Глава 1. Биологические фильтры: общая характеристика и классификация

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

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

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

в) дренажного устройства для удаления профильтровавшейся воды;

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

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

Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней нерастворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, сорбируемые биологической пленкой. Густо заселяющие биопленку микроорганизмы окисляют органические вещества и отсюда черпают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как пластический материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества и в то же время увеличивается масса активной биологической пленки в теле биофильтра. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород воздуха поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра.

Классификация биофильтров

Биофильтры классифицируются по различным признакам.

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

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

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

4. По технологической схеме — на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые. Схемы работы одноступенчатых биофильтров с рециркуляцией и без нее приведены на 4.91, а, а двухступенчатых с рециркуляцией — на 4.91,6. 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 (высоконагружаемые).

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

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

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 составляет 100—600 кг/м8, пористость 70—90%, высота слоя загрузки 1—6 м;

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

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

К биофильтрам с плоскостной загрузкой следует отнести и погружные биофильтры, представляющие собой резервуары, заполненные сточной водой и имеющие днище вогнутой формы. Вдоль резервуара несколько выше уровня сточной воды устанавливается вал с насаженными пластмассовыми, асбестоцементными или металлическими дисками диаметром 0,6—3 м. Расстояние между дисками 10—20 мм, частота вращения вала с дисками 1—40 мин-1.

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

Союзводоканалниипроектом составлен экспериментальный проект биофильтров пропускной способностью 200—1400 м3/сутки с загрузкой из пеностеклянных блоков 375X375 мм, из гофрированных листов полиэтилена размером 500X500 мм типа «сложная волна» ( 4. 92) и асбестоцементных листов размером 974X2000 мм.

Основные типы биофильтров

Капельные биофильтры. В капельном биофильтре ( 4.93) сточная вода подается в виде капель или струй. Естественная вентиляция воздуха происходит через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Такие биофильтры имеют низкую нагрузку по воде; обычно она колеблется от 0,5 до 1 м3 воды на 1 м3 фильтра.

Капельные биофильтры рекомендуется применять при расходе сточных вод не более 1000 м3/сутки. Они предназначаются для полной (до БПКго=Ю ...15 мг/л) биологической очистки сточной воды.

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

При нагрузке по загрязнениям больше допустимой поверхность капельных биофильтров быстро заиливается, и работа их резко ухудшается.

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

Высота междудонного пространства должна быть не менее 0,6 м для возможности периодического его осмотра. Дренаж биофильтров выполняют из железобетонных плит, уложенных на бетонные опоры. Общая площадь отверстий для пропуска воды в дренажную систему должна составлять не менее 5—8% площади поверхности биофильтров. Во избежание заиливания лотков дренажной системы скорость движения воды в них должна быть не менее 0,6 м/с.

Уклон нижнего днища к сборным лоткам принимается не менее 0,01, продольный уклон сборных лотков (максимально возможный по конструктивным соображениям) — не менее 0,005.

Стенки биофильтров выполняются из сборного железобетона и возвышаются над поверхностью загрузки на 0,5 м для уменьшения влияния ветра на распределение воды по поверхности фильтра. При наличии дешевого загрузочного материала и свободной территории небольшие биофильтры можно устраивать без стенок; фильтрующий материал в этом случае засыпается под углом естественного откоса. Наилучшими материалами для засыпки биофильтров являются щебень и галька.

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

Высоконагружаемые биофильтры. В начале текущего столетия появились биофильтры, которые у нас в стране получили название аэрофильтры, а за рубежом — биофильтры высокой нагрузки. Отличительной особенностью этих сооружений является более высокая, чем в обычных капельных биофильтрах, окислительная мощность, что обусловлено незаиляемостью таких фильтров и лучшим обменом воздуха в них. Достигается это благодаря более крупному загрузочному материалу и повышенной в несколько раз нагрузке по воде.

Повышенная скорость движения сточной воды обеспечивает постоянный вынос задержанных трудноокисляемых нерастворенных примесей и отмирающей биопленки. Поступающий в тело биофильтра кислород воздуха расходуется в основном на биологическое окисление части загрязнений, не вынесенных из тела фильтра.

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

Междудонное пространство должно быть закрытым, и туда подается вентиляторами воздух. На отводных трубопроводах должны быть предусмотрены гидравлические затворы глубиной 200 мм.

Особенностями эксплуатационного характера являются необходимость орошения всей поверхности биофильтра с возможно малыми перерывами в подаче воды и поддержание повышенной нагрузки по воде на 1 м2 площади поверхности фильтра (в плане). Только при этих условиях обеспечивается промывка фильтров.

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

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

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

Расчет биофильтров

Капельные биофильтры. Расчет биофильтров состоит в определении необходимого объема загрузочного материала для очистки сточной воды и размеров элементов водораспределительных устройств, дренажа, лотков для сбора и отведения воды.

Объем фильтрующей загрузки определяют по окислительной мощности ОМ. Под окислительной мощностью понимается масса кислорода, выраженная в граммах БПК, которая может быть получена в сутки с 1 м3 загрузочного материала биофильтра.

Окислительная мощность биофильтра зависит от температуры сточной воды и наружного воздуха, от характера поступающих загрязнений, материала загрузки, способа подачи воздуха и др.

При иной среднегодовой температуре окислительную мощность увеличивают или уменьшают пропорционально отношению фактической температуры к 10° С.

При среднегодовой температуре воздуха до 3° С биофильтры любой пропускной способности размещаются в отапливаемых помещениях с пятикратным воздухообменом в 1 ч; температура в них должна быть на 2° выше температуры сточной воды. В таких же помещениях располагаются биофильтры пропускной способностью до 500 м3/сутки, если среднегодовая температура воздуха 3—6° С. Биофильтры большой пропускной способности в этом случае размещаются в шатрах.

Биофильтры устраивают в виде отдельных секций. Число и размеры секций зависят от способов распределения сточной воды по поверхности, условий их эксплуатации и пр.; число секций должно быть не менее 2 и не более 6—8; все секции должны быть рабочими.

Высоконагружаемые биофильтры. В результате исследований, проведенных АКХ и МИСИ (И. С. Постников, В. В. Безенов и С. В. Яковлев), разработаны достаточно точные методы расчета высоконагружаемых биофильтров.

Высоту биофильтра назначают в зависимости от местных условий и требуемой степени очистки сточных вод. Если очищенная сточная вода должна иметь БПК2о=25... 30 мг/л, высота биофильтра должна быть не менее 2 м, если БПК2о=20 мг/л — не менее 3 м и при БПК2о= 15 мг/л — не менее 4 м.

Приведенный метод имеет серьезные недостатки: высота биофильтра может назначаться в пределах от 2 до 4 м; отсутствует возможность проанализировать работу действующих биофильтров и рассчитать биофильтр на любую заданную степень очистки и пр.

Более точным является метод, предложенный проф. С. В. Яковлевым. Он дает возможность рассчитать биофильтр на любую пропускную способность и степень очистки.

Как известно, одновременно с процессом изъятия из сточных вод загрязняющих их веществ в теле биофильтров идет процесс окисления этих веществ. При этом, естественно, окисление идет значительно медленнее, чем изъятие загрязнений.

На основании анализа каждого процесса проф. С. В. Яковлевым предложены уравнения, характеризующие зависимость между основными факторами, обусловливающими работу биофильтров, и рекомендован графоаналитический метод расчета биофильтров.

Вентиляция биофильтров

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

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

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

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

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

Распределение сточных вод по биофильтрам

Надежная работа биофильтра может быть достигнута только при равномерном орошении водой его поверхности. Орошение производится распределительными устройствами, которые подразделяются на две основные группы: неподвижные и подвижные.

К неподвижным распределителям относятся дырчатые желоба или трубы и разбрызгиватели (спринклеры), к подвижным — качающиеся желоба, движущиеся наливные колеса и вращающиеся реактивные распределители (оросители).

В отечественной и зарубежной практике наибольшее распространение получили спринклерное орошение и орошение при помощи подвижных оросителей.

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

Спринклеры (спринклерные головки) — специальные насадки, надетые на концы стояков, которые ответвляются от водораспределительных труб, уложенных на поверхности или в теле биофильтра. Отверстия спринклерных головок невелики — обычно 19, 22 и 25 мм. Во избежание коррозии спринклеры изготовляют из бронзы или из латуни.

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

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

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

В отечественной практике наибольшее распространение получил дозирующий бак с сифоном ( 4. 97). Преимущество его перед другими состоит в том, что он совершенно не имеет движущихся частей.

Выпускная труба из дозирующего бака представляет собой сифон, верхний срез которого возвышается над дном бака. Внутри дозирующего бака расположен опрокинутый стакан, установленный на подставках и не доходящий до дна бака. К стакану в верхней его части присоединены две трубки: одна из них — воздушная трубка — заканчивается открытым концом в баке, другая трубка, представляющая собой вентиляционный затвор, или регулятор напора, заканчивается открытым концом, выведенным выше максимального уровня воды в баке. Кроме того, регулятор напора присоединен патрубком к главной выпускной трубе. В верхней части бака имеется переливная труба, диаметр которой принимается в соответствии с притоком воды в бак.

Действие автоматического сифона заключается в следующем. Вначале вода в баке стоит на низшем уровне А, соответствующем нижнему колену воздушной трубки. В сифоне вода в это время стоит на уровне Б выходного отверстия спринклеров; регулятор напора заполнен водой до уровня Вь на котором он присоединен к стакану. По мере поступления воды горизонт ее в баке повышается, причем давление под стаканом и в отводной трубе остается равным атмосферному до тех пор, пока уровень ее не дойдет до отверстия воздушной трубки. После этого выход воздуха из-под стакана прекращается и воздудшое давление в нем по мере заполнения бака начинает возрастать.

Когда горизонт воды в баке достигнет наивысшего уровня, а горизонт воды под стаканом достигнет верхнего края отводной трубы, уровень воды в регуляторе напора упадет до нижнего его колена В2, а в главном сифоне — до уровня Б2> также почти у нижнего колена. При этом давление воздуха под стаканом, в главной трубе сифона и в регуляторе напора будет равно высоте столба воды /гИзб. В следующий момент гидравлический затвор в регуляторе напора прорвется, давление под стаканом упадет до атмосферного, вследствие чего вода из бака устремится в главную трубу и будет вытекать из нее до тех пор, пока горизонт в баке не упадет до уровня А нижнего колена воздушной трубки. Как только через нее воздух проникнет под стакан, действие сифона приостановится, причем колено регулятора напора, засасывающего во время действия сифона воду из главной отводной трубы, останется заполненным водой.

Для регулирования наивысшего уровня воды в баке, при котором начинают действовать сифоны, верхнюю часть регулятора напора делают подвижной на сальниках; поднимая или опуская переливной патрубок регулятора напора, можно установить начало действия сифона как раз в тот момент, когда уровень воды под стаканом дойдет до края выпускной трубы. Отводную трубу от бака можно устраивать с гидравлическим затвором и без него. Диаметр сифона равен диаметру разводящей трубы. Внутренний диаметр колокола принимают равным двум диаметрам трубы сифона, но он может быть и больше.

По мере вытекания воды из бака радиус действия спринклера, зависящий от напора, постепенно уменьшается и таким образом орошается вся площадь круга вокруг спринклера. Для более равномерного распределения воды по орошаемой площади дозирующему баку придают такую форму, при которой площадь его горизонтальных сечений на различных уровнях пропорциональна расходу воды из бака в данный момент. Этому требованию с достаточным приближением удовлетворяет форма опрокинутой усеченной пирамиды. Площадь нижнего ее сечения назначают в зависимости от размера выходной трубы; площадь верхнего сечения (соответствующего уровню воды при максимальном напоре) определяется из указанного соотношения.

Расчет водораспределительной системы сводится к определению расхода воды из каждого разбрызгивателя (спринклера), определению необходимого их числа, диаметра разводящей сети, емкости и времени работы дозирующего бака.

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

Реактивные вращающиеся водораспределители (оросители). Вращающийся ороситель состоит из двух или четырех дырчатых труб, консольно закрепленных на общем стояке ( 4.100).

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

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

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

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