Биохимический реактор: устройство, использование

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Биологические фильтры просты по конструкции, и их эксплуатация не связана с большими капиталовложениями. Простейший биофильтр представляет собой емкость в грунте, в которую под слой фильтрующего материала (почва, торф, компост и т.д.) подают поток очищаемого газа. Ширина основания отрытой в земле емкости трапециевидной формы 5 м, глубина Зм.

Очищаемый воздух поступает через две перфорированные бетонные трубы, уложенные на дно емкости, каждая на расстоянии 1,25 м от центра. Трубы засыпают слоем (1,1 м) шлака зернением 0,05 м, поверх которого наносят слои крупного просеянного (0,1 м) и фильтрирующего свежего (1,6 м) компоста.

Производительность фильтра по очищаемому газу составляет 10000 м³/ч.

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Устройства для биохимической очистки газов делятся на две группы: биологические фильтры и биоскрубберы.

Биологические фильтры просты по конструкции, и их эксплуатация не связана с большими капиталовложениями. Простейший биофильтр представляет собой емкость в грунте, в которую под слой фильтрующего материала (почва, торф, компост и т.д.) подают поток очищаемого газа. Ширина основания отрытой в земле емкости трапециевидной формы 5 м, глубина Зм. Очищаемый воздух поступает через две перфорированные бетонные трубы, уложенные на дно емкости, каждая на расстоянии 1,25 м от центра. Трубы засыпают слоем (1,1 м) шлака зернением 0,05 м, поверх которого наносят слои крупного просеянного (0,1 м) и фильтрирующего свежего (1,6 м) компоста. Производительность фильтра по очищаемому газу составляет 10000 м³/ч.

Эффективность биофильтра подобного типа невысока, поверхность контакта фаз незначительна, а гидравлическое сопротивление может быть довольно большим.

Этих недостатков в известной мере удалось избежать разработчикам (Нидерланды) биореактора, предназначенного для тонкой очистки вентиляционного воздуха производственных помещений (рис. 4.29). Фильтрующий слой в аппарате образован насадкой «Полинет», представляющей собой систему поливи-нилхлоридных перфорированных трубок диаметром 0,026 м и длиной 0,065 м (18600 шт/м³). Удельная поверхность насадки 91 м^!/м^л, толщина рабочей биопленки (1,5--2,0)-Ю"³ м. Линейная скорость очищаемого воздуха 0,5--1,0 м/с, плотность орошения 5м³/ /(м²-ч), продолжительность контакта 0,5 с. Габаритные размеры установки: высота 1,55 м, диаметр 0.63 м. Производительность 300 м³/ч. Очистку внут-

Степень очистки [48] от газовых примесей в биофильтрах с насадкой «Полинет» составляет 70--95%, а остаточное содержание пыли не превышает 5 мг/м³.

В биоскрубберах удаляемые из газов компоненты разлагаются при контактировании их с суспензией активного ила, для чего можно использовать скрубберы разнообразной конструкции.

Фирма «Керамхеми» (Германия) разработала биоскруббер-ную установку газоочистки отходящих газов в производстве химической керамики (рис. 4.30).

Отходящий газ поступает на очистку в двухступенчатый насадочный абсорбер 1, первая ступень которого орошается слабокислой суспензией активного ила и предназначена для улавливания основных органических и неорганических примесей, а вторая ступень орошается слабощелочной суспензией активного ила. рН среды регулируют автоматически добавлением 20%-го раствора серной кислоты или гидроксида натрия. На обеих ступенях поглотитель подпитывают фосфатом. Для компенсации потерь воды при испарении подают свежую воду в объеме 0,2--1,2 м'/ч. В отстойники 3 из скруббера поступает 0,2 м³/ч суспензии активного ила, из которых 0,1 м³/ч возвращают на установку. Часть осветленной жидкости постоянно сбрасывают, чтобы предотвратить накопление солей, угнетающих развитие микроорганизмов. В нерабочие периоды активный ил подпитывают конденсатом с содержанием 9000 мг ВПК, аэрацию осуществляют вентилятором.

Ежегодная экономия на эксплуатационных расходах при работе указанной установки по сравнению с очисткой газов в обычных абсорберах оценивается в 10--20 тыс. марок ФРГ.

Ряд интересных новшеств в систему биохимической очистки аспирационных газов внесен разработчиками фирмы «Фудзи касуй когё» (Япония). Во-первых, для стабилизации действия активного ила и улучшения процесса его регенерации к суспензии добавляют активированный уголь. Во-вторых, в установках очистки используют активный ил со станций очистки сточных вод тех же предприятий, что делают работу установок безотходной (рис. 4.31).

Воздух из коллектора аспирационных газов предварительно обеспыливают в циклоне, после чего подают в реактор 1 с бар-ботажным скруббером 2, где происходит тонкая очистка суспензией активного ила.

Концентрацию активированного угля поддерживают постоянной путем внесения соответствующих доз угля при замене активного ила, который обновляют раз в сутки (в количестве 5 м³). Использованный активный ил обрабатывают на встроенной отжимной центрифуге. Поскольку очищаемый воздух содержит аммиак, в суспензию в качестве питательных веществ добавляют дешевую фосфорную кислоту.

Биохимическая очистка газов может базироваться на типовой аппаратуре химической технологии. К такой аппаратуре относятся, например, скрубберы, а также аэротенки и окситенки. Это позволяет использовать при расчетах биохимических реакторов те же методы, что и при проектировании и конструировании типовой химической аппаратуры [17, 30, 56] с учетом кинетики биохимических реакций.

ГЛАВА 2. СХЕМА РАБОТЫ БИОФИЛЬТРОВ

в) дренажного устройства для удаления профильтровавшейся воды;

г) воздухораспределительного устройства, с помощью которого поступает 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 ре-

Рис. Биологические фильтры очистки сточных вод (аэробные условия)

Биологический фильтр - сооружение для очистки сточных вод, заполненное загрузочным материалом, через который фильтруется сточная вода и на поверхности которого развивается биологическая пленка. Разница температур между сточными водами и воздухом гарантирует непрерывную вентиляцию атмосферного воздуха через загрузку фильтра, обеспечивая постоянно достаточную для жизнедеятельности микроорганизмов концентрацию кислорода. Важнейшая составная часть биофильтра - загрузочный материал. По типу загрузочного материала все биофильтры делят на две категории: с объемной загрузкой и с плоскостной. В биологических фильтрах с объемной загрузкой используют щебень прочных горных пород, гальку, шлак, керамзит, а в фильтрах с плоскостной загрузкой - пластмассы, способные выдерживать температуру 6 - 30 ⁰С без потери прочности.

Пропускная способность биофильтра (по сточной воде) определяется, прежде всего, следующим: площадью поверхности, занятой биопленкой, и возможностью свободного доступа кислорода к биопленке. Чем больше площадь поверхности биопленки и чем легче к ней доступ кислорода, тем выше пропускная способность биофильтра. Согласно общепринятой классификации различают биофильтры с объемной загрузкой - капельные, высоконагружаемые и башенные и с плоскостной загрузкой - с жесткой засыпной, жесткой блочной и мягкой загрузкой. Согласно литературным данным интенсивность деструкции трудноокисляемых органических веществ сточных вод в биофильтрах не только не ниже, но в отдельных случаях даже выше, чем в аэротенках. Биофильтры применяются для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. Например, на капельных биофильтрах с высотой слоя загрузки 1,5 м и естественной аэрацией очищались сточные воды канифольно-экстракционного завода, термической переработки сланцев, производств диметилтерефталата, окиси этилена, хлоропренового каучука.

Концентрация загрязнений в исходных сточных водах составляла от 320 до 580 мг/дм³, а в очищенных сточных водах не превышала 25 мг/дм³. Окислительная мощность капельных биофильтров колебалась от 400 до 580 г БПКп на 1м³ сооружения в сутки. При высоте биофильтра 4 м и степени очистки сточных вод с 250 до 25 мг/дм³ по БПКп окислительная мощность составляла 7 - 9 г БПКп на 1 м³.

Исследования ЛИСИ (Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет) показали, что на сточных водах мясокомбината и молочного завода работа биофильтров более стабильна, чем работа аэротенков. Указанные сточные воды содержат высокие концентрации легкоразлагаемой органики, например лактозы, которая приводит к развитию нитчатых бактерий, вызывающих «вспухание» ила, и препятствующих стабильной работе вторичного отстойника. В биофильтрах развитие нитчатых бактерий и колоний низших грибов в верхней части загрузки может привести к заиливанию загрузки, однако этого можно избежать при повышении гидравлической нагрузки (за счет увеличения коэффициента рециркуляции) и снижении БПК смеси. Интересны так же исследования в области определения влияния рН сточных вод на стабильность работы биофильтров. С.М. Шифрин с сотрудниками (1981 г.) показал, что сточные воды молкомбината имеют рН 4,6 - 9,4, что обусловлено поступлением сыворотки и отработавших моющих растворов, поступление кислых и щелочных сточных вод влияло на состав биопленки, в частности приводило к интенсивному росту нитчатых бактерий. Однако ухудшения работы биологических фильтров при этом не наблюдалось. Предварительная нейтрализация исходных сточных вод до рН 7 не повышала эффекта очистки. Также не наблюдалось ухудшения работы биологических фильтров при подаче неосветленных сточных вод с концентрацией взвешенных веществ до 450 мг/дм³. При этом вынос избыточной биопленки увеличивался на 2 - 3% по сравнению с очисткой осветленных сточных вод. В обычном биофильтре могут осуществляться наряду с биодеградацией органических веществ сточных вод процессы нитрификации и денитрификации. На биоценоз верхней части биофильтра приходятся высокие нагрузки по органическим веществам, поэтому в этой части формируется биопленка, состоящая из гетеротрофов, интенсивно окисляющих органические вещества сточных вод. По мере продвижения сточных вод по загрузке, на которой сорбируются органические вещества, нагрузка на биопленку по органическим веществам понижается, и появляются условия для формирования автотрофов - нитрификаторов, трансформирующих азот аммонийный в азот нитритов и нитратов. Если толщина биопленки превышает 4-5 мм, то внутренний слой биопленки обеднен кислородом и в анаэробных условиях развиваются анаэробные гетеротрофы, в том числе денитрификаторы, осуществляющие трансформацию азота нитратов в азот молекулярный или другие летучие формы азота.

Капельные биофильтры обычно проектируются прямоугольными в плане, сточная вода подается сверху на поверхность загрузки, при помощи распределительных устройств различного типа.

Фильтрующий слой может быть выполнен из щебня или гравия (размер 25 - 80 мм) или отдельных конструкций, состоящих из пространственных пластмассовых элементов. Сравнительно небольшие линейные размеры загрузки обуславливают значительную удельную поверхность (150-250 м²/м³), что предопределяет высокие скорости изъятия загрязнений, в то время как при использовании крупной загрузки уменьшается вероятность кальматации сооружения. Подобные фильтры не требуют принудительной аэрации, поступление воздуха происходит через отверстия поддерживающей загрузку решетки, расположенной на дне фильтра. Для увеличения эффекта очистки сточных вод, особенно при значительных колебаниях расхода, желательно обеспечить рециркуляцию очищенной сточной воды через сооружение. В процессе работы биофильтра происходит вымывание биопленки. Количество избыточной биопленки следует принимать 8 г/(чел сут) по сухому веществу. Влажность биопленки, выносимой из биофильтра - 96%. Для задержания биопленки устраивают вторичные отстойники. При БПКп сточных вод более 220 мгО₂/дм³ надлежит предусматривать рециркуляцию сточных вод.

Данные биофильтры могут быть использованы как для изъятия органических загрязнений, так и для реализации процесса нитрификации, в последнем случае часто требуется установка биофильтра первой и второй ступеней. Справочником по современным технологиям очистки природных и сточных вод и оборудованию (Отдел по Датскому Сотрудничеству в Области Окружающей Среды в Восточной Европе, 2002 г) рекомендуется использовать биофильтры для предварительной очистки высококонцентрированных сточных вод. В этом случае при использовании пластмассовых загрузок можно эксплуатировать сооружение с нагрузкой 2 кг БПК/м³ сут.

Капельные биофильтры могут обеспечивать снижение БПК сточных вод до 80%, содержание БПК может быть менее 30 мгО₂/дм³ в очищенных сточных водах (в СНиП 2.04.03-85, п. 6.129, указывается, что остаточная концентрация загрязнений сточных вод по БПКп может быть принята 15 мгО₂/дм³), а азота аммонийного 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 органике; сравнительно высокие капитальные затраты.

Высоконагружаемые биофильтры (аэрофильтры) отличаются от капельных большей окислительной мощностью, равной 0,75 - 2,25 кгБПК/(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/(м²сут).

Высоконагружаемые фильтры могут быть с естественной и искусственной аэрацией, последние получили название аэрофильтров. Количество избыточной биопленки, выносимой из вы-соконагружаемых биофильтров, надлежит принимать 28 г/(чел сут) по сухому веществу, влажность пленки 96% . При очистке сточных вод с рециркуляцией определяют допустимую БПКп смеси поступающей и рециркулируемой сточной воды, подаваемой на биофильтр. Рециркуляцию применяют при БПК сточных вод более 300 мгО₂/дм³.

Материалом загрузки может быть антрацит, песок, сланец, пемза, обычный диаметр частиц 4 - 8 мм. Направление потока обрабатываемой сточной воды может быть как нисходящим, так и восходящим.

Если аэрофильтр рассчитывается с учетом процесса нитрификации, то определяемыми параметрами в этом случае являются нагрузка по азоту аммонийному, выраженная в кг 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 изъятие загрязнений из сточных вод по БПК₅ может достигать 90 % и более (БПК₅ очищенной воды менее 20 мгО/дм³; концентрация взвешенных веществ - 25 мг/дм³ и менее). При осуществлении процесса нитрификации, содержание азота аммонийного в очищенной воде - менее 2 мг/дм³; взвешенных веществ менее 15 мг/дм³. Затраты энергии для функционирования аэрируемых фильтров сопоставимы с затратами для систем с активным илом. Избыточную биомассу необходимо подвергать дальнейшей обработке, во избежание возникновения неприятных запахов. Аэрофильтры имеют незначительную чувствительность к колебаниям температуры, стабильное качество очищенной воды.

Фильтры с плоскостной загрузкой.

Для повышения пропускной способности биофильтров используют плоскостную загрузку, пористость которой составляет 70 - 90% . Рабочая поверхность для образования биопленки составляет от 60 до 250 м²/м³ загрузки. В этом заключается основное принципиальное отличие биофильтров с плоскостной загрузкой от биофильтров с объемной загрузкой. Биофильтр с плоскостной загрузкой, как правило, размещают в закрытом помещении, допустимое значение БПКп поступающих сточных вод при полной биологической очистке -250 мг/м³; при неполной очистке - не ограничивается.

Однако, рекомендованный СНиП 2. 04.03. - 85 диапазон гидравлической нагрузки на биофильтры с плоскостной загрузкой, обеспечивающий стабильный эффект очистки сточных вод, может быть несколько расширен. Согласно исследованиям, проводимым еще в конце 70-х, начале 80-х годов 20 столетия, показали, что при изменении гидравлической нагрузки от 5 до 120 м³/(м² сут) на поверхности загрузки легко образуется биопленка, имеющая стабильный состав, при больших значениях по гидравлической нагрузке, эффект очистки составлял 60% (Porcalowa Petra, 1978 г.) Эти данные подтверждают исследования, выполненные японскими учеными при изучении сверхвысоконагружаемых биофильтров с коэффициентом циркуляции 10-40 и гидравлической нагрузкой 150 - 250 м³/(м² сут) (Endo/ I, Tamura T, 1980). По данным Яковлева С.В. и Воронова Ю.В. (Биологические фильтры, 1982 г.) изменение гидравлической нагрузки в пределах 10 - 32 (м³/м² сут) существенно не влияет на микрофлору биопленки. При нагрузках более 32 м³/(м² сут) в биопленке наряду с уменьшением числа крупных и появлением мелких форм реснитчатых, отмечено уменьшение количества коловраток и червей.

Обзор литературы позволил установить, что за рубежом были проведены еще в 70-х годах 20 столетия опыты по очистке на биофильтрах с пластмассовой загрузкой неосветленных сточных вод, которые показали возможность получения качества очищенной воды близкой к качеству очищенной сточной воды после установок полного биологического окисления с активным илом (по данным материалов Карелина Я.А. и др. «Очистные канализационные установки в странах Западной Европы, 1977 г.). Недостатком метода является необходимость большой, 20-ти кратной рециркуляции сточных вод, что позволяет осуществлять полную биологическую очистку сточных вод, так как снабжение кислородом происходит за счет насыщения жидкости кислородом воздуха в период орошения загрузки биофильтра.

Для высоконагружаемых биофильтров рециркуляция может быть необходимой и полезной для достижения 50 - 70% эффекта очистки сточных вод и невыгодной при достижении большего эффекта, так как увеличение коэффициента рециркуляции свыше определенных пределов вызывает лишь незначительное повышение эффекта очистки стоков.

Сравнительная оценка показывает, что биофильтры с плоскостной загрузкой обладают большей производительностью и эффективностью, чем биофильтры с объемной 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 фильтра с плоскостной загрузкой может быть доведена до 1,9 кг/м³ сут. Наибольший экономический эффект наблюдается при применении биофильтров с плоскостной загрузкой для неполной биологической очистки сточных вод. Так, по данным американских исследователей, при очистке сточных вод фабрик по замораживанию продуктов, а также сточных вод целлюлозно-бумажного завода в диапазоне нагрузок по БПК от 3 до 14 кг/м³ сут, снижение БПК в среднем составляло 53%, то есть окислительная мощность по снятой БПК достигала 7 кг/(м³ сут). Аналогичные данные получены С.В. Яковлевым при обработке многочисленных исследований по биофильтрам. Согласно литературным данным (С.В. Яковлев, Т.А. Карюхина, 1980 г.) при неполной биологической очистки сточных вод (50 - 80%) окислительная мощность может достигать 3 - 16 кг БПК₅/(м³ сут). Таким образом, можно сказать, что максимальная окислительная мощность загрузки достигается при получении эффекта очистки по БПК₅ 50 - 70%. Получение эффекта очистки сточных вод более 70% связано со значительным увеличением размеров биофильтра и повышением энергетических затрат.

Биофильтры - стабилизаторы, разработанные кафедрой канализации ЛИСИ (в настоящее время Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет) представляют собой модификацию биологических фильтров с плоскостной загрузкой.

Основанием для разработки этих сооружений очистки сточных вод явился эффект высокой концентрации кислорода в фильтрате. Одновременно было установлено, что биопленка продолжает потреблять растворенный кислород во вторичном отстойнике.

Сущность работы биофильтров-стабилизаторов в том, что путем неоднократного возврата биопленки на фильтр вместе с циркулирующей жидкостью, можно добиться более глубокой очистки сточных вод с одновременной стабилизацией избыточной биомассы. Такая работа фильтра возможна лишь при достаточной пористости загрузочного материала, с тем чтобы избежать его заиливания.

Биофильтр-стабилизатор состоит из биологического фильтра и расположенного под ним стабилизатора. Стабилизатор имеет отстойную зону, размещенную по его периферии. Загрузочный материал биофильтра - перфорированная винипластовая рулонная пленка, навешиваемая вертикальными полосами через 50 мм. Загрузка имеет следующие характеристики: пористость - 98%, удельную поверхность 66 м²/м³. Подобная загрузка способна выдержать практически любую нагрузку по органическим загрязнениям сточных вод без опасности заиливания и позволяет осуществлять работу биофильтра с естественной аэрацией.

Биохимическая очистка в данном сооружении очистки сточных вод осуществляется как на закрепленной на загрузке биопленкой, так и циркулирующей избыточной биопленкой.

Установка работает следующим образом. Исходные сточные воды поступают в приемный резервуар насосной станции, куда направляется также и рециркулируемая жидкость из нижней части стабилизатора вместе с избыточной биопленкой. Насосом эта смесь подается на распределительное устройство биологического фильтра. При прохождении сточных вод через загрузку очищенная жидкость насыщается кислородом. Этот кислород расходуется в стабилизаторе на окисление (минерализацию) избыточной биопленки и доочистку сточных вод. Потребное количество растворенного кислорода регулируют, изменяя степень рециркуляции и интенсивность орошения загрузки. Очищенная сточная вода осветляется в отстойной зоне стабилизатора и отводится из сооружения. В биофильтре-стабилизаторе производится окисление загрязнений сточных вод, находящихся во взвешенном, коллоидном и растворенном состояниях, а также минерализация прирастающей биомассы. Таким образом, при использовании этих сооружений не требуется устройство первичных и вторичных отстойников, а также сооружения для стабилизации избыточной биомассы. Биофильтр-стабилизатор обслуживается одним насосом, работу сооружения легко автоматизировать (С.М. Шифрин и др. 1981) .

Работа биофильтра-стабилизатора была испытана в течение нескольких лет на сточных водах молочных заводов в различных режимах. Окислительная мощность биофильтра составляла 1000 - 3300 г БПКп/(м³ сут), эффект очистки - 97 - 98,5%, БПКп очищенной жидкости - 13 - 28 мг/дм . Установка работала в режиме полного окисления избыточной биомассы при концентрации биопленки в стабилизаторе 1 - 1,5 г/дм³. Концентрация растворенного кислорода в жидкости, стекающей с загрузки, 5,5 - 7,2 мг/дм³. Продолжительность стабилизации биомассы - 6 - 15 сут. Результаты испытаний установки показали, что окислительная мощность биофильтра-стабилизатора значительно выше, чем окислительная мощность высоконагружаемых биологических фильтров обычной конструкции.

ГЛАВА 3. КАПЕЛЬНЫЕ БИОФИЛЬТРЫ

В биологических фильтрах прикрепленная к загрузке биомасса осуществляет изъятие органических загрязнений за время прохождения сточных вод, зависящее от типа и высоты загрузки, гидравлической нагрузки. Средняя продолжительность протока воды определяется в виде функции t = / (H/qm), в которой величина т равна 0,4 и 0,5 соответственно для биофильтров с объемной и плоскостной пластмассовой загрузкой.

Основная задача эксплуатации биофильтров сводится к культивированию биологической пленки, обладающей устойчивой способностью к очистке сточных вод и непрерывному воспроизводству новой и удалению старой биомассы. Неблагоприятные условия работы биофильтров приводят к заилению загрузки, в особенности объемной (кусковой), изменению биоценоза и ухудшению качества очищенной воды. Режим воспроизводства биопленки зависит от нагрузки (по отношению к загрязнениям сточных вод) на биомассу по органическим веществам, режима движения жидкости в поровом пространстве загрузки биофильтра, способности биопленки прикрепляться и удерживаться на поверхности загрузки.

Капельные биофильтры рассчитаны на относительно длительный контакт сточных вод с биопленкой (3--10 мин). Движение жидкости в загрузке в период орошения через спринклерную систему с дозировочным баком характеризуется неустановившимся режимом: в период между орошениями поровое пространство загрузки освобождается от воды, в период орошения происходит сначала накопление воды в поровом пространстве, затем удержание жидкости и, наконец, вытеснение избытка воды вновь поступающими порциями. Для определения удерживающей способности биофильтра (по воде) применимы методы опорожнения и трассирования. Метод опорожнения заключается в отсечке орошения загрузки (прекращение подачи на нее жидкости) и измерения количества стекающей воды во времени после момента отсечки. Этим методом определяется статическая удерживающая способность загрузки. Метод трассирования, реализуемый путем ввода в поступающую жидкость нейтрального индикатора без прекращения подачи сточных вод, позволяет определить динамическую удерживающую способность. Последний метод является более приемлемым, поскольку позволяет получить кривую распределения продолжительности пребывания элементов потока жидкости в загрузке, а также определить среднюю продолжительность пребывания жидкости в биофильтре.

Если биофильтры оснащены оросительными системами непрерывного действия, то задача трассирования сводится к определению равномерности распределения жидкости (и трассера) по поверхности фильтра. Трассированием возможно определить также развивающееся заиление загрузки фильтра и появление зон интенсивного тока воды. При заилении фильтра зачастую вода образует зоны интенсивного протока и значительная часть потока воды проходит загрузку без очистки. Этому явлению способствует разнородность загрузочного материала, когда отдельные полости фильтра загружены материалом разной крупности.

Несоответствие качества очищенной воды проектным данным может быть вызвано рядом причин: резкой неравномерностью притока сточных вод и залповыми сбросами сточных вод, в особенности при неблагоприятном составе загрязнений (поступление ПАВ из прачечных, нефтепродуктов, сброс технологических растворов и отходов из производственных объектов и т. п.); изменением качественного состава загрязнений в сточных водах за счет промышленных предприятий; снижением температуры сточных вод и несоответствием фракционного состава загрузки биофильтра нормативным требованиям; перегрузкой очистной станции как по расходу сточных вод, так и количеству поступающих загрязнений.

При невозможности устранения фактора, вызывающего неблагоприятное воздействие, возможно применить меры оперативного воздействия: введение рециркуляции очищенной воды, в том числе в ночные часы; замену части фильтрующего материала; интенсификацию узла механической очистки предварительной аэрацией с использованием регенерированной избыточной биопленки из вторичных отстойников; устройство системы обогрева (шатра с отоплением или без него). При полной очистке рециркуляция очищенной воды, наложенная на расчетный расход сточных вод, в общем подходе снижает эффективность очистки воды вследствие уменьшения времени контакта загрязнений с биопленкой. Но введение рециркуляции в часы малого притока создает предпосылки для интенсивной промывки тела загрузки от избытка биопленки, предотвращения высыхания биомассы, выноса накопленных загрязнений и продуктов метаболизма. Не исключается рециркуляция теплой либо подогретой чистой воды в ночные часы для сохранения температурного режима и исключения остывания биофильтра.

Замена части фильтрующего материала является вынужденной мерой, связанной с заилением верхних слоев загрузки. Верхний слой толщиной 0,5--0,7 м заменяют на более крупнозернистый материал, вследствие чего увеличивается размер пор фильтра, снижается продолжительность протока воды и в некоторой степени эффект очистки. Тем не менее таким способом возможно более равномерно распределить количество биопленки по всей высоте загрузки, избежать образования непроницаемого слоя биомассы вблизи поверхности загрузки.

Следует обратить внимание эксплуатационного персонала на параметр гидравлической нагрузки, выраженной в виде допустимого диапазона 1--3 м3/м2сут. Выбранная единица измерения времени -- сутки -- исключает учет колебаний расхода по часам суток, что может привести к недопустимым перегрузкам, способы выявления которых описаны в начале раздела.

Оценка работы биофильтров производится по данным анализов исходной (БПК, ХПК, концентрация взвешенных веществ, азот аммонийный, СПАВ) и очищенной воды (БПК. ХПК, концентрация взвешенных веществ, азот аммонийный, нитриты, нитраты), а также осадка вторичных отстойников.

Важно определять БПК взболтанной пробы сточной жидкости после первичных отстойников, так как эта величина может существенно отличаться от БПК осветленной в лабораторных условиях (в покое) пробы за счет низкого эффекта работы узла механической очистки, выноса иловой воды из двухъярусных отстойников. Величина ХПК дает информацию о возможных сбросах технологических растворов и особенно важна при контроле процесса по величине БПК5. не учитывающей влияние взвешенных веществ на процессы биологической очистки. Снижение концентрации аммонийного азота, появление нитритов и нитратов свидетельствуют о полноте очистки. В общем случае для полной очистки характерно снижение количества аммонийного азота на 20-- 50 %, наличие нитратов в пределах 2--5 мг/л.

В пусковой период работы капельных биофильтров производится наращивание биопленки путем пропуска разбавленных либо неразбавленных сточных вод с постепенным увеличением расхода в пределах от 30--40 до 100 % от проектной величины. Желательно проводить пуск в теплый период года, чтобы избежать неблагоприятных воздействий низких температур. Интенсивному росту биопленки способствует доставка активного ила или биопленки с действующей станции.

В первый период полезным оказывается возврат осадка вторичных отстойников на биофильтры. Постепенный переход от одного щадящего режима к другому должен быть обоснован показателями полноты очистки сточных вод и микробиологическими показателями состава образцов биопленки, отобранной из разных по высоте загрузки слоев. Оценивается также биоценоз биопленки, задерживаемой во вторичном отстойнике. Переход на проектный режим работы осуществляется при достижении полной очистки в промежуточных щадящих режимах.

Высоконагружаемые биофильтры. В отличие от капельных фильтров высоконагружаемые работают при более высоких плотностях орошения загрузки -- порядка 10--30 м3/ма-сут. В условиях нормальной эксплуатации эффективность очистки зависит от качественного состава загрязнений, температуры воды, аэрации загрузки, однородности и крупности загрузочного материала, равномерности орошения.

Качественный состав загрязнений оценивается по БПК и ХПК. сточных вод, содержанию взвешенных веществ. Наличие в сточных водах легкоусвояемых веществ, повышенного содержания взвесей (допустимая концентрация не более 150 мг/л) способствует росту биопленки и возможному заилению загрузки. Резкие колебания температуры сточных вод в течение суток вызывают снижение активности микроорганизмов и требуют адаптации к изменившимся условиям. Аэрацию загрузки трудно оценить количественно, поскольку измерение расхода воздуха в окнах, подающих и всасывающих воздуховодах не гарантирует равномерность распределения его по всей поверхности фильтра. Попытки визуальной оценки равномерности аэрации путем задымления или окрашивания воздуха не всегда приемлемы и безопасны. Аэрация считается достаточной, если в очищенной воде содержится 5-- 6 мг/л растворенного кислорода (в случае полной очистки оценка дополняется наличием нитритов и нитратов).

Однородность и крупность зерен загрузки в решающей степени влияет на процесс очистки и заиление загрузки. Преобладание относительно мелких зерен будет содействовать увеличению скорости очистки, но в скором времени приведет к накоплению биопленки, закупорке воздушных каналов, заилению загрузки. Более крупная загрузка меньше подвержена заилению, однако снижает эффективность очистки вследствие сокращения площади контакта биопленки и сточных вод. Наиболее опасно размещение мелкозернистой загрузки в приповерхностных слоях, где наиболее интенсивно развивается биомасса микроорганизмов.

Равномерность орошения определяют путем установки невысоких мерных сосудов (поддонов) по наиболее характерным участкам орошаемой поверхности. Скорость наполнения сосудов дает достаточно четкое представление о возможных дефектах оросительной системы. Равномерность выхода жидкости из тела загрузки оценивают таким же способом, но с большими трудностями, возникающими вследствие ограниченности междудонного пространства. Длительность протока воды по отдельным участкам определяют импульсным трассированием всего потока сточных вод либо отдельного плеча (перфорированной трубы) оросителя.

Периодическим определением t возможно оценить интенсивность накопления биопленки в поровом пространстве. Рециркуляция очищенной воды необходима при превышении допустимого значения ВПК сточных вод, зависящего от высоты биофильтра. По таблицам СНИП [29] допустимое значение L0 определится как L0 = kLt, причем значение k находят по известным величинам гидравлической нагрузки q и температуре Т сточных вод в зависимости от режима аэрации. В первом приближении допустимо принимать k при расходе воздуха В = 8 м3/м3. Обнаруженное превышение фактического значения L0 над проектной величиной, подкрепленное недостаточным эффектом очистки, даже при избыточной подаче воздуха (более 12 м3/м3) служит достаточным основанием для введения рециркуляции.

Заиление загрузки фильтра характеризуется появлением луж на поверхности и снижением продолжительности контакта воды с биопленкой. Резко нарушается равномерность распределения сточных вод по загрузке. Развивающееся заиление можно обнаружить, периодически проводя определение характера накопления биопленки в слое загрузки на глубине 0,3--0,7 м от поверхности. Для этой цели отрывают шурфы в теле загрузки в разных местах фильтра. Если поровое пространство загрузки интенсивно заполняется биопленкой, а вода при заполнении шурфа фильтруется медленно и в основном за счет растекания по периферии шурфа, то эти признаки могут служить основанием для промывки фильтра. Дополнительная информация может быть получена микроскопированием проб биопленки, отобранной из мест ее скопления. Преобладание анаэробной биомассы, гнилостный запах, относительно низкая встречаемость либо полное отсутствие аэробных индикаторных простейших организмов свидетельствуют о загнивании биопленки в поровом пространстве.

В первый период развития заиления возможно промыть биофильтр интенсивной рециркуляцией, при необходимости с выключением его из работы. Допускается промывка фильтра хлорной водой (доза хлора 100--150 мг/л, остаточный активный хлор 10--15 мг/л). Запущенное заиление ликвидируют штыкованием загрузки, рыхлением гидродинамическими и механическими средствами. После операций по промывке загрузки, особенно в случае применения хлорной воды, необходимо повторное проведение наращивания биопленки. Пуск высоконагружаемых биофильтров в работу мало чем отличается от описанного ранее.

Биофильтры с листовой и рулонной пластмассовой загрузкой. В отличие от зернистых фильтров в этих конструкциях практически исключается заиление загрузки. Вследствие малой продолжительности контакта загрязнений с биопленкой применяют многократную рециркуляцию воды и увеличивают гидравлическую нагрузку -- до 20--70 м3/м2сут.

Практикуется замена зернистой загрузки пластмассовой листовой либо рулонной при реконструкции станции. Поскольку вторичные отстойники не в состоянии пропустить повышенный расход сточных вод (с учетом рециркуляции), то отбор воды для рециркуляции производят до вторичных отстойников, вместе с избыточной биопленкой. Такой способ рециркуляции улучшает работу фильтров, так как заиление загрузки исключено. Пуск в работу, наращивание биопленки, технологический контроль биофильтров с пластмассовой загрузкой производятся так же, как и для других биофильтров.

ГЛАВА 4. 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.

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 БПК_полн400 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). 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 биофильтре-стабилизаторе 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%. БПК_полн 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

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 БПК_полн 1,6 кг/(м³-сут) окислительная мощность по снятой БПК_полн 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 11-34% 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 (пятью-шестью) 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.