канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева: О. Я. Евсеева, А. Л. Ивчатов, Ю. П.
Побегайло. В. П. Саломеев и др.
Авторы приносят благодарность за полезные советы рецензенту книги инж. Н. И.
Лихачеву.
I. Опыт применения биофильтров
В биологическом фильтре (биофильтре) сточная жидкость обтекает поверхность
загрузочного материала, покрытого биологической пленкой (биопленкой), которая
образуется колониями аэробных микроорганизмов. Это сооружение состоит из корпуса,
загрузки, а также из водораспределительного, дренажного и воздухораспределительного
устройств. Проходя через загрузочный материал, загрязненная вода оставляет на нем
нерастворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и
растворенные
органические
вещества.
Последние
сорбируются
биопленкой,
покрывающей поверхность загрузочного материала. Микроорганизмы, образующие
биопленку, окисляют органические вещества, используя их как источник питания и
2
энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества и в то же
время увеличивается масса активной биопленки в теле биофильтра. Омертвевшая и
отработавшая биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела
биофильтра.
Принципы классификации существующих видов биофильтров могут быть различными: по
степени очистки, по способу подачи воздуха, по режиму работы (наличие или отсутствие
рециркуляции), по технологической схеме (одно-, двух- или трехступенчатые) и т. д.
По конструктивным особенностям загрузочного материала все существующие
биофильтры можно разделить на два вида: 1) с объемной загрузкой; 2) с плоскостной
загрузкой.
В свою очередь биофильтры с объемной загрузкой можно разделить на следующие
группы:
а) капельные, имеющие крупность фракций загрузочного материала 20-30 мм и высоту
слоя загрузки 1-2 м;
б) высоконагружаемые, имеющие крупность фракций загрузочного материала 40-60 мм и
высоту слоя загрузки 2-4 м;
в) башенные (большой высоты), имеющие крупность фракций загрузочного материала 6080 мм и высоту слоя загрузки 8-16 м.
Капельные биофильтры можно рекомендовать при расходах сточных вод до 1000 м 3/сут,
высоконагружаемые и башенные - при расходах до 30-60 тыс. м3/сут; при обосновании
применение высоконагружаемых биофильтров допускается на станциях большей
пропускной способности.
В качестве загрузочного материала в биофильтрах с объемной загрузкой используют
щебень, гравий, шлак, керамзит и другие материалы плотностью 500-1500 кг/м3 и
пористостью 40-50%.
Биофильтры с плоскостной загрузкой можно разделить на группы по типу загрузки:
а) жесткая засыпная в виде колец, обрезков труб и других элементов - могут быть
использованы керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы
плотностью 100- 600 кг/м3 и пористостью 70-90% при высоте слоя 1-6 м;
б) жесткая блочная в виде решеток или блоков, собранных из чередующихся плоских и
гофрированных листов - могут быть использованы различные виды пластмасс
(поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.) плотностью 40- 100
кг/м3 и пористостью 90-97% при высоте слоя 2-16 м, а также асбестоцементные листы
плотностью 200-250 кг/м3 и пористостью 80-90% при высоте слоя 2-6 м;
в) мягкая из металлических сеток, пластмассовых пленок или синтетических тканей
(нейлон, капрон), которые крепят на специальных каркасах или укладывают в виде
рулонов - такая загрузка имеет плотность 5-60 кг/м3 и пористость 94-99% при высоте слоя
до 3-8 м.
3
К биофильтрам с плоскостной загрузкой следует отнести и погружные биофильтры,
представляющие собой, как правило, резервуары с днищем вогнутой формы, заполненные
сточной водой. Вдоль резервуара, несколько выше уровня обрабатываемой сточной
жидкости, установлен вал, на котором насажены пластмассовые, асбестоцементные или
металлические диски диаметром 0,6-3 м. Расстояние между дисками составляет 10-20 мм,
частота вращения вала с дисками 1-40 мин-1.
Биофильтры с жесткой засыпной и мягкой загрузкой рекомендуется применять при
расходах сточных вод до 10 тыс. м3/сут, а с жесткой блочной загрузкой - до 50 тыс. м3/сут.
Погружные биофильтры с успехом применяются при малых расходах сточных вод до 500
м3/сут.
1. Биофильтры с жесткой и мягкой загрузкой и виды загрузочных
материалов
В 1936 г. Левиным были опубликованы результаты исследований по очистке сточных вод
в биофильтрах, загруженных керамическими кольцами Рашига размером 1,9-5,6 см.
Исследования показали, что такая загрузка может выдерживать повышенные нагрузки по
органическим загрязнениям. В начале 40-х годов Гольдторпом впервые были
использованы пластмассы в качестве загрузки биофильтров. Широкое применение
пластмасс для загрузки биофильтров началось лишь в конце 50-х годов. В настоящее
время в США, Канаде, Англии и ряде других стран построены и эксплуатируются десятки
станций биофильтрации, где в качестве загрузки биофильтров используют синтетические
материалы (рис. 1).
Ниже приводятся данные некоторых исследований и опыта эксплуатации биофильтров с
плоскостной загрузкой.
Рис.1. Биофильтр с блочной пластмассовой загрузкой: 1 - реактивный ороситель; 2 пластмассовые блоки; 3 - вентиляционные окна; 4 - приямок для выпуска сточных вод
Портером были проведены полупроизводственные испытания по очистке сточных вод
коксогазовых заводов, содержавших фенолы и цианиды. Полупроизводственная установка
состояла из двух биофильтров размером 0,9X0,9 м и высотой 4,5 м с ячеистой загрузкой
типа "Полигрид", изготовленной инжекционным прессованием из ударопрочного
полистирола или полиэтилена. При суточной нагрузке по фенолам 0,4 кг/м3 и по цианидам
0,3 кг/м3 в очищенных водах их концентрации снижались соответственно на 95 и 90%.
После 3 лет эксплуатации следов разрушения загрузки обнаружено не было,
отсутствовало и заиливание биофильтров.
4
Хамлин опубликовал данные работы биофильтра диаметром 21,3 м с загрузкой из
ячеистых керамических труб диаметром 7,5 см и длиной 30,5 см, разделенных
продольными перегородками на четыре части и установленных вертикально на решетку с
прозорами размером 50Х100 мм. Удельная площадь поверхности такой загрузки
составляла 74 м2/м3. Опыты проводились с бытовыми и производственными сточными
водами консервных заводов с начальной БПК, соответственно равной 154 и 816 мг/л. При
гидравлической нагрузке 48,5 м3/(м2-сут) достигалось снижение БПК на 55-60;%.
Для очистки бытовых сточных вод, содержащих фенол, использовалась загрузка типа
"Доупак", представляющая собой блоки размером 0,95X0,52X0,36 м, выполненные из
гофрированных в двух направлениях пластмассовых листов. Сравнение работы
биофильтров с загрузкой из пластмассы и доменного шлака показало, что эффект
снижения концентрации фенола составляет соответственно 82 и 62%. При очистке
сточных вод газовых заводов, содержащих фенол в количестве до 5 г/л и значительное
количество Других химических соединений (крезолы, ксиленолы, пирокатехин и т. д.), на
полупроизводственной установке двухступенчатого биофильтра с загрузкой типа
"Доупак" была достигнута высокая пропускная способность. При нагрузке по БПК,
равной 8-9 кг/(м3-сут), БПК очищенных сточных вод составляла в среднем 40 мг/л.
Работа биофильтра, построенного для очистки сточных вод сульфатцеллюлозного завода,
была обследована Минцем. Этот биофильтр имел в плане восьмигранную форму, его
полезный объем составлял 2830 м3. Загрузка с высотой слоя 9 м состояла из
чередующихся гофрированных и плоских листов поливинилхлорида, собранных в пакеты
размером 0,6X0,6X1 ,2 м. Плотность загрузки составляла 60 кг/м3, удельная площадь
поверхности- 130 м2/м3 и пористость - 95%. При эксплуатации гидравлическая нагрузка
достигала 242 м3/(м2-сут), а нагрузка по БПК-10,3 кг/(м3-сут); эффект снижения БПК
превышал 50% (при начальной величине 420 мг/л).
Первые опыты в СССР по очистке сточных вод на биофильтрах с пластмассовой
загрузкой были проведены авторами в 1963 г. на кафедре канализации МИСИ им. В. В.
Куйбышева (см. далее гл. II), Лабораторные исследования на сточных водах,
имитирующих воды прачечных с БПКполн400 мг/л, были проведены во ВНИИ ВОДГЕО на
модели диаметром 5 см с высотой слоя загрузочного материала 1,6 м. Загрузка выполнена
из чередующихся гофрированных (высота гофра 7 мм, длина волны 20 мм) и плоских
листов, собранных в элементы цилиндрической формы высотой 0,3 м каждый; пористость
такой загрузки составляла 57%. Опыты показали, что окислительная мощность
биофильтра с пластмассовой загрузкой в 1,5 раза выше, чем гравийного, работавшего в
тех же условиях.
Исследования по очистке бытовых сточных вод на биофильтре (полупроизводственная
установка) с загрузкой из поливинилхлорида проводились на кафедре канализации
Ленинградского инженерно-строительного института (ЛИСИ). Установка была выполнена
из асбестоцементной трубы диаметром 0,28 м и имела высоту слоя загрузочного
материала 3,4 м. Эксперименты показали, что пропускная способность биофильтра с
такой загрузкой на 35% выше пропускной способности высоконагружаемого биофильтра
с гравийной загрузкой.
Эти исследования послужили основой для создания биофильтра-стабилизатора,
предназначенного для полной и неполной биохимической очистки как бытовых, так и
производственных сточных вод. В биофильтре-стабилизаторе производится окисление
органических загрязнений, находящихся во взвешенном, коллоидном и растворенном
состоянии, а также минерализация прирастающей биологической массы (стабилизация).
5
При применении биофильтров-стабилизаторов не требуется первичного отстаивания
сточных вод и сооружений для обработки осадка.
Биофильтр-стабилизатор состоит из высоконагружаемого биофильтра с рулонной
пластмассовой загрузкой и расположенного под ним резервуара, который разделен на
зону минерализации (стабилизатор) и зону отстаивания. Изъятие загрязнений из сточных
вод осуществляется как закрепленной на сетке биопленкой, так и избыточной биопленкой,
которая возвращается вместе с рециркулирующей водой на биофильтр. Схема установки
приведена на рис. 2. Сточная вода поступает в приемный резервуар, в который
направляется и рециркулируемая вода из нижней части стабилизатора вместе с
избыточной биопленкой. Смесь этих вод из приемного резервуара насосом подается на
распределительное устройство биофильтра. Очищенная вода из стабилизатора попадает в
зону отстаивания (отделенную от зоны минерализации глухими перегородками), где она
осветляется, и по сборным лоткам отводится из установки. Загрузка биофильтра
выполнена из винипластовой перфорированной пленки в виде вертикальных полотен с
расстоянием между ними 50 мм.
Исследования по очистке сточных вод молочного завода проводились на биофильтрестабилизаторе пропускной способностью 30 м3/сут. Окислительная мощность установки
составляла от 1000 до 3200 г/(м3-сут). При этом эффект очистки был высоким и находился
в пределах 98,5-88%. БПКполн очищенной сточной воды находилась в пределах 10-50 мг/л
(в среднем 20 мг/л). Концентрация растворенного кислорода в сточной воде после
биофильтра равнялась в среднем 7 мг/л, а в очищенной воде 2-3 мг/л. Концентрация
биомассы в стабилизаторе была постоянной и составляла 1-2 г/л.
Рис. 2. Биофильтр-стабилизатор: 1 - распределитель; 2 - загрузка: 3 - корпус установки;
4 - лоток очищенной сточной воды. 5 - зона от стаивания; 6 -стабилизатор; 7 трубопровод рециркуляционной воды; 8 o-трубопровод очищенной сточной воды
6
Исследования по очистке городских сточных вод на биофильтре с загрузкой из
гофрированного полиэтилена проводились в Бакинском филиале ВНИИ ВОДГЕО.
На полупроизводственной установке диаметром 0,25 м с высотой слоя загрузки 4 м было
получено, что при нагрузке по БПКполн 1,6 кг/(м3-сут) окислительная мощность по снятой
БПКполн составила 1,4 кг/(м3-сут).
В США для охлаждения сточных вод с температурой 48°С одной из бумажно-картонных
фабрик перед аэротенком были установлены два опытных биофильтра с загрузкой типов
"Полигрид" и "Доупак" с высотой слоя соответственно 5,2 и 6,6 м. Предполагалось, что
одновременно с охлаждением будет происходить предварительная очистка сточных вод
биопленкой, образовавшейся на насадке. Исследования показали, что при начальной БПК
140-400 мг/л и гидравлической нагрузке 87-336 м3/(м2-сут) снижение БПК составляло 1134% и практически было одинаково для загрузки обоих типов.
Пирсон в своих исследованиях принимал две ступени биофильтра с пластмассовой
загрузкой типа "Флокор". На I ступе ни происходила предварительная очистка сточных
вод, при которой ВПК снижалась до 50-200 мг/л при нагрузках по БПК 0,6-3 кг/(м3-сут) и
тем самым устранялась основная часть загрязнений. Применение первичных отстойников
перед I ступенью считалось не обязательным. На II ступени сточные воды очищались до
степени, отвечающей санитарным требованиям по БПК (не более 20 мг/л) и концентрации
взвешенных веществ (не более 30 мг/л). Загрузку типа "Флокор" Пирсон рекомендует
применять для очистки сточных вод консервных, пивоваренных, дрожжевых, спиртовых,
молочных, фармацевтических и целлюлозных заводов, а также текстильных фабрик.
При БПК в неочищенных сточных водах от 300 до 5000 мг/л применение загрузки типа
"Флокор" по сравнению с использованием гравийной загрузки позволило снизить
эксплуатационные расходы на 26-46%. При очистке сточных вод завода паточного спирта
снижение БПК достигло 55-95% при нагрузке по БПК 0,2-6 кг/(м3-сут). В
трехступенчатых биофильтрах с загрузкой типа "Флокор" снижение БПК составляло 92%
при начальной БПК около 5000 мг/л.
Результаты применения биофильтра с пластмассовой загрузкой для очистки сточных вод
фармацевтического завода приводит Ветт. При расширении очистных сооружений завода
к имевшимся двум биофильтрам был добавлен биофильтр с загрузкой из сарана,
представляющий собой гофрированные в двух направлениях листы размером 550X975
мм, установленные вертикально. Свободное пространство между листами составляло 25
мм, удельная площадь поверхности загрузки была 89 м2/м3. Неочищенные сточные воды
при начальной БПК = 428 мг/л после первичного отстойника поступали на биофильтр, где
БПК снижалась в среднем на 56%. Далее сточные воды направлялись в промежуточный
отстойник, рассчитанный на продолжительность их пребывания в нем в течение 15 мин, а
затем последовательно в ранее установленные на заводе биофильтры, отстойники,
песчаные фильтры и контактные резервуары. Общее снижение БПК на этих сооружениях,
имевших в своем составе три ступени биофильтров, составляло 99%.
Палени опубликовал результаты очистки сточных вод химического завода и маслозавода
на биофильтрах системы "Ингрем". Эти биофильтры загружали несколькими (пятьюшестью) расположенными один над другим слоями блоков из поливинилхлорида, которые
разделялись воздушными прослойками; загрузка в сечении имела вид пчелиных сот.
Сточные воды подавали насосом и разбрызгивали над первыми (сверху) тремя слоями
загрузки. Воздух подавали воздуходувкой снизу в каждый слой загрузки.
7
Установка для очистки сточных вод состояла из нейтрализаторов, резервуара для
разбавления и смешения, первичных биофильтров с рециркуляцией, вторичных
отстойников и вторичных биофильтров. Сточные воды этого завода содержали жирные
кислоты, глицерин, жиры, масла, синтетические детергенты, крезол, фенолы и другие
примеси. Поступающие сточные воды имели БПК5 = 5000-4-19000 мг/л и рН=1,5;
очищенные сточные воды имели БПКб = 50 мг/л и рН = 7.
Биофильтры системы "Ингрем" применяют также для очистки сточных вод заводов
целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, молочного и текстильного
производства, птицеферм и других предприятий. При нагрузках по БПК 5 7,5 и 2 кг/ (м3сут) снижение БПК составляет соответственно 70 и 90;%
Джерманом было доказано, что применение биофильтров с пластмассовой загрузкой для
очистки бытовых сточных вод экономически целесообразнее применения для этих целей
биофильтров, загруженных гравием. Были запроектированы две установки для очистки
бытовых сточных вод с расходом 38 тыс. м3/сут, имевших начальную БПК, равную 200
мг/л. Одна установка имела двухступенчатые биофильтры (по две в каждой ступени)
диаметром 39,6 м и высотой 1,8 м с гравийной загрузкой; вторая- двухступенчатые
биофильтры диаметром 11,4 м и высотой 3,2 м с гофрированной синтетической загрузкой
типа "Сэфпак". БПК очищенных сточных вод составила 30 мг/л. Стоимость установки,
имеющей в своем составе биофильтры с пластмассовой загрузкой, оказалась на 21%
меньше стоимости установки с гравийными биофильтрами; затраты на их эксплуатацию
были примерно одинаковыми.
По исследованиям Берриджа биофильтры с пластмассовой загрузкой могут быть
использованы для очистки смеси иловой воды, образующейся при тепловой обработке
осадка (БПК - 5000 мг/л, концентрация взвешенных веществ - 2000 мг/л) и бытовых
сточных вод. В его опытах при кратности смешения 1:10 и гидравлической нагрузке 5,4
м3/(м3-сут) окислительная мощность по снятой БПК составляла 2-3 кг/(м3-сут). Берридж
считает, что сточную воду после биофильтров можно подавать в головные сооружения
станции биологической очистки сточных вод.
Чипперфильд приводит данные по очистке сточных вод ряда заводов на биофильтрах с
загрузкой из гофрированных листов поливинилхлорида. Исследования проводились в
полупроизводственных и производственных условиях на одно-, двух- и многоступенчатых
установках со сточными водами, имеющими высокую БПК. Сточные воды спиртового
завода с БПК 900- 1000 мг/л очищали на производственной двухступенчатой установке с
высотой слоя загрузки биофильтров 5,4 м. Снижение БПК на I и II ступенях составило
соответственно 69 и 78% при нагрузках по БПК 2,1 и 0,7 кг/(м3-сут); полное снижение
БПК - 96,5%. Очистка сточных вод пивоваренного и дрожжевого заводов осуществлялась
по трех- и двухступенчатым схемам. При БПК поступающих сточных вод 1100 и 4500
мг/л полное снижение БПК составляло соответственно 84 и 80%. При очистке бытовых
сточных вод со значительной примесью производственных сточных вод текстильных
предприятий (БПК смеси 500 мг/л) снижение БПК составляло 60-80%, что зависело от
величины гидравлической и органической нагрузки. Во всех случаях аэрация была
естественной; применялась рециркуляция; заболачиваемость загрузки отсутствовала даже
при высоких гидравлических нагрузках. Чипперфильд рекомендует применять двух- и
трехступенчатую схему биологических окислителей при высоте биофильтров до 6-9 м и
нагрузке по БПК до 6 кг/(м3-сут).
При расширении станции биофильтрации в г. Сидар-Рапидсе (США) было экономически
обосновано решение о применении биофильтров с пластмассовой загрузкой.
8
Канализационная очистная станция принимала сточные воды г. Сидар-Рапидса (с
населением ПО тыс. чел.) и, кроме того, производственные сточные воды предприятий по
переработке мяса, зерновых и молочных продуктов, а также по обработке металлов, что
эквивалентно расходу бытовых сточных вод от 580 тыс. чел. Сооружения были
рассчитаны на прием сточных вод в количестве 107 тыс. м3/сут. В связи со значительным
увеличением расхода производственных сточных вод потребовалось увеличить число
сооружений. Еще до расширения станции были проведены исследования по сравнению
эффективности работы биофильтров с двумя типами загрузки - из гравия и из пластмассы.
Было установлено, что биофильтры с пластмассовой загрузкой (2 биофильтра диаметром
36,6 м и высотой 6,3 м) более экономичны, чем биофильтры с загрузкой из гравия (14
биофильтров диаметром 40,5 м и высотой 1,8 м). Применение биофильтров с
пластмассовой загрузкой позволило сократить общий объем загрузки в 2,4 раза, а
занимаемую под очистными сооружениями площадь - в 10 раз. При суточной нагрузке по
БПК на биофильтр с пластмассовой загрузкой 2,52 кг/м3, а на биофильтр с гравийной
загрузкой 0,8 кг/м3 степень очистки по БПК составила соответственно 78 и 66%.
Хемимг считает допустимым подавать сточные воды на биофильтры с пластмассовой
загрузкой, не подвергая их первичному отстаиванию, поскольку поры биофильтров
практически не заиливаются. Было отмечено, что при залповом поступлении токсичных
примесей биопленка быстро восстанавливает свою работоспособность.
Пример повторного использования сточных вод, прошедших очистку на биофильтрах (в
качестве которых использовались градирни), приводит Мохлер. Нефтесодержащие
сточные воды в количестве 13 200 м3/сут, пройдя нефтеотделитель, смешивались со
сточными водами, не загрязненными нефтью, и поступали в буферный пруд
вместимостью 31 000 м3, из которого часть сточных вод подавалась насосами на
вентиляторные градирни. Очищенные сточные воды использовались в качестве
подпиточной воды в оборотной системе водоснабжения. Система успешно работала в
течение И лет: снижение концентрации фенолов достигало 99,9%, нефти -84%, ХПК и
БПК более 90%.
Мидлбрук описал опыты по очистке сточных вод химического завода на опытной
установке с загрузкой типа "Сэфпак". В результате опытов было установлено, что
биофильтры с синтетической загрузкой могут надежно снижать БПК сточных вод на 70%,
концентрацию взвешенных веществ на 80% и нормально работают пои температуре
сточных вод 45-50°С.
При очистке сточных вод крафт-целлюлозного и крахмального заводов на биофильтрах с
загрузкой из поливинилхлоридных труб с продольными внутренними перегородками ( в
поперечном сечении) типа "Клоузенил" (рис. 3) снижение БПК превышало 80%. При этом
начальная БПК сточных вод крафт-целлюлозного завода составляла 1000- 3500 мг/л и
крахмального завода - 3000 мг/л. Нагрузка по БПК колебалась от 0,5 до 1,5 кг/(м3-сут) при
гидравлической нагрузке 2-12 м3/(м3Х сут). В условиях опыта длина труб составляла 2,5
м, диаметр 80 мм, толщина стенки труб 0,5 мм.
9
Рис. 3. Биофильтр с загрузкой из поли-винилхлоридных труб типа 'Клоузенил' а - общий
вид; б - загрузка с перегородками; в - то же, без перегородок
Шульцем были проведены исследования на биофильтре с загрузкой из металлической
проволочной сетки. Биофильтр состоял из семи параллельных вертикальных сеточных
секций, покрытых латексом. Размер каждой секции составлял 0,9 Х 1,8 м, расстояние
между ними равнялось 50 мм; площадь биофильтра в плане 0,27 м2, объем загрузки 0,5 м3.
На биофильтр непрерывно подавалась смесь отстоенных бытовых сточных вод и
молочной сыворотки в количестве 4,5 м3/(м2-суг) при нагрузке по БПК5 0,11 -1,23 кг/(м3сут). Через 32 сут работы были обнаружены обрастания (толщиной до 16 мм), состоявшие
из последовательных слоев серобактерий, зооглейных бактерий и грибов. Эффект очистки
колебался от 66 до 95%. При подаче на биофильтр только бытовых сточных вод при
гидравлической нагрузке 4,5-10 м3/(м2-сут) эффект очистки достигал 90%, обрастания
были тонкими (1-2 мм) и не обнаруживалось ярко выраженных участков заиливания,
свидетельствующих об анаэробных условиях. Эта конструкция позволяет регулировать
толщину биообрастаний (до 2-3 мм), что необходимо для создания аэробных условий в
толще обрастаний.
В качестве жестких засыпных загрузочных материалов для биофильтров могут быть
применены различные пластмассовые, керамические и металлические изделия (со
значительной удельной площадью поверхности, высокой степенью пористости и малой
плотностью), которые применяются в массообменных колоннах и аппаратах (рис. 4). В
настоящее время в США выпускаются различные виды насадок, изготовленных из
10
полипропилена, полиэтилена, жесткого поливинилхлорида и полистирола, плотность
которых составляет в среднем 80 кг/м3.
Рис. 4. Жесткие засыпные загрузочные изделия: а - кольца Рашига; б - кольца с
перегородкой; в - кольца с крестообразной перегородкой; г-кольца Палля; д - седла Берля;
е - седла 'Инталокс'
В Англии запатентована загрузка для биофильтров, которая изготовляется из пенопласта
(полиуретана, полистирола, полиэтилена и др.) в форме кубов, колец, шаров, имеющих
пористую поверхность. Плотность такой загрузки по сравнению с плотностью коксовой и
гравийной загрузок меньше соответственно в 7 и 34 раза.
В качестве загрузки для вентилируемых биофильтров в Австрии используют пористые
материалы в виде застывшей пены естественного происхождения, которые могут иметь
форму пластин, листов или кусков.
Во Франции предложена загрузка для биофильтров, представляющая собой отрезки труб,
заполненные гофрированными пластмассовыми элементами, которые создают полезную
удельную площадь поверхности, примерно равную 120 м2/м3. Предлагается также
загружать биофильтры каким-либо волокнистым материалом (натуральным или
синтетическим), что значительно увеличивает площадь контакта со сточными водами и
повышает пропускную способность сооружений.
В ФРГ для массообменных колонн и биофильтров используют загрузку в виде полых
цилиндров с прорезанными в их боковой поверхности отверстиями, расположенными в
шахматном порядке. Площадь отверстий занимает 30-60% боковой площади поверхности
цилиндра. Круглые или многоугольные отверстия имеют площадь 3 мм 2, прямоугольные6 мм2.
В США для загрузки биофильтров применяют призматические шестигранные блоки из
обожженной глины. Вдоль оси призмы блоки имеют отверстия диаметром 2,5 см,
создающие развитую поверхность для образования биологической пленки. Блоки
устанавливаются на ребрах треугольного сечения, обеспечивающих свободный доступ
воздуха для естественной вентиляции. Очищенная сточная вода собирается в каналах, на
которых лежат поддерживающие фильтр ребра. В США запатентована загрузка для
биофильтров, состоящая из расположенных друг над другом горизонтальных решеток с
воздушными прослойками между ними. Решетки образованы Т-образными элементами
высотой 50 мм, шириной поверху б мм и толщиной 2,5 мм. Сточные воды, попадая на
решетки, частично дробятся на капли, падающие на нижние ряды, а частично стекают по
ним тонкой пленкой.
В качестве загрузки биофильтра предложено также использовать изогнутые в форме сот
или полусот листы асбестовой бумаги, предварительно пропитанной водным раствором
фосфата какого-либо металла (например, алюминия в количестве 10- 40% начального веса
асбестовой бумаги) и высушенной в печи. Соты или полусоты образуются путем
склеивания эпоксидными смолами соответствующим образом согнутых листов асбестовой
бумаги. Обработка фосфатом металла необходима для придания жесткости загрузке,
11
улучшения ее водоустойчивости и уменьшения эрозии. Преимуществами рекомендуемой
загрузки являются образование на ней биопленки через б-7 ч после начала работы (вместо
нескольких суток при обычной загрузке); сильно развитая поверхность; негорючесть;
малая плотность (30-58 кг/м3 в зависимости от поперечного профиля); значительное
количество биопленки на единицу массы (3,1 кг биопленки на 1 кг загрузки). Конструкция
монтируется на 16 трубках (диаметром 1,9 см), расположенных по 4 трубки в каждом углу
биофильтра и изготовленных из того же материала. Сточные воды подаются сверху,
воздух поступает снизу.
Представляет интерес загрузка (рис. 5), состоящая из квадратных в плане секций, в
каждую из которых входят 64 вертикально установленных, сваренных друг с другом
пластмассовых трубки одинаковой длины, равной 300 мм (диаметр 38-40 мм). Загрузка по
высоте состоит из четырех секций, отделенных друг от друга (на расстоянии 160 мм)
четырьмя трубчатыми устройствами (по углам). Каждое устройство состоит из двух
пластмассовых труб разного диаметра. Трубу меньшего диаметра и большей длины
помещают в трубу большего диаметра таким образом, чтобы с обеих концов последней
выступали одинаковые отрезки, образующие вставные элементы. При монтаже блока
выступающие концы труб меньшего диаметра вводятся в отверстия соответствующих
труб верхней и нижней секции.
Рис. 5. Блок из пластмассовых труб: а - секция из 64 труб; б - устройство дляразделения
секций
На кафедре канализации ЛИСИ предложена загрузка из винипласта в виде сотовых плит с
четырехгранными ячейками, две грани которых наклонены к горизонтальной плоскости
пол углом 45°. Сотовые плиты укладывают одна на другую таким образом, чтобы
наклонные грани ячеек одной плиты были повернуты па 90° по отношению к наклонным
граням ячеек другой плиты. Пористость загрузки составляет 80%, удельная площадь
поверхности-190 м2/м3, плотность - 280 кг/м3.
Следует особо остановиться на пластмассовой загрузке типа "Флокор", выпускаемой
английской фирмой "IСI". Специальной машиной путем вакуумной формовки в
разогретом состоянии из рулонного поливинилхлорида толщиной 1 мм изготовляются
более тонкие гофрированные в двух направлениях листы со стыковочными устройствами
на гребнях гофра. Гофрированные листы прокладываются плоскими листами, имеющими
12
отверстия, и соединяются в блоки размером 0,6X0,6X1,2 м (рис. 6). Изделия этой фирмы
эксплуатируются в ряде европейских стран и США.
Той же фирмой разработан ряд конструктивных решений блоков типа "Фловик", которые
могут быть использованы для загрузки массообменных колонн, градирен и биофильтров.
Эти блоки выполнены из чередующихся пластмассовых плоских и гофрированных листов
различной конфигурации (типы А, В, С). Блоки типа А имеют листы, гофрированные в
одном направлении, а блоки типов В и С-в двух направлениях с различной длиной волны.
Загрузка типа "Фловик" по своей конструкции сходна с загрузкой типа "Флокор" и
отличается лишь длиной и высотой гофра.
Рис. 6. Загрузочный материал типа 'Флокор': а - общий вид блока; б - плоский листе
отверстиями; в - гофрированный лист
В Японии в качестве мягкого загрузочного материала используют нейлоновую ткань.
В Англии и ФРГ предложена рулонная загрузка (рис. 7), образованная путем спиральной
намотки двух поливинилхлоридных лент (плоской и гофрированной) толщиной 0,5 мм,
скрепляемых между собой. Рулоны загрузки устанавливают вертикально, вплотную друг к
другу.
13
Рис. 7. Спиральная рулонная загрузка: а - в рабочем состоянии; б - элемент спиральной
загрузки
В табл. 1 приведены показатели основных видов загрузочных материалов из пластмасс,
применяемых за рубежом.
Таблица 1. Основные типы блочных загрузочных материалов для биофильтров,
применяемых в зарубежной практике
14
В качестве загрузочного материала может быть использована винипластовая пленка в
виде рулонов или вертикально подвешенных изделий. В СССР выпускают гладкую
винипластовую пленку, а также перфорированную и гофрированную. Толщина такой
пленки 0,35-0,9 мм, ширина 0,4-0,8 м; площадь отверстий на перфорированной пленке
составляет свыше 50% общей площади (диаметр отверстий 2,8 мм, высота гофра до 2,5
мм). Масса 1 м2 перфорированной и гофрированной пленки составляет 280 г. Возможный
температурный диапазон эксплуатации от -20 до +60°С. Перфорированно-гофрированная
пленка (без учета отверстий, поскольку они быстро зарастают биопленкой) массой 1 т
имеет площадь поверхности, равную 7140 м2.
Таким образом, результаты проведенных исследований и данные эксплуатации
биофильтров с плоскостной загрузкой указывают на широкий диапазон их применения
для очистки бытовых и производственных сточных вод.
Наиболее индустриальной и перспективной является блочная загрузка, которая
значительно ускоряет строительство биофильтров.
2. Погружные биофильтры
Еще в 1917 г. в России была выдана "Привилегия на способ биологического очищения
воды, отличающейся тем, что в бассейне с очищаемой водой повторно погружаются и
поднимаются для предоставления действию воздуха железный каркас с натянутыми в нем
проволоками, на которые насажены пластины из пробки, ваты или кусков ткани, или тела
из легкого материала". Этот принцип работы биофильтров нашел свое техническое
применение лишь в 60-х годах. Такие конструкции биофильтров получили название
погружных (рис. 8).
Рис. 8. Погружные биофильтры: а - одноступенчатый погружной; б - пятиступенчатый
погружной с промежуточным отстойником; 1 - подводящий лоток; 2 - резервуар; 3 вал; 4 - диски; 5 - отводящий лоток; 6 - перепускной канал; 7 - отстойник
В ФРГ для погружных биофильтров были использованы диски диаметром от 0,65 до 3 м;
при диаметре диска 3 м оптимальная частота вращения составляла 2-3 мин-1. Большую
роль играла степень погружения дисков: наибольший эффект достигался, когда их
опускали в жидкость на 0,45 диаметра, т. е. оси валов находились несколько выше уровня
15
сточных вод. При вращении валов развивающиеся на пластмассовых дисках
микроорганизмы попеременно приходили в контакт с воздухом и со сточными водами,
благодаря чему создавались хорошие условия жизнедеятельности биопленки. Предложена
также конструкция агрегата, смонтированного на автоприцепе, что позволяет доставлять
установку в любое место, быстро ее монтировать и демонтировать.
Хартман изучал работу погружных биофильтров для очистки различных
производственных и бытовых сточных вод в Штутгарте и Цюрихе. В этих биофильтрах
пакеты пластмассовых дисков (по 30-180 дисков в каждом пакете) укреплялись на валу на
расстоянии 15 мм друг от друга. Диски до половины погружались в лоток, через который
пропускались сточные воды. На дисках, вращающихся с частотой до 1,5 мин -1,
развивалась биопленка, аналогичная по составу пленке биофильтров. Такие биофильтры
малочувствительны к колебаниям расхода и концентрации сточных вод, что позволяло
достигать любой степени очистки. Кратковременные залповые поступления сточных вод
незначительно ухудшали качество очистки.
По сравнению с аэротенками погружные биофильтры менее чувствительны к токсичным
веществам, минеральным маслам и синтетическим детергентам. Пропускная способность
этих биофильтров снижалась только при длительных перегрузках сооружений. Объем
первичных отстойников рассчитывали на 0,5-1 ч пребывания сточных вод, а вторичных
отстойников - на 1,5 ч. Целесообразно применение многоступенчатых установок.
Во Франции была предложена конструкция биофильтра, представляющего собой
барабаны, вращающиеся вокруг горизонтальной оси и погруженные на 1/3 своего
диаметра в лоток, по которому циркулируют обрабатываемые сточные воды. Барабан
состоит из трех дисков, между которыми укреплены желоба со вставленными в них
насадками типа щеток. На развитой поверхности насадок образуется биопленка.
Пепель исследовал работу погружного биофильтра, который состоял из пластмассовых
дисков толщиной 15 мм и диаметром 3 м, смонтированных на общем валу на расстоянии
друг от друга, равном 20 мм. Диски вращались в резервуаре, в который поступали
предварительно очищенные сточные воды. Биопленка образовывалась через 2-3 сут после
пуска установки. Очищенные сточные воды из резервуара поступали в осветлитель,
осадок из которого обезвоживался и обрабатывался в перегнивателе. Работа погружных
биофильтров была устойчивой при колебаниях концентрации загрязнений сточных вод.
На погружных биофильтрах можно обрабатывать концентрированные производственные
сточные воды от пивоваренных, молочных, консервных и других заводов. В сочетании с
аэротенками, когда 60% загрязнений первоначально снимает погружной биофильтр, а
остальное количество - аэротенк, возможно увеличение пропускной способности
установки в 8 раз.
Марки исследовал очистку сточных вод Цюриха на четырехступенчатых погружных
биофильтрах. При расходе сточных вод 4; 26 и 40 м3/сут концентрация кислорода в
очищенных сточных водах составляла соответственно 4,7; 3,6 и 0,4 мг/л; эффект очистки
по снятой БПК5 достигал 85, 57 и 55%.
Блю описал станции очистки сточных вод, работавших с использованием погружных
биофильтров, обслуживавших населенный пункт с числом жителей от 120 до 500 чел.
Биологические диски, изготовленные из пластмасс, имели диаметр 2-3 м и толщину 10
мм; расстояние между ними составляло 20 мм; частота вращения вала 2-3 мин-1.
16
В ГДР в комплексы очистных сооружений, предназначенных для очистки малых и
средних расходов сточных вод, включают двух- и трехступенчатые погружные
биофильтры. Преимуществом этих биофильтров является меньшее потребление
электроэнергии для насыщения сточных вод кислородом (в 5-6 раз меньше, чем в
аэротенках). Погружные биофильтры рекомендуется устанавливать для очистки сточных
вод санаториев, домов отдыха, небольших и средних "поселков.
Бригманом описаны результаты исследований по эффективному разложению
нефтепродуктов (керосин, реактивное, дизельное и котельное топливо, масла, сырая
нефть) различными бактериями на модели дискового погружного биофильтра.
Конструкция жесткого дискового пакета для погружных биофильтров из пластмассового
перфорированного материала, имеющего рифленую поверхность, предложена в ГДР и
Австрии.
В США испытана конструкция вращающегося биологического контактора для
биологической очистки сточных вод непосредственно в канализационных коллекторах.
Контактор представляет собой вставку большего, чем коллектор, размера. Вставка имеет
вид лотка с поперечным валом, на котором закрепляются диски диаметром 1-3 м,
приводимые во вращение электродвигателем с переменной частотой вращения. Перед
дисками устанавливается комминутор и грубая сетка. Частота вращения дисков 5- 50 мин1
. Биологический контактор можно устанавливать непосредственно после источника
образования сточных вод, на промежуточных участках коллектора или перед очистными
сооружениями.
Для малых количеств сточных вод в ФРГ предложена интересная конструкция
погружного биофильтра, состоящего из поддона со сточными водами и вращающегося на
горизонтальной оси барабана со спиральной навивкой из пластмассовых труб. Сточные
воды забираются открытым концом навивки и при вращении барабана перемещаются по
ней к выходному концу. Трубы с целью увеличения поверхности для образования
биопленки в сечении могут иметь перегородки в виде пчелиных сот.
Изучение опыта работы компактных установок по очистке сточных вод в
Великобритании, обслуживающих населенные пункты с числом жителей от 50 до 12 000
чел., показало преимущества и экономическую целесообразность применения дисковых
погружных биофильтров.
Строительство таких биофильтров наиболее целесообразно при высоком уровне
грунтовых вод. В период работы в биофильтре не происходит отложения осадка, а
толщина биопленки на дисках зависит от поступления питательных веществ и
потребления кислорода. Окислительная мощность биофильтра определяется количеством
поступающих органических веществ и не зависит от концентрации сточных вод.
Следовательно, степень очистки сточных вод зависит от числа ступеней биофильтра и
определяется продолжительностью пребывания сточных вод в погружном биофильтре.
Поверхностная нагрузка по ВПК не должна превышать 100 г/(м2-сут), минимальная ВПК
очищенных сточных вод 10 мг/л.
Эффект работы биофильтра повышается при хорошей механической очистке сточных вод.
Зависимость работы погружного биофильтра от температуры такая же, как и других
сооружений биологической очистки. Наличие нерастворимых жиров в стоках
нежелательно, так как они заиливают поверхность дисков и способствуют прекращению
17
доступа кислорода к биопленке. Применение погружных биофильтров также эффективно
при очистке иловой жидкости из метантенков.
Велч проводил исследования по очистке высококонцентрированных сточных вод на
двухступенчатой установке с пакетами дисков диаметром 1,5 м. Неочищенные сточные
воды, содержащие молочную сыворотку, имели начальную ХПК 500- 4000 мг/л;
гидравлическая нагрузка составляла 0,76-30 м3/(м3-ч); частота вращения дисков
изменялась от 5 до 40 мин-1. Сточные воды проходили последовательно I и II ступени
погружных биофильтров с промежуточным и вторичным отстойниками. Образование
большого количества биомассы на дисках обеспечивало оптимальный контакт и
ассимиляцию примесей микроорганизмами. Изменением частоты вращения дисков
контролировалось не только перемешивание биомассы в сточной воде, но и концентрация
растворенного кислорода. Оптимальное снижение ХПК было достигнуто при
концентрации растворенного кислород-1,5 мг/л. При концентрации ХПК неочищенных
сточных во" 500, 1300 и 4000 мг/л, частоте вращения дисков 20 мин -1 и
продолжительности пребывания сточных вод в резервуаре биофильтров I ступени 30 мин
снижение ХПК составляло соответственно 70, 45 и 30%.
Рональд рекомендует применять погружные биофильтры для очистки производственных
сточных вод в качестве II ступени. Эти биофильтры характеризуются гибкостью в работе,
низкой эксплуатационной стоимостью и высоким эффектом изъятия органических
загрязнений.
Рональд и Аскен, систематизируя опыт применения погружных биофильтров на 400
установках в ФРГ, Швейцарии и Франции для очистки производственных и бытовых
сточных вод, а также сточных вод от сельскохозяйственных ферм, пришли к выводу о
перспективности и экономической целесообразности применения таких конструкций
биофильтров. Они провели исследования на производственной установке,
обеспечивающей очистку сточных вод населенного пункта с числом жителей 4000 чел. В
составе этой установки имелись первичные и вторичные отстойники, а также аэробный
сбраживатель. Диаметр пластмассовых дисков погружного биофильтра составлял 1,8-3 м.
При продолжительности пребывания сточных вод в биофильтре 60 мин снижение БПК
достигало 90%.
Читенден и Уэлс изучали возможность очистки и дезодорации предварительно
очищенных в анаэробных лагунах сточных вод от предприятий мясоперерабатывающей
промышленности. Установка состояла из трех каналов, разделенных водосливами, в
каждом канале было установлено 50 дисков диаметром 1,2 м и толщиной 1,3 см,
закрепленных на вращающемся валу, который расположен на высоте 1,5 см над уровнем
воды в канале Зазор между дном канала и диском составлял 1,3 см. Гидравлическая
нагрузка на диски при максимальной пропускной способности установки 38 м3/сут
составляла 0,3 м3/(м2-сут). При вращении всех дисков с частотой 3 мин-1 и расходе
сточной воды 38 м3/сут снижение БПК в первом канале составило 43%, а в трех каналах 50%. При вращении дисков в первом канале с частотой 6 мин -1 при той же нагрузке на
диски снижение БПК составляло 53%, в трех каналах - 65%. Снижение нагрузки в 2 раза
обеспечивало снижение БПК в первом канале на 80, а общее на 83%. Санитарнохимические анализы показали практическое отсутствие в первом и втором каналах
растворенного кислорода, а в третьем канале его содержание не превышало 0,9-1,5 мг/л.
Полупроизводственные испытания, проведенные Райнером на установке с диаметром
дисков 0,36 м и длиной пакета 3 м, показали, что при начальной величине БПК 5, равной
18
125-190 мг/л, и нагрузке по БПК5, равной 0,9-1,4 кг/(м3-сут), эффект снижения БПК
составил 81-88%.
Швейцарской фирмой "Мекана" разработаны семь типоразмеров комплексов очистных
сооружений, включающих погружной биофильтр "Биоспираль" и рассчитанных на
обслуживание отдельно стоящих зданий й населенных пунктов с числом жителей от 10 до
6000 чел.
Корпус установки выполняется из железобетона, а диски Диаметром 1,75 м - из
пластмассы. Число дисков составляет 14-180. Биофильтры рассчитаны на очистку
сточных вод, проведших отстаивание в первичных отстойниках или в септиках,
очищенная в биофильтрах вода осветляется во вторичных отбойниках. По данным фирмы,
на дисковых биофильтрах эффект очистки достигает 85-90% при продолжительности
пребывания сточной воды в биофильтре 2,6 ч и в отстойнике 1,6 ч.
Опыт эксплуатации более 700 установок показал их несомненные преимущества при
значительных колебаниях расходов сточных вод; установки потребляют мало
электроэнергии и мо гут быть полностью автоматизированы.
Во Франции разработано шесть типоразмеров комплексных установок "Сабла-Теба" для
очистки сточных вод населенных пунктов с числом жителей от 150 до 1000 чел. (площадь
поверхности дисков от 300 до 1800 м2). Станция "Сабла-Теба" включает двухъярусный
отстойник (продолжительность отстаивания в осадочных желобах 1,5 ч); от одного до
шести блоков погружных биофильтров с дисками диаметром 2 м, располагаемых в одну
или две ступени; вторичный отстойник (продолжительность отстаивания 2 ч); иловые
площадки.
Резервуар с погружными биофильтрами располагается либо в легком павильоне,
собираемом из пластмассовых или асбестоцементных элементов, либо в здании из
сборного железобетона, в зависимости от температуры наружного воздуха.
Каждый блок погружных биофильтров состоит из 50 дисков, имеет площадь поверхности
300 м2, длину 1,44 м, массу 650 кг и вращается с частотой около 2 мин -1. Диски
практически не подвергаются износу, и, по данным фирмы, срок их амортизации
достигает 30 лет. Потребление энергии небольшое и составляет, по расчетным данным, 34 кВт-ч на 1 жителя в год. Станция с биодисками рассчитана на прием сточных вод от
населенных пунктов с нормой водоотведения 100-150 л/сут и с количеством загрязнений
от одного человека по БПК5 около 54 г/сут при очистке до 30-40 мг/л по БПКбПогружные биофильтры "Сабла-Теба" пропускной способностью 135 м3/сут установлены
на очистных сооружениях коммуны Дюизон в департаменте Луар-е-Шер (Франция) на
станцию поступает около 90 м3/сут сточных вод, имеющих концентрацию загрязнений по
БПК5 от 100 до 175 мг/л, по ХПК от 120 до 450 мг/л и по взвешенным веществам от 29 до
44 мг/л. После отстаивания в двухъярусном отстойнике сточные воды поступают на
биофильтры, работающие в две ступени по два блока в каждой. Степень очистки
составляет около 90% по БПК5На ряде объектов эксплуатируются станции пропускной способностью 1700, 1800 и 3800
м3/сут с многоступенчатыми погружными биофильтрами. Очистные сооружения г. Пеуки
(шт. Висконсин) состоят из комминуторов, отстойников, погружных биофильтров,
вторичных отстойников. Для обработки осадка сооружен аэробный сбраживатель с
поверхностными аэраторами. Восемь секций погружных биофильтров установлены в
19
здании размером в плане 15X18 м (две технологические параллельно работающие линии
по четыре ступени биофильтров в каждой). Каждая секция состоит из 150 выполненных из
полистирола дисков толщиной 13 мм и диаметром 3,1 м, установленных на расстоянии 34
мм друг от друга. Общая площадь поверхности дисков в одной секции 1950 м 2 длина
каждой секции 5,5 м. Пакет дисков приводится во вращение (с частотой 0,75-2 мин-1)
электродвигателями мощностью 1,1 кВт (причем для эксплуатации требуется мощность
0,6 кВт). На очистные сооружения поступает 1800 м3 сточных од в сутки с БПК в среднем
125 мг/л (100-170). БПК на выходе составляет в среднем зимой 21 мг/л, летом 16 мг/л,
концентрация взвешенных веществ - соответственно 16-14 мг/л. При снижении расхода
сточных вод на одной технологической линии до 210 м3/сут (вместо 900 м3/сут) БПК
после первой ступени в среднем за 2,5-месячный период составляла 20 мг/л. При 90%-ном
снижении БПК затрачивалось электроэнергии 0,12 кВт-ч/м3. Потери напора при движении
воды через четыре ступени погружных биофильтров составляли всего 10 см.
Для очистки сточных вод г. Александрия (США) построен комплекс очистных
сооружений с погружными дисковыми биофильтрами пропускной способностью 150 тыс.
м3/сут.
В зарубежной практике имеется достаточный опыт работы различного вида погружных
барабанных биофильтров. Жесткий корпус вращающегося барабана обтягивается сеткой
или другим материалом, а внутри корпуса помещаются либо засыпные пластмассовые
элементы, либо фигурные блочные секции, либо гофрированный или пленочный
материал, на поверхности которого развивается биопленка. Барабаны, длиной 2-3 м и
диаметром 2-2,5 м, помещаются в резервуары, куда поступает обрабатываемая сточная
вода; частота вращения барабана 1 - 2 мин-1. Для обеспечения механической прочности
внутри барабана установлены ребра жесткости и поперечные перегородки, которые делят
барабан на шесть - восемь секторов.
На рис. 9 приведена схема односекционного погружного барабанного биофильтра, в
поперечном сечении которого условно показаны различные виды засыпного, блочного и
пленочного загрузочного материала.
Рис. 9. Односекционный погружной барабанный биофильтр: 1 - подводящий лоток; 2 электродвигатель с редуктором; 3 - резервуар; 4 - вал; 5 - барабан из металлической
сетки; 6 - каркас жесткости; 7 - отводящий лоток; 8 - перегородки; 9 - секторы
барабана; 10 - загрузочные плоские и гофрированные листы; 11 - загрузочные блоки; 12 засыпной материал (пластмассовые шарики, обрезки труб и др.)
20
На рис. 10 изображен погружной барабанный биофильтр, состоящий из восьми секций,
закрепленных на вращающемся валу. Каждая секция образована из брусьев, попарно
закрепленных на валу в радиальных направлениях и соединенных между собой
стержнями, параллельными валу. От вала до периферии брусьев на стержни каждой
секции наматывается гибкая пластмассовая пленка, образующая рабочую поверхность
биофильтра, на которой развивается биопленка. Резервуар биофильтра можно
перекрывать кожухом.
Рис. 10. Восьмисекционный погружной барабанный биофильтр: 1 - подводящий лоток; 2 электродвигатель с редуктором; 3 - бетонный резервуар; 4 - секция биофильтра; 5 -вал;
6 - промежуточная опора со стойками; 7 - брусья секции со стержнями; 8 - отводящий
лоток; 9 - гибкая пластмассовая пленка; 10 - кожух биофильтра
В Одесском инженерно-строительном институте исследовалась очистка сточных вод
предприятий пищевой промышленности (пивоваренного, дрожжевого, спиртового и
других заводов) на погружных биофильтрах с изготовленными из поливинилхлорида и
алюминиевых сплавов дисками диаметром 0,5 м с частотой вращения вала 16 мин -1.
Начальная БПК была 1000 мг/л, эффект очистки составлял 98%.
На основании проведенных исследований на очистных сооружениях спиртового завода
построены четырехступенчатые погружные дисковые биофильтры. В качестве материала
использованы диски из алюминиевых сплавов толщиной 4 мм и диаметром 2 м,
собранные в пакеты по 46 шт. в каждом. Расстояние между дисками 20-30 мм, длина
пакета 2 м, мощность привода 3 кВт, частота вращения дисков 8 мин-1 (рис. 11,а). На
21
очистные сооружения в период переработки картофеля поступает около 250 м 3 сточных
вод в сутки при начальной БПК5 170 мг/л; при этом достигается полная биологическая
очистка. Эффект изъятия органических загрязнений зависит от нагрузки, числа ступеней и
вида сточных вод (рис. 11,6).
Рис. 11. Погружные дисковые биофильтры очистных сооружений спиртового завода : а схема установки: 1 - подвод осветленной сточной воды; 2 - резервуары; 3 - вал с
приводом; 4-7 - пакеты алюминиевых дисков соответственно первой - четвертой
ступени; 8 - отвод обработанных сточных вод; б - зависимость снижения
БПКsubполн/sub от органической нагрузки: I - снижение БПКsubполн/sub при очистке
сточных вод спиртово-крахмальных и пивоваренных заводов; II - то же, дрожжевых
заводов; В - ширина резервуара; Н - глубина резервуара; lc-длина секции; lп.б -длина
погружного биофильтра; h - расстояние между днищем резервуара и нижней кромкой
дисков
Таким образом, результаты отечественных и зарубежных исследований и опыт
эксплуатации позволяют сделать выводы, что погружные биофильтры могут быть
рекомендованы для очистки бытовых и производственных сточных вод с расходом до
500-1000 м3/сут. Такие биофильтры просты в эксплуатации, не требуют больших
перепадов высот при движении воды (что свойственно всем другим конструкциям
биофильтров), а при наличии перепада, равного 0,5-0,7 м, пакет дисков может вращаться
за счет энергии падающей струи воды. Погружные биофильтры выдерживают залповые
поступления сточных вод; их целесообразно применять при большом коэффициенте
неравномерности поступления сточных вод.
В целях обеспечения большей надежности в работе погружаю биофильтры следует
устраивать не менее чем в две или в три ступени.
3. Высоконагружаемые биофильтры
Высоконагружаемые биофильтры находят широкое применение в качестве биологических
окислителей в комплексе сооружений, предназначенных для очистки бытовых и
производственных сточных вод.
22
Наиболее часто такие биофильтры применяют для очистки бытовых сточных вод при
наличии местного загрузочного материала и при тяжелых грунтовых условиях (в
Киргизской ССР, в Таджикской ССР). При очистке производственных сточных вод с
интенсивной пенообразующей способностью (сточные воды пищевых предприятий,
гидролизных заводов и др.) применение высоконагружаемых биофильтров является
предпочтительным. Ниже приводится несколько примеров работы отечественных
очистных сооружений, в состав которых входят высоконагружаемые биофильтры.
На очистные сооружения г. Железногорска поступает 10 тыс. м3 сточных вод в сутки,
включающих сточные воды горно-обогатительного комбината и молокозавода. В состав
очистных сооружений входят три расположенных под шатром биофильтра, два из
которых загружены щебнем, а третий - речным гравием; высота слоя загрузки 4 м,
крупность фракций 40-100 мм. При гидравлической нагрузке 30 м3/(м2-сут) и количестве
подаваемого воздуха 8-16 м3 на 1 м3 воды БПК5 с 60-170 мг/л снижается до 4-20 юг/л, а
содержание взвешенных веществ с 70- 140 до 15-30 мг/л. Более высокий эффект очистки
достигается на биофильтре с загрузкой речным гравием. На этих сооружениях отмечались
случаи попадания грунтовых вод в воздуходувную систему, что уменьшало количество
подаваемого воздуха на биофильтры, особенно в зимний период, когда попавшая в
воздуховод вода замерзала.
На очистные сооружения г. Губкина, в состав которых входят аэрофильтры высотой 4 м,
поступают бытовые сточные воды города, а также производственные сточные воды
мясокомбината и ТЭЦ. Общее количество сточных вод составляет 8-9 тыс. м3/сут; БПК5
поступающей воды изменяется от 80 до 270 мг/л. При гидравлической нагрузке на
биофильтры 15- 20 м3/(м2-сут) и количестве подаваемого воздуха 8-10 м3 на 1 м3 воды
БПК5 очищенной сточной воды составляет 15-27 мг/л.. Поверхность загрузочного
материала биофильтров часто заиливается.
В состав очистных сооружений г. Сафоново входят высоконагружаемые биофильтры
диаметром 12 м и высотой слоя загрузочного материала (крупность фракций 60-80 мм),
равной 4 м. При гидравлической нагрузке 30 м3/(м2-сут) БПК5 сточных вод (бытовые и
производственные азотно-тукового завода) снижается с 50-200 до 5-25 мг/л.
Высоконагружаемые биофильтры, входящие в состав первой очереди очистных
сооружений г. Владимира, служат II ступенью биологической очистки производственных
сточных вод, прошедших до биофильтров комплекс сооружений биологической очистки I
ступени, включающих аэротенки. Всего построено шесть биофильтров диаметром 17 м и
высотой 2 м, загруженных разнообразными материалами - дробленым камнем, гравием,
доменным шлаком. Наличие в загрузке большого количества доменного шлака, который
сильно разрушается при эксплуатации, является причиной заиливания биофильтров, для
борьбы с которым прибегают к ежедневной штыковке верхнего слоя фильтра. Заиливанию
биофильтров способствует также и наличие в поступающих водах значительного
количества взвешенных веществ и активного ила. Частые штыковка и промывка
биофильтров сильной струей воды разрушают биопленку и ухудшают процесс очистки
сточной воды. При эксплуатации биофильтров зимой (во время сильных морозов) иногда
приходится прекращать подачу воздуха на фильтры, чтобы не допустить сильного
охлаждения, в результате чего содержание растворенного кислорода в очищенной сточной
воде падает до нуля.
При содержании в сточных водах мазута, масел, хрома и др. эффект очистки снижается.
Так, на очистные сооружения г. Климовска, в состав которых входят две секции
высоконагружаемых биофильтров с размером в плане 18X30 м и с высотой слоя загрузки
23
2,4 м, поступают бытовые сточные воды и стоки машиностроительного завода. При
гидравлической нагрузке 10 м3/(м2-сут) и начальной БПК5 60-215 мг/л эффект очистки не
превышает 75-80%.
При обработке высококонцентрированных производственных сточных вод, особенно при
их локальной очистке или при незначительном разбавлении бытовыми сточными водами
эксплуатация биофильтров затруднена. Так, при очистке сточных вод овощесушильного
завода при гидравлической нагрузке 1 м3/(м2-сут), БПК5 в необработанных сточных водах
180-2200 мг/л и содержании взвешенных веществ 100-400 мг/л эффект снижения
органических- загрязнений не превышал 50%, а взвешенных веществ- 60%. При очистке
менее концентрированных сточных вод консервного завода (БПКБ необработанных
сточных вод 120-280 мг/л; ХПК-150-330 мг/л; взвешенных веществ 80- 160 мг/л) при
гидравлической нагрузке 0,5 м3/(м2-сут) эффект очистки по БПК и ХПК составлял в
среднем 50%, а по взвешенным веществам-40%. Влияние активной реакции в обоих
последних случаях не могло не оказаться на эффекте очистки, поскольку рН было равно 66,5. Эффект снижения органических загрязнений на очистных сооружениях хлебозавода
не превышал 30-45;%. На очистных сооружениях указанных заводов в качестве загрузки
биофильтров принимался щебень и блочное пеностекло.
На очистные сооружения комбината биохимических и витаминных препаратов поступает
в сутки около 3000 м3 сточных вод, содержащих десятки различных органических
соединений. Состав сточных вод значительно колеблется как в течение года, так и в
течение суток (по БПК5 от 20 до 1000 мг/л; по взвешенным веществам от 10 до 1600 мг/л).
В состав очистных сооружений входят две секции биофильтров, с гравийной загрузкой
(высота слоя 2 м, крупность фракций 20-70 мм и размер каждой секции в плане 12X21 м),
а также биофильтр с гравийно-керамзитовой загрузкой. Водораспределительная системаспринклерная; разводящая сеть расположена над поверхностью загрузки (рис. 12). При
гидравлической нагрузке 4 м3/(м2-сут) эффект изъятия органических загрязнений
составляет 50%. На работу биофильтров оказывают существенное влияние
неравномерность распределения сточных вод между отдельными секциями биофильтра, а
также вызывающие заиление загрузочного материала залповые поступления сточных вод,
содержащих значительное количество взвешенных веществ (до 400 мг/л и более).
Рис. 12. Биофильтр со спринклерным распределением сточной воды
24
Большинство станций биологической очистки сточных вод гидролизно - дрожжевых
заводов оборудованы биофильтрами или аэрофильтрами. Наиболее широко применяются
прямоугольные аэрофильтры размером в плане 15X25 м с высотой слоя загрузки 4 м. На
ряде очистных сооружений функционируют биофильтры размером в плане 36X60 м с
высотой слоя загрузки 15 м Применяются также и круглые в плане аэрофильтры
диаметром 6И м с высотой слоя загрузки 4 м.
Сточные воды гидролизных заводов интенсивно окрашены, сильно загрязнены и
обладают пенообразующей способностью. Общий сток гидролизных заводов имеет рН=4г-5,5 содержание
Взвешенных веществ 400-700 мг/л, а БПК5 достигает 1200- oрит мг/л. Сточные воды
содержат широкий спектр органических загрязнений и незначительное количество
биогенных элементов -азота и фосфора. Как правило, очистные сооружения гидролизных
заводов не обеспечивают полной биологической очистки.
На очистные сооружения гидролизного завода, на которых установлено 12 аэрофильтров,
поступает в сутки 11 тыс. м3 сточных вод, имеющих начальную величину БПК5 600-800
мг/л. Эффект снижения органических загрязнений составляет 60-87%. Аэрофильтры при
гидравлической нагрузке 1,5 м3/(м3-сут) обеспечивают эффект очистки по БПК5 50-65%.
Следует учесть, что БПК5 сточных вод, поступающих на аэрофильтры (с учетом
разбавления), составляет 450-500 мг/л.
На аэрофильтры биохимзавода (шесть аэрофильтров диаметром 30 м) с учетом
рециркуляционного расхода подается в сутки 38-40 тыс. м3 бытовых сточных вод города и
производственны} сточных вод биохимзавода, сахарного и консервного заводов.
Гидравлическая нагрузка составляет в среднем 2,3 м3/(м3-сут); БПК5 поступающих на
аэрофильтры сточных вод 300-1300 мг/л. При нагрузке по БПК5 от 1 до 2 кг/(м3-сут)
эффективность очистки сточных вод составляет 40-50%.
Опыт
работы
очистных
сооружений
биофильтрации
при
очистке
высококонцентрироваиных производственных сточных вод свидетельствует, что
технологическая схема биологической очистки должна быть как минимум
двухступенчатой. При одноступенчатой очистке аэрофильтры работают неэффективно,
часто заиливаются и на их поверхности образуются застойные зоны.
Практика эксплуатации высоконагружаемых биофильтров показывает, что на них можно
подавать сточные воды с БПК20 не выше 300 мг/л. К сожалению, на многих
промышленных предприятиях, использующих для биологической очистки сточных вод
высоконагружаемые биофильтры, это положение не учитывается и на биофильтры
подается вода с более высокой БПК20 и значительным содержанием взвешенных веществ
(свыше 100- 150 мг/л), что способствует заиливанию биофильтров. Кроме того,
заиливанию биофильтров, особенно капельных, способствует присутствие в сточных
водах жиров, масел, мазута, нефтепродуктов, остатков растительной и животной пищи
(сточные воды мясокомбинатов, масло-молочных заводов, птицефабрик, звероферм,
мастерских, гаражей и др.).
Изменение технологических режимов производства и применение новых токсичных
компонентов оказывают значительное влияние на процессы биохимической очистки и на
видовой состав микрофлоры биопленки, в результате чего биофильтры могут выйти из
строя. Это наиболее часто наблюдается на очистных сооружениях предприятий
химической, легкой, текстильной и красильно-отделочной промышленности.
25
На отдельных производствах состав сточных вод претерпевает значительные изменения в
течение года (картофелеперерабатывающие, сахарные, спиртовые, фармацевтические,
первичного виноделия заводы). Например, на заводах первичного виноделия соотношение
максимальной и минимальной БПК достигает 100. Такие колебания могут вызвать
значительные перегрузки биофильтра и заиливание загрузочного материала. Попадание на
биофильтры остатков плодов и овощей (косточки от винограда, шелуха и т. д.) может
значительно усложнить работу биофильтра и вывести его из строя.
Как показало обследование действующих сооружений, причиной неудовлетворительной
работы биофильтров может быть: перегрузка (против проектных данных) по расходу
сточных вод и особенно по концентрации органических загрязнений и взвешенных
веществ; выключение биофильтра из работы на длительные сроки (более суток);
значительные колебания расхода в течение суток; недостаточное количество подаваемого
воздуха в тело биофильтра; дефицит биогенных элементов в сточных водах; малая
гидравлическая нагрузка, вызывающая скопление биопленки в теле биофильтра; высокая
гидравлическая нагрузка, приводящая к значительному выносу биопленки; наличие в
сточных водах токсичных компонентов, жиров, масел и т. д. в концентрациях,
превышающих допустимые; засорение спринклерных головок; обмерзание реактивных
оросителей, приводящее к неравномерному распределению сточных вод по поверхности
био фильтра, и др.
Большое значение для нормальной работы высоконагружаемых биофильтров имеет
качество фильтрующего материала. Опыт работы Щукинской, Кожуховской, Харьковской
и других отечественных биологических станций показал, что такие материалы, как
щебень, галька прочных горных пород и керамзит, по своим качествам превосходят кокс и
котельный шлак. Обладая большой шероховатостью и пористостью, шлаковая загрузка
создает условия для образования толстой биопленки, в глубине которой происходят
анаэробные процессы, что способствует заиливанию биофильтра и препятствует
свободной циркуляции воздуха в теле биофильтра.
Интересен опыт применения новых видов загрузочных материалов для
высоконагружаемых и башенных биофильтров. В НИКТИ городского хозяйства (Киев)
канд. техн. наук И. М. Таварткиладзе проводились исследования по очистке бытовых и
производственных сточных вод на высоконагружаемых биофильтрах с загрузкой из
пеностекла в лабораторных, полупроизводственных и производственных условиях.
Загрузка была выполнена из блоков пеностекла размерами 0,45 X 0,45 X 0,12 и 0,25 X 0,25
X 0,12 м, в которых были просверлены отверстия диаметром 18-32 мм. Поверхность
пеностекла весьма развита и состоит из больших и малых пор. Удельная площадь
поверхности достигала 70 м2/м3, пористость составляла 60%, плотность-100-200 кг/м3.
Блоки в теле биофильтра укладывались таким образом, чтобы отверстия верхнего блока
перекрывали отверстия нижнего наполовину. Биофильтры выдерживали гидравлическую
нагрузку до 10-12 м3/(м3-сут) при нагрузке по БПК5 до 1,5-2,2 кг/(м3-сут). Экономический
эффект от применения биофильтров с загрузкой из пеностекла по сравнению с
биофильтрами с загрузкой из гравия составляет 25%. Биофильтры с загрузкой из
пеностекла рекомендуются для расходов сточных вод до 50 тыс. м3/сут при высоте слоя
загрузки 2-16 м.
Производственные исследования проводились на канализационной станции в г.
Житомире. Существующие биофильтры были разделены на три секции: I секция была
загружена насыпным пеностеклом с крупностью фракций 100-150 мм; II секция щебеночной загрузкой и III секция - блочной загрузкой из пеностекла. Исследования,
26
продолжавшиеся в течение одного года, показали, что биофильтры с загрузкой из
насыпного пеностекла могут обеспечить лишь неполную oбиологическую очистку при
низких гидравлических и органических нагрузках, тогда как находящийся в тех же
условиях биофильтр, загруженный блоками из пеностекла, обеспечивает полную
биологическую очистку и при высоких нагрузках. Загруженная щебнем II секция работала
при гидравлической нагрузке 1,5 м3/(м3-сут), Но через 6 мес заилилась и вся поступающая
сточная вода с расходом 1300 м3/сут была направлена в III секцию с блочной загрузкой из
пеностекла. При этом была обеспечена окислительная мощность по снятой БПК 0,9-1
кг/(м3-сут).
Проводились также исследования на биофильтре большой высоты с загрузкой из
блочного пеностекла. Биофильтр имел высоту 10 м и диаметр 2 м. Полная биологическая
очистка была достигнута при расходе 250 м3/сут и при нагрузке по БПК до 1,6-2 кг/(м3сут). При этом начальная БПКполн не превышала 150-200 мг/л.
Загрузка из пеностекла требует тщательной укладки блоков во избежание перекрытия
отверстий и образования застойных зон. Первоначально развитая поверхность
просверленных каналов имеет пористую мелкоячеистую структуру, обеспечивающую
быстрое образование биопленки, но через два-три месяца поры заиливаются и при
высоких органических нагрузках в них могут образоваться микрозоны анаэробного
разложения, что ухудшает процессы очистки.
На многих зарубежных станциях биофильтрации в целях увеличения пропускной
способности биофильтров и повышения качества очищаемой сточной воды используется
ряд технологических приемов, позволяющих при увеличении количества поступающих на
очистные сооружения сточных вод или концентрации их загрязнений обойтись без
строительства дополнительных сооружений. Первый и наиболее простой путь - это
предусмотреть возможность переключения одноступенчатых схем работы биофильтров на
двухступенчатые.
В качестве примера можно привести очистные сооружения в: г. Фаргарее (Новая
Зеландия), где в качестве сооружений биологической очистки построены два
высоконагружаемых биофильтра диаметром 33 м при высоте слоя загрузки 1,53 м.
Станция рассчитана на пропускную способность 9100 м3/сут. При увеличении
концентрации загрязнений или расхода сточных йод биофильтры с одноступенчатой
схемой работы переводятся на двухступенчатую, что обеспечивает необходимый эффект
очистки.
При увеличении концентрации загрязнений как при одноступенчатой, так и при
двухступенчатой схеме очистки рекомендуется вводить рециркуляцию. Так, на очистных
сооружениях г. Рединга (Англия), куда поступает 50 тыс. м3/сут производственных
сточных вод, имеющих БПК 480 мг/л и содержание взвешенных веществ 530 мг/л,
предусмотрена возможность работы биофильтров по двухступенчатой схеме очистки с
рециркуляцией.
При высоких концентрациях загрязнений биофильтры проектируют по схеме простого и
переменного двойного фильтрования с применением рециркуляции. Например, в г.
Солсбери (Англия) запроектировано шесть биофильтров диаметром 42 м и высотой 1,8 м,
обеспечивающих полную биологическую очистку.
В качестве II ступени биологической очистки могут служить аэротенки или
биологические пруды. Так, для очистки сточных вод г. Кабула (США) запроектирован
27
биофильтр диаметром 24 м при высоте слоя загрузки 1,5 м. На очистные сооружения в
сутки поступает 920 м3 бытовых сточных вод, 1450 м3 производственных сточных вод
молокозавода и 780 м3 птицефабрики. Биофильтр работает с рециркуляцией, выдерживает
нагрузку по БПК до 2,5 кг/(м3-сут) и обеспечивает снижение органических загрязнений на
50%. После биофильтра сточные воды доочищают в прудах.
В отдельных случаях экономически целесообразно применение трехступенчатой
биологической очистки. Например, в г. Сиу-Фолс (США) на очистные сооружения
ежесуточно поступает 13 200 м3 производственных сточных вод (БПК 2380 мг/л,
содержание взвешенных веществ 1430 мг/л) и 20 800 м3 бытовых сточных вод (БПК 295
мг/л, содержание взвешенных веществ 250 мг/л). Производственные сточные воды
проходят усреднители, первичные отстойники, первичные биофильтры (четыре
биофильтра диаметром 24 м), промежуточные отстойники, вторичные биофильтры
(четыре биофильтра диаметром 59 м), вторичные отстойники. В схеме очистных
сооружений предусмотрена рециркуляция сточных вод из вторичных отстойников через
вторичные биофильтры.
В результате этой двухступенчатой биологической очистки эффект снижения загрязнений
составляет по взвешенным веществам 77%, а по БПК 95%. Затем производственные
сточные воды смешиваются с бытовыми сточными водами и обрабатываются на
аэротенках с пневматической аэрацией.
В зарубежной практике часто сооружают биофильтры больших диаметров (значительно
превосходящие размеры отечественных конструкций), что вызывает необходимость
устройств; весьма сложных систем распределения сточных вод по поверхности
биофильтров. Если в нашей стране очень редко проектируют биофильтры для расходов
сточных вод, превышающих 40 тыс. м3/сут, то на зарубежных станциях применяют
биологические фильтры для расходов 250 тыс. м3/сут и более. Так, в Аделаида
(Австралия) на очистные сооружения поступает 250тыс. м3/сут. В состав сооружений
входят 12 биофильтров диаметром 50 м при высоте слоя загрузки из кварцита
(крупностью фракций 6,2-9 см) 1,8 м.
На очистных сооружениях г. Огдена (США) пропускной способностью 170 тыс. м 3/сут
установлено 12 биофильтров диаметром 69 м при высоте загрузки 1,6 м, что обеспечивает
полную биологическую очистку сточных вод.
На ряде станций при достаточно больших расходах сточных вод сооружают всего по два
биофильтра, что целесообразно при невысоких концентрациях органических загрязнений
и эффективной механической очистке. В качестве примера адажио привести очистные
сооружения г. Рапид-Сити (США), где при расходе 51 тыс. м3/сут установлены два
биофильтра диаметром 60 м и высотой 2 м.
Определенный (интерес представляют также конструкции закрытых биофильтров с
верхней подачей воздуха. Подобные биофильтры эксплуатируются в ряде населенных
пунктов Франции (Шалон-Сюр-Марн, Еврус, Кантье, Жосселен и др.) свыше 30 лет и
имеют как санитарно-гигиенические, так и эксплуатационные преимущества перед
открытыми биофильтрами. В закрытый биофильтр воздух подается сверху вниз, а не
наоборот, как в традиционных высоконагружаемых биофильтрах. Этим достигается
определенное соответствие между концентрацией загрязнений, верхней части биофильтра
и концентрацией кислорода в подаваемом воздухе. В результате происходит более
интенсивное окисление органических загрязнений в верхней части биофильтра, где, как
правило, всегда наблюдается минимальное содержание кислорода в газовой фазе.
28
Очистные сооружения, в состав которых входят такие биофильтры, имеют суточную
пропускную способность от 170 до 2100 м3 сточных вод. Концентрация загрязнений по
БПК5 снижается в среднем со 105-665 до 17-40 мг/л.
В МИСИ им. В. В. Куйбышева канд. техн. наук Э. П. Фазуллиной проводились
лабораторные исследования по очистке городских сточных вод на закрытом биофильтре с
верхней подачей воздуха. В результате этих исследований было установлено, что при
подаче воздуха 8 м3/м3 содержание органических загрязнений по БПК5 снижалось от 95250 до 15-40 мг/л, а при расходе воздуха 16 м3/м3 - от 145-270 до 8-15 мг/л, что
подтверждает данные зарубежного опыта эксплуатации и свидетельствуют об
эффективности применения таких биофильтров.
II. Исследования биофильтров новых конструкций
На кафедре канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева проводятся исследования работы
наиболее перспективных для народного хозяйства биофильтров с плоскостной загрузкой.
В настоящем разделе обобщен результат 18-летних (1963-1981 гг.) исследований авторов
по очистке бытовых и производственных сточных вод на биофильтрах с пластмассовой,
асбестоцементной и керамической загрузкой.
1. Биофильтры с жесткой загрузкой
Для лабораторных исследований была изготовлена опытная модель биофильтра с
пластмассовой загрузкой. Модель представляла собой цилиндр, выполненный из
органического стекла, внутренним диаметром 10 см, высотой слоя загрузки 159 см.
Сточная вода подавалась через опрокидывающийся желоб. По высоте модели были
расположены отверстия для отбора проб биопленки на гидробиологические анализы.
Загрузка биофильтра выполнялась из полиамида в виде решетки с поперечными
прокладками, имеющими отверстия (рис. 13). Загрузочный материал имел плотность 209
кг/м3; удельная площадь поверхности составляла 196 м2/м3, пористость - 81 %.
Рис. 13. Пластмассовая загрузка для лабораторной установки биофильтра
Исследования на бытовых сточных водах московской канализации проводились в два
этапа.
29
Задачей первого этапа исследований было определение оптимальной гидравлической и
органической нагрузки. Начальная гидравлическая нагрузка составляла 1,2 м3/(м3-сут), а
затем постепенно увеличивалась. Основные санитарно-химические показатели
неочищенной и очищенной сточной воды, приведенные в табл. 2 и 3, свидетельствуют о
том, что оптимальная работа наблюдалась при нагрузке 9,6 м3/(м3-сут), когда
окислительная мощность с учетом расхода кислорода на нитрификацию составила 2,25 кг
кислорода на 1 м3 объема сооружения в сутки. В этом режиме работы концентрация БПК
снижалась на 90%, а содержание взвешенных веществ - на 86%; нормально протекали и
процессы нитрификации, что свидетельствовало о глубине процесса очистки. Полученные
результаты очистки позволили увеличить нагрузку на сооружение до 19,2 м 3/(м3-сут). Эта
нагрузка оказалась слишком большой, и модель, работавшая в течение 8 мес без
заиливания, через 4-5 дней заилилась настолько, что в верхней части биофильтра
постоянно находился слой воды высотой 1-3 см. В этот период снижение БПК5 составляло
лишь 69%, а взвешенных веществ - 62%. При этом были нарушены также и процессы
нитрификации: нитриты и нитраты в очищенных водах практически отсутствовали.
Таблица 2. Результаты очистки бытовых сточных вод на лабораторной модели
биофильтра с пластмассовой загрузкой
Таблица 3. Технологические показатели работы лабораторной модели биофильтра с
пластмассовой загрузкой при очистке бытовых сточных вод
30
На втором этапе исследований определялась эффективность работы биофильтра при
подаче на сооружение сточной жидкости сразу с гидравлической нагрузкой 9,6 м 3/(м3-сут)
(без постепенного ее увеличения). По окончании первого этапа загрузка была полностью
отмыта от биопленки, а затем была подана сточная вода с указанной нагрузкой.
За второй период исследований окислительная мощность по снятой БПКполн составила
1,54 кг(м3-сут) при нагрузке по БПКполн 1,77 кг/(м3.сут).
Периодический гидробиологический анализ соскобов и выноса биопленки показал
большое разнообразие микроорганизмов.
При гидравлических нагрузках 4,8; 6,4 и 9,6 м3/(м3-сут) наблюдался регулярный (с
интервалом в 1 мес.) вывод психоды с последующим (через 3-5 дней) выносом биопленки.
Вынос биопленки начинался с верхней части биофильтра и в течение недели вымывалась
отработанная пленка по всей его высоте. Одновременно на месте отмирающей биопленки
образовывалась новая. Эффект работы биофильтра во время выноса биопленки изменялся
незначительно, вынесенная пленка быстро отстаивалась, а отстоенная проба воды была
прозрачна.
Таким образом, в результате 14-месячных исследований было установлено, что
допустимую нагрузку по БПК5 при очистке городских и близких к ним по составу
производственных сточных вод следует принимать равной 2 кг на 1 м3 полезного объема
биофильтра в сутки. В этом случае обеспечивается полная биологическая очистка (рис.
14).
Рис. 14. Зависимость снижения БПКsub5/sub от органической нагрузки при очистке
бытовых сточных вод на биофильтре с жесткой пластмассовой загрузкой
В дальнейшем на этой установке проводились исследования по очистке различных по
составу сточных вод. Исследования по очистке сточных вод красильно-отделочной
фабрики проводились при гидравлической нагрузке 2,4 м3/(м3-сут). Окислительная
мощность по снятой БПК5 составляла 0,33 кг/(м3-сут) при нагрузке по БПК5 0,37 кг/(м3сут) (табл. 4). За исследуемый период снижение окраски составило в среднем 65%, БПК 5 90%, ХПК - 55%, содержание взвешенных веществ - 64%. Показатели очистки сточных
вод красильно-отделочной фабрики весьма близки к тому устойчивому режиму очистки
городских сточных вод, который наблюдался в диапазоне гидравлических нагрузок от 4,8
до 9,6 м3/(м3-сут). Опыты позволяют предположить, что для очистки вод красильноотделочных фабрик оптимальная нагрузка будет составлять 4-5 м3/(м3-сут), а
окислительная мощность по снятой БПКполн достигнет 1 кг/(м3-сут). Из сравнения этих
результатов с результатами очистки сточных вод на биофильтрах с керамзитовой и
гравийной загрузкой видно, что пропускная способность единицы объема биофильтра с
пластмассовой загрузкой в 4-7 раз выше.
31
Таблица 4. Результаты очистки сточных вод красильно-отделочной фабрики на
лабораторной модели биофильтра с пластмассовой загрузкой
В течение 10 месяцев на лабораторной модели биофильтра с пластмассовой загрузкой
исследовались процессы очистки смеси бытовых сточных вод и сточные вод химического
комбината по производству минеральных солей. Результаты лабораторных исследований,
приведенные в табл. 5 и 6, а также на рис. 15, свидетельствуют, что "а биофильтре с
пластмассовой загрузкой могут быть достигнуты значительно более высокие нагрузки,
чем на биофильтрах с гравийной и керамзитовой загрузкой. Рекомендуемая нагрузка на
биофильтр с пластмассовой загрузкой по БПК5 при полной биологической очистке не
должна превышать 0,8 кг на 1 м3 загрузки в сутки.
Таблица 5. Результаты очистки смеси бытовых и производственных сточных вод
химического комбината по производству минеральных солей
32
Таблица 6. Технологические показатели работы лабораторной модели биофильтра
при очистке смеси бытовых и производственных сточных вод химического
комбината по производству минеральных солей
Рис. 15. Зависимость снижения БПКsub5/sub от органической нагрузки при очистке
смеси бытовых и производственных сточных вод на биофильтрах с загрузкой: 1 гравийной; 2 - керамзитовой; 3 - жесткой пластмассовой
Результаты исследований по очистке сточных вод производства целлюлозы, проведенных
без разбавления этих вод бытовыми сточными водами (при гидравлической нагрузке 3
м3/(м3-сут), свидетельствуют о том, что полной очистки не достигается (табл. 7). По всей
видимости, это является следствием высокого значения рН, равного 9,3, и низкого
содержания биогенных элементов. При предварительном подкислении сточных вод до рН
= 8,3 эффект снижения загрязнений значительно возрастал. Так, при исходных
показателях БПК5, БПКполн, ХПК, равных соответственно 184, 227 и 1730 мг/л, их
величины в процессе очистки снижались до 16, 22 и 775 мг/л.
33
Таблица 7. Результаты очистки сточных вод от производства целлюлозы на
лабораторной модели биофильтра с пластмассовой загрузкой
Таким образом, в результате лабораторных исследований по очистке различных видов
сточных вод на биофильтре с пластмассовой загрузкой доказано, что применение этих
загрузочных материалов целесообразно, но в отдельных случаях вследствие специфики
состава производственных стоков требуется либо предварительная их обработка, либо
разбавление бытовыми водами.
На основании результатов лабораторных исследований была запроектирована
полупроизводственная установка (рис. 16) (Эта установка может быть отнесена к
производственным установкам малой канализации, поскольку суточная пропускная
способность ее составляла 20-40 м3 сточных вод.). Корпус установки был выполнен из
стального цилиндра внутренним диаметром 0,8 м; высота слоя загрузочного материала
составляла 3,8 м, а общий объем загрузки- 1,9 м3. Основанием для загрузочного материала
служила металлическая решетка. Воздух в биофильтр подавался естественным путем
через окна в междудонном пространстве, общая площадь которых составляла 17%
орошаемой площади поверхности биофильтра. Сточная вода подавалась на биофильтр
постоянно и распределялась реактивным оросителем. На этой установке испытывали
различные пластмассовые и керамические загрузочные материалы. Для сравнения
параллельно биофильтру с пластмассовой загрузкой работал биофильтр с загрузкой из
гравия со средней крупностью фракций 50 мм и с удельной площадью поверхности
материала загрузки 63 м2/м3.
34
Рис. 16. Полупроизводственныи биофильтр с пластмассовой
загрузкой: 1- подвод неочищенной сточной воды; 2 опрокидывающийся желоб; 3 - стойка крепления желоба к
корпусу; 4 - хомут крепления реактивного оросителя; 5 реактивный ороситель; 6 - пластмассовая загрузка; 7 - корпус;
5 - окна для отбора проб биопленки; 9 - металлическая
поддерживающая решетка; 10 - трубопровод для выпуска
обработанной сточной воды
Биофильтры были смонтированы в отдельном здании на
территории очистных сооружений бытовых вод поселка
(Московская область). На опытную установку сточная вода
подавалась самотеком после первичного отстаивания в
двухъярусных отстойниках (с постоянным расходом). Для этой
цели в конце отстойного желоба перед водосливом
двухъярусного отстойника был установлен сифон, что
обеспечивало высокую равномерность расхода сточных вод,
поступающих в делительную чашу опытных установок. Из чаши
через регулируемые треугольные водосливы необходимое
количество сточных вод подавалось на биофильтры, а затем во
вторичные отстойники вертикального типа с центральными
трубами и отражательными щитами. Высота отстойной части
отстойника составляла 2,7 м, а высота нейтрального слоя - 0,3 м.
Отстойники были рассчитаны на 1,5-часовое отстаивание при
расходах сточной воды 2,5 и 24 м3/сут после биофильтров
соответственно с гравийной и пластмассовой загрузкой. Следует
отметить, что в процессе исследований расходы сточных вод
значительно превышали проектные, что не могло не сказаться
на выносе взвешенных веществ. Исследовалась пластмассовая
решетчатая загрузка, выполненная в виде отдельных секций
(рис. 17) из листов поливинилхлорида толщиной 2 мм. Каждая
секция состояла из решетки и горизонтальной прокладки с
отверстиями диаметром 40 мм.
Ячейки решетки имели размер 50×50 мм, высота ребра 40 мм.
Удельная площадь поверхности загрузки составляла 105 м2 на 1
м3 загружаемого объема биофильтра, пористость-90%,
плотность- 120 кг/м3. В течение 2 мес. наращивалась пленка, а
затем биофильтры были поставлены под рабочую нагрузку.
35
Рис. 17. Пластмассовая решетчатая загрузка
Исследования, продолжавшиеся в течение года, состояли из двух серий опытов: в первой
серии гидравлическая нагрузка составляла 13,8 м3/(м3-сут), во второй - 20,2 м3/(м3-сут).
Гидравлическая нагрузка на биофильтр с гравийной загрузкой была равна 4,4 м3/(м3-еут).
Средние данные санитарно-химических анализов очищенных сточные вод (табл. 8)
свидетельствуют о том, что показатели очищенных сточных вод как при очистке на
биофильтре с гравийной загрузкой, так: и при очистке на биофильтре с пластмассовой
загрузкой практически одинаковы. Биофильтры не могли работать с более высокой
нагрузкой, так как вторичные отстойники уже при указанных нагрузках работали со
значительной перегрузкой. Технологические показатели работы биофильтров приведены в
табл. 9.
36
В результате полупроизводственных испытаний было установлено, что при очистке
бытовых сточных вод на биофильтре с пластмассовой загрузкой вполне возможна их
полная биологическая очистка при нагрузке по БПК5 до 2 кг/(м3-сут) (рис. 18), что
подтверждает данные лабораторных испытаний.
В 1969-1970 гг. были проведены 'полупроизводственные испытания по очистке бытовых
сточных вод на биофильтре с загрузкой типа "сложная волна" (рис. 19). Отдельные секции
загрузки были выполнены из полиэтилена, гофрированного в двух направлениях.
Таблица 8. Результаты очистки бытовых сточных вод на полупроизводственных
установках биофильтров с гравийной и пластмассовой решетчатой загрузкой
Таблица 9. Технологические показатели работы полупроизводственных установок
биофильтров с гравийной и пластмассовой решетчатой загрузкой
37
Рис. 18. Зависимость снижения БПКsub5/sub от органической нагрузки при очистке
бытовых сточных вод на биофильтре с решетчатой загрузкой
Размер одного листа составлял 0,5 X 0,5 м, высота гофра - 60 мм. Удельная площадь
поверхности загрузочного материала 80 м2/м3, пористость 96%, плотность 40 кг/м3.
Исследования проводились в течение года при гидравлических нагрузках 12 и 20,4 м3/(м3сут). Результаты исследований (табл. 10 и 11) свидетельствуют о том, что была достигнута
полная биологическая очистка.
Таблица 10. Результаты очистки бытовых сточных вод на полупроизводственной
установке биофильтра с пластмассовой загрузкой
Таблица 11. Технологические показатели работы полупроизводственной установки
биофильтра с пластмассовой загрузкой типа 'сложная волна'
38
Рис. 19. Пластмассовая загрузка типа 'сложная волна'
При этом окислительная мощность по снятой БПКполн достигала 1,7 кг/(м3-сут) при
нагрузке по БПКполн 2,1 кг/(м3 Х сут).
Высокий эффект снижения органических загрязнений по БПК в большом диапазоне
органических нагрузок свидетельствует о весьма устойчивой работе биофильтра. При
подсчете окислительной мощности с 1 м2
"площади поверхности загрузочного материала (основной показатель производительности
биофильтра) было получено, что она несколько выше, чем на биофильтре с решетчатой
загрузкой, и составляет 22 г БПКполн с 1 м2 площади поверхности в сутки.
Полупроизводственные испытания по очистке сточных вод, содержащих ацетон в
концентрациях 20 и 40 мг/л, проводились на такой же
установке с загрузкой те беспорядочно засыпанных
керамических колец Рашига размером 50Х50Х5 мм. Число
колец Рашига в 1 м3 составляло 6400; плотность загрузочного
материала достигала 570 кг/м3 при пористости 73%, а удельная
площадь
поверхности
была
около
100
м2/м3.
Рис. 20. Общий вид биофильтра с асбестоцементной загрузкой
Анализируя результаты опытов, приведенные в табл. 12, можно
сделать вывод, что при такой загрузке органическая нагрузка
по БПКполн должна быть не более 2 кг/(м3-сут).
39
Таблица 12. Результаты очистки бытовых сточных вод на полупроизводственной
установке биофильтра с загрузкой из колец Рашига
Для выявления эффективности применения плоскостного загрузочного материала с
учетом климатических факторов на станции биофильтрации г. Орджоникидзеабада
(Таджикская ССР) в 1976-1977 гг. инж. А. Б. Абдуловым были проведены исследования
работы биофильтра, загруженного гофрированными асбестоцементными листами марки
СВ-40. Биофильтр имел размеры в плане 2,2X2,5 м, высоту слоя загрузочного материала
3,4 м; общий объем загрузки составлял 10 м3. Асбестоцементная загрузка выполнена в
виде отдельных секций из гофрированных листов размером 1750 X 1130 мм, расстояние
между листами 35 мм. Удельная площадь поверхности загрузки 56 м 2/м3, пористость 80%,
плотность 250 кг/м3 (рис. 20). Сточная вода подавалась реактивным оросителем
диаметром 1,8 м; диаметр распределительных труб 50 мм, диаметр отверстий 15 мм. Для
выявления зависимости эффективности очистки от высоты биофильтра были устроены
окна для отбора проб сточной воды и биопленки. Контрольным сооружением служили
биофильтры с щебеночной загрузкой. Биофильтры находились в одинаковых
температурных условиях; на них подавались сточные воды одинакового состава.
Исследования состояли из трех серий опытов на городских сточных водах со
значительной долей производственных сточных вод. Усредненные результаты этих
исследований приведены в табл. 13.
Таблица 13. Показатели сточных вод при очистке на биофильтрах с щебеночной
(Б-1) и асбестоцементной (Б-2) загрузкой
40
В первой серии опытов при температуре наружного воздуха 20°Си сточной воды 26°С
эффект снижения органических загрязнений по БПК достигал на биофильтре с
щебеночной загрузкой 87%, а на биофильтре с асбестоцементной загрузкой 98% при
гидравлических нагрузках соответственно 2 и 5,6 м3/(м3-сут).
Во второй серии опытов температура наружного воздуха составляла 30°С.
Гидравлические нагрузки были увеличены: на биофильтре с щебеночной загрузкой до 2,8
м3/(м3-сут), а на биофильтре с асбестоцементной загрузкой до 9,8 м3/(м3-сут); при этом
эффект снижения БПК5 составил соответственно 67 и 92%. В третьей серии опытов при
температуре наружного воздуха 44°С расход сточных вод на биофильтр с
асбестоцементной загрукой превышал 150 м3/сут. Нагрузка по БПК5 в среднем за этот
период достигала 1,7 кг/м3, а эффект снижения БПК5 составил 95%.
Полученные данные свидетельствуют о (перспективности применения биофильтров с
плоскостной загрузкой в районах с жаркими климатическими условиями.
В процессе исследований фиксировался также прирост биопленки. При гидравлических
нагрузках 15-20 м3/(м3-сут) обрастание поверхности асбестоцементной загрузки
биопленкой происходило за две недели; п(ри этом эффект очистки через 2-3 недели
достигал 90-95%. Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о том, что
в районах 'С теплыми климатическими условиями биофильтры с плоскостной загрузкой
можно сооружать открытыми, что даст значительный экономический эффект. При этом
полная биологическая очистка достигается при органической нагрузке по БПК 5 ДО 1,7
кг/(м\3-сут), а в расчете на 1 м2 удельной площади поверхности загрузочного материала до 30 г БПК5 в сутки.
Для изучения возможности применения асбестоцементнььх гофрированных листов в
качестве
загрузки
биофильтров
для
очистки
высококонцентрированных
производственных сточных вод были проведены исследования на сточных водах
биохимического завода. Для этой цели был сооружен полупроизводственный биофильтр с
загрузкой из асбестоцементных волнистых листов марки ВУ. Размер установки в плане
составлял 1 X 1 м, общая высота загрузки равнялась 4 м, расстояние между отдельными
асбестоцементными волнистыми листами в блоке составляло 35 мм. Распределение
сточной воды по поверхности биофильтра осуществлялось
Реактивным оросителем (рис. 21). Удельная площадь
поверхности загрузки из абестовоцементных листов составляла
56 м2/м3 и практически была равна удельной площади
поверхности гравийной загрузки (крупностью 60-70 мм)
аэрофильтра,
что
позволяло
сравнивать
работу
полупроизводственной установки с работой аэрофильтров,
установленных на очистных сооружениях биохимического
завода и имеющих высоту загрузки также 4 м.
Рис.
21.
Полупроизводственный
биофильтр
с
асбестовоцементной загрузкой для очистки производственных
сточных вод: 1 - корпус; 2 - реактивный ороситель; 3 - блоки
из асбестоцемента; 4 - поддерживающая решетка; 5 вентиляционные окна; 6 - фундамент
Смесь производственных и бытовых сточных вод,
поступающая в приемную камеру очистных сооружений,
41
имела следующие показатели: БПК5 820-1500 мг/л; взвешенные вещества 120-140 мг/л;
рН= 5,5?6,2; температура 26-37оС. Сточные воды подавались непосредственно на
полупроизводственную установку, минуя отстойник, причем заиления биофильтра не
наблюдалось. Толщина биопленки составляла 1-1,5мм в верхней части установки и 3-4мм
в нижней части. Полупроизводственный биофильтр работал в различных режимах,
гидравлическая нагрузка изменялась от 11,2 до 35 м3/(м2·сут). Нагрузка по органическим
веществам ( по БПК5) изменялась от 1 до 12 кг/( м3·сут).
Как показали наблюдения за микроорганизмами биопленки, изменение гидравлической
нагрузки в исследованных пределах существенно не влияет на микрофлору биопленки.
При нагрузках более 32 м3/(м2·сут) в биопленке наряду с умньшением числа крупных и
появлением мелких форм реснитчатых отмечено уменьшение количества коловраток и
червей. При изменении нагрузки по органическим веществам от 4 до 12 кг/( м 3·сут) состав
миклофлоры биопленки несколько изменился. При высоких нагрузках по органическим
веществам [8-12 кг/( м3·сут)] в миклофлоре биопленки преобладали дрожжи, дрожжевые и
плесневые грибки, водные грибы, мелкие реснитчатые и амебы. При нагрузках по
органическим веществам до 6 кг/( м3·сут) дрожи, дрожжевые и плесневые грибки
встречались в меньших количествах или совсем отсутствовали, но бактерий и простейших
становились больше и состав их разнообразней. Биопленка полупроизводственной
установки имела черную окраску, что обусловлено, видимо, наличием в сточных водах
гидролизных производств лигнино - гуминовых веществ.
Зависимость окислительной мощности по снятой БПК полупроизводственной установки
биофильтра с плоскостной загрузкой и эффекта очистки сточной воды от нагрузки по
органическим загрязнениям представлена в таб. 14, где для сравнения [за чертой при
нагрузках до 2 кг/( м3·сут)] приведены усредненные данные 5-летних наблюдений за
работой аэрофильтров с гравийной загрузкой очистных сооружений биохимического
завода.
Таблица 14. Зависимость окислительной мощности и эффекта очистки сточной
жидкости от нагрузки по органическим загрязнениям для биофильтров с плоскостной и
гравийной загрузкой
Проведенные исследования позволили сделать вывод, что биологическую очистку
высококонцентрированных сточных вод следует вести в две ступени. При реконструкции
и расширении очистных сооружений биофильтры первой ступени следует загружать
42
асбестоцементными или пластмассовыми листами, а в качестве второй ступени
использовать существующие аэрофильтры с щебеночной загрузкой.
Более двух лет продолжались полупроизводственные исследования по очистке бытовых
сточных вод на комбинированной установке биотенк - биофильтр (БТБ).
Биотенк, конструкция которого разработана на кафедре канализации МИСИ им. В.В.
Куйбышева (рис. 22), представляет собой сооружение, имеющее признаки биофильтра и
аэротенка. Он состоит из корпуса и расположенных внутри его друг над другом в
шахматном порядке гофрированных элементов, имеющих отверстия ,в верхней выпуклой
части. Обрабатываемая сточная вода поступает в верхнюю часть биотенка и, наполнив
расположенные выше элементы, стекает вниз. Наружные части элементов омываются
сточной водой, благодаря чему на них образуется биопленка. В самих элементах
образуется биомасса, напоминающая по своей структуре активный ил. Перемешивание
этой массы и насыщение ее кислородом происходит вследствие движения
обрабатываемой сточной воды.
Рис. 22. Принципиальная схема биотенка: 1 - корпус; 2 - элементы загрузки
Полупроизводственная установка биотенка имела высоту рабочего слоя загрузки 3,8 м и
поперечное сечение 0,5x0,5 м, а общий рабочий объем составлял 0,95 м3. В корпусе
биотенка были установлены винипластовые кассеты (рис. 23, 1), состоящие из четырех
или пяти элементов, выполненных в виде полуцилиндра с наружным диаметром 80 мм и
длиной 500 мм. Торцовыми сторонами элементы приваривались к винипластавым
полосам с отогнутыми в сторону корпуса биотенка концами, которые опирались на
стальные полосы, приваренные к внутренней части корпуса. Кассеты устанавливались так,
чтобы элементы располагались в шахматном порядке. Такое расположение обеспечивало
поступление обрабатываемой сточной воды из расположенных выше элементов в
расположенные ниже.
43
Рис. 23. Элементы загрузки биотенка: 1 - стальные полосы; 2 - кассеты; 3 элементы кассеты
На наружной поверхности элементов образовалась биопленка, которая дополнительно
перерабатывала органические загрязнения. Общая удельная площадь поверхности для
образования биопленки в установке составляла 18 м2/м3. Всего в биотенке
устанавливалось 65 кассет; вместимость каждого элемента составляла около 0,93 л. Таким
образом, объем воды в кассетах достигал 0,272 м3, а объем, занимаемый материалом
загрузки, - 0,064 м3. Следовательно, объем воды в кассетах составлял 28,6% общего
рабочего объема биотенка, а объем газовой фазы - 64,6%.
Исследования состояли: из четырех серий опытов. В первой серии опытов изучали
эффективность очистки сточных вод только в биотенке, состоящем из 65 кассет. Расход
сточных вод составлял 10,5 м3/сут. Во второй серии опытов из нижней части биотенка
были вынуты 33 кассеты и вставлены пластмассовые элементы из поливинилхлорида
(см.рис. 23,2). Каждый элемент состоял из горизонтальной пластины размером 500 X 500
мм, на которой имелось 90 отверстий диаметром 40 мм, и решетки с высотой ребер 45 мм
и размером ячеек 50X50 мм. Удельная площадь поверхности этого загрузочного
материала 60 м2/м3, пористость 85%, плотность 180 кг/м3. Исследования проводили при
расходе сточной воды 10 м3/сут.
В третьей серии опытов в верхней половине БТБ вместо кассет были установлены
гофрированные в двух направлениях полиэтиленовые элементы с отверстиями в верхней
части (см. рис. 23,3). Размер одного гофрированного элемента 500 X 500 мм, высота 60
мм, масса 0,5 кг. Вместимость каждого элемента 3 л. Удельная площадь поверхности для
образования биопленки 30 м2/м3. Всего в БТБ были установлены 29 гофрированных
элементов и 31 решетка. Суммарный объем жидкости в установке составил 90 л. Расход
сточных вод в третьей серии опытов был увеличен до 14 м3/сут. Несмотря на увеличение
нагрузки эффект снижения загрязнений был даже несколько выше, чем в двух первых
сериях опытов (табл. 15 и 16). Это, по-видимому, объясняется лучшими гидравлическими
условиями и большей площадью поверхности для образования биопленки в верхней части
БТБ.
44
Таблица 15. Результаты очистки бытовых сточных вод на биотенке и на биотенкебиофильтре (БТБ)
Таблица 16. Технологические показатели работы биотенка и биотенка-биофильтра при
очистке бытовых сточных вод
В четвертой серии опытов производили промежуточный анализ сточных вод после
обработки в верхней части БТБ (т. е. в биотенке). Исследования проводили, как и в
третьей серии, при расходе сточных вод 14 м3/сут. При оценке производительности
биотенка было получено, что в перерасчете на объем воды, находящейся в гофрированных
элементах, окислительная мощность по снятой БПКполн достигала 10 кг/(м3-сут). В трех
(последних сериях опытов в БТБ биофильтр играл роль II ступени биологической очистки
и, как видно из результатов четвертой серии опытов, снижал концетрацию загрязнений
после биотенка в среднем на 40%. При этом окислительная мощность 1 м2 площади
поверхности загрузочного материала по снятой БПКполн составляла 12 г/сут.
Технологические показатели работы биотенка, биофильтра и БТБ в целом, приведенные в
табл. 16, свидетельствуют о высокой производительности этой компактной установки.
Таким образом, проведенные исследования показали, что биофильтры с жесткими
пластмассовыми загрузками выдерживают высокие нагрузки по органическим
загрязнениям до 2-2,5 кг БПК5 на 1 м3 полезного объема биофильтра в сутки, обеспечивая.
При этом эффективную очистку сточных вод.
На основании полупроизводственных исследований был запроектирован и построен
комплекс очистных сооружений на расход 4000 м3/сут (рис. 24). Осветленные сточные
45
воды из насосной станции подаются в здание, где расположены два биофильтра
диаметром 6 м; сточная вода распределяется реактивными оросителями. Один биофильтр
загружен гофрированной асбестоцементной загрузкой с высотой слоя 4 м; удельная
площадь поверхности загрузки 56 м2/м3, плотность 250 кг/м3, пористость 88%; объем
загрузки 110 м3. Второй биофильтр загружен пластмассовыми блоками в семь слоев,
общей высотой 4,2 м. Нижние четыре слоя выполнены из чередующихся плоских и
гофрированных полиэтиленовых листов, собранных в блоки с помощью стальных
штырей. Удельная площадь поверхности загрузки 255 м2/м3, плотность 123 кг/м3,
пористость 87%. Верхние три слоя выполнены из гофрированных листов, соединенных в
блоки с помощью точечной сварки. Удельная площадь поверхности 144 м2/м3, плотность
69 кг/м3, пористость 93%. В среднем активная удельная площадь поверхности в
биофильтре составляет 170 м2/м3 (с учетом 20% потерь за счет стыков), плотность - 100
кг/м3, пористость - 90%, объем загрузки - 115м8.
Рис. 24. Схема очистных сооружений с биофильтрами, загружаемыми жесткой блочной
загрузкой: 1 - трубопровод для подачи неочищенных сточных вод; 2 - приемный
резервуар; 3 - песколовки; 4 - двухъярусные отстойники; 5 - насосная станция; 6 и 7 биофильтры соответственно с пластмассовой и асбестоцементной загрузкой; 8 вторичные вертикальные отстойники; 9 - хлораторная; 10 - смеситель; 11 контактные резервуары; 12 - трубопровод для выпуска очищенных сточных вод; 13 пескопровод; 14 - песковые площадки: 15 - трубопровод для выпуска осадка из
двухъярусных отстойников; 16 - иловые площадки; 17 - трубопровод для выпуска
избыточной биопленки; 18 - то же, осадка из контактных резервуаров
Биофильтр с асбестоцементной загрузкой (рис. 25) был введен в эксплуатацию в 1970 г.,
на него поступало 1500 м3 сточных вод в сутки при гидравлической нагрузке 13,5 м3/(м3сут). Биофильтр с полиэтиленовой загрузкой (рис. 26) был введен в эксплуатацию в 1971
г., на него поступало 2500 м3 сточных вод в "сутки при гидравлической нагрузке 21,8
м3/(м3-сут). Результаты, полученные при эксплуатации этих биофильтров (табл. 17),
свидетельствуют о высокой производительности и эффективности их работы. Так, на
биофильтре с пластмассовой загрузкой была достигнута окислительная мощность по
снятой БПКполн 3 кг/(м3-сут) при нагрузке по БПКполн 3,5 кг/(м3-сут), а на биофильтре с
асбестоцементной загрузкой окислительная мощность по снятой БПКполн составила 1,8
кг/(м3-сут). Следует отметить, что биофильтр с асбестоцементной загрузкой не
обеспечивал полной биологической очистки, поскольку работал со значительной
перегрузкой; нагрузка по БПКполн на 1 м2 площади поверхности загрузочного материала
достигала 40 г/сут, что в 2 раза превышало нагрузку на биофильтре с пластмассовой
загрузкой.
46
Таблица 17. Результаты очистки бытовых сточных вод на производственных биофильтрах
с асбестоцементной и пластмассовой загрузкой
Рис. 25. Биофильтр с асбестоцементной загрузкой
Рис. 26. Биофильтр с пластмассовой загрузкой
На основании исследований авторами было разработано несколько видов загрузочных
материалов для биофильтров, в том числе засыпные элементы и жесткие ячеистые
элементы, из которых собираются пространственные блоки различных конфигураций в
плане (рис. 27).
47
Рис. 27. Засыпной элемент (а) и пространственный пластмассовый блок (б)
2. Биофильтры с мягкой загрузкой
Исследования по очистке бытовых сточных вод проводились на полупроизводственной
установке биофильтра со следующими конструктивными размерами: внутренний диаметр
0,8 м, высота слоя загрузки 3,5 м. Сточная вода по поверхности биофильтра
распределялась реактивным оросителем. Объем загрузочного материала в установке
составлял 1,76 м3.
Пластмассовая загрузка представляла собой ряд вертикальных полотен из гофрированной
и перфорированной поливинилхлоридной пленки, подвешенных на стальной решетке с
расстоянием между ними 40 мм (рис. 28). Толщина пленки 0,4 мм, высота гофра 2,5 мм,
диаметр отверстий 2,8 мм. Общая площадь отверстий занимала 60% всей поверхности
пленки. В нижней части биофильтра полотна были укреплены с поворотом, на 30° в плане
для образования винтовой поверхности, чем предотвращалась возможность "проскока"
неочищенной сточной воды. Плотность загрузочного материала из винипластовой пленки
составляла 6 кг/м3, при этом пористость загрузки превышала 99%, а удельная площадь
поверхности составляла 40 м2/м3.
Рис. 28. Биофильтр с загрузкой из поливинилхлоридной гофрированной и перфорированной
пленки
Исследования проводили на бытовых сточных водах при гидравлических нагрузках 4, 10
и 16 м3(м3-сут). Результаты исследований и технологические показатели работы этого
биофильтра приведены в табл. 18 и 19.
48
Таблица 18. Результаты очистки бытовых сточных вод на полупроизводственной
установке биофильтра с мягкой пластмассовой загрузкой
Таблица 19. Технологические показатели работы полупроизводственной установки
биофильтра с мягкой пластмассовой загрузкой при очистке бытовых сточных вод
Поскольку бытовая сточная вода была слабоконцентрированной (БПКполн не превышало
150 мг/л), одновременно были проведены лабораторные исследования биофильтра с
загрузкой из винипластовой пленки на бытовых сточных водах с добавлением этилацетата
в качестве дополнительного органического загрязнителя.
Лабораторная модель биофильтра имела высоту слоя загрузки 1,6 м. Гидравлическая
нагрузка в период исследований составляла 3 м3/(м3-сут). При добавлении этилацетата
концентрация загрязнений поступающих вод повысилась, в результате чего БПК полн
достигла 350 мг/л, а ХПК - 520 мг/л. Снижение БПКполн составило в среднем 92%, а ХПК 90%. Абсолютные величины БПКполн и ХПК в очищенных сточных водах были
соответственно 26 и 54 мг/л, а окислительная мощность по снятой БПК полн составила 0,97
кг/(м3-сут) при нагрузке 1,05 кг/(м3-сут). Этил ацетат в очищенных водах обнаружен не
был. Эти исследования показали, что биофильтр с загрузкой из винипластовой пленки
эффективен для очистки концентрированных сточных вод. На рис. 29 показана
зависимость снижения органических загрязнений от нагрузки по БПК5.
49
Рис. 29. Зависимость снижения БПКsub5/sub от органической нагрузки при очистке
бытовых сточных вод на биофильтре с мягкой пластмассовой загрузкой
В процессе исследований систематически осуществлялся микробиологический контроль и
определялся прирост биомассы по высоте установки. В начальный период винипластовая
пленка равномерно обрастала биопленкой, перекрывающей отверстия перфорации. При
первые наблюдениях встречались в основном жгутиковые и только единичные виды
ресничных инфузорий. При дальнейших осмотрах число жгутиковых уменьшилось, а
число инфузорий и коловраток увеличилось, соответственно наблюдалось и повышение
активности простейших.
Прирост биопленки фиксировался путем среза винипластовой пленки с глубины 0,7 и 2,7
м. Наблюдения показали, что в нижней части биофильтра количество биомассы в 1,5 раза
больше, чем в верхней. Отмечено также, что при увеличении гидравлической нагрузки от
4 до 10 м3/(м3-сут) масса биопленки возрастает вверху биофильтра с 48 до 153 г/м2, а
внизу с 77 до 250 г/м2. При переходе на гидравлическую нагрузку 16 м3/(м3-сут)
концентрация биомассы понизилась в верхней и нижней частях биофильтра
соответственно до 80 и 160 г/м2. Очевидно, это нашло отражение и в снижении эффекта
очистки сточных вод при высокой нагрузке по органическим загрязнениям.
Таким образом, в результате исследований по очистке сточных вод на биофильтре с
мягкой плоскостной загрузкой из винипластовой пленки была установлена высокая
окислительная мощность, равная 1 кг по БПКполн на 1 м3 загрузки в сутки при нагрузке по
БПКполн до 1,3 кг/(м3-сут). Производительность 1 м2 площади поверхности загрузочного
материала оказалась выше, чем при применении любой из жестких загрузок, и достигала
по БПК5 29-35 г/(м2-сут).
Исследования по очистке бытовых сточных вод на биофильтре с загрузкой из тонкой и
гладкой полиэтиленовой пленки проводили на очистных сооружениях г.
Орджоникидзеабада. Установка имела размеры в плане 1,4 Х 1,4 м, высота
полиэтиленовой пленки равнялась 3 м, а ее толщина - 0,2 мм; расстояние между
полотнищами пленки 20 мм. Удельная площадь поверхности загрузки 100 м 2/м3;
пористость 99%; плотность 10 кг/м3. На установку подавали в сутки 90-100 м3 сточных
вод с начальной БПК5 90-120 Мг/л. Через месяц после пуска установки эффект снижения
органических загрязнений достигал 90-95 %.
При очистке высококонцентрированных стоков гидролизного завода в качестве загрузки
применялась гладкая полиэтиленовая Пленка толщиной 0,5 мм. Конструктивные размеры
установки аналогичны приведенным на рис. 21. Загрузка собиралась из отдельных
полотнищ пленки, которые подвешивались на расстоянии 20 мм друг от друга к стержням
в верхней части установки. Удельная поверхность загрузки 100 м2/м3; пористость 97,5%;
плотность 24 кг/м3. На установку подавалось 30-36 м3 сточных вод в сутки при начальной
БПК5 130-1400 мг/л. Величина БПК5 в обработанных сточных вода" была 20-700 мг/л.
50
Рис. 30. Зависимость снижения БПК5 (а) и окислительной мощности загрузочного
материала (б) от органической нагрузки при очистке производственных сточных вод
1 - гравийная загрузка; 2 - асбестоцементные блоки; 3 - полиэтиленовая пленка
На рис. 30 приведена зависимость снижения БПК5 и окислительной мощности
биофильтров с различными видами загрузочных материалов от нагрузки по БПК5.
Опыты по наращиванию биопленки на тканевых материалах (нейлоне, капроне) показали
возможность применения этих материалов в качестве загрузочного материала для
биофильтров. Такой загрузочный материал имеет чрезвычайно высокую пористость
(более 99%) и незначительную плотность (до 6-10 кг/м3).
На основании исследований разработаны каркасные блоки с использованием тканевых и
сеточных материалов.
3. Погружные биофильтры
Большой интерес, проявляемый к погружным биофильтрам за рубежом, свидетельствует о
перспективности их применения, особенно для очистки небольших объемов сточных вод до 200-500 м3/сут, т. е. в тех случаях, когда коэффициент неравномерности поступления
сточных вод велик. Следует отметить, что сведения различных исследователей
разноречивы: широк диапазон рекомендуемых нагрузок по органическим загрязнениям
(от 7 до 100 г по БПК на 1 м2 поверхности в сутки) и данные об эффекте очистки.
Эти обстоятельства и послужили основанием для проведения исследований по очистке
сточных вод на погружных биофильтрах, которые были начаты на кафедре канализации
МИСИ им. В. В. Куйбышева в 1971 г.
Экспериментальная установка (рис. 31) состояла из резервуара, имеющего вид
полуцилиндра длиной 2 м, шириной поверху 0,9 м и высотой 0,57 м. Резервуар был
разделен перегородкой на две равные секции, перегородка "мела 30 отверстии диаметром
38 мм Вдоль оси корпуса проходил горизонтальный вал диаметром 38 мм, который
приводился во вращение электродвигателем АОЛ-011-4 мощностью 50 Вт и частотой
вращения 1390 мин. С помощью редуктора и клиновидной передачи достигалось
уменьшение частоты вращения вала до 6 мин-1. На вал были насажены 82 пластмассовых
диска диаметром 0,85 м, изготовленных из листов вспененного полиэтилена толщиной 7
51
мм, плотностью 420 кг/м; расстояние между дисками составляло 15 мм, а зазор между
дисками и корпусом 25 мм. Высота заполнения резервуара сточной водой в установке
составляла 0,4 м, а общий объем воды -0,35 м3. Площадь одного диска с обеих сторон 1,1
м2, а общая площадь поверхности дисков 92 м2.
Рис. 31. Схема экспериментального погружного биофильтра: 1 - резервуар; 2 перегородка с отверстиями; 3 - горизонтальный вал; 4 - распределительный бачок; 5 редуктор; 6 - электродвигатель; 7 - пластмассовые диски; 8 - патрубок для опорожнения
установки; 9 - выпускной карман; 10 - пробоотборник; 11 - патрубок для выпуска
очищенных сточных вод
Для определения прироста биопленки и для микробиологических обследований на
четырех дисках были вырезаны съемные полоски шириной 40 мм и длиной 250 мм.
Сточная вода после механической очистки поступала в распределительный бачок, а затем
на установку. Обработанная вода попадала в выпускной карман, оттуда в пробоотборник,
который позволяет отбирать среднесуточные пробы, и выходила через патрубок для
выпуска очищенных сточных вод. Для опорожнения установки предусмотрен другой
патрубок.
На первом этапе исследований определяли окислительную способность установки за счет
аэрации, наблюдавшейся при вращении Дисков, по широко распространенной в
настоящее время методике, в основе которой лежит химическое окисление сульфитов в.
сульфаты. При проведении опытов резервуар заполняли водопроводной водой.
Растворенный в воде кислород удалялся путем введения в воду сульфита натрия с
хлоридом кобальта, служившего катализатором. Через 0,5, 1 и 2 ч ,с момента начала
вращения дисков отбирали пробы воды из каждой секции и определяли содержание
сульфитионов. По изменению их концентрации можно было судить о (количестве
кислорода, перешедшего из воздуха в воду, что и дало возможность определить
окислительную мощность установки (как по объему, так и в пересчете на единицу
площади поверхности дисков), которую может обеспечить чисто механическое вращение
дисков без учета биохимического окисления органических загрязнений биопленкой (табл.
20).
52
Таблица 20. Окислительная мощность погружного биофильтра
Как видно из табл. 20, окислительная мощность установки весьма высока и позволяет
рекомендовать
эти
биофильтры
для
очистки
небольших
количеств
высококонцентрированных сточных вод от промышленных предприятий и объектов
сельского хозяйства.
В республиканском проектно-конструкторском бюро Министерства пищевой
промышленности БССР (РЛКБ МПП) инж. Ф. Н. Юшкевич исследовал возможность
очистки сточных вод крахмального производства на полупроизводственных установках
одноступенчатых погружных (дисковом и барабанном) биофильтрах. Диаметр
полиэтиленовых дисков 0,3 м; их число 100 шт.; диаметр сетчатого барабана,
заполненного волокнистым материалом (отходом производства синтетического волокна),
0,4 м; частота вращения обеих установок 5 мин-1. Состав сточных вод, подаваемых на
установки, был следующий: БПКполн - 600-1870 мг/л; ХПК -900- 2000 мг/л; рН = 7,5^-8,5;
температура 14-21°С. Продолжительность пребывания обрабатываемых сточных вод в
резервуаре составляла 1 -10 ч. Эффект снижения органических загрязнений при
продолжительности контакта 1 ч составлял 35-45 %; 3 ч - 60- 65%; 10 ч - 75-80%.
Барабанный биофильтр при продолжительности контакта 4 ч и менее работал на 5-10%
эффективнее дискового, при более длительном времени контакта эффект был практически
одинаков. Содержание растворенного кислорода в обработанных сточных водах в
зависимости от продолжительности контакта составляло 2,5-7 мг/л. Исследования
(позволили сделать вывод о целесообразности применения погружных биофильтров в
качестве I ступени биологической очистки сточных вод крахмальных и других
предприятий пищевой промышленности; при этом продолжительность контакта должна
быть около 2 ч (эффект снижения органических загрязнений в этом случае - 50%).
Возможно применение для этой цели и многоступенчатых погружных биофильтров.
Сравнительная оценка работы биофильтров различных типов доказывает значительно
большую производительность и эффективность биофильтров с плоскостной загрузкой.
Если окислительная мощность капельного биофильтра составляет 0,15- 0,25 кг/(м3-сут), а
высоконагружаемых - 0,6-0,7 кг/(м3-сут), то окислительная мощность биофильтра с
плоскостной загрузкой может быть доведена до 1,9 кг/(м3-сут).
Эффективность биофильтров с плоскостной загрузкой можно сравнить с эффективностью
башенных биофильтров. Та(к, если допустимая нагрузка на башенные биофильтры при
температуре поступающей сточной воды 13°С и БПК20 очищенных сточных вод 20-30
мг/л составляет по БПК2о 1,3-1,7 кг/(м3-сут), то биофильтр с плоскостной загрузкой при
соблюдении заданных условий может выдержать напружу по БПКполн более 2 кг/(м3-сут).
На рис. 32 приведены данные лабораторных и полупроизводственных испытаний по
снижению БПК5, полученные в МИСИ им. В. В. Куйбышева, а также систематизированы
многочисленные данные зарубежных исследований по очистке бытовых и различных
производственные -стачных вод (целлюлозно-бумажных и спиртовых заводов,
53
химических комбинатов, предприятий легкой и пищевой промышленности и т. д.). Эти
данные свидетельствуют о способности биологических фильтров с пластмассовой
загрузкой перерабатывать большие количества органических веществ, содержащихся в
стачных водах, и при этом получать довольно стабильные результаты. Так, по данным
американской практики при очистке сточных под фабрик по замораживанию продуктов, а
также целлюлозно-бумажного завода в диапазоне нагрузок по БПК от 3 до 14 >кг/(м3-сут),
снижение БПК составляет в среднем 53%, т. е. окислительная мощность по снятой БПК
достигает 7 1кг/(м3-(сут).
Рис. 32. Зависимость снижения БПК5 от органической нагрузки: 1 - суммарная кривая
лабораторных, полупроизводственных и производственных испытаний, проведенных в
МИСИ; 2 - результирующая кривая зарубежных данных по очистке производственных
сточных вод
Таким образом, проведенные исследования показали, что биофильтры с плоскостной
загрузкой могут работать со значительно большими нагрузками (по загрязнениям) по
сравнению с нагрузками и обычных фильтрах. В чем же заключаются причины столь
высокой производительности биофильтров с плоскостной загрузкой? Производительность
биофильтра должна быть пропорциональна количеству образованной в теле биофильтра
биопленки, которая соответственно будет больше при увеличении площади поверхности
загрузочного
материала
на
единицу
объема
сооружения.
Следовательно,
производительность биофильтра должна находиться в прямой зависимости от площади
поверхности материала загрузки. Однако простые расчеты показывают, что эти
предположения в действительности не оправдываются.
Средняя крупность фракций загрузочного материала капельных, высоканагружаемых и
башенных биофильтров соответственно равна 25, 50 и 65 мм, а удельная площадь
поверхности такой загрузки составляет 125, 65 и 50 м2/м3. В то же время суточная
нагрузка по органическим загрязнениям, при которой обеспечивается полная
биологическая очистка, составляет для биофильтров капельных 0,2, высоконагружаемых
0,65 и башенных 1,2 кг/(м3-сут) по БПК5.
Если указанные выше нагрузки то загрязнениям отнести к 1 м2 площади поверхности загрузки, то они составят по БПК соответственно 1,6; 10 и 24 г/(м2-сут). Следовательно, с
увеличением площади поверхности биофильтров производительность их не
увеличивается, а, наоборот, уменьшается. Так, нагрузка на 1 м2 площади поверхности
нагрузки в башенном биофильтре в 15 раз больше, чем в капельном, и в 2,4 раза больше,
чем в высоконагружаемом. Совершенно очевидно, что большую роль играет высота
биофильтра, но преимущественную роль в увеличении эффективности работы
высоконагружаемых биофильтров играют величина пор между зернами загрузки и
связанные с этим условия аэрации. Поверхность загрузки может обрасти одинаковым
54
количеством биологической пленки, независимо от того, находится ли она в капельном
или в башенном биофильтре. Разница в эффективности их работы зависит от внешних
условий - от скорости поступления к биопленке такого количества кислорода, которое
необходимо для интенсификации процессов биохимического разрушения органических
веществ и построения нового клеточного материала.
Обеспечив равномерную подачу кислорода воздуха к биопленке по всей высоте
биофильтра, можно интенсифицировать аэробный распад органических загрязнений и
увеличить производительность биофильтра. Поэтому для увеличения производительности
высоконагружаемых биофильтров и применяется искусственная подача воздуха.
В башенных биофильтрах искусственную вентиляцию устраивать нецелесообразно, что
подтверждается исследованиями канд. техн. наук Д. Ф, Харитонова (АКХ им. К. Д.
Памфилова). Проведенные им опыты по искусственной подаче воздуха в тело биофильтра
позволяют сделать вывод о том, что производительность биофильтра увеличивается
незначительно. При этом надо иметь в виду, что суммарные местные сопротивления
между зернами загрузки по пути движения воздуха в теле биофильтра весьма различны.
Если принять число пор в биофильтре равным числу фракций и (пористость биофильтров
42-59% (в среднем 50%), получим, что объем одной поры в капельном биофильтре
составляет 7,5 см3, а в башенном-132 см3. Следовательно, наиболее неблагоприятные
условия аэрации возникают в (капельном биофильтре. Заиливание таких биофильтров при
повышенных нагрузках препятствует дополнительному прониканию кислорода воздуха в
тело биофильтра. Экспериментальные и эксплуатационные данные (подтверждают, что
подобные условия работы не дают возможности увеличить гидравлическую нагрузку
свыше 1,2-1,5 м3/(м3-сут).
Условия работы высоконагружаемого биофильтра несколько лучше. Более крупные поры
способствуют лучшему притоку кислорода воздуха в тело биофильтра. При
искусственной (вентиляции происходит дополнительное насыщение (кислородом
рабочего объема, что позволяет поднять производительность биофильтра.
Наиболее (благоприятные условия для нормального хода аэробных биохимических
процессов создаются в башенном биофильтре, где, как указывалось выше, не требуется
искусственной подачи воздуха.
Как же воздух поступает в тело биофильтра при естественной аэрации? Существует
мнение, что воздух в тело (биофильтра поступает лишь вследствие разности температур
внутри биофильтра и вне его. Вполне естественно, что разность температур ускоряет
воздухообмен, но, по-видимому, здесь наблюдаются и диффузионные процессы. При
биологической очистке сточных вод (микроорганизмы биопленки потребляют из воздуха
кислород, а в воздух выделяют продукты реакции - углекислый газ, сероводород, метан и
аммиак (рис. 33). Следовательно, в порах биофильтров парциальное давление кислорода
должно (резко падать, а давление углекислого газа возрастать. Условия равновесия внутри
биофильтра и вне его создают диффузионные потоки кислорода внутрь биофильтра, а
углекислого газа наружу. Наличие же загрузки, покрытой биологической пленкой,
препятствует этой диффузии. При достаточно большом сопротивлении может наступить
момент, когда потребление кислорода биопленкой прекратится, так как его парциальное
давление в воздушном пространстве поры достигнет минимальной величины. В этом
случае в теле биофильтров могут начаться процессы гниения. Опасность такого явления в
наибольшей сьепени возникает в капельных биофильтрах.
55
Рис. 33. Схема обмена веществ в элементарном слое биофильтра: 1 - материал загрузки;
2 - анаэробная зона биопленки; 3 - аэробная зона биопленки; 4 - сточная жидкость; 5 газовая фаза
Из сказанного следует, что ,во всех биофильтрах с объемной загрузкой (гравием, щебнем,
керамзитом, коксом или шлако1м) наблюдается обратно пропорциональная зависимость
между их производительностью и площадью поверхности загрузочного материала, т. е.
увеличение рабочей (площади (поверхности биофильтра неизбежно приводит к
ухудшению условий аэрации.
Конструктивно совместить благоприятные условия аэрации и значительную площадь
поверхности загрузки можно в биофильтрах с плоскостной загрузкой, где при пористости
95% может быть удельная площадь поверхности загрузки, равная 100-130 м2/м3. Эти два
обстоятельства и, кроме того, хорошие гидродинамические условия движения жидкости в
теле биофильтра и являются причиной высокой производительности биофильтров с
плоскостной загрузкой.
Для предварительной и быстрой оценки производительности различных конструкций
загрузочных материалов можно воспользоваться способом определения их окислительной
мощности химическим путем с использованием чистой водопроводной воды при
небольшом начальном содержании кислорода.
Анализируя отечественные и зарубежные исследования и опыт эксплуатации, можно с
уверенностью сказать, что биофильтры с плоскостной загрузкой (пластмассовой,
асбестоцементной, тканевой, металлической, керамической и др.) успешно конкурируют с
аэротенками как по окислительной мощности, так и по эффективности работы, не говоря
уже о компактности и эксплуатационных преимуществах. На таких биофильтрах с
высоким эффектом могут очищаться сточные воды химической, нефтехимической,
целлюлозно-бумажной, легкой, пищевой, текстильной, фармацевтической и других
отраслей промышленности.
Наибольший экономический эффект наблюдается при применении биофильтров с
плоскостной загрузкой для неполной биологической очистки в качестве I ступени
двухступенчатой биологической очистки, а также при очистке сточных вод небольших
городов, поселков, промышленных предприятий, сельскохозяйственных объектов,
санаторно-курортных комплексов, лагерей и отдельно стоящих зданий. Плоскостная
загрузка найдет широкое применение при реконструкции и расширении станций
биофильтрации.
56
Индустриальность изготовления блочной пластмассовой загрузки и ее экономическая
перспективность позволяют ставить вопрос о заводском изготовлении биофильтров
пропускной способностью до 100-200 м3/сут и унифицированных загрузочных секций, из
которых можно собирать биофильтры любой пропускной способности. Внедрение таких
биофильтров значительно ускорит строительство и ввод в эксплуатацию станций
биофильтрации.
III. Проектирование биофильтров
Опыт проектирования и эксплуатации биологических фильтров свидетельствует о том,
что их целесообразно применять в качестве биологических окислителей при расходах
сточных вод от 12 до
50 000 м3/сут. По данным ЦНИИЭП инженерного оборудования, число объектов с таким
диапазоном расходов в СССР превышает 200 тыс.
На основании последних исследований, проведенных в МИСИ им. В. В. Куйбышева,
ВНИИ ВОДГЕО, ЛИСИ, АКХ им. К. Д.Памфилова, ЦНИИЭП инженерного оборудования
и в других организациях, разработаны требования к проектированию, расчету и.
строительству биофильтров с объемной и плоскостной загрузкой, предназначенных для
очистки бытовых и производственных сточных вод, а также их смесей.
1. Общие требования к проектированию станций биофильтрации
Производственные сточные воды и смесь их с бытовыми водами при искусственной
биологической очистке в любое время суток должны иметь:
концентрацию водородных ионов (рН) не ниже 6,5 и не выше 8,5;
температуру не ниже 6°С и не выше 30оС;
общую концентрацию растворенных солей не более 10 000 мг/л;
БПК20 не выше 300 мг/л при обычной (биологической очистке и до 1000 ,мг/л при
двухступенчатой очистке с рециркуляцией;
содержание вредных веществ, не более указанного в табл. 21;
содержание биогенных элементов не менее 5 мг/л в пересчете на азот и 1 мг/л в пересчете
на фосфор на каждые 100 мг/л БПК20 Точных вод.
57
Таблица.21. БПК и ХПК отдельных веществ и предельно допустимые концентрации их в
сточных водах, поступающих на биофильтры
В случае несоответствия сточных вод указанным требованиям вводить их в городскую
канализацию можно только после соответствующей обработки на территории
промышленных предприятий.
При проектировании очистных сооружений расчетные расходы бытовых и
производственных сточных вод следует определять по суммарному расходу притока как
при подаче их насосами, так и при самотечном поступлении.
Концентрация загрязнений бытовых сточных вод по
подсчитывается в соответствии с табл. 26 СНиП II-32-74.
различным
ингредиентам
При определении необходимой степени очистки сточных вод, сбрасываемых в водоемы,
следует руководствоваться "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения
сточными водами".
Площадку для строительства очистных сооружений следует выбирать в увязке с проектом
планировки и застройки канализуемых объектов, а также с учетом наивыгоднейших
решений по устройству внешних коммуникаций очистной станции. Площадку следует
располагать, как правило, с подветренной стороны для господствующих ветров теплого
периода года по отношению к жилой застройке и ниже города по течению реки.
Строительная площадка по возможности должна иметь уклон, обеспечивающий
самотечное движение сточной воды по сооружением и отвод поверхностных вод. Как
правило, площадку надлежит выбирать на территории, незатапливаемой паводковыми
водами, с низким уровнем стояния грунтовых вод.
Площадка под очистные сооружения биофильтрации при наличии иловых площадок для
сброженных осадков отделяется от границ застройки санитарно-защитными зонами
(разрывами), ширина которых исчисляется от границ жилой зоны, границ участков
общественных зданий и предприятий пищевой промышленности до границ территории
очистных сооружений с учетом их перспективного расширения. Ширина санитарнозащитных зон (разрывов) при расчетной пропускной способности станций биофильтрации
до 200, от 200 до 5000, от 5000 до 50 000 и более 50 000 м3/сут принимается равной
соответственно 150, 200, 400 и 500 м. При расположении сооружений для сушки осадка в
закрытых помещениях, а также при отсутствии иловых площадок на территории очистных
58
сооружений пропускной способностью более 200 м3/сут ширина зон может быть
сокращена на 30%.
В случае расположения жилых районов с подветренной стороны по отношению к
очистным сооружениям ширина санитарно-защитных зон может быть увеличена по
требованию местных органов Государственного санитарного надзора, но не более чем в 2
раза. При сушке на иловых площадках сырого (несброженного) осадка ширина санитарнозащитных зон устанавливается по согласованию с местными органами Государственного
санитарного надзора.
Очистные сооружения канализации промышленных предприятий, как правило,
размещаются на территории канализуемых предприятий. Для сооружений совместной
очистки бытовых и производственных сточных вод ширину санитарно-защитных зон
следует принимать не менее указанных выше.
Местоположение отдельных сооружений и планировка очистной станции должны
обеспечивать наилучшую организацию технологического процесса очистки сточных вод и
обработки осадка, а также рациональное использование территории. При этом в решениях
по планировке и компоновке сооружений следует учитывать не только расчетный период,
но и дальнейшее перспективное развитие очистной станции.
Компоновка и взаимное расположение сооружений должны отвечать следующим
требованиями:
- возможности строительства по очередям и расширения в связи с - увеличением притока
сточных вод;
- минимальной протяженности внутристанционных коммуникаций (лотков, каналов,
дюкеров, трубопроводов и др.);
- доступности для ремонта и обслуживания.
Сооружения рекомендуется располагать с учетом естественного уклона местности.
Взаимное их высотное расположение устанавливается с учетом перепадов напора в
сооружениях, соединительных коммуникациях и измерительных устройствах.
При проектировании сооружений следует предусматривать устройства: для равномерного
распределения сточных вод между отдельными элементами очистных сооружений; для
выключения из работы, опорожнения и промывки сооружений и коммуникаций при их
ремонте, очистке и т. п.; для аварийного сброса сточной воды; для замера количества
сточных вод, сырого осадка, расхода воздуха, пара и газа. Кроме того, должны быть
установлены автоматические пробоотборники и приборы, регистрирующие качественные
параметры сточной воды и осадка.
2. Общие требования к проектированию биофильтров
Биофильтры проектируются для полной (БПК20 не более 20 мг/л) и частичной очистки
сточной воды; капельные биофильтры применяются для полной очистки на станциях
пропускной способностью не более 1000 м3/сут, а высоконагружаемые - на станциях
пропускной способностью до 50 000 1м3/сут (при соответствующем обосновании
допускается их применение и для более крупных станций).
59
Для очистки производственных сточных вод биофильтры могут применяться как
основные окислительные сооружения при одноступенчатой схеме очистки или как
окислительные сооружения I или II ступени при двухступенчатой схеме полной и
частичной биологической очистки.
Биофильтры проектируют в виде круглых, многогранных или прямоугольных в плане
резервуаров со сплошными стенками и Двойным дном: верхнее дно - колосниковая
решетка, нижнее - сплошное. Высоту междудонного пространства назначают равной Не
менее 0,6; уклон нижнего днища со сборным лотком - не менее 0,01; продольный уклон
сборных лотков - максимально возможный по конструктивным соображениям, но не
менее 0,005. Стенки биофильтров должны возвышаться над поверхностью фильтрующей
среды на 0,15 м.
Высоконагружаемые биофильтры следует проектировать с искусственной аэрацией
(аэрофильтры). В капельных биофильтрах предусматривается естественная аэрация через
окна, располагаемые в стенках биофильтров равномерно по их периметру в пределах
междудонного пространства. Окна оборудуются устройствами, позволяющими их наглухо
закрывать. Площадь окон должна составлять не менее 1% площади биофильтра. В
аэрофильтрах на отводных трубопроводах предусматриваются гидравлические затворы
высотой 200 мм. Воздух подается в междудонное пространство вентиляторами с
давлением 980 Па (0,01 кгс/см2) (у ввода в аэрофильтр) .
Все применяемые для загрузки естественные и искусственные материалы, за исключением
пластмасс, при испытаниях должны выдерживать:
а) давление не менее 0,1 МПа (1 кгс/см2) загрузочного материала в естественном
состоянии плотностью до 1000 кг/м3;
б) не менее чем пятикратную пропитку насыщенным раствором сернокислого натрия;
в) не менее 10 циклов испытаний на морозостойкость;
г) кипячение в течение 1 ч в 5%-ном растворе соляной кислоты, масса которой должна
превышать массу испытываемого материала в 3 раза.
После испытаний загрузочный материал не должен иметь заметных повреждений и его
масса не должна уменьшаться более чем на 10% первоначальной.
Загрузка биофильтра по всей его высоте принимается из материала одинаковой
крупности, за исключением нижнего (поддерживающего) слоя высотой 0,2 м, который
состоит из более крупного материала (60-100 мм). Крупность кусков загрузочного
материала следует выбирать по табл. 22.
Сточная вода по поверхности биофильтров может распределяться разбрызгивателями,
реактивными оросителями, а также другими распределительными устройствами.
60
Таблица 22. Крупность загрузочного материала для биофильтров
Примечания:
1. Содержание мелочи и плиток в загрузочном материале допускается не более 5%.
2. При применении двухступенчатых высоконагружаемых биофильтров с попеременной
фильтрацией отстоенной воды обе ступени следует загружать материалом одинаковой
крупности.
При применении разбрызгивателей следует принимать:
начальный свободный напор у разбрызгивателей - около 1,5 м, а конечный - 0,6 м;
диаметр отверстий разбрызгивателей - от 18 до 32 мм;
высоту расположения головки разбрызгивателя над поверхностью загрузочного материала
- от 0,15 до 0,2 м;
продолжительность орошения (на капельных биофильтрах) - 5-6 мин (при максимальном
притоке).
При применении реактивных оросителей следует принимать:
напор у оросителя- по расчету, но не менее 0,5 м;
число и диаметр распределительных труб - по расчету, из условия, что скорость движения
воды в начале труб должна быть от 0,15 до 1м/с;
число отверстий в распределительных трубах - по расчету, из условия, что скорость
истечения воды из отверстий должна быть не менее 0,5 м/с;
диаметр отверстий в распределительных трубах-не менее 10 мм;
расположение распределительных труб - выше поверхности загрузочного материала на 0,2
м.
Число секций или биофильтров следует принимать не менее двух, при этом все они
должны быть рабочими. Всего одноступенчатых биофильтров или их секций на очистной
станции рекомендуется принимать не более восьми.
61
В конструкции биофильтров предусматриваются устройства для промывки днища, а
также ремонтные лазы в междудонное пространство. Распределительную и отводящую
сети биофильтров следует рассчитывать по максимальному расходу воды с
коэффициентом 1,4 в связи с возможной интенсификацией работы очистных сооружений.
Ниже приведены рекомендации по проектированию различных типов биофильтров.
Капельные биофильтры любой пропускной способности при среднегодовой
температуре воздуха до 3°С, а пропускной способностью до 500 м3/сут при среднегодовой
температуре воздуха от 3 до 60|С надлежит размещать в отапливаемых помещениях с
пятикратным воздухообменом в 1 ч и расчетной температурой внутреннего воздуха на
2°С выше среднезимней температуры сточной воды. Биофильтры пропускной
способностью более 600 м3/сут при среднегодовой температуре воздуха от 3 до 6аС
следует размещать в неотапливаемых пемещениях облегченной конструкции. Если
сточные воды поступают с перерывами в течение суток, возможность строительства
открытых биофильтров в неотапливаемых помещениях облегченной конструкции
обосновывается теплотехническим расчетом, при этом следует учитывать также опыт
эксплуатации очистных сооружений, имеющихся в данном районе или в Других районах с
аналогичными условиями.
При проектировании биофильтров следует принимать: рабочую высоту H=1,5 ÷2 м;
гидравлическую нагрузку q=1 ÷3 м3/(м2-cут); БПК20 сточных вод, поступающих на
биофильтры без рециркуляции, L1<220 мг/л (при L1>220 (мг/л -обязательно с
рециркуляцией); БПК20 выходящей воды L2=15 мг/л; отношение L1/L2 = К = 3,8÷15.
Массу избыточной биологической пленки следует принимать равной 8 г по сухому
веществу на 1 чел. в сутки, а влажность пленки - 96%.
Высоконагружаемые биофильтры, как правило, устраиваются одноступенчатыми. При
неблагоприятных условиях и необходимости некоторого дополнительного улучшения
качества очистки применяются двухступенчатые биофильтры и двухступенчатые
биофильтры с попеременной фильтрацией. Если двухступенчатые биофильтры
запроектированы с подачей сточных вод на II ступень насосом, необходимо устройство
промежуточного отстойникам продолжительностью отстаивания воды в нем в течение 1 ч.
Самотечный режим поступления сточных вод на II ступень позволяет отказаться от
устройства промежуточного отстойника. Рециркуляция, если она необходима,
осуществляется перекачиванием осветленной со вторичных отстойниках воды на
биофильтры.
При проектировании биофильтров следует принимать: расчетную температуру Т, равной
среднезимней температуре сточных вод; высоту слоя загрузки Н=2 ÷ 4 м; гидравлическую
нагрузку q= 10 ÷3О м3/(м2-сут); расход подаваемого воздуха Вуд=8 ÷12 м3 на 1 м3 воды;
БПК20 сточных вод, поступающих на биофильтры без рециркуляции, L1<300 мг/л (при
L>1>300 мг/л - обязательно с рециркуляцией); отношение L1/ L2 = 2 ÷ 23.
Массу избыточной биологической пленки следует принимать равной 28 г по сухому
веществу на 1 чел. в сутки, а влажность пленки - 96 %.
Башенные биофильтры при соответствующем обосновании могут применяться для
очистки станций пропускной способностью до 50 000 м3/сут. Биофильтры проектируют
для полной (БПК20 очищенной воды до 20 мг/л) и частичной очистки сточной воды.
62
Высота загрузки биофильтров при БПК20 неочищенной сточной воды 250, 300, 350, 450 и
500 мг/л принимается равной соответственно 8, 10, 12, 14 и 16 м.
Биофильтры могут быть одно- или двухступенчатыми. При подаче жидкости на II ступень
насосами устройство промежуточного отстойника с продолжительностью отстаивания
воды в нем в течение 1 ч обязательно. Масса вымываемой биологической пленки
принимается как и для высоконагружаемых биофильтров.
Плоскостные биофильтры рекомендуется применять с загрузкой блоками из
поливинилхлорида, полиэтилена, полистирола и других жестких пластмасс, способных
выдерживать температуру от 6 до 30°С без потери прочности. Биофильтры с плоскостной
загрузкой проектируются круглыми, прямоугольными и многогранными (8- и 16гранными) в плане; как правило, они располагаются в закрытом помещении. Рабочая
высота принимается не менее 4 м в зависимости от требуемой степени очистки,
допустимая величина БПКполн поступающих сточных вод при полной биологической
очистке - 250 мг/л, а при неполной очистке не ограничивается.
В качестве загрузочного материала могут применяться также асбестоцементные листы,
керамические изделия (кольца Рашига, керамические блоки), металлические изделия
(кольца, трубки, сетки), тканевые материалы (нейлон, капрон).
Как было сказано ранее, блочная и рулонная загрузки должны располагаться в теле
биофильтра таким образом, чтобы избежать "проскока" неочищенной сточной воды.
Масса избыточной биологической пленки принимается равной 28 г по сухому веществу на
1 чел. в сутки, влажность пленки - 96%.
Погружные биофильтры проектируются дисковыми или барабанными при расходах до
500 м3/сут. Диаметр дисков следует принимать равным 0,6-3 м. Частота вращения вала с
дисками 1 - 10 мин-1. Уровень воды в резервуаре должен быть на 2-3 см ниже
горизонтального вала. В качестве материала дисков рекомендуется применять жесткие
'пластмассы (поливинилхлорид, полиэтилен) или листы из алюминиевых сплавов.
3. Расчет биофильтров
Методы расчета биофильтров
В настоящее время в отечественной практике используется расчет биофильтров по
окислительной мощности. По этому методу необходимый объем материала загрузки №
определяется по уравнению
(1)
где L1- БПК поступающих сточных вод, г/м3; Q - расход сточных вод, м3/сут; ОМ окислительная мощность биофильтра, г/(м3-сут).
Окислительная мощность 1 м3 загрузки биофильтра определяется в зависимости от
среднегодовой температуры воздуха.
63
К. Н. Корольков предложил для расчета изъятия органических загрязнений пользоваться
закономерностью
(2)
допустив, что масса органических веществ, адсорбированных активным илом,
пропорциональна концентрации их в воде Lt в момент времени t (здесь k - константа
скорости изъятия органических загрязнений).
Канд. техн. наук И. С. Постников ввел в расчетные уравнения высоту биофильтра Н,
имеющую большое значение для эффективной очистки сточных вод.
Проф. С. В. Яковлевым был предложен графоаналитический Способ расчета
высоконагружаемых биофильтров, в основу которого положена функциональная
зависимость БПК5 выходящей после очистки на биофильтре воды от ряда факторов:
(3)
где L2 - БПК5 выходящих сточных вод, г/м3; L1- БПК5 поступающих сточных вод, г/м3; А концентрация взвешенных загрязнений в сточных водах, поступающих на биофильтр,
г/м3; q - гидравлическая нагрузка, м3/1(м2-сут); Т - температура сточной воды, °С; Нвысота биофильтра (Здесь и далее под высотой биофильтра Н подразумевается высота
слоя загрузочного материала.), м; Вуд - расход воздуха, м3 необходимый для аэрации 1 м3
сточной воды.
Обработав многочисленные отечественные и зарубежные данные, С. В. Яковлев получил
критериальную зависимость (рис. 34, кривая 1):
(4)
где Э=100L2/L2, Ф1=10 Hkт/q0.4 (здесь Ф1 - критериальный комплекс; kТ - температурная
константа).
Для определения допустимой гидравлической нагрузки на фильтр при заданных
значениях L1 ,L2 и Н были получены следующие формулы:
при L1/L2 ≤ 10
при L1/L2 >10
64
Этот метод позволяет рассчитать биофильтр на любую степень очистки с учетом
различных скоростей окисления органического вещества по высоте загрузки.
В дальнейшем проф. С. В. Яковлевым и канд. техн: наук Э. П. Фазуллиной были
проведены лабораторные испытания по выяснению влияния иа очистку сточных вод
объема подаваемого воздуха, крупности загрузки и рециркуляции. На основе проведенных
исследований в критериальный комплекс кроме высоты биофильтра, температурного
коэффициента и гидравлической нагрузки предлагалось ввести объем подаваемого
воздуха, который влияет на результат очистки.
Расход (воздуха составлял 8, 16 и 32 м3 на 1 м3 воды. При этом увеличение подачи воздуха
свыше 16 м3 не дало дальнейшего улучшения очистки воды. Значение БПК выходящей
воды при расходе воздуха 8 и 16 м3 было различным.
Рис. 34. Зависимость Э = f (Фsub1/sub):1- без учета влияния воздуха; 2 - при подаче
воздуха в объеме 16 и 32 мsup3/sup на 1 мsup3/sup сточной воды
При обработке опытных данных в координатах Э=100 L1/L2 и Ф1 = 10 Hkт/q0.4 были
получены две кривые (см. рис. 34). При этом первая (при расходе воздуха 8 м 3 на 1 м3
сточной воды) совпала с кривой l, полученной без учета расхода воздуха.
С учетом расхода воздуха Вуд, м3 на 1 м3 сточной воды, критериальный комплекс имеет
вид
(7)
где х, у, с и z - параметры, определяемые опытным путем.
В результате обработки данных исследований была рекомендована следующая формула
для определения параметров биофильтров:
(8)
где α и β - постоянные коэффициенты.
65
Критериальный комплекс, характеризуемый выражением (8), пригоден для
гидравлической нагрузки, равной 1-30 м3/(м2⋅ сут) и высоты биофильтра до 4 м. В
компонентах критериального комплекса возможны отклонения от найденных значений
показателей степени при очистке различных производственных сточных вод.
Опытами установлено, что закономерность очистки сточной воды на биофильтрах при
введении рециркуляции не отличается от закономерности очистки ее без рециркуляции.
При наличии рециркуляции в выражении (8) вместо L1 следует подставлять значения Lсм
(БПК смеси исходной и рециркулируемой сточной воды). При общем расходе сточных
вод, поступающих на биофильтр, (2, м3/сут ,расход воды (Qрец, м3/сут, необходимой для
разбавления поступающих сточных вод, определяется из формулы
(9)
Графоаналитический метод оказался весьма гибким и был положен в основу расчета
башенных биофильтров, предложенного канд. техн. наук Д. Ф. Харитоновым.
Критериальный комплекс был представлен в виде
(10)
Проф. С. М. Шифрин и канд. теми: наук Ю. А. Феофанов изучили возможность
гидравлического моделирования высоконагружаемых биофильтров. Поскольку
биофильтры могут классифицироваться как аппараты со стационарным слоем загрузки, то
по своим гидродинамическим свойствам они занимают промежуточное положение между
идеальными вытеснителем и смесителем. Следовательно, они могут быть представлены
либо моделью идеального вытеснителя с перемешиванием жидкости, либо моделью
последовательно соединенных проточных идеальных смесителей, число которых в
цепочке (а также продолжительность пребывания воды в каждом смесителе) зависит от
высоты сооружения и гидравлической нагрузки на биофильтр.
Математическая модель высоконагружаемого биофильтра с Учетом кинетики
биохимических реакций для первого порядка скорости изъятия загрязнений из сточных
вод имеет вид
(11)
где L1и L2 - концентрация загрязнений соответственно в поступающей и очищенной воде;
Тτ1 - продолжительность пребывания воды в одном смесителе; mcм - число смесителей.
Данные гидродинамических исследований позволили получить формулу для расчета
высоконагружаемых биофильтров для очистки производственных сточных вод молочных
заводов:
66
(12)
В зарубежной практике в основу расчетов биофильтров были положены как эмпирические
формулы, так и формулы, основанные на уравнении мономолекулярной реакции.
После обработки на электронно-вычислительной машине многочисленных и собственных
данных (свыше 300 источников) Геллером и Готассом была получена следующая
формула:
(13)
(14)
L2 - БПК5 очищенных сточных вод, мг/л; L1 - БПК5 поступающих сточных вод, мг/л; r радиус биофильтра, м.
Наибольшее влияние на L2 оказывают L1 и Н (с увеличением Н ее влияние уменьшается).
Увеличение (Qрец заметно уменьшает L2 в пределах до Qрец≤4Q.
При отсутствии рециркуляции формула принимает вид
(15)
Анализ (различных методов расчета высоконагружаемых биофильтров показывает, что
эффективность их работы зависит от гидравлической нагрузки, продолжительности
контакта сточной воды с биопленкой и объема воздуха, поступающего в тело биофильтра.
Рассмотрим несколько подробнее последнюю зависимость. Поскольку объем воздуха,
поступающего в тело биофильтра, определяется пористостью загрузки, то можно
предположить, что чем больше пустот в теле биофильтра, т. е. чем выше пористость
загрузочного материала, тем лучше условия обтекания биопленки воздухом.
67
Приняв крупность фракций загрузочного материала за условный диаметр шаровой
фракции d, м, и расположив их согласно схеме, приведенной на рис. 35, получим, что
общее число шаров в 1 м3 составит: mш=1/d3
Рис. 35. Расположение шаровидных фракций в теле биофильтра
Общий объем, занимаемый шарами, составит (в долях единицы):
(16)
а площадь поверхности шаров, м2:
(17)
Таким образом, независимо от крупности фракций общая пористость загрузочного
материала постоянна и равна 1-π/6, т. е. 48%.
Натурные замеры пористости загрузочного материала показывают, что она равна 50-52%,
т. е. достаточно близко совпадает с предлагаемой схемой подсчета. Удельные площади
поверхностей загрузочных материалов практически не отличаются от удельных площадей
поверхностей шаровых фракций соответствующих диаметров (рис. 36).
Рис. 36. Зависимость удельной площади поверхности загрузки от крупности загрузки
[точки - данные натуральных замеров объемной загрузки (щебень, гравий, шлак,
керамзит)]
68
Таким образом, пористость объемной загрузки любого биофильтра невелика и не
превышает 50%. Подсчеты также показывают, что допустимая величина нагрузки по
органическим загрязнениям при обеспечении полной очистки на биофильтрах с объемной
загрузкой (капельных, высоконагружаемых и башенных) находится также в прямой
линейной зависимости от крупности пор в теле биофильтра (рис. 37).
Рис. 37. Зависимость величины органической нагрузки по БПКsub5/sub от объема
единичной поры
Приняв нагрузку по БПК на биофильтр М = L1qп [где L1-БПК поступающих сточных вод,
г/м3; qп - гидравлическая нагрузка, м3/(м3-сут)]. и отнеся ее к удельной площади
поверхности загрузки SУД, имеем:
(18)
в то же время
(19)
где 0,2 - масштабный коэффициент; tgα=0,96; p1 - объем единичной поры, см3, равный
р/mп (здесь mп - число пор в 1 м3; р-общий объем пустот, см3).
Так как р= (1 -π/6) 106, а Sуд=π/d, то М/Sуд=0,192р/mп;
Если диаметр фракции d выразить в см, получим:
(20)
69
где d=2,5 ÷ 6,5 см.
Приведенные соображения и подсчеты убедительно показывают, что повышение
производительности биофильтров следует искать в увеличении диаметра фракций
загрузки и ее пористости. Но с увеличением крупности фракций загрузочного материала
уменьшается площадь рабочей поверхности для образования биопленки. Поэтому для
повышения производительности биофильтров следует идти по пути увеличения
пористости загрузки.
В опытах, проводимых на кафедре канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева, пористость
биофильтров с (плоскостной загрузкой составляла 73-99%. В этом, в частности, и
усматривается основное принципиальное отличие биофильтров с плоскостной загрузкой
от биофильтров с объемной загрузкой.
Авторами был предложен метод расчета -биофильтров с плоскостной загрузкой, который
состоит в следующем.
Известно, что L2 (БПК5 очищенной сточной воды) является функцией следующих
величин:
(21)
где L1 - БПК поступающей сточной воды, мг/л; qп - гидравлическая нагрузка, м3/(м3-сут); Р
- пористость загрузочного материала, %,
Так как у биофильтров с плоскостной загрузкой аэрация осуществляется естественным
путем и можно считать, что воздуха [подается вполне достаточно,, то функциональную
зависимость (21) можно записать в виде:
(22)
где Р- масса органических загрязнений по БПК5 поступающих в сутки на единицу
площади поверхности загрузочного материала биофильтра, г/(м2-сут):
(23)
Результаты лабораторных и полупроизводсвенных исследований по очистке сточных вод
на биофильтрах с плоскостной загрузкой обрабатываются в координатах L2 и η (рис. 38).
При этом
70
(24)
(25)
где k20 - константа скорости биохимических процессов в сточной воде при температуре
20° С.
Рис. 38. Зависимость Lsub2/sub = f(?η)
Полученная зависимость может быть выражена аналитически: при L2=11 ÷ 100 мг/л
(26)
при L2 = 7÷11мг/л
(27)
Для определения высоты биофильтра можно воспользоваться следующими формулами:
при L2 =11÷100 мг/л
(28)
при L2=7÷11 мг/л
71
(29)
при L2 =11 мг/л
(30)
С. М. Шифрин и И. А. Евстигнеев для расчета биофильтров с плоскостной загрузкой
также рекомендуют применять графоаналитический метод, основанный на методе
критериального комплекса:
где
(31)
здесь qп - гидравлическая нагрузка. м3/(м 2 ·сут).
Эту формулу они считают обобщенной для любых типов плоскостной загрузки. В
зависимости от типа загрузки изменяется лишь коэффициент а и эмпирическим путем
определяются показатели степени b и n (например, для пластмассовой загрузки из
сотовых плит а = 75, b=1, n=0,4). Следует отметить, что в формуле (31) не учтена
способность плоскостных биофильтров выдерживать большие нагрузки по органическим
загрязнениям; эта нагрузка выражена лишь через гидравлическую нагрузку q, что не дает
представления о производительности биофильтра.
Для расчета биофильтров с блочной загрузкой из пеностекла И. М. Таварткиладзе, взяв за
основу формулу (24), предложил зависимость
(32)
где С - коэффициент, характеризующий неровность поверхности пеностекла; qп гидравлическая нагрузка, м3/(м3-сут).
72
Исследуя работу биофильтров с мягкой сетчатой загрузкой для очистки смеси сточных
вод поселка и молочного завода, Шульц предложил зависимость
(33)
где bт-температурная поправка: bт = 1,035т-20; q - гидравлическая нагрузка, м3/(м2-сут).
При исследовании по очистке сточных вод бумажных фабрик на биофильтре с
плоскостной загрузкой из сотовых блоков с нагрузками по БПК от 1 до 2,5 кг/км3-сут)
(при начальной БПК, равной 300-400 мг/л) Ренци получил эффект снижения органических
загрязнений, равный 70-83%. Взяв за основу формулу Национального исследовательского
совета, Ренци предложил для расчета биофильтров с плоскостной загрузкой аналогичную
по структуре формулу
(34)
где Э - эффект работы биофильтра, %; М - нагрузка по БПК, кг/(м3 ⋅ сут); Е рециркуляционный фактор:
(35)
Здесь е = Qрец/Q рециркуляционное соотношение.
Для расчета дисковых погружных биофильтров при очистке бытовых и производственных
сточных вод при начальной БПК5 до 450 мг/л и БПК5 в очищенных сточных водах до 1540 мг/л хможно воспользоваться графоаналитическим методом расчета. В основу расчета
положена функциональная зависимость L2 от органической нагрузки по БПК5 на 1 м2
площади поверхности дисков и температуры сточных вод. Число ступеней погружных
биофильтров должно быть не менее двух.
Порядок расчета следующий. В зависимости от БПК5 неочищенных сточных вод и
требуемой БПК5 очищенных сточных вод по рис. 39,а определяется допустимая
органическая нагрузка на 1 м2 площади поверхности дисков в сутки FПб. Далее по рис.
39,б находится температурный коэффициент kT; при t≥20оС коэффициент kT =1 Затем
вычисляется общая площадь поверхности дискового погружного биофильтра, м2:
(36)
73
где Q - расход сточных вод. м3/сут.
Рис. 39. К расчету дисковых погружных биофильтров: а - зависимость FП.б = f (L1,L2); б зависимость kT=f (to, FП.б); 1- L1 =100÷200 мг/л; 2- L1=200÷300 мг/л; 3- L1= 300÷400 мг/л;
4- L1=400÷500 мг/л; 5-t = 7oC; 6- t = 10oC; 7- t = 13oC; 8- t = 10oC
Число дисков, m, находится в зависимости от их конструктивного размера:
(37)
где S1 - площадь поверхности одного диска, м2 .
Далее назначаются конструктивные размеры биофильтра: толщина дисков, расстояние
между ними, число дисков в лакете, число ступеней и др.
Расчет дисковых и барабанных погружных биофильтров можно вести на основании опыта
эксплуатации или результатов исследований по очистке определенного вида
производственных сточных вод. Оптимальными конструктивными параметрами
погружных дисковых биофильтров можно принимать следующие: диаметр дисков 2-3 м;
расстояние между дисками 15-20 мм; глубина их погружения на 2-3 см ниже вала; частота
вращения 1-6 мин-1.
Как уже говорилось выше, биотенки целесообразно принимать в качестве I ступени
двухступенчатой биологической очистки, а также при неполной биологической очистке.
Это и положено в основу их расчета. Основными факторами, влияющими на требуемую
величину БПКполн очищенных сточных вод, являются:
органическая нагрузка по БПКполн на единицу объема биотенка [Fбт, г/(м3-сут)];
высота слоя загрузки Н, м;для достижения эффекта снижения органических загрязнений
до 70-75% принимается Н ≥ 4 м, до 50 - 55% принимается Н ≥ 2 м;
объем, занимаемый жидкой фазой в биотенке, Wж, в долях единицы от общего объема;
удельная площадь поверхности для образования биопленки Sбт, м2/м3.
Для обеспечения нормальных гидродинамических условий работы биотенка
гидравлическая нагрузка в пересчете на объем жидкой фазы в биотенке должна быть не
менее 25 м3/(м3⋅сут).
Порядок расчета биотеека следующий. В зависимости от требуемого эффекта по рис. 40
определяются допустимые "агрузки по органическим загрязнениям: по объему жидкой
фазы Fж [г БПКполн/ (м3-сут)] и по свободной поверхности Fп [г БПКполн/(м2.сут)].
Далее подсчитывается допустимая нагрузка по органическим загрязнениям на единицу
объема биотенка по формуле
(38)
74
где Sп - удельная площадь поверхности загрузки биотенка, м2/м3.
Рис. 40. Зависимость допустимых нагрузок по БПКполн от эффекта очистки: 1 допустимые нагрузки по объему жидкой фазы биотенка; 2 - то же, по свободной
поверхности биотенка
Затем в зависимости от расхода сточных вод Q, м3/сут, определяется объем биотенка, м3:
(39)
И наконец, в зависимости от высоты слоя загрузки находятся другие конструктивные
размеры биотенков и их число. Следует отметить, что методика расчета составлена исходя
из опыта работы биотенков при L1 ≤ 250 мг/л.
В основу расчета капельных и высоконагружаемых биофильтров положены результаты
исследований, проведенных в МИСИ им. В. В, Куйбышева, АКХ им. К. Д. Памфилова и в
других организациях.
Капельные биофильтры рассчитывают в следующем порядке:
а) определяют к = L1L2;
б) определяют значения H и q (табл. 23) по среднезимней температуре сточной воды Т и найденному значению k; если полученное значение k превышает значения, приведенные в
табл. 23, необходимо вводить рециркуляцию и расчет производить по методике,
изложенной ниже (в расчете высоконагружаемых биофильтров) ;
75
Таблица 23. Параметры для расчета капельных биофильтров
в) определяют общую площадь биофильтров (S = Q/q, м2) по расходу очищаемых сточных
вод (Q, м3/сут) и гидравлической нагрузке [q, м3/(м2-сут)].
Высокнагружаемые биофильтры для очистки сточных вод рассчитывают в следующем
порядке:
а) определяют k= L1 / L2
б) определяют значения Н, q и Вуд (табл. 24) по среднезимней температуре сточной воды Т
и найденному значению к; если полученное значение к отличается от значений,
приведенных в табл. 24, то для очистки без рециркуляции следует принимать Н, q и Вуд
по ближайшему большему значению k, а для очистки с рециркуляцией - по меньшему
(устанавливается технико-эконюмическим расчетом);
в) определяют БПК20 смеси сточных вод и коэффициент рециркуляции nр (для
биофильтров с рециркуляцией) по формулам:
(40)
(41)
г) определяют площадь биофильтров, м2, по формулам: при работе без рециркуляции
(42)
при работе с рециркуляцией
(43)
76
При величине L1 > 300 мг/л следует принимать k=300/L2. Из
табл. 24 выбираем значение k ≥300/L2 величину nр определяем по
Lсм = 300 мг/л. Если k<300/L2, то Lсм определяется по формуле (40).
Таблица 24. Параметры расчета высоконагружаемых биофильтров
(Примечания: 1. Таблица составлена по формуле k=10αФ2+β, где Ф2=HВуд0,6kT/q0.4 критериальный комплекс; α и β - постоянные коэффициенты, принимаемые по табл. 25.
2. Для промежуточных значений Вуд, H,q, Т, а также для значений T <8°С (не ниже 6°С)
и T>14°С (до 30°С) величина k определяется по интерполяции.)
Таблица 25. Значения коэффициентов α и β
Расчет высоконагружаемых биофильтров для очистки производственных сточных вод
может производиться по изложенному выше методу или по окислительной мощности.
Критериальный
комплекс
или
окислительная
мощность
устанавливаются
экспериментальным путем.
Расчет башенных биофильтров производится по табл. 26.
77
Таблица 26. Допустимая нагрузка на башенные биофильтры
В основу расчета биофильтров с плоскостной загрузкой положен графоаналитический
метод. Для удобства составлены табл. 27 и 28, по которым в зависимости от заданной
степени очистки, требуемой БПКб очищенной сточной воды, ее температуры и высоты
слоя загрузки определяются допустимая гидравлическая нагрузка и нагрузка по БПКб на
единицу объема биофильтра.
Таблица 27. Допустимая гидравлическая нагрузка на биофильтры с плоскостной
загрузкой
Таблица 28. Допустимая нагрузка по БПК5 на биофильтры с плоскостной загрузкой
Табл. 27 и 28 составлены для пластмассовых блоков с пористостью 93-96% и удельной
площадью поверхности 90-11О м2/м3 при БПК20 поступающей сточной воды 200-250 мг/л.
Расчет биофильтров с плоскостной загрузкой ведется по БПК5 в следующем порядке:
78
а) в зависимости от требуемой БПК5 очищенных сточных вод определяется
критериальный комплекс η;
б) по среднезимней температуре сточных вод подсчитывается kт;
в) в зависимости от требуемой степени очистки назначается высота слоя загрузки H;
величина пористости загрузочного материала Р определяется конструктивными
размерами плоскостной загрузки;
г) подсчитывается допустимая масса органических загрязнений по БПК5, поступающих на
единицу площади поверхности загрузочного материала биофильтра.
(44)
д) по исходной БПК поступающих сточных вод и конструктивному размеру удельной
площади поверхности загрузочного материала определяется допустимая гидравлическая
нагрузка
(45)
е) определяются объем загрузочного материала биофильтров, их число и конструктивные
размеры.
Надежная работа биофильтров может быть достигнута только при равномерном орошении
очищаемой сточной водой его поверхности. В отечественной и зарубежной практике
наибольшее распроранение для орошения получили спринклеры и реактивные
вращающиеся водораспределители (оросители).
Спринклерная система состоит из дозирующего бака, разводящей сети и
разбрызгивателей (спринклеров). Расчет такой системы сводится к определению расхода
воды из каждого разбрызгивателя, определению необходимого их числа, диаметра
разводной сети, вместимости и продолжительности работы дозирующего бака.
Вращающийся реактивный ороситель состоит из двух - четырех или шести дырчатых
труб, консольно закрепленных на общем стояке. Расчет реактивного оросителя сводится к
определению диаметра оросителя, числа труб в оросителе и их диаметра, числа отверстии
и их диаметра в каждой трубе, расстояний от оси оросителей до каждого отверстия,
частоты вращения реактивного оросителя и требуемого напора.
Исходные данные для расчета вторичных отстойников после биофильтров следует
принимать по табл. 29.
79
Таблица 29. Исходные данные для расчета вторичных отстойников
При расчете первичных отстойников концентрация взвешенных веществ после них не
должна превышать 150 мг/л. Первичные отстойники перед плоскостными биофильтрами
проектируются на продолжительность отстаивания 0,6 ч.
Примеры расчета биофильтров
Пример 1. Рассчитать капельный биофильтр при следующих исходных данных: расход
сточных вод Q = 820 м3/сут; БПКполн поступающих сточных вод L1= 190 мг/л; БПКполн
очищенных сточных вод L2=18 мг/л; среднезимняя температура сточных вод Т=12оС;
среднегодовая температура воздуха Tвоз-5oС.
Решение. Определяем коэффициент k:
По табл. 23 в зависимости от среднезимней температуры сточных вод T и высоты
биофильтра H находим ближайшее большее значение kтабл. Принимаем
H = 2 м и находим kтабл = 10,7.
При этих условиях гидравлическая нагрузка q = 2 м3/(м2⋅сут). Подсчитывав ем площадь
биофильтров:
Принимаем четыре секции прямоугольной формы в плане с размерами сторон 9X12 м и
высотой Н=2 м. Площадь одной секции S′=108 м2, а объем W′ =216 м3.
В соответствии со среднегодовой температурой воздуха Твоз=5оС и пропускной
способностью Q = 820 м3/сут биофильтры располагаем в неотапливаемом помещении
облегченной конструкции.
Пример 2. Рассчитать высоконагружаемый биофильтр при следующих исходных данных:
расход сточных вод Q = 42 000 м3/сут; БПКполн поступающих сточных вод L1= 180 мг/л;
БПКполн очищенных сточных вод L = 20 мг/л; среднезимняя температура сточных вод
T=10°С.
80
Решение. Определяем коэффициент k:
Высоту биофильтра находим для двух значений объема подаваемого воздуха Вуд при
гидравлической нагрузке q=10 м3/(м2-сут).
1. При Вуд = 8 м3/м3.
По табл. 24 при высоте биофильтра H1 = 3 м величина k=6,2, а при H2= 4 м величина
k=10,4. Так как 6,2 <9, то при высоте биофильтра H1 = 3 м необходима рециркуляция.
По формуле (40) определяем Lсм, по формуле (41)-коэффициент рециркуляции пр и по
формуле (43) -площадь биофильтров S1
При Н = 4 м рециркуляции не требуется, а площадь биофильтров
Объемы фильтрующей загрузки соответственно составят:
2. При Bуд=12 м3/м3.
По табл. 24 при высоте биофильтра H3 = 3 м величина k = 8,35, а при H4 = 4 м величина
k=14,8. Следовательно, при H3 = 3 м необходима рециркуляция. Расчеты производим так
же, как и в первом случае. При H3 = 3 м
При H4=4 м рециркуляции не требуется и S4=4200 м2. Объемы фильтрующей загрузки
соответственно составляют W3=13 734 м3 и W4=16 800 м3.
Окончательный выбор варианта следует принимать на основе технико-экономического
расчета. Принимаем Bуд = 8 м3/м3; H=4 м и к проекту назначаем шесть биофильтров D-30
м с общим объемом фильтрующей загрузки W= 16 956 м3.
Подсчитаем расход воздуха Вобщ:
81
Таблица 30. Характеристики вентиляторов низкого давления
Для подачи воздуха в высоконагружаемые биофильтры устанавливаем два рабочих и один
резервный вентиляторы низкого давления ЭВР-5 подачей по воздуху 7500 м3/ч и напором
до 80 мм (табл. 30).
Пример 3. Рассчитать высоконагружаемый биофильтр при следующих исходных данных:
расход смеси производственных и бытовых сточных вод Q=6000 м3/сут; БПКполн
поступающих сточных вод L1 = 480 мг/л; БПКполн очищенных сточных вод L2 = 25 мг/л;
среднезимняя температура сточных вод Т= 14°С.
Решение. Подсчитаем величину k. Поскольку L1>300 мг/л, то в соответствии со СНиП 1132-74 (п. 7.91)
Из табл. 24 по величинам Т и k находим, что при удельном расходе воздуха В уд=12 м3/м3 и
высоте биофильтра Н=4 м гидравлическая нагрузка q1 = 20 м3/(м2-сут).
Рассмотрим и другой вариант: при k=11,7 величина q2=10 м3/(м2-сут); H2=3 м и Вуд=12
м3/м3.
Аналогично расчету, приведенному в примере 3, определим требуемые параметры:
для первого варианта:
для второго варианта:
82
Выбираем первый вариант и подсчитываем общий расход воздуха:
Принимаем два биофильтра диаметром D=18 м с общим объемом фильтрующей загрузки
W=2032 м3. Для подачи воздуха устанавливаем один рабочий и один резервный
вентиляторы низкого давления ЦЧ-70 № 3 подачей до 3800 м3/ч и напором до 90 мм (см.
табл. 30).
Пример 4. Рассчитать биофильтр с плоскостной загрузкой при следующих исходных
данных: расход сточных вод (Q = 7500 м3/сут; (БПК5 поступающих сточных вод L1 = 150
мг/л; БПК5 очищенных сточных вод L2=15 мг/л; средне-зимняя температура сточных вод
T=13°С.
Решение. Выбираем загрузочный материал из чередующихся плоских и гофрированных
полиэтиленовых листов с удельной площадью поверхности Sуд = = 120 м2/м3 и
пористостью Р = 93%. Поскольку требуемый эффект очистки составляет 90%, высоту
биофильтра назначаем H = 4 м.
Значение критериального комплекса 11η находим в зависимости от требуемой величины
L2 :
L2, мг/л 10 15 20 25 30 35 40 45 50
η
3.3 2.6 2.25 2 1.75 1.6 1.45 1.3 1.2
По формуле (25) подсчитываем значение kт
Для подсчета kт в диапазоне температур сточных вод Т от 8 до 20°С можно
воспользоваться приведенными ниже данными:
T
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19 20
kт 0,115 0,12 0,126 0,132 0,138 0,145 0,151 0,158 0,166 0,174 0,183 0,19 0,2
Определяем допустимую нагрузку по БПК5на 1 м2 площади поверхности загрузочного
материала по формуле (44):
Находим допустимую гидравлическую нагрузку qп по формуле (45):
83
Определяем необходимый объем загрузки биофильтров W и их площадь S:
Назначаем четыре секции биофильтра круглой формы в плане и определяем их диаметр
Принимаем четыре биофильтра диаметром 6 м каждый и, в соответствии со CНиП II-3274 (п. 7.96), размещаем их в отапливаемом помещении.
Пример 5. Рассчитать биофильтр с плоскостной загрузкой при следующих исходных
данных: расход сточных вод Q = 83 000 м3/сут; БПК5 поступающей cточной воды L1=260
мг/л; БПК5 очищенной сточной воды L2 = 50 мг/л; сред-незимняя температура сточных
вод T=14oС.
Решение. Выбираем загрузочный материал из чередующихся гофрированных
поливинилхлоридных листов с удельной площадью поверхности Sуд = 100 м2/м3 и
пористостью Р = 94%. Высоту слоя загрузки назначаем Н = 6 м.
По зависимостям, приведенным в примере 4, находим критериальный комплекс ?η=1,2 и
коэффициент kт =0,151.
Определяем допустимую нагрузку по органическим загрязнениям F по формуле (44) и
гидравлическую нагрузку qп по формуле (45):
Подсчитаем необходимый объем загрузки биофильтров В7 и их площадь 5:
Назначаем четыре секции биофильтров круглой формы в плане и определяем их диаметр:
Принимаем четыре биофильтра диаметром по 12 м.
Как вариант можно принять две секции биофильтров, тогда их диаметр будет:
84
Окончательно принимаем два биофильтра D=18 м (общий объем загрузки 3050 м 3),
поскольку в первом случае биофильтры будут работать с перегрузкой не обеспечат
требуемого эффекта очистки.
Пример 6. Рассчитать биофильтр с плоскостной загрузкой при следующих исходных
данных: (Q = 260 м3/сут; БПК5 поступающих сточных вод L1 = 180 мг/л; БПК5 очищенных
сточных вод L2 = 30 мг/л; среднезимняя температура сточных вод T=14oС.
Решение. Выбираем загрузочный материал из чередующихся гофрированных
асбестоцементных листов с удельной площадью поверхности Sуд = 56 м2/м3 и пористостью
Р=80%; высоту биофильтра назначаем равной 4 М.
При Т=14°С находим kт = 0,151 и η =1,75 (см. пример 4). Величину F подсчитываем по
формуле (44):
Находим допустимую гидравлическую нагрузку qп по формуле (45):
Определяем необходимый объем загрузочного материала биофильтров W и их площадь S:
Приняв число секций nс = 2, определим площадь каждой секции S':
Принимаем биофильтры квадратные в плане с длиной стороны 2 м. Биофильтры
устраиваются в закрытом отапливаемом помещении.
Пример 7. Требуется произвести реконструкцию биофильтров на действующих очистных
сооружениях при следующих исходных данных: расход городских сточных вод,
поступающих на очистные сооружения, Qгор=27 000 м3/сут; БПКполн этих вод L1гор = 250
мг/л; среднезимняя температура Т=12°С. На очистных сооружениях эксплуатируются
шесть аэрофильтров с высотой загрузки H= 4 м и диаметром D = 24 м; объем гравийной
загрузки одного биофильтра W'=1808 м3; общий объем загрузочного материала Wобщ =
10848 м3; удельный расход воздуха Bуд = 8 м3/м3; БПКполн очищенных городских сточных
вод L2гор = 22÷25 мг/л. На очистные сооружения предполагается равномерная подача
высококонцентрированных производственных сточных вод химического и гидролизного
заводов в количестве Qпp=9000 м3/сут с БПКполн L1пр = 1600 мг/л и среднезимней
температурой Т=12°С. Требуемая величин.) БПКполн очищенной смеси городских и
производственных сточных вод L2см = 20 мг/л.
Решение. Производственные сточные воды смешиваются с городскими потоками перед
сооружениями биологической очистки.
Определяем БПКполн смеси городских и производственных сточных вод:
85
Поскольку концентрация органических загрязнений в смеси сточных вод велика,
принимаем двухступенчатую биологическую очистку. В качестве первой ступени
принимаем биофильтры с плоскостной загрузкой, в качестве второй ступени используем
действующие биофильтры.
Экспериментальные исследования по очистке на биофильтрах с плоскостной загрузкой
сточных вод аналогичного состава показали, что при нагрузке по БПКполн на 1 м2 площади
поверхности загрузочного материала до F = 35 г/(м2Х сут.) эффект снижения
органических загрязнений составляет 75%. Следовательно, после первой ступени
биологической очистки (биофильтров с плоскостной загрузкой) БПКполн смеси сточных
вод будет:
Определяем необходимое число высоконагружаемых биофильтров второй ступени
биологической очистки. Находим коэффициент
Из табл. 24 при высоте биофильтра H=4 м; среднезимней температуре сточной воды T =
12°С; удельном расходе воздуха Вуд = 8 м3/м3 и гидравлической нагрузке q = 20 м3/(м2-сут)
находим kтабл = 7,54. Рециркуляции в нашем случае не требуется.
Подсчитываем площадь высоконагружаемых биофильтров второй ступени S2ст и объем
загрузочного материала W2ст.:
Принимаем в качестве второй ступени четыре биофильтра диаметром D= 24 м, высотой 4
м и общим объемом загрузки 7232 м3.
Определяем общую площадь поверхности плоскостного загрузочного материала Sп1ст для
биофильтров первой ступени:
В качестве загрузочного материала биофильтров первой ступени намечаем три вида
блочной загрузки:
1) блоки из чередующихся гофрированных асбестоцементных листов; S уд.асб = 56 м2/м3;
Paсб = 80%;
2) блоки из чередующихся гофрированных и плоских пластмассовых листов; S'уд.пл=170
м2/м3; Р'пл = 90%;
86
3) блоки из чередующихся гофрированных и плоских пластмассовых листов;
S"уд.пл =115м2/м3;Р"пл = 94%.
Определяем требуемый объем биофильтров первой ступени с асбестоцементной и двумя
видами пластмассовой загрузки:
Принимаем в качестве первой ступени биофильтры круглые в плане, диаметром 24 м с
высотой 4 м, В этом случае потребуется шесть биофильтров с асбестоцементной загрузкой
или два-три биофильтра с пластмассовой загрузкой.
Так как из шести действующих биофильтров в качестве второй ступени биологической
очистки используется только четыре, то из двух оставшихся гравийную загрузку следует
выгрузить и загрузить блочную. В этом случае потребуется дополнительное сооружение
четырех биофильтров с асбестоцементной В загрузкой (1-й вариант) или одного
биофильтра с пластмассовой загрузкой (3-й вариант); во 2-м варианте (пластмассовая
загрузка) сооружения биофильтров не требуется, необходима лишь перегрузка
загрузочного материала.
Окончательный выбор варианта первой ступени биологической очистки следует
принимать на основе технико-экономических расчетов.
Пример 8. Рассчитать погружной дисковый вращающийся биофильтр для очистки
сточных вод спиртово-крахмального завода при следующих исходных данных: расход
сточных вод Q = 450 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды L1=600 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды L2=20 мг/л; среднезимняя температура сточных вод T=18°С;
kобщ = 1.
Решение. Подсчитываем требуемый эффект очистки:
По графику зависимости Э = f(Fп.б) (см. рис. 11,б) находим допустимую нагрузку по
БПКполн на 1 м2 площади поверхности дисков:
Определяем общую площадь дисков:
87
Конструктивно принимаем диаметр диска Dд = 2,5 м, в этом случае площадь его рабочей
поверхности Sд с обеих сторон будет:
Находим необходимое число дисков: nд = Sобщ/Sд = 3600/9,8 = 368.
Принимаем установку погружного дискового биофильтра, состоящую из двух секций по
четыре ступени в каждой секции (см. рис. 11,а) и определяем ее конструктивные размеры:
число дисков в одной ступени п' = nд/8 = 368/8 = 46;
ширина секции погружного биофильтра
Где δ1-толщина диска, зависящая от материала; принимаем поливинил-хлоридные листы
при ?δ1 = 0,01 м; ?δ2 - расстояние между дисками, принимается равным 0,015-0,03 м;
длина секции погружного биофильтра:
где nс - число ступеней в секции; lс - длина одной ступени.
Рабочую глубину секции погружного биофильтра принимаем: Н = (0,4÷0,5)D д, частоту
вращения вала с дисками m0 = 2÷5 мин-1, расстояние от нижней кромки дисков до дна
секции δ3 = 3÷5см.
4. Проектные решения станций биофильтрации и биофильтров с
плоскостной загрузкой
В СССР первый проект очистных сооружений, где в качестве биологического окислителя
применен биофильтр с пластмассовой загрузкой, был выпущен в 1966 г. ЦНИИЭП
инженерного оборудования на основании рекомендаций кафедры канализации МИСИ им.
В. В. Куйбышева. Сооружения разработаны на расходы 400 и 700 м3/сут и предназначены
для очистки сточных вод домов отдыха и санаторно-курортных комплексов. В состав
сооружений входят приемный резервуар с комминутором, песколовка, двухъярусный
отстойник, биофильтр с пластмассовой загрузкой, вторичный отстойник, контактный
резервуар, хлораторная и насосные, сблокированные в одном здании.
На рис. 41 приведен пример компоновки очистных сооружений, рассчитанных на расход
700 м3/сут. Загрузка биофильтров высотой 3,6 м выполнена из чередующихся
гофрированных и плоских листов поливинилхлорида, собранных в блоки.
88
Рис. 41. Сооружения пропускной способностью 700 м3/сут для очистки сточных вод от
домов отдыха и санитарно - курортных комплексов: 1 - приемный резервуар с
комминутором; 2 - песколовка; 3 - двухъярусный отстойник; 4 - биофильтр с
пластмассовой загрузкой; 5 - вторичный отстойник; 6 - контактный резервуар; 7 иловый резервуар; 8 - резервуар сброженного осадка; 9 - насосная; 10 - хлораторная; 11 бытовые помещения; 12 - трубопровод для подачи сточных вод; 13 - трубопровод для
отвода очищенных сточных вод
В 1967 г. в ЦНИИЭП инженерного оборудования были разработаны рабочие чертежи
сооружений пропускной способностью 200 м3/сут, предназначенных для очистки бытовых
и близких к ним по составу сточных вод от групп зданий и поселков с условным числом
жителей до 1350 при принятой норме водоотведения 150 л/сут на одного человека в
районах СССР со среднегодовой температурой воздуха 3-6°С. Этот комплекс сооружений
(рис.42) рассчитан "а самотечное поступление сточной воды на биофильтры и
предназначен для применения при крутом рельефе местности; при плоском рельефе
местности сооружения механической очистки устраиваются на подсыпке.
89
Рис. 42. Генеральный план очистных сооружений пропускной способностью 200 м3/сут: 1
- песколовка; 2 - двухъярусный отстойник; 3 - биофильтр с пластмассовой загрузкой; 4 смеситель; 5 - вторичный отстойник; 6 - иловый резервуар; 7 - иловые площадки; 8 песковая площадка; 9 - насосная станция с хлораторной; 10 - трубопровод поступающих
сточных вод; 11 - трубопровод очищенных сточных вод; трубопроводы; 01 самотечные; 02 - напорные; 03 - самотечные сброженного осадка; 04 - самотечные
дренажных вод; 05 - самотечные ила; 06 - самртечной хлорной воды; 07 - водопровод; 08
- пескопровод; 09 - самотечных бытовых вод от насосной станции; 010 - аварийные для
сброса сточных вод
Рис. 43. Биофильтр с послойной укладкой блоков: а - поперечный разрез; б и в - схемы
раскладки блоков соответственно в четных и нечетных рядах
90
На очистной станции запроектированы два биофильтра без шатра с блочной
пластмассовой загрузкой из чередующихся гофрированных и плоских листов полиэтилена
или поливинилхлорида толщиной 1-2 мм (длина волны гофра 96 мм и высота 44 мм).
Каждый биофильтр (рис. 43) имеет в плане восьмигранную форму с длиной грани 1 м,
высоту слоя загрузки 3,6 м, объем 18 м3. Ограждающие конструкции биофильтра
выполнены из листов полиэтилена или поливинилхлорида и скреплены металлическим
каркасом. Пластмассовые блоки имеют три типоразмера со стандартной высотой 300 мм.
Блоки типов 1 и 2 имеют в плане прямоугольную форму размерами соответственно
995X590 и 995X674 мм, а блоки типа 3 - прямоугольный треугольник с размерами катетов
695 и 74 мм. Послойная укладка блоков показана на рис. 43. Загрузочный материал имеет
пористость 92%, плотность 80 кг/м3, удельную площадь поверхности 105 м2/м3.
Окислительная мощность такой загрузки по снятой БПК достигает 2 кг/(м3-сут).
В 1972 г. институтом Союзводоканалпроект совместно с кафедрой канализации МИСИ
им. В. В. Куйбышева был выпущен технический проект биофильтров с искусственной
загрузкой. Проект рассчитан на применение по всей территории СССР, за исключением
районов с сейсмичностью более 6 баллов, вечной мерзлоты и районов с
подрабатываемыми территориями.
Биофильтры с искусственной загрузкой запроектированы для биологической очистки
бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод на расход 200 и 1400
м3/сут с различными конструктивными решениями, без привязки к конкретной Площадке.
Биофильтры приняты двухсекционные (каждая секция рабочая). Конфигурация
биофильтров в плане - круглая, квадратная и восьмигранная. В табл. 31 .приведена
характеристика запроектированных биофильтров. Размеры биофильтров определя лись в
зависимости от средних нагрузок для различных типов загрузки из пластмассы и
асбестоцемента (табл. 32) при высоте ее слоя 4 м.
5. Технико-экономические расчеты
Опыт зарубежной практики говорит об экономической целесообразности применения
биофильтров с пластмассовой загрузкой. Капитальные затраты на их строительство в 1,52,5 раза меньше, чем при применении обычных биофильтров, упрощается их
эксплуатация, ускоряется процесс строительства, (которое по существу превращается в
монтаж (рис. 58), сокращаются площади, занимаемые очистными сооружениями, что
особенно важно при неблагоприятных грунтовых условиях.
Рис. 58. Монтаж биофильтров с плоскостной загрузкой: а - блоков в теле биофильтра; б
- погружного биофильтра
91
По данным ЦНИИЭП инженерного оборудования, очистные сооружения, которые имеют
в своем составе биофильтры с пластмассовой загрузкой, занимают значительно меньшую
площадь (табл. 33), чем другие станции биологической очистки (за исключением станций
аэрации). В табл. 34 приведены капитальные затраты на строительство очистных станций
с различными "сооружениями биологической очистки (по данным ЦНИИЭП инженерного
оборудования). Сравнение этих затрат показывает, что капитальные вложения на
строительство станций с пластмассовыми биофильтрами в 2 раза меньше капитальных
вложений на строительство станций с капельными биофильтрами и конкурируют с
вложениями на строительство аэротенков.
Таблица 33. Требуемые площади под сооружения биологической очистки сточных вод в
средней полосе СССР и ширина санитарно - защитных зон
Таблица 34. Капитальные затраты на строительство станций биологической очистки
сточных вод
92
(По типовым проектам 4-18-781; 4-18-810; 4-18-811; 4-18-812; 4-18-820; 4-18-821.)
В институте Союзводоканалпроект проведен выбор оптимального варианта биофильтра с
искусственной загрузкой путем расчета и сравнения приведенных затрат по каждому
техническому решению (см. табл. 81).
Для объективной оценки эффективности биофильтров с различной загрузкой и разных
конструктивных решений показатели эксплуатационных расходов и капитальных затрат
приведены к 1 кг БПК20, снимаемой сооружением в сутки:
П=Сэ+ЕнКв (46)
где Л - приведенные затраты; Сэ - удельные эксплуатационные расходы; Кв- удельные
капитальные вложения; Ен - нормативный коэффициент эффективности.
Результаты расчетов, приведенные в табл. 35, показывают, что оптимальной загрузкой
является загрузка из гофрированного полиэтилена с прокладкой плоскостными листами и
из полиэтилена "сложная волна" с прокладкой плоскими листами.
Таблица 35. Приведенные затраты, тыс. руб., биофильтров различных типов с
искусственной загрузкой
Для биофильтров пропускной способностью 200 м3/сут оптимальным является тип I-4 квадратный биофильтр. Однако (применение реактивного оросителя не позволяет
полностью использовать весь объем загрузки, поэтому равноценным можно считать тип
II-4 - круглый биофильтр. Для биофильтров пропускной способностью 1400 м3/сут
оптимальным являемся ТИП У-4- круглый биофильтр с загрузкой гофриров1анным
полиэтиленом с прокладкой плоскими листами (П = 0,024 тыс. руб.).
Приведенные затраты на биофильтр с загрузкой из пеностекла в 4 раза превышают
приведенные затраты на биофильтр с пластмассовой загрузкой и в 1,6 раза - на биофильтр
с загрузкой из асбестопементных волнистых листов.
В табл. 36 приведено технико-экономическое сравнение биофильтров с (плоскостной
загрузкой и других биологических окислителей.
93
Таблица 36. Технико-экономическое сравнение биофильтров с плоскостной загрузкой с
аэротенками и высоконагружаемыми биофильтрами
(* Комплекс сооружений с биофильтром - в здании, а с аэротенком - на открытом
воздухе. )
(** Биофильтры без учета стоимости здания и других сооружений. )
В институте Союзводоканалпроект проведено технико-экономическое сравнение типового
проекта "Биофильтры с пластмассовой загрузкой с секциями объемом 56 м3 с двумя
другими проектами.
1. Типовой проект 902-2-214 "Высоконагружаемые биофильтры, располагаемые в зданиях,
двухсекционные с размерами секций 12x12 м и высотой слоя загрузки 3 и 4 м". Сравнения
велись при следующих исходных данных: БПКполн сточных вод, поступающих на
биофильтры, 200 мг/л; БПКполн очищенных сточных вод 20 мг/л; среднезимняя
температура сточных вод 10°С; подача сточных вод на биофильтры самотечная;
биофильтры работают без рециркуляции; численность обслуживающего персонала
одинакова. Поскольку четырехсекционные биофильтры с пластмассовой загрузкой при
заданных условиях обеспечивают очистку 3212 м3/сут, а двухсекционные
высоконагружаемые при высоте слоя загрузки 4 м и удельном расходе воздуха 8 м 3/м3
обеспечивают очистку 2880 м3/сут, то технико-экономическое сравнение велось на
условную очистку 1000 м3 сточных вод в сутки.
2. Типовой проект 902-2-102 "Аэротении двухкоридорные" и типовой проект 902-2-110
"Блок насосно-воздуходувная станция подачей 5000 м3/ч по воздуху". Сравнение велась
при следующих исходных данных: БПКполн сточных вод перед биологической очисткой
200 мг/л; БПКполн очищенный сточных вод 15 мг/л; среднезимняя температура сточных
вод 10°С; расчетный расход 4200 м3 сточных вод в сутки.
Основные результаты технико-экономических сравнений, приведенные в табл. 37,
показывают, что годовой экономический эффект составляет 3,04 тыс. руб. на 1000 м3
сточных вод (ори сравнении с высоконагружаемыми биофильтрами) и 13,9 тыс. руб. (при
сравнении с аэротенком). При применении биофильтров с пластмассовой загрузкой
электроэнергии расходуется в 5-7 раз меньше по сравнению с аэротенками.
94
Таблица 37. Основные показатели технико-экономических сравнений биофильтров с
пластмассовой загрузкой с высоконагружаемыми биофильтрами и аэротенками
При одинаковой пропускной способности и равноценном эффекте очистки сточных вод
стоимость очистных сооружений с аэротенками и биофильтрами, а также
эксплуатационные расходы не однозначны. Это вызвано различными расходами
электроэнергии, различными объемами и влажностью избыточной биомассы, наличием
дополнительных сооружений и т. д.
Сопоставление технико-экономических показателей станций аэрации и бкофильтрации
пропускной способностью 10- 100 тыс. м3/сут, проведенное инж. И. М. Жуковым,
показало экономическую целесообразность последних. Следует отметить,что
сопоставление проводилось лишь для БПКполн исходных сточных вод 120 мг/л.
Ниже приводятся результаты сопоставительного анализа технико-экономических
показателей станций аэрации и биофильтрации (пропускной способностью 10 000, 25 000,
50 000 и 100 000 м3 сточных вод в сутки. БПКполн неочищенных сточных вод принята 100,
200 и 300 мг/л, а содержание взвешенных веществ - соответственно 150, 300 и 4.50 мг/л. В
качестве фильтрующей загрузки для Станций биофильтрации применялись гравий и
асбестоцементные листы. Анализ производился комплексно с учетом строительных и
эксплуатационные расходов по вариантам станций (исключались группы сооружений
механической очистки и дезинфекции, а также оплата обслуживающего персонала как
равноценные в обоих вариантах) с учетом новых нормативных материалов.
Принималось, что эффективность работы первичньих отстойников составляет 50%.
Обработка избыточного активного ила и биопленки осуществлялась по схеме: метантанк с
мезофильным режимом сбраживания - иловые площадки; при этом на станциях аэрации
предусматривались илауплотнители. Утилизация газа метантенков учитывалась по
стоимости 2,4 кои. на 1 м3. Подсчет расходов на оплату электроэнергии производился из
95
расчета 0,8 коп. за 1 кВт-ч то двгухютавочному тарифу. Подсчет электроэнергии на
работу вентиляторов в аэрофильтрах сделан из условия подачи воздуха для аэрофильтров
с гравийной загрузкой в течение 245 сут в году (в зимнее время вентиляторы не
работают); для аэрофильтров с асбестоцементной нагрузкой в течение 120 сут (в зимнее
время для подачи подогретого в калорифере воздуха). Стоимость 1 м3 гравийной загрузки
биофильтров 12,5 руб., асбестоцементной-10 руб.
Амортизационные отчисления приняты по нормам, установленным Постановлением
Совета Министров СССР с 1 января 1975 г.; затраты на текущий ремонт в размере 1%
стоимости всех сооружений. Стоимость уборки и вывоза осадка с иловых площадок-1 руб.
за 1 т, а его реализации - 0,5 руб.,за 1 т. Стоимость устройства 1 м2 иловых площадок - б
руб.; их годовая нагрузка - 2 м3 осадка на 1 м2. Стоимость территории очистных
сооружений принята 2,6 руб. за 1 м2.
Конструкции сооружений и их стоимости приняты по типовым проектам.
В качестве примера анализа "иже приводится расчет станций аэрации и биофильтрации
пропускной способностью 25 тыс. м3/сут при БПК20 и содержании взвешенных веществ
неочищенных сточных вод соответственно 200 и 300 мт/л, а также БПК20 очищенных
сточных вод 20 мг/л.
Станция аэрации принята со следующим составом сооружений: два двухкоридорных
аэротенка с размером коридоров 6X4,4X48 м и объемом №=0530 м3, насосновоздуходувная станция на 10 тыс. м3/ч, два метантенка диаметром 15 м, насосная станция
метантенков, два вертикальных илоуплотнителя диаметром 9 м, четыре газгольдера
вместимостью 100 м3 каждый, два вторичных радиальных отстойника диаметром 30 м,
иловые площадки размером 49 300 м2. Площадь, занимаемая аэротенками и
сопутствующими сооружениями, 15 088 м2.
Станции биофильтрации, согласно расчету, приняты с одинаковым составом и размерами
сооружений и отличаются только загрузкой в аэрофильтрах (гравий или
асбестоцементные листы): два аэрофильтра диаметром 30 м, четыре вторичных
радиальных отстойника диаметром 18 м, два метаеттенка диаметром 12,5 м, четыре
газгольдера вместимостью по 100 м3, насосная станция метантенков, насосная стадия
подами сточных вод на аэрофильтры, иловые площадки размером 32 100 м2. Площадь,
занимаемая аэрофильтрами и другими сооружениями, 15 908 м2.
Результаты расчета приведены в табл. 38.
Сопоставление вариантов показывает, что станции биофильтрации дают годовой
экономический эффект по приведенным затратам 40,8-43,4 тыс. руб.
96
Таблица 38. Технико-экономические показатели станций аэрации и биофильтрации
пропускной способностью 25 тыс. м3/сут
По такой же методике были проведены расчеты для сравнения вариантов на другие
расходы. Результаты анализа в зависимости от БПКполн неочищенных сточных вод
приведены на рис. 59. Во всех случаях приведенные затраты меньше в вариантах со
станциями биофильтрации, при этом загрузочный материал из асбестоцементных листов
оказался более предпочтительным.
Рис. 59. Приведенные затраты для канализационных очистных станций с различными
видами биологических окислителей: а - станция с аэротенками; б - станция с
биофильтрами с гравийной или асбестоцементной загрузкой; 1 - при БПК полн
поступающих сточных вод 100 мг/л; 2-то же, 200 мг/л; 3 - то же, 300 мг/л
97
Следует также отметить, что климатические и грунтовые условия, рельеф местности и
лимиты электроэнергии могут сыграть значительную роль в выборе тех или иных видов
биологических окислителей. Например, крутой рельеф местности позволит отказаться от
перекачивания осветленных вод на биофильтры; благоприятные климатические условия,
особенно в южных районах, позволят отказаться от подачи подогретого воздуха в зимнее
время в биофильтры с асбестоцементной загрузкой; тяжелые грунты и связанные с этим
фактором условия производства земляных работ окажутся на выборе типа окислителя с
меньшими габаритами и малой глубиной заложения. Эти и другие местные условия
естественно не могут быть отражены в общем расчете. Но в каждом конкретном случае
они, по-видимому, будут направлены на уменьшение строительных и эксплуатационных
затрат при варианте со станциями биофильтрации. Большое значение имеет также выбор
типа биологического окислителя в районах с повышенной сейсмичностью; в этом случае
биофильтры - относительно более надежная конструкция.
98
Таблица 31. Характеристика биофильтров с искусственной загрузкой
99
Таблица 32.
биофильтров
Основные
показатели
плоскостных
загрузочных
материалов
для
Описание рекомендованных этим проектом типов загрузки приведено ниже.
Загрузка из полиэтилена "сложная волна" представляет собой листы, гофрированные в
двух направлениях с высотой волны 60 мм, изготовляемые вакуумным формованием из
полиэтилена высокой плотности (низкого давления). Листы размером 500X500 мм и
толщиной 1 мм собираются в блоки с помощью сварки. Размер блоков 500X700X500 мм.
Для загрузки биофильтров, имеющих в плане форму многоугольника или круга,
изготовляются дополнительно треугольные блоки.
Загрузка из полиэтилена "сложная волна" с прокладкой плоскими листами отличается от
предыдущей загрузки тем, что листы "сложная волна" прокладываются плоскими
полиэтиленовыми листами толщиной 1 мм. При этом увеличивается удельная площадь
поверхности загрузочного материала и повышается жесткость блоков загрузки.
Соединяются листы загрузки между собой также на сварке. Размеры блоков аналогичны
размерам блоков без прокладки.
Загрузка из гофрированного полиэтилена представляет собой листы с продольным и
поперечным гофром. Листы с продольным гофром выпускаются длиной 1700-2000 мм и
шириной 900-1100 мм; высота гофра 16 мм, шаг 75 мм. Листы с поперечным гофром
выпускаются длиной 1700-2000 мм и шириной 1000-1200 мм; высота гофра 25 мм, шаг
140 мм. Для загрузки биофильтров может быть применен гофрированный полиэтилен и
других разновидностей, однако предпочтительней применение листов с продольной
волной. Листы можно соединять в блоки путем сварки или на штырях. Просверленные
листы нанизывают на пластмассовую трубку диаметром 10-20 мм с резьбой на концах,
между листами на трубках устанавливают шайбы из пластмассовой трубы большего
диаметра, которая имеет длину, равную необходимому расстоянию между I листами.
Собранный блок стягивают гайками, которые могут быть также из I пластмассы (рис. 44,
а, б). Загрузка из гофрированного полиэтилена с прокладкой плоскими листами
выполняется так же, как и загрузка из гофрированного полиэтилена без прокладок.
Размеры блоков такие же, как и у полиэтилена без прокладок.
Загрузка из пеностекла - высокопористый теплоизоляционный материал, сформованный в
виде блоков из тонкоизмельченного стекла с пенообразователем. Блоки выпускают
размерами 375X375X100 и 450X450X120 мм. В блоках просверливают отверстия
диаметром 30 мм с шагом 50 мм. Геометрическая удельная площадь адсорбции с учетом
100
неровности поверхности пеностекла достигает 70 м2/м3. Масса 1 м3 загрузки составляет
190 кг. Загрузку укладывают в биофильтр таким образом, чтобы отверстия верхнего ряда
были смещены наполовину диаметра отверстий нижнего ряда. Для заполнения
криволинейных участков (для круглых биофильтров) или углов (для восьмигранных
биофильтров) из прямоугольных блоков выпиливают куски с криволинейной стороной
или треугольные.
Загрузка из асбестоцемента представляет собой кровельные волнистые асбестоцементные
листы усиленного профиля. Размер листа 994X2000 мм, толщина 8 мм; высота волны 50
мм, шаг 167 мм. Из асбестоцементных листов собирают блоки на болтовых соединениях
или без них. Размер блока 1829X174 мм (рис. 44, в, г, д). Асбестоцементную загрузку
можно собирать непосредственно в биофильтре из отдельных гофрированных
асбестоцементных листов с прокладкой плоскими листами; из гофрированных листов,
повернутых относительно друг друга на 90°, или из листов с различной высотой гофра.
Рис. 44. Соединение плоскостных загрузок в блоки: а - полиэтиленовый блок; б
соединение полиэтиленового блока; в - блок из асбестоцементных листов; г и д
соединение асбестоцементного блока соответственно внахлестку и встык; 1
пластмассовые или асбестоцементные листы; 2, 3 - поливинилхлоридные трубки; 4
стяжные гайки; 5 - резиновые прокладки; 6 - болты
101
-
Водораспределительная система биофильтров запроектирована из расчета подачи сточных
вод на биофильтр насосами, которые работают 16 ч в сутки. При остановке насосов более
чем на 30 мин в часы минимального притока автоматически включается
рециркуляционный насос, подающий сточные воды из вторичного отстойника.
Регулирующей емкостью служит камера сточных вод перед насосной станцией.
Для биофильтров пропускной способностью 200 м3/сут устанавливают насосы 1,5 К-8/19а
с подачей 13,5 м3/ч и мощностью электродвигателя 1,5 кВт, обеспечивающие напор 11,2
м; для биофильтров пропускной способностью 1400 м3/сут - насосы 4К-90/20а с подачей
90 м3/ч и мощностью электродвигателя 5,5 кВт, обеспечивающие напор 14,3 м.
Для биофильтров пропускной способностью 200 м3/сут приняты двухтрубные реактивные
оросители (рис.45). Расчетный расход ]а каждый ороситель составляет 6,75 м3/ч. Диаметр
оросителя Dор = 1500 мм; dтр=50 мм; nотв=10; dотв = 15 мм; hор=194 мм m0=13 мин-1.
При отключении одной из секций биофильтра на реактивный ороситель подается до 70%
общего расхода и hор = 380 мм.
Рис. 45. Реактивный ороситель двухтрубный
Для биофильтров пропускной способностью 1400 м3/сут приняты четырехтрубные
реактивные оросители (рис. 46). Расчетный "расход на каждый ороситель составляет 45
м3/ч. Диаметр оросителя Dор =5,6 мм; dтр = 80 мм; потв = 40; dотв = 15 мм; hор =781 мм и
m0=8 мин-1.
102
Рис. 46. Реактивный ороситель четырехтрубный
Для квадратных в плане биофильтров пропускной способностью 1400 м3/сут
предусматривается установка спринклерного оросителя, разработанного по принципу
водораспределения пленочной градирни с соплами тангенциального типа. Такая
водораспределительная система дает равномерную плотность орошения поверхности
загрузки. В качестве разбрызгивателей применяются тангенциальные пластмассовые
сопла размером 20X12 мм. Расчетный расход на одно сопло при напоре 3 м составляет
0,41 л/с. Требуемое число сопел на каждую секцию биофильтра равно 30. Приняты четыре
распределительные трубы диаметром 50 мм, которые располагаются над загрузкой на
высоте 1 м. При такой высоте и напоре 3 м радиус факела разбрызгивания rф=0,7 м.
На рис. 47 приведен генеральный план очистных сооружений на расход 1400 м 3/сут. В
составе очистных сооружений предусмотрены решетка (в отдельно стоящем здании),
песколовки и двухъярусные отстойники (на открытом воздухе в насыпи), биологические
фильтры (либо в отдельном здании, совмещенном с насосной станцией подкачки сточных
вод на биофильтр, с иловой насосной, хлораторной, вентиляционной камерой, бытовыми
и административными помещениями, либо на открытом воздухе, если позволяют
климатические условия), вторичные отстойники, контактный резервуар и иловые
площадки (на открытом воздухе).
103
Рис. 47. Генеральный план очистных сооружений пропускной способностью 1400 м3/сут:
1 - решетки; 2 - песколовки; 3 - двухъярусные отстойники; 4 - здание биофильтров с
пластмассовой загрузкой; 5 - вторичные вертикальные отстойники; 6 - смеситель; 7 контактный резервуаре; 8 - песковая площадка; 9 - иловые площадки; 10 - приемная
камера; 11 - трубопроводы для подачи сточных вод; 12 - трубопроводы для отвода
очищенных cточных вод. Трубопроводы: 01 - осадка из песколовки на песковую площадку;
02 - ила, из двухъярусных отстойников на иловые площадки; 03 - ила из вторичного
отстойника; 04 - хозяйственно-питьевого водопровода; 05 - технического водопровода;
06 - рециркуляционных вод, 07 - хлора
Подача сточных вод на биофильтр может быть напорной с помощью насосной станции
подкачки или самотечной. При самотечном режиме коэффициент неравномерности
поступления стоков для Q = 200 м3/сут составляет 2,6, а для Q=1400 м3/сут-1,4. Поэтому
для равномерной подачи сточных вод на биофильтр или устанавливают регулирующий
резервуар, или предусматривают рециркуляцию сточных вод в часы минимального
притока.
Биофильтры квадратные в плане (типы I, IV) конструктивно решены с ограждающими
конструкциями из асбестоцементных листов по металлическому каркасу; восьмигранной
формы в плане (типы III, VI) - с ограждающими конструкциями из стеклопластика по
металлическому каркасу; круглой формы в плане (типы II, V) -с ограждающими
конструкциями из безнапорных железобетонных труб по ГОСТ 6482.0-79 или из сборных
железобетонных сегментных блоков, используемых при строительстве силосных башен и
цементных складов.
На рис 48-51 приведено несколько примеров конструктивных решений биофильтров с
плоскостной загрузкой, рассчитанных на расходы сточных вод 200 и 1400 м3/сут, разной
конфигурации в плане с различными видами загрузочного материала. Варьируя
типоразмеры этих биофильтров, можно проектировать очистные сооружения на расходы
400, 600, 800, 2800 м3/сут и т. д.
104
Рис. 48. Биофильтр круглой формы в плане пропускной способностью 200 м3/сут с
пластмассовой загрузкой: 1 - корпус из железобетонной трубы; 2 - пластмассовая
загрузка; 3 -решетка; 4 - бетонные столбовые опоры; 5 - подводящий трубопровод; 6 реактивный ороситель; 7 - отводящие лотки
105
Рис. 49. Биофильтр прямоугольной формы в плане пропускной способностью 200 м3/сут с
пластмассовой загрузкой: 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
106
Рис. 50. Биофильтр круглой формы в плане пропускной способностью 1400 м3/сут с
пластмассовой загрузкой: I и II - раскладка блоков в нечетных и четных рядах; 1- корпус
из сегментных сборных железобетонных блоков; 2 - пластмассовая за1рузка; 3 решетка; 4 - бетонные столбовые опоры; 5 - подводящий трубопровод; 6 - реактивный
ороситель; 7 - отводящие лотки
107
Рис. 51. Биофильтр пропускной способностью 1400 м3/сут с асбестоцементной
загрузкой: 1 - корпус из асбестоцементных листов по металлическому каркасу; 2 асбестоцементная загрузка; 3 - решетка; 4 - бетонные столбовые опоры; 5 - подводящий
трубопровод; 6 - спринклерная разводящая сеть; 7 - отводящие лотки
В 1978 г коллективом института Союзводоканалпроект разработан экспериментальный
проект биофильтров с пластмассовой загрузкой с секциями объемом 56 м 3,
предназначенных для очистки бытовых и близких к ним 1по составу производственных
сточных вод. Проект разработан для двух-, четырех- и шестисекционных биофильтров,
рассчитанных на пропускную способность от 1000 до 9600 м3/сут при БПК полн
поступающих сточных вод от 100 до 250 мг/л с доведением БПК полн очищенных
сточных вод до 20 мг/л. Подвод сточных вод к биофильтрам запроектирован в двух
вариантах: насосами и самотеком. Распределение воды по поверхности осуществляется
реактивными оросителями диаметром 3,8 м. Загрузка биофильтра выполнена из
гофрированных полиэтиленовых блоков с удельной площадью поверхности 126 м2/м3,
пористостью 92,5% и плотностью 70 кг/м3; общая высота слоя загрузочного материала 4
м. Биофильтры располагаются в здании с размерами в плане 6X12, 12X15 и 12X18 м
соответственно для двух-, четырех- и шестисекционных биофильтров. На рис. 52
приведен пример компоновки шестисекционных биофильтров.
108
Рис. 52. Шестисекционный биофильтр с пластмассовой загрузкой: 1 - напорный
трубопровод сточных вод; 2 - самотечный трубопровод сточных вод; 3 - реактивный
ороситель; 4 - секции биофильтра объемом 56 м3; 5 - лоток для отвода отработанных
сточных вод; 6 - подвесной ручной кран
Комплекс очистных сооружений для первой ступени биологической очистки сточных вод
дрожжевого завода разработан институтом Союзводоканалпроект. Погружные
вращающиеся биофильтры, установленные в циркуляционном канале, предназначены для
очистки 600 м3/сут высококонцентрированных сточных вод с начальной БПКполн 3000
мг/л; требуемая степень очистки 72%.
Очистные сооружения включают два циркуляционных канала, вместимость которых
обеспечивает 6-часовое пребывание в них обрабатываемой сточной воды.
Циркуляционные каналы состоят каждый из широкого и узкого лотков шириной
соответственно 3 и 1,5 м. В широких лотках каналов установлено по четыре ступени
погружных биофильтров - в одном канале дисковые, в другом барабанные; диаметр
дисков и барабанов принят равным 3 м, частота вращения 1,85 мин-1. Подача сточной
воды и отвод обработанной сточной воды осуществляются через зубчатые водосливы
(рис. 53).
109
Рис. 53. Установка погруженных вращающихся биофильтров: 1 - трубопровод для
подачи сточных вод; 2 - распределительный лоток с зубчатым водосливом; 3 циркуляционный канал; 4 - погруженные дисковые вращающиеся биофильтры; 5 сборный лоток с зубчатым водосливом; 6 - трубопровод для опорожнения
циркуляционного канала; 7 - трубопровод для овода обработанных сточных вод; 8 погруженные барабанные вращающиеся биофильтры; 9 - крытый павильон
Дисковые биофильтры выполняются в двух вариантах (алюминиевые или полиэтиленовые
диски); число дисков в одном пакете соответственно 118 и 104; толщина дисков 2 и 5 мм;
расстояние между дисками 22 и 25 мм; рабочая площадь поверхности одного пакета 1660
и 1460 м2. Барабанный биофильтр состоит из каркаса, обтянутого сеткой. Барабан
разделен на шесть секторов, заполненных загрузочным материалом. В качестве
загрузочного материала приняты полиэтиленовые трубы; площадь поверхности
загрузочного материала в одном барабане 1530 м2.
В РПКБ МПП БССР для очистки сточных вод спиртового завода запроектированы и
построены погружные вращающиеся барабанные биофильтры пропускной способностью
700 м3/сут. Каркасы барабанов обтянуты металлической сеткой и заполнены элементами,
выполненными из некондиционных пластмассовых труб. Сточные воды, проходя через
элементы загрузки, оставляют на их поверхности загрязнения, сорбируемые
образовавшейся биопленкой. Барабанные биофильтры установлены в две технологические
линии по три ступени биофильтров в каждой линии. Погружные биофильтры
конструктивно располагаются в три яруса по два барабана в каждом ярусе (рис. 54).
Барабаны, имеющие диаметр 2 м и длину 2,7 м, медленно вращаются в емкостях, через
которые протекает обрабатываемая сточная вода.
110
Рис. 54. Схема трехступенчатых погружных вращающихся барабанных биофильтров: 1трубопровод для подачи сточных вод; 2 - резервуары; 3 - вал; 4, 5, 6 - барабанные
биофильтры соответственно 1-, 2- и 3-й ступени; 7 - отстойник
При разработке компактных (сблокированных сооружений в ряде случаев в качестве
биологических окислителей нашли применение и биофильтры. Например, такая установка
под названием "Моноблок" запроектирована французской фирмой "Дегремон". Данная
установка рассчитана для очистки сточных вод населенных пунктов с числом жителей от
500 до 9000 чел. В основу конструкции установки положена биологическая очистка на
высоконагружаемом биофильтре с равномерной подачей на него в течение суток
осветленных в первичном отстойнике сточных вод. Эта установка, круглая в плане и
многоярусная по вертикали, состоит из высоконагружаемого биофильтра, занимающего
верхний ярус (рис. 55), среднего цилиндрического помещения большой высоты,
переходящего в центральную шахту, и нижнего конического отделения с отсеками для
первичного и вторичного отстаивания и сбраживания осадка. Среднее цилиндрическое
помещение и шахта предназначены для размещения вентилятора, насосов и
трубопроводов различного назначения и для устройства междудонного пространства
биофильтра.
Рис. 55. Схема станции 'Моноблок': а - разрез по первичному отстойнику и
сбраживателю; б - разрез по вторичному отстойнику; 1 - трубопровод для подачи
сточной воды; 2 - лоток первичного осветления; 3 - машинный зал и шахта; 4 111
биофильтр; 5 - междудонное пространство биофильтра; 6 - первичный отстойник; 7 сбраживатель; 8 - вторичный отстойник; д - трубопровод для выпуска очищенной воды;
10 - камера для сбора и осветления рециркуляционной воды
Осветленные сточные воды, пройдя первичный отстойник, равномерно насосами
подаются на биофильтр. Управление насосами автоматическое с помощью часовых
механизмов. Неравномерность притока сточных вод на установку выравнивается
емкостями первичного отстойника и сбраживателя. Это достигается тем, что лоток
первичного осветления, подводящий сточную воду в первичный отстойник, проходит
через сбраживатель и имеет щель для отведения оседающих в нем взвешенных веществ в
сбраживатель. Через эту же щель происходит движение воды из лотка в сбраживатель и
обратно. Часть биологически очищенной воды, собирающейся в зоне потолка машинного
зала, отводится по трубопроводу в камеру рециркуляции, где она осветляется от
биопленки, которая проваливается в сбраживатель, а затем перетекает в первичный
отстойник, откуда возвращается на биофильтр. Осевший осадок в первичном и вторичном
отстойниках периодически перекачивается в сбраживатель, работающий без подогрева.
Сброженный осадок выпускается на иловые площадки.
Такая станция, рассчитанная на прием сточных вод населенного пункта с числом жителей
8000 чел., действует во Франции, в г. Роморантане. Фактически на очистную станцию
поступает сточных вод в 1,5 раза больше. Поступающие сточные воды имеют БПК5 от 170
до 310 мг/л, ХПК от 410 до 1100 мг/л и взвешенных веществ от 130 до 530 мг/л. В
результате очистки БПК5 снижается на 90%, ХПК - на 75%, а содержание взвешенных
веществ - на 75-94%. Как показывает опыт эксплуатации данной установки, станция
работает вполне удовлетворительно, хотя наличие большого количества жиров и масел
осложняет эксплуатацию установки, а отсутствие обогрева септической части сооружения
приводит к сравнительно невысокой степени минерализации осадка. Наиболее уязвимым
(местом данной станции являются насосы, которые в связи с необходимостью
рециркуляции находятся постоянно в работе. Наличие решеток с ручным удалением
загрязнений является причиной частого забивания спринклеров.
В Финляндии для очистки сточных вод отдельно стоящих зданий (школ, больниц,
пансионатов и т.д.) применяются компактные установки, рассчитанные на расход сточных
вод от 1,5 до 9 м3/сут и обеспечивающие полную их биологическую очистку.
Очистные сооружения состоят из трех (колодцев и биологической установки. Первые два
колодца являются по существу септиками. В третьем колодце размещается вторичный
отстойник. Плавающий насос обеспечивает подачу 10-50 л/мин сточных вод на высоту 512 м в верхнюю часть биологической установки. Насос автоматически включается 6-12
раз в 1 ч и работает по 10- 60 с.
Биологическая установка представляет собой шкаф вместимостью 560 л, работающий по
принципу биофильтра. Внутри шкафа по вертикали расположены 10 фильтрующих
вкладышей из стекловолокна, на которых образуется биопленка. Воздух подается
вентилятором мощностью 10 Вт, а периодический подогрев производится нагревательным
элементом.
Более компактной является установка, показанная на рис. 56. Осветление сточных вод
происходит в отстойных камерах. Плавающим насосом сточные воды подаются на
биологическую установку, откуда поступают во вторичный отстойник. Обеззараживаются
эти воды гипохлоритом натрия.
112
Рис. 56. Компактная очистная станция малой пропускной способности 1 - трубопровод
для подачи сточной воды; 2 - отстойные камеры; 3 - насосный колодец; 4 - плавающий
насос; 5 - шланг от насоса к биологической установке; 6 - биологическая установка; 7 трубопроводы для подачи сточных вод к вторичному отстойнику; 8 - вторичный
отстойник; 9 - трубопроводы для выпуска очищенных сточных вод; 10 - сосуд для
раствора гипохлорита; 11- отверстие для заполнения сосуда; 12 - труба для подачи
раствора гипохлорита; 13 - патрубок; 14 - люк для контроля и опорожнения
Институтом Казводоканалпроект разработано сооружение, в котором сблокированы
двухъярусный отстойник и биофильтр высотой 8 м. Распределение сточной воды по
поверхности биофильтра, загруженного щебнем, осуществляется с помощью дырчатой
решетки с отверстиями диаметром 6 мм под напором 200 мм (рис. 57). Для осуществления
нормального хода биологических процессов в теле биофильтра под поддерживающую
решетку подается воздух. Пропускная способность сооружения 1200 м3/сут. Допустимая
нагрузка по БПКполн (при БПКполн неочищенных и очищенных сточных вод
"соответственно 150 и 20 мг/л; температура 8°С) составляет 800 г/(м3-сут).
113
Рис. 57. Схема биофильтра, сблокированного с двухъярусным отстойником: 1 трубопровод для подачи сточных вод; 2 - кольцевой отстойный желоб; 3 - дырчатый
распределитель; 4 - лоток для подачи осветленной воды на биофильтр; 5 - загрузка
биофильтра; 6 - поддерживающая решетка; 7 - трубопровод для отвода обработанной
сточной воды; 8 - трубопровод для подачи воздуха; 9 - камера сбраживания; 10 илопровод
Следует отметить целесообразность применения плоскостной загрузки при реконструкции
станций биофильтрации. В этом случае объемная (гравийная, коксовая и др.) загрузка
вынимается из биофильтров, а вместо нее загружается плоскостная, что позволяет в 3-4
раза увеличить окислительную мощность высоконагружаемых биофильтров и в 8-10 раз капельных. При замене загрузочного материала следует увеличить пропускную
способность или изменить систему водораспределения; нарастить стенки биофильтров
так, чтобы слой нового загрузочного материала имел высоту не менее 3-4 м. Кроме того,
следует ввести дополнительные сооружения механической очистки, вторичные
отстойники и сооружения по дезинфекции сточных вод.
V. Рекомендации по пуску и эксплуатации биофильтров
Пуск в эксплуатацию биофильтров производится персоналом станции с привлечением
специализированные наладочных организаций.
В связи с тем что для нормальной работы биофильтров требуется предварительное
образование на поверхности загрузки микрофлоры (биопленки), пуск од в эксплуатацию
рекомендуется производить в теплое время года, когда температура сточных вод не
опускается ниже 17-18°С,
Пусковой период работы биофильтра с объемной загрузкой начинается с промывки тела
биофильтра 'для удаления из него песка, мусора и мелких частиц загрузочного материала.
Все эти отбросы собираются во вторичных отстойниках или в поддонах биофильтров. При
пуске в работу биофильтров проверяют расход сточных вод через спринклерные головки,
который должен быть в 1,5 раза больше притока. Спринклеры устанавливают на одной
114
отметке. Минимальный напор должен превышать все местные и линейные сопротивления;
при недостаточном минимальном напоре колпак бачка вместе с внутренней трубой
приходится поднимать на величину, равную сумме сопротивлений плюс 200 мм.
После промывки на биофильтры в течение нескольких дней подают сточные воды в
небольшом объеме (0,1-0,25 расчетной нагрузки). Затем, как только в выходящей из
биофильтра сточной жидкости будет обнаружено резкое понижение содержания
аммонийного азота и наличие нитратов, нагрузку постепенно увеличивают, доводя ее до
расчетной. Период "созревания" биофильтра продолжается в теплое время года, как
правило, 1 мес,
Для заселения биофильтра микрофлорой (образования биопленки) можно использовать
активный ил или выносимую с очищенной водой биопленку из работающих
биоокислителей. Поверхность биофильтра орошают в течение 1-2 сут небольшой порцией
ила (биопленки) для распределения хлопьев ила или биопленки на поверхности
загрузочного материала, что интенсифицирует процесс образования и развития
микрофлоры биопленки.
При отсутствии работающих биоокислителей биофильтр следует орошать отстоенной
бытовой сточной водой с добавлением очень небольшого расхода производственных
сточных вод. После орошения на сооружение начинают подавать бытовую сточную воду с
добавлением производственной сточной воды или разбавленный производственный сток
(БПКполн не должна превышать 100 мг/л) при гидравлической нагрузке 0,5 м3 сточной
воды на 1 м3 объема загрузочного материала в сутки. Затем нагрузку можно повысить до 1
м3/(м3·сут). По мере получения устойчивых результатов очистки концентрацию
загрязнений в очищаемой сточной воде постепенно повышают, увеличивая расход
производственных сточных вод.
В конце пускового периода при передаче биофильтров в эксплуатацию снимают
показатели по составу сточных вод перед биофильтрами и после них.
Нормальная работа биофильтров определяется расчетной нагрузкой на единицу объема
или площади поверхности загрузочного материала, равномерным распределением сточной
воды по поверхности биофильтра, обеспечением достаточного доступа воздуха внутрь
биофильтра, (поддержанием в надлежащем состоянии загрузочного материала.
При определении нагрузки на биофильтр кроме расхода сточной воды 'имеют большое
значение концентрация органического вещества, оцениваемая по БПК полн и БПК5, И масса
взвешенных веществ, поступающих на биофильтр.
Дозирующие приспособления для распределения воды по поверхности окислителя
необходимо регулярно осматривать и ремонтировать. Во избежание их засорения
листьями или плавающими предметами желательно на пути движения сточных вод от
отстойника иметь в подводящем канале решетку с прозорами 1 см (либо с такими же
прозорами, как у входных решеток) . Нормальная эксплуатация обеспечивается
ежедневным осмотром и очисткой засорившихся отверстий и периодической промывкой
трубопроводов с выпуском воды через специально для этого оставляемые заглушки на
отдельных участках сети.
Наиболее равномерное распределение очищаемой сточной воды но поверхности
биофильтра достигается при подвижных оросителях; менее равномерное орошение
получается при неподвижных разбрызгивателях (спринклерах) и особенно при
115
качающихся желобах. Неравномерное распределение сточной жидкости ухудшает степень
ее очистки.
Продолжительность цикла орошения биофильтра (наполнение и опорожнение
дозирующего бачка или качающегося желоба) целесообразно принимать 5-10 мин. С
увеличением промежутков между двумя орошениями уменьшается продолжительность
(пребывания сточной воды в теле биофильтра, что неблагоприятно отражается на
процессе очистки.
Засорения отверстий спринклерных головок и отверстий распределительных труб
реактивных оросителей необходимо немедленно устранять. Увеличение срока
опорожнения дозирующего бака при спринклерном распределении сточной воды
свидетельствует об уменьшении пропускной способности оросительной системы
вследствие биообрастания труб. В качестве мер борьбы с биообрастанием труб
рекомендуется применять их механическую прочистку и промывку.
Промывную воду следует сбрасывать, минуя загрузочный материал, в первичный или, в
крайнем случае, во вторичный отстойник. В случае неэффективности такой меры
возможно периодическое хлорирование подаваемой в трубы сточной воды при
обязательном условии исключения попадания хлорированной воды на биофильтры. Доза
избыточного хлора должна составлять 5-10 мг/л. Таким же способом восстанавливают
пропускную способность реактивных оросителей.
Необходимо обеспечить достаточное поступление воздуха в биофильтры. Отсутствие
понижения активной реакции и более или менее одинаковое содержание растворенного
кислорода в очищенной воде, взятой в различных биофильтрах на отдельных участках,
указывают на достаточную аэрацию.
При применении (искусственной аэрации большое значение имеет
вентиляторов. Устанавливаемые на входных отверстиях вентиляторов
регулярно прочищать; необходимо следить также за правильной
воздуховодов (особенно в зимнее время) и распределением воздуха
биофильтрам.
четкая работа
сетки следует
эксплуатацией
по отдельным
Перерывы в орошении аэрофильтров три сохранении продувки воздухом сопровождаются
повышением температуры в теле фильтра до 50-60°С и появлением неприятного запаха,
связанного с разложением отмирающей биопленки. Выключение отдельных аэрофильтров
в том случае, когда они расположены близко от населенного пункта или в направлении
господствующих ветров, допускается как исключение. Контроль за состоянием и работой
воздухоподающих и воздухораспределительных устройств следует вести постоянно. При
наличии нескольких аэрофильтров необходимо обеспечить подачу равных объемов воз*
духа на каждый из них.
Если температура поступающей сточной воды на биофильтр и, следовательно, в теле
биофильтра опускается ниже 10°С, необходимо особенно тщательно поддерживать
нормальные условия эксплуатации, так как при несоблюдении их возможно нарушение
процесса нитрификации, восстановить который при низких температурах не удается даже
при очень резком и длительном уменьшении нагрузки.
Биофильтр в основном обогревается сточной водой, поэтому в некоторых случаях
целесообразно присоединять к канализации трубопроводы заведомо чистых горячих
116
конденсационных вод или условно чистых сточных вод и добавлять их к сточной воде,
поступающей на биофильтр, при понижении ее температуры ниже 60°С.
Отрицательное влияние на работу биофильтров зимой (на открытом воздухе) оказывает
ветер, поэтому для нормальной эксплуатации желательна противоветровая защита
(посадка деревьев или установка щитов).
Неравномерность притока сточных вод следует устранять любыми методами
выравнивания притока (в том числе и рециркуляцией сточных вод). При коэффициенте
неравномерности поступления сточной воды, превышающем 1,5, эффект работы
биофильтра резко снижается, особенно зимой.
Нарушения в работе биофильтров могут быть вызваны поступлением производственных
сточных вод, содержащих вещества, токсически действующие на микроорганизмы
биопленки. Восстановление нормальной работы после прекращения поступления
токсически действующих веществ протекает быстрее при некотором уменьшении
нагрузки на биофильтры.
Резкое ухудшение качества очищенной сточной воды может быть вызвано также
образованием в толще биофильтров непроходимых для воды и воздуха слоев загрузочного
материала - застойных зон, что является причиной выключения из работы значительных
объемов загрузки биофильтра. Застойные зоны образуются в тех местах, где сосредоточен
неоднородный по крупности загрузочный материал, содержащий значительное
/количество мелких фракций. Заболачивание (заиливание) является также следствием
ухудшения условий аэрации и неравномерности орошения биофильтров.
Масса и состав биопленки в различных по высоте слоях биофильтра неодинаковы. На
поверхности биофильтра пленка образуется быстро и достигает большой величины.
Скорость роста биопленки и ее масса зависят от состава очищаемой воды и концентрации
органических веществ в ней. В нормально работающем биофильтре прирост биопленки,
ее отмирание и вынос более или менее одинаковы. Но в тех случаях, когда очищаемая
сточная вода дает большой прирост бактерий и когда в зимнее время в верхнем слое
загрузочного материала образуется значительное количество биопленки, это может
повлечь за собой кратковременное заболачивание биофильтра. Устойчивое заболачивание
поверхности биофильтра чаще всего наблюдается при его перегрузке.
Мероприятия по устранению застойных зон в теле биофильтра намечаются после
обследования состояния загрузочного материала. В качестве меры борьбы с
заболачиванием рекомендуется промывать верхний слой загрузочного материала,
предварительно вынув его из биофильтра. После промывки "материал укладывают
обратно, потери его компенсируют новым промытым материалом той же крупности.
Перелопачивание или перештыковка верхних слоев загрузочного материала, в том числе
перештыковка одновременно с промывкой, не рекомендуется, так как это ведет к
загрязнению и заболачиванию более глубоких слоев биофильтра, и допускается только
при заболачивании отдельных участков биофильтра.
Выносу пленки из биофильтра способствуют питающиеся ею личинки, мухи психода,
клещи, черви. Наибольшее число личинок бывает весной и осенью, вследствие чего в эти
периоды наблюдается наибольший вынос пленки. В связи с положительной ролью
личинок уничтожать их не следует.
117
Если борьба с заиливанием не дает положительных результатов, необходимо провести
ситовой анализ загрузки и в соответствии с его результатами произвести полную или
частичную замену загрузки однородным, хорошо отмытым материалом (содержание
мелочи и плиток не должно быть более 5%).
Особое внимание следует обращать на рециркуляцию сточных вод. Необходимо строго
выдерживать норму рециркуляции, установленную для определенных биофильтров,
систематически проверять ее величину и качество выходящих сточных вод.
Рециркуляцию, если она необходима, осуществляют перекачиванием осветленной во
вторичных отстойниках сточной воды на биофильтры.
Работу биофильтра контролируют не реже 1 раза в декаду путем сопоставления состава
среднесуточных проб поступающей
на биофильтр и выходящей из него сточной воды. Показатели работы биофильтров
заносят в ведомость учета (табл. 39).
Таблица 39. Ведомость учета работы биофильтров
Оценивать работу биофильтра следует не только по санитарно-химическим анализам
(БПК, ХПК, перманганатной окисляемости, рН, содержанию взвешенных веществ, азота,
нитратов, фосфатов, хлоридов и др.) и анализам на специфические продукты, зависящие
от вида производственных сточных вод, но также и по регулярным гидробиологическим и
микробиологическим анализам. Микроорганизмы биопленки весьма чутко реагируют на
нарушение нормальной работы биофильтра. Показателями хорошей работы биофильтра
является наличие круглоресничных инфузорий (Opercularia, Epistylis, Carchesium,
Vorticella convallaria) при условии нормальной работы их реснитчатого аппарата;
брюхореоничных инфузорий (Stylonychia mytylus, Oxytricha pellionella, Euplotes patella,
Aspidisca costata; коловраток (Phillionella, Notommata, Cathypna, Monostyla, Colurus) при
нормальной работе коловращателыюго аппарата; червей (Аеоlosoma) с жировыми
включениями; бесцветных жгутиковых (Flagellatae) при развитии их в небольших
количествах в верхних слоях биофильтра.
При ухудшении работы биофильтра (иначе говоря, при его перегрузке) бесцветные
жгутиковые встречаются уже в нижних слоях; (появляются равноресничные инфузории
(Paramaecium,Colpidium, Cyclidium Amphileptus); реснитчатый аппарат коловраток и
круглоресничных инфузорий сжимается, и они отмирают; в значительных количествах
появляются круглые черви (Nematodes).
118
При засорении днища биофильтра, а также вентиляционных и дренажных каналов следует
промывать их сильной струей воды из водопровода, а в случае надобности прочищать
штангами и ершом. Осадок, выносимый из биофильтров во вторичные отстойники,
состоит главным образом из хлопьев активного ила, образующего биологически активную
пленку на поверхности загрузочного материала из умерших и живых организмов фауны,
заселяющих тело биофильтра.
Осадок из вторичных отстойников удаляют не реже 1 раза в сутки зимой и 3 раз летом
перекачиванием в сточную воду перед первичным отстойником или непосредственно в
метантенки. Стенки вторичных отстойников, в которые поступает сточная вода после
биофильтра, их днища и углубления для осадка следует периодически очищать.
Применение плоскостных загрузочных материалов позволяет упростить пуск и
эксплуатацию биофильтров. Отпадает необходимость их промывки перед пуском и
искусственной подачи воздуха.
Благодаря высокой пористости загрузочного материала (80- 90%) такие биофильтры не
заиливаются даже при значительных перегрузках то БПК и взвешенным веществам. Это
обстоятельство позволяет в ряде случаев отказаться от первичных отстойников или
значительно уменьшить продолжительность отстаивания.
При выключении одного из биофильтров на профилактический осмотр или ремонт
необходимо задвижками, установленными перед биофильтрами, отрегулировать
равномерность поступления сточной воды на работающие сооружения.
Плоскостную загрузку в тело -биофильтра укладывают таким образом, чтобы исключить
возможность "проскока" неочищенной сточной воды через тело биофильтра.
Для обеспечения достаточного количества притока воздуха в наружных стенах
биофильтра между колосниковой решеткой и днищем устраивают окна.
Для ускорения ввода биофильтра с плоскостной загрузкой в эксплуатацию и для быстрого
наращивания биопленки сточные воды следует подавать на очистку исходя из полного
расчетного расхода. Желательно добавлять в сток активный ил или избыточную
биопленку, если на очистной станции имеются работающие биоокислители или возможна
доставка активного ила или биопленки с других очистных сооружений. Биопленку
наращивают в среднем за три-четыре недели на различных пластмассовых
(поливинилхлорид, полиэтилен, в том числе намачивающийся) и металлических
(алюминиевые сплавы) загрузках. На тканевых (нейлон, капрон), керамических (кольца
Рашига),
асбестоцементных
и
пленочных
(гофрированная
перфорированная
поливинилхлоридная пленка) загрузках процесс развития микрофлоры осуществляется в
течение 2-3 недель.
Список литературы
Погружные дисковые вращающиеся биологические фильтры / Б. О. Ботук, Н. Г.
Дмитриевский. Л. А. Фортученко, Ю. П. Василенко, Л. К. Крыжановский. Водоснабжение и санитарная техника, 1975, № 1, с. 13-14. I Воронов Ю. В. К вопросу
определения окислительной мощности биофильтров.- В кн.: Исследования по очистке
сточных вод. М., изд. МИСИ им. В. В. Куйбышева, 1971, с. 71-75.
119
Воронов Ю. В. К вопросу повышения производительности биофильтров. - В кн.:
Прогрессивные методы очистки природных и сточных вод. (Материалы научн. техн.
конф., сб. № 2). М., изд. МИСИ им. В. В. Куйбышева, 1971, о. 64-65. Воронов Ю. В.
Погружные биофильтры. - В кн.: Исследования по очистке сточных вод. М., изд. МИСИ
им. В. В. Куйбышева. 1975, с. 65-68.
Анилиз технико-экономических показателей станций аэрации и биофильтрации / Ю. В.
Воронов, Ю. П. Побегайло, М. Н. Лихачева, М. 3. Гит. - В кн..: Проектирование
водоснабжения и канализации. М., изд. ЦНИПИАС, 1977, с 10-17.
Грушко Я. М., Брызгалов Л. И., Литвинцев А. Н. Сточные воды гидролизных заводов и
санитарная охрана водоемов. М., "Медицина", 1974, 107 с.
Дмитриевский Н. Г. Некоторые вопросы теории и расчета дисковых вращающихся
биологических фильтров. - Водоснабжение и санитарная техника. 1977, № 2, с. 4-6.
Жуков И. М. Аэротенки или аэрофильтры. - В кн.: Проектирование водоснабжения и
канализации. М., изд. ЦНИПИАС, 1975, с. 16-24. Карелин Я. А., Жуков Д. Д., Журов В. Н.
Очистные канализационные установки странах Западной Европы. М., Стройиздат, 1977,
150 с.
Кигель Е. М. Эксплуатация канализационных сооружений. Киев, Будiвельник, 1978, 144 с.
Таварткиладзе И. М. Биофильтры с блочной загрузкой. Киев, Будiвельник, 1973, 159с.
Шифрин С. М., Феофанов Ю. А., Дулов О. Н. Установка по биологической очистке
сточных вод - биофильтр-стабилизатор. - В кн.: Сооружения по очистке природных и
сточных вод/Л., изд. ЛИСИ, 1977, с. 72-75.
Шифрин С. М., Евстигнеев И, А. Компактные установки для биологической очистки
сточных вод небольших населенных пунктов и отдельно расположенных объектов. Л.,
изд. ЛДНТП, 1971.
Юшкевич Ф. Н. Опыт эксплуатации очистных сооружений на предприятиях пиoевой
промышленности БССР. Минск, изд. БелНИИНТИ. 1978, 42 с. Яковлев С. В.
Искусственные биологические окислители и методы их расчета. М., Госстройиздат, 1959,
156 с.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Расчет биофильтров с пластмассовой загрузкой. Водоснабжение и санитарная техника. 1966, № 12, с. 24-26.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В., Ивчатов А. Л. К вопросу математического моделирования
биофильтров. - В кн.: Канализация и очистка сточных вод М., изд ГШСИ им. В. В.
Куйбышева, 1977, с. 21-127.
Канализация. 5-е изд./С. В. Яковлев, Я. А. Карелин, А. И. Жуков, - М., Стройиздат, 1976,
632 с.
Очистка производственных сточных вод/С. В. Яковлев, Я. А. Карелин, 13. М. Ласков, 10.
В. Воронов. - М., Стройиздат, 1979, 320 с.
120
Сергей Васильевич Яковлев, Юрий Викторович Воронов - Биологические фильтры
Охрана окружающей природной среды
Второе издание, переработанное и дополненное
Редакция инженерного оборудования
Зав. редакцией И. В. Соболева
Редактор Г. А. Лебедева
Мл. редактор Л. Л. Минаева
Внешнее оформление художника Л. И. Рэджио
Художественный редактор В. П. Груздев
Технический редактор Ю. Л. Циханкова
Корректор Я. О. Родионова
ИБ № 2682
Москва Стройиздат 1982 1
ВБК 38.761.2"
Я 47
УДК 628.353
3206000000
Я
194-82
047 (01) -82
Сдано в набор 09.04.82
Подписано в печать 30.06.82
Т-13224
Формат 60 X 901/16 Бумага тип. № 2
Гарнитура "Литературная". Печать высокая.
Усл.-печ. Л. 7,5 Печ. л 7,5 Усл. кр.-отт. 7,87 Уч.-изд. л. 8,78 Тираж 9500 экз.
Изд. № АVI-8713 Заказ № 191
Стройиздат, 101442, Москва, Каляевская, 23а
Подольский филиал производственного объединения "Периодика" Союзполиграфпрома
при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной
торговли г. Подольск, ул. Кирова, д. 25
Печатается по решению секции литературы по инженерному оборудованию
редакционного совета Стройиздата.
Рецензент: инж. Н. И. Лихачев
Яковлев С. В., Воронов Ю. В.
Биологические фильтры. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1982.-120 е., ил.(Охрана окружающей природной среды).
Для инженерно-технических работников проектных и эксплуатационных организаций.
© Стройиздат, 1982, с изменениями
121