Классификация биофильтров

Принципы классификации биофильтров различаются по степени очистки, способу подачи воздуха, режиму работы (наличие или отсутствие рециркуляции), технологической схеме (одно-, двух или трехступенчатые) и другим параметрам:

1. По степени очистки - биофильтры классифицируются на:

· Высокопроизводительные, которые могут работать на полную или неполную биологическую очистку в зависимости от необходимой степени очистки.

· Малопроизводительные - работают только на полную биологическую очистку.

2. По способу подачи воздуха с:

· естественной

· искусственной подачей воздуха (аэрофильтры). В настоящее время находят наибольшее применение.

имеют биофильтры с искусственной подачей воздуха.

3. По режиму работы – работающие:

· с рециркуляцией воды (при очистке концентрированных сточных вод рециркуляция необходима, т.к. позволяет понизить концентрацию сточных вод до необходимой величины)

· без рециркуляции воды (концентрация загрязнений в поступающих на биофильтр сточных водах не высока и они подаются на биофильтр в объеме, достаточном для самопроизвольной промывки)

4. По технологической схеме:

· одноступенчатые (применяются в обычных условиях)

· двухступенчатые (применяются при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки)

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

5. По пропускной способности биофильтры делят на:

· малой пропускной способности (низконагружаемые/капельные)

· большой пропускной способности (высоконагружаемые)

6. По конструктивным особенностям загрузки биофильтры

· с объемной

· с плоскостной загрузкой.

7. Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на три группы:

· низконагружаемые - капельные с размером загрузочного материала 20–30 мм и высотой слоя загрузки 1–2 м

· высоконагружаемые с размером загрузочного материала 40–60 мм и высотой слоя загрузки 2–4 м

· башенные (большой высоты), имеющие крупность фракций загрузочного материала 60–80 мм и высоту слоя загрузки 8–16 м

Капельные биофильтры. В капельном биофильтре сточная вода самотеком (или под напором) подается на поверхность биофильтра при помощи специальных распределительных устройств различного типа в виде капель или струй. Вода, отфильтрованная через загрузку 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. Естественная вентиляция воздуха осуществляется через открытую поверхность биофильтра и дренаж.

Они предназначаются для частичной (БПК₂₀ = 25–30 мг/л) и полной (БПК₂₀ = 15–20 мг/л) биологической очистки сточной воды [9]. При нагрузке по загрязнениям больше допустимой поверхность капельных биофильтров быстро заиливается, и работа их резко ухудшается. Скорость потока сточных вод на биофильтр не должна быть слишком высокой, чтобы слой насадки не оказался под водой.

Для обеспечения необходимой скорости поступления кислорода, поступающие в систему сточные воды должны обтекать покрытую микроорганизмами насадку достаточно тонким слоем, не препятствующему дыханию аэробных микроорганизмов, находящихся на поверхности биопленки. Фильтрующий слой в капельных биофильтрах может быть выполнен из щебня или гравия (размер 25–60 мм) или отдельных конструкций, состоящих из пространственных пластмассовых элементов.

Подобные фильтры не требуют принудительной аэрации; поступление воздуха происходит через отверстия поддерживающей загрузку решетки, расположенной на дне фильтра. Данные биофильтры могут быть использованы как для очистки воды от органических загрязнений, так и для реализации процесса нитрификации — процесса окисления кислородом воздуха аммонийного азота до нитритов и нитратов за счет нитрифицирующих микроорганизмов; в последнем случае часто требуется установка биофильтра первой и второй ступеней.

Рекомендуется также использовать такие биофильтры для предварительной очистки высококонцентрированных сточных вод. Капельные биофильтры обеспечивают снижение БПК сточных вод до 80 %, содержание БПК в очищенных сточных водах — менее 30 (мг⋅О2)/дм³ (в СНиП 2.04.03–85, пункт 6.129, указывается, что остаточная концентрация загрязнений сточных вод по БПКполн может быть принята 15 (мг⋅О2)/дм3), а аммонийного азота — менее 2 мг/дм³.

Недостатки капельного биофильтра, которые могут проявляться в период эксплуатации: возможность заиления загрузки; чувствительность к колебаниям температуры; невозможность достижения низких значений БПК в очищенной сточной воде даже в случае низкой нагрузки по органическим загрязнениям; сравнительно высокие капитальные затраты.

Высоконагружаемые биофильтры. Высоконагружаемые биофильтры отличаются от капельных большей окислительной мощностью, равной 0,75– 2,25 кг БПК/(м³⋅сут.), обусловленной лучшим обменом воздуха и незаиляемостью загрузки, что достигается применением загрузочного материала крупностью 40–70 мм, увеличением рабочей высоты загрузки до 2–4 м и гидравлической нагрузки до 10–30 м3/(м³⋅сут.).

Высоконагружаемые фильтры применяются при расходах сточных вод 30– 60 тыс. м³/сут.; при обосновании применение высоконагружаемых биофильтров допускается на водоочистных сооружениях большей пропускной способности. Находят применение в качестве биологических окислителей в комплексе сооружений, предназначенных для очистки бытовых и производственных сточных вод.

Высоконагружаемые фильтры могут быть с естественной и искусственной аэрацией, последние обозначаются аэрофильтрами, в которых активный ил находится во взвешенном состоянии. Их конструктивными отличиями являются большая высота слоя загрузки, большая крупность ее зерен и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом.

Междудонное пространство, в которое подается вентиляторами воздух, должно быть закрытым. 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 фильтра. Материалом загрузки высоконагружаемых биофильтров является антрацит, сланец, пемза, гравий, щебень со средним диаметром частиц 40–60 мм.

Направление потока обрабатываемой сточной воды может быть как нисходящим, так и восходящим. Если аэрофильтр рассчитывается с учетом нитрификации, то определяемыми параметрами являются нагрузка по аммонийному азоту, выраженная в килограммах NН₄–N/м³ загрузки в сутки (0,3–2,0 кг NН₄–N/м³ загрузки в сутки и гидравлическая нагрузка — 3–15 м³/ м² в час.

При правильном проектировании аэрофильтра удаление загрязнений из сточных вод по БПК5 может достигать 90 % и более (БПК₅ очищенной воды менее 20 (мг⋅О₂)/дм3; концентрация взвешенных веществ — 25 мг/дм3 и менее). При осуществлении процесса нитрификации, содержание аммонийного азота в очищенной воде составляет менее 2 мг/дм3; взвешенных веществ — менее 15 мг/дм3. Затраты энергии для функционирования аэрируемых биофильтров сопоставимы с затратами для систем с активным илом.

Аэрофильтры имеют незначительную чувствительность к колебаниям температуры, стабильное качество очищенной водыНа многих промышленных предприятиях, использующих для биологической очистки сточных вод на биофильтры подается вода с БПК₂₀ более 300 мг/л и значительным содержанием взвешенных веществ (свыше 100– 150 мг/л), что ведет к заиливанию биофильтров.

Заиливанию биофильтров способствует присутствие в сточных водах жиров, масел, мазута, нефтепродуктов, остатков растительной и животной пищи (сточные воды мясокомбинатов, масломолочных заводов, птицефабрик и др.). Избыточную биомассу необходимо подвергать промывке 1 %-м раствором (HClO + HCl) или 1 %-м Са(Сl)OCl для предотвращения гниения.

Высоконагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для частичной, так и для полной их очистки. Согласно многим исследованиям, при 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 органических загрязнений.

Таблица 13 - Сравнение методов очистки сточных вод с помощью биофильтров и активного ила

Задача №2. Расчет капельных и высоконагружаемых биофильтров

Применяемые расчетные формулы для проектирования биофильтров можно условно разделить на 2 группы: первую группу составляют формулы, описывающие взаимосвязь между различными параметрами, влияющими на процесс очистки, но касающихся механизма процесса, другую – формулы, основанные на представлениях о кинетике реакций окисления.

Таблица 14- Характеристики биофильтров по основным показателям

Показатель	Биофильтр
капельный	высоконагружаемый
ОМ, г БПК/ (м3*с)	100-400	500-1500
БПКполн поступающих на очистку сточных вод, г О2/ м3	S0≤ 220 без рецирк S0≥220 с рецирк-ей	S0≤ 300 без рецирк S0≥300 с рецирк-ей
Рабочая высота Н, м	1,5 - 2	2-4
Гидравлическая нагрузка, q м3/(м2 сут)	1-3	10-30
Режим подачи сточных вод	периодически	непрерывно
Расход сточных вод, м3/сут	не более 1000	30– 60 тыс.
Высота неподвижного слоя насадки при одноступенчатом/ многоступенчатом фильтре, м	1,5-2,4/0,8-1,2	0,9-1,8/0,5-1,2
Очищенная вода имеет значения БПК5, г/м3	высоко-нитрифицированная БПК5 = 20	низко-нитрифицированная БПК5 = 30

Метод расчета биофильтров основан на определении окислительной возможности (ОМ) в граммах кислорода в сутки, которая может быть получена с 1 м³ загрузочного материала для снижения БПК_полн сточной жидкости до остаточной 15 г О₂/м³:

ОМ = (S₀- S) / V

ОМ - окислительная мощность, г БПК/ (м³*с)

V - объем загрузочного материала, необходимого для очистки 1 м³ сточной воды в сутки, м³

S₀ - БПК_полн поступающих на очистку сточных вод, г О₂/ м³

S - БПК_полн выходящих после очистных сооружений, г О₂/ м³

Зная суточное количество сточных вод Q и окислительную мощность ОМ, определяем общий объем загрузочного материала:

V = Q* (S₀- S)/ ОМ

где Q - расход сточных вод, м³/сут.

По расходу очищаемых сточных вод Q и гидравлической нагрузке q определяется общая площадь биофильтра F,м²:

F = Q/q

Или по формуле:

F = V/H,

где H - высота фильтра, м.

Коэффициент К рассчитывают по формуле:

К = S₀/S

Диаметр биофильтра, из выражения:

D = (4F/π)^0.5

При значениях S₀ выше допустимых необходимо предусмотреть рециркуляцию воды.