Биологические фильтры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Биологический фильтр - сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой, образованной колониями микроорганизмов.

Биофильтры не требуют энергозатрат и, следовательно, являются экономичнее, чем аэротенки - сооружения для очистки воды, искусственные железобетонные бассейны с активным илом. Биофильтры рентабельны для обработки сравнительно небольших количеств сточных вод.

На эффективность очистки сточных вод в биофильтрах влияют: БПК очищаемой сточной воды, природа загрязнения веществ, скорость окисления, интенсивность дыхания микроорганизмов, толщина биопленки, состав обитающих в ней микроорганизмов, температура сточных вод в биофильтре.

биологический фильтр дисковый загрузочный

1. Классификация биофильтров

Важной экологической проблемой в области охраны водных ресурсов является создание экологически чистых безреагентных методов обработки сточных вод, одним из который является метод биофильтрации. При этом представляется очевидным, что сброс недостаточно очищенных сточных вод обусловливает возрастание антропогенной нагрузки на окружающую среду [1]. Биологический фильтр (биофильтр) -- конструкция, в которой сточная вода очищается через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой, образованной колониями микроорганизмов (рисунок 1). В состав биофильтра входят части, такие как:

Рисунок 1 - Схема биофильтра: 1 - подача сточной воды; 2 - водораспределительное устройство; 3 - фильтрующая загрузка; 4 - дренажное устройство; 5 - очищенная сточная вода; 6 - вентиляционное устройство

1) фильтрующая загрузка, в качестве которой может использоваться, к примеру гравий, шлак, щебень, асбестоцемент, керамзит, пластмассы, и т.п., расположенный в ёмкости с водопроницаемыми или водонепроницаемыми стенками;

2) водораспределительное устройство, позволяет равномерно с небольшими интервалами орошать поверхности загрузки биофильтра сточной водой;

3) дренажное устройство (исключение фильтрованной воды);

4) воздухораспределительное устройство, с помощью которого поступает воздух для окислительного процесса [1].

Биофильтры классифицируются по различным признакам.

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

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

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

4. По технологической схеме - на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые. Схемы работы одноступенчатых биофильтров с рециркуляцией и без нее приведены на рис 1. Двухступенчатые биофильтры применяются при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки. Иногда предусматривается переключение фильтров, т. е. периодическая эксплуатация каждого из них в качестве фильтра первой и второй ступени.

5. По пропускной способности - на биофильтры малой пропускной способности (капельные) и большой пропускной способности (высоко - нагружаемые) [1].

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

Биофильтры с объемной загрузкой можно подразделить на [2]:

-капельные биофильтры (малой пропускной способности), имеющие крупность фракций загрузочного материала 20-30мм и высоту слоя загрузки 1-2м;

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

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

Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на:

- биофильтры с жесткой загрузкой в виде колец, обрезков труб и других элементов. В качестве загрузки могут быть использованы керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее может быть различна, пористость 70-90%, высота слоя загрузки 1-6 м;

- биофильтры с жесткой загрузкой в виде решеток или блоков, собранных из чередующихся плоских и гофрированных листов. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.), а также из асбестоцементных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40- 100 кг/м3, пористость 90-97%, высота слоя загрузки 2-16 м. Плотность асбестоцементной загрузки 200-250 кг/м3, пористость 80-90%, высота слоя загрузки 2-6 м;

- биофильтры с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов. Плотность такой загрузки 5-60 кг/м3, пористость 94-99%, высота слоя загрузки 3-8 м.

2. Погружные дисковые биофильтры

В качестве комбинированных сооружений изучается возможность использования погружных биофильтров (дисковых и барабанных). Наиболее широкое распространение получили погружные биодисковые фильтры, которые, как правило, используются для расхода сточных вод до 1000 м3 /сутки. В качестве загрузки для биодисковых фильтров рекомендуются перфорированные диски, изготовленные из объемных синтетических материалов пониженной плотности (пенопласта, пеностекла). Используют различные керамические наполнители. Пеностекло имеет чрезмерно развитую поверхность, удерживает в единице объема большое количество биопленки, чем какой-либо другой вид загрузочного материала, что способствует интенсивному изъятию загрязнений из сточных вод [4]. Эффективность очистки достигает 98% и выше. Более высокой степени очистки можно достичь при совместном использовании аэротенка и биофильтра. В последние годы наиболее эффективным является использование аэротенка. Преимущество аэротенка над биофильтром заключается в том, что процесс очистки можно регулировать -- процесс аэрации, концентрации воздуха и активного ила [3].

В дисковом биофильтре пространственная конструкция загрузки представляет собой блок (пакет) из дисков, насаженных на вал параллельно друг другу. Схема конструкции дискового биофильтра изображена на рисунке 2. Количество дисков в пакете на одном валу должно быть не более 180 штук. Диаметры дисков должны быть в пределах 1-5 м (предпочтительно 2-3 м), а расстояние между дисками - от 15 до 25 мм. Авторы работ [1,2] считают, что минимальное расстояние между дисками можно принимать до 10 мм. Вал с дисками устанавливается в корпусе биофильтра над поверхностью очищаемой сточной воды. Степень погружения дисков в сточную воду составляет 0,3-0,45 диаметра. Рекомендуемый зазор между днищем ванны и дисками рекомендуется принимать в пределах от 25 до 50 мм, такое же расстояние следует принимать между бортом ванны и крайним диском в пакете дисков, насаженных на один вал.

Рисунок 2 - Дисковый биофильтр: 1- корпус биофильтра с тремя камерами; 2 - подающий трубопровод; 3 - распределительный лоток; 4 - диски; 5 -горизонтальный вал; 6 - мотор-редуктор; 7 - водосборный лоток; 8 - отводящий трубопровод

Диски в современных установках выполняют из полиэтилена, винипласта, поливинилхлорида или других типов пластмассы. Для изготовления дисков применяются также металл и асбестоцемент. Толщину дисков, в зависимости от вида материала, принимают равной 1-10 мм. На современных установках большое применение находят гофрированные пластмассовые диски, а для изготовления биофильтров с диаметром ротора свыше 1-1,5 м используют блоки, собранные из гофрированных пластмассовых сегментов. В ряде работ предлагается использовать перфорированные диски диаметром до 3 м, изготовленные из пенопласта толщиной 20-100 мм. Частота вращения дисков на валу в биофильтре принимается равной от 1 до 50 мин-1. Наиболее часто рекомендуется этот параметр держать в интервале 1-10 мин-1 [3].

Корпус погружного биофильтра выполняют в виде открытой ванны, как правило, с полукруглым днищем. Очищаемая сточная вода подается в открытую ванну через впускное отверстие или через перелив, устраиваемый вдоль одной стороны, расположенный перпендикулярно или параллельно валу ротора биофильтра, а отводится вода через отверстие или перелив с противоположной стороны. Ванну корпуса погружного биофильтра обычно разделяют перегородками на 2-4 камеры, размещая в каждой из них по одному ротору, выполненному из дисков или других видов загрузки, размещенных внутри барабана. По количеству последовательно соединенных камер (или секций), через которые протекает сточная вода в процессе ее очистки, условно принято говорить о количестве ступеней очистки на биофильтре. Одним из наиболее значимых конструктивных параметров для биофильтров является удельная площадь поверхности загрузки K_F, м²/м³, пропорционально которой в инженерной практике расчета дисковых биофильтров принято определять количество активной прикрепленной биопленки и окислительную мощность сооружения. Для дисковых биофильтров этот параметр вычисляют по формуле [4]:

Kp=F/W (1)

где F - общая площадь рабочей поверхности дисков, м²;

W - общая вместимость ванны корпуса биофильтра, м³

Если требуется рассчитать удельную площадь поверхности загрузки, отнесенную к единице объема обрабатываемой воды в ванне дискового биофильтра K_FN, м² /м³ , то следует использовать формулу

где K_FN - коэффициент использования объема, показывающего, какую часть общего объема ванны корпуса биофильтра занимают диски, вычисляют по формуле [4]:

где W_disk - объем части дисков, погруженных в воду, находящуюся в ванне корпуса биофильтра, м³ .

Для дисковых биофильтров, по данным работы, удельная площадь поверхности загрузки находится в пределах 140-160 м²/м³. В статье представлены расчетные данные, показывающие, что параметр K_F=218 м²/м³ при толщине дисков b = 3 мм и расстоянии между дисками ? = 15 мм для полукруглой и прямоугольной геометрической формы ванны дискового биофильтра. При этом коэффициент использования объема K_W=0,116. Для сравнения удельная площадь поверхности загрузки для капельных, высоконагружаемых и башенных биофильтров соответственно составляет 125, 65 и 50 м²/м³. Для биофильтров с плоскостной загрузкой и системой подачи сточной воды на загрузку методом орошения параметр KF составляет от 60 до 250 м²/м³ в зависимости от модификации загрузки [5]. При использовании в дисковом биофильтре перфорированных дисков удельная площадь поверхности загрузки существенно уменьшается. Например, по данным статьи, при коэффициенте перфорации ц = 0,5, b = 31-60 мм и ? = 30 мм параметр KF получается равным 45-60 м² /м³. В книге представлены расчеты, выполненные при ц = 0,6 в широком диапазоне параметров b, ? и D, которые показывают, что при перфорации дисков параметр K_F получается в интервале 40-58 м² /м³.

3. Барабанный биофильтр

В барабанном биофильтре (рисунок 3) пространственная конструкция загрузки представляет собой цилиндрический каркас, закрепленный на горизонтальном валу [5]. Цилиндрический каркас обтягивают сеткой с наружной поверхности. Внутреннюю полость барабана разделяют перфорированными перегородками на шесть - восемь секций в виде секторов. Секции заполняют загрузочным материалом на 60-90 % по объему. В качестве засыпного загрузочного материала используют жесткие пластмассовые изделия различной формы (кусочки труб, шарики и т.п.) или волокнистые синтетические материалы. Применяют также металлические, пластмассовые и асбестоцементные гладкие, гофрированные или перфорированные листы, мягкие тканевые и пленочные материалы, которые закрепляют внутри обтянутого сеткой барабана.

Рисунок 3 - Барабанный биофильтр: 1- корпус биофильтра; 2- подающий трубопровод; 3 - распределительный лоток; 4 - барабан, обтянутый металлической сеткой; 5- горизонтальный вал; 6- мотор-редуктор; 7- водосборный лоток; 8 - отводящий трубопровод; 9- ребра жесткости барабана; 10- засыпной загрузочный материал; 11- закрепленный листовой загрузочный материал

В работах [6] описывается конструкция погружного барабанного биофильтра, которую Н.И. Куликов называет полупогружным вращающимся биобарабаном. Ротор в этом биофильтре представляет собой цилиндрический каркас, на котором послойно навиты и закреплены шнуры стеклоершового наполнителя. Ротор барабанного биофильтра размещают на горизонтальном валу в корпусе (ванне) биофильтра выше уровня обрабатываемой сточной воды. Диаметр барабана рекомендуется принимать равным 2-2,5 м, длину - 2-3 м, степень погружения барабана в сточную воду - 0,3-0,45 диаметра. Частота вращения барабана с загрузочным материалом на горизонтальном валу в корпусе биофильтра принимается в пределах от 0,5 до 5 мин-1.

4. Биофильтры с затопленной загрузкой

Двухступенчатый затопленный биофильтр ФЗД представляет собой две ступени безнапорных фильтров, загруженных различными зернистыми загрузками.

Первая ступень биофильтра ФЗД работает в режиме затопленного биофильтра. Высота керамзитовой недробленой загрузки (диаметр загрузки 2-10 мм) составляет 2,2 м. Снизу через водяную дренажную дырчатую распределительную систему подается сточная вода, а через воздушную - воздух для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов. Воздух подается на биофильтр ФЗД от воздуходувки в количестве З м³ на 1 м³ сточных вод. Фильтруясь снизу вверх через керамзитовую загрузку с нарощенной на ней биопленкой, частично очищенные сточные воды, отражаясь от струенаправляющего устройства, через водослив переливаются в открытый гидравлический канал, соединяющий первую ступень биофильтра ФЗД со второй ступенью. Затем очищаемая жидкость по распределительному желобу, один конец которого врезан в открытый гидравлический канал, поступает на биофильтр второй ступени фильтра ФЗД, который в зависимости от вида сточных вод и требуемой глубины очистки может загружаться различными фильтрующими материалами: керамзитом, цеолитизированным туфом, активированным углем или другими фильтрующими материалами. Высота загрузки второй ступени биофильтра ФЗД - 1 м, диаметр загрузки может изменяться в широких пределах: от 0,63 до 5 мм в зависимости от требуемой степени очистки, направление фильтрации - сверху вниз. Отвод очищенной воды с биофильтра второй ступени ФЗД производится через сифон для поддержания минимального уровня воды в начале фильтроцикла. Перед второй ступенью можно вводить окислитель: хлор, озон и др. Если перед второй ступенью фильтра ФЗД окислитель не вводится, вторая ступень работает в режиме затопленного биофильтра. [7]

Обратная водовоздушная промывка осуществляется поэтапно: на первом - продувка воздухом интенсивностью 5-7 л/(с·м²) в течение 2-3 мин, на втором - совместная подача воздуха (той же интенсивностью) и воды (интенсивностью 5-6 л/(с·м²) в течение 5 мин, на третьем - промывка интенсивностью 14-16 л/(с·м²) в течение 5 мин, для этого используется очищенная вода, хранящаяся в специальном резевуаре. Грязная вода собирается в отдельной емкости, оборудованной простейшей системой аэрации для поддержания биопленки во взвешенном состоянии. Равномерная подача промывных вод из резервуара в «голову» очистных сооружений способствует повышению эффекта отстаивания на 20-30 %. Образующийся осадок (0,2-0,4 % от объема обрабатываемой воды) представляет собой смесь сырого осадка и биопленки в соотношении примерно 4:1.

Рисунок 4 - Затопленный безнапорный биофильтр: 1 - первая ступень биофильтра, 2 - вторая ступень биофильтра; 3 - камера; 4 - водослив; 5 - струенаправляющее устройство; 6 - распределительные желоба; 7 - трубчатый дренаж; 8 - сборный дренаж осветленной воды второй ступени; 9 - воздушный трубчатый дренаж

5. Современные загрузочные материалы для биофильтров

Важнейшей составной частью биофильтра является загрузочный материал. Загрузка биофильтра характеризуется следующими основными параметрами: высотой слоя, удельной площадью поверхности, пористостью и плотностью загрузки. Высота слоя загрузки, или рабочая высота биологического фильтра, определяет наравне с другими параметрами продолжительность пребывания сточных вод в биологическом фильтре.

От удельной площади поверхности загрузки зависит и общая площадь поверхности закрепленной на нейбиопленки, а, следовательно, и площадь, через которую осуществляется перенос органических загрязнений от жидкости, обтекающей загрузку, к бактериальным клеткам.

Для процесса очистки сточных вод важным является площадь поверхностибиопленки, а не общее количество биомассы в загрузке, так как активно работающим является только наружный слой. Внутри, у поверхности загрузки, образуется анаэробная зона, которая почти не участвует в процессе изъятия и окисления загрязнений. Увеличение количества биомассы уменьшает объем порового пространства загрузки, затрудняет воздухообмен в биофильтре и снабжение микроорганизмов кислородом воздуха.

По типу загрузочного материала биофильтры делятся на две категории - с объемной и плоской загрузкой. Плоскостная загрузка тоже объемная, хотя занимаемый ею объем невелик. В качестве объемной загрузки используют щебень, гравий, шлак, керамзит, кокс, пеностекло. Такой материал имеет пористость 40-50 %, плотность - 500-1500 кг/м³, удельную поверхность в зависимости от размера фракций - 30-120 м²/м³. В качестве плоскостной загрузки применяют листовой материал (пластмассу, асбоцемент), мягкие рулонные ткани (пластмассовую пленку, синтетический материал), а также засыпные элементы (кольца, отрезки труб и др.).

Загрузку из листового материала выполняют в виде различных блоков и кассет, которые укладывают в тело биофильтра; мягкие рулонные материалы закрепляют на каркасах или свободно подвешивают.

Пористость плоской загрузки из листового материала составляет 80-97 %, из рулонных материалов - 94-99 %, их засыпных элементов - 70-90 %. Удельная поверхность листовой и рулонной загрузки - 80-130 м²/м³; засыпной - 70-100 м²/м³; плотность листовой загрузки - 40-100 кг/м³; рулонной - 50-60 кг/м³; засыпной - 100-600 кг/м³. [8]

Применение плоскостной загрузки позволяет упростить конструкцию биологического фильтра, снизить транспортные и строительно-монтажные расходы. Отдельные виды этой загрузки (например, пластмассовая перфорированная пленка) дешевле, чем объемная загрузка из естественных пород.

Рисунок 5 - Типы загрузки биофильтров: а - кольца Рашига; б- кольца с перегородкой; в - кольца с крестообразной перегородкой; г - кольца Паля; д- седлоБерля; е - "Инталокс"; ж- полые цилиндры с ответвлениями; з- жестяная блочная загрузка; и - мягкая загрузка

Вывод

Таким образом, в данной статье были описаны основные типы биологических фильтров для очистки сточных вод, принципы их работы. Кратко изложена суть процесса, протекающего в биофильтре. Повышения эффективности биофильтра можно добиться путем использования наполнителя с развитой поверхностью, использование комбинаций очистных сооружений.

Список литературы

1. Гумиров И.С., Голубев В.В. Биологическая очистка сточных вод методом биофильтрации. Вестник магистратуры. 2015. № 7 (46) Т. 6. С. 13-14.

2. Олейник А.Я., Кравчук А.Н., Колпакова О.А. Теоретическое обоснование очистки сточных вод на капельных биофильтрах // Доповіді НАН України. 2012. № 3. С. 179-184.

3. Азина А.Р. Уменьшение экономического ущерба предприятия за счет очистки сточных вод // Новая наука: проблемы и перспективы. 2015. № 6-1. С. 96-100. 4.

4. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками [Текст] / Н.С. Жмур. - М.: АКВАРОС, 2003. - 512 с.

5. Колесников В.П. Современное развитие технологических процессов очистки сточных вод в комбинированных сооружениях [Текст] / В.П. Колесников, Е.В. Вильсон; под ред. академика ЖКХ РФ В.К. Гордеева-Гаврикова. - Ростов-на-Дону: Изд-во «Юг», 2005. - 212 с.

6. Двадненко М.В., Привалова Н.М., Беленькова Ю.И. Обезвреживание и очистка сточных вод // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2012. №. 2. С. 56.

7. Морозова, К.М. Принципы расчета систем биологической очистки сточных вод [Текст] / К.М. Морозова // Водоснабжение и санитарная техника. - 2009. - № 1. - С. 26-31.

8. Субботина Ю.М. Эколого-экономический менеджмент очистных сооружений и экономическая эффективность от внедрения сооружений естественной биологической очистки сточных вод // Международный научный журнал Наука и Мир. 2013. №. 1. С. 1.

Размещено на Allbest.ru