Биофильтры с неподвижной и подвижной загрузкой для очистки сточных вод. Теория и практика расчета

Ю. А. ФЕОФАНОВ





БИОФИЛЬТРЫ С НЕПОДВИЖНОЙ И ПОДВИЖНОЙ ЗАГРУЗКОЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА РАСЧЕТА

Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 628.35
ББК 38.761 Ф42

Рецензенты:
д. т. н., профессор Черников Н. А.;
к. т. н., доцент Кудрявцев А. В.



     Феофанов, Ю. А.
Ф42       Биофильтры с неподвижной и подвижной загрузкой для очистки
     сточных вод. Теория и практика расчета : учебное пособие / Ю. А. Феофанов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 100 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1194-3

           Рассмотрены современные типы биофильтров с неподвижной и подвижной загрузкой, применяемые для биологической очистки сточных вод. Приведены основные технологические параметры и схемы их работы. Рассмотрены закономерности процесса очистки сточных вод на этих сооружениях и методики их расчета. Приведены примеры расчетов.
           Для студентов, обучающихся по профилю «Водоснабжение и водоотведение» направления подготовки «Строительство», при изучении ими курса «Очистка сточных вод», выполнении курсовых и дипломных проектов и работ по этому курсу.

УДК 628.35
ББК 38.761












ISBN 978-5-9729-1194-3

     © Феофанов Ю. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

Оглавление


Введение..........................................................4
1. Орошаемые биофильтры с неподвижной загрузкой. Технологические схемы их работы...................................................5
1.1. Капельные биофильтры........................................12
1.1.1. Расчет капельных биофильтров. Примеры расчета...............13
1.2. Высоконагружаемые биофильтры..................................17
1.2.1. Расчет высоконагружаемых биофильтров. Примеры расчета.......18
1.2.2. Технико-экономическое сравнение и выбор варианта расчета биофильтров......................................................29
1.2.3. Определение интенсивности воздухообмена при естественной вентиляции высоконагружаемых биофильтров. Примеры расчета........35
1.3. Биофильтры с пластмассовой загрузкой........................40
1.3.1. Расчет биофильтров с пластмассовой загрузкой. Примеры расчета.42
1.4. Характеристики и расчет распределительных систем орошаемых биофильтров......................................................47
1.4.1. Расчет спринклерной распределительной системы орошения биофильтров. Пример расчета......................................47
1.4.2. Расчет реактивных вращающихся оросителей. Пример расчета..51
1.4.3. Характеристики работы и совершенствование распределительных систем орошаемых биофильтров.....................................54
2. Затопленные биофильтры с неподвижной загрузкой................59
3. Биореакторы с плавающей загрузкой.............................61
4. Биореакторы с псевдоожиженной мелкозернистой загрузкой........63
4.1. Расчет биореакторов с мелкозернистой загрузкой..............68
4.1.1. Пример расчета биореакторов с псевдоожиженной загрузкой.......69
5. Погружные вращающиеся биореакторы.............................73
5.1. Типы погружных вращающихся биореакторов и технологические схемы их работы..................................................73
5.2. Закономерности процесса очистки сточных вод на погружных вращающихся биореакторах.........................................76
5.3. Расчет погружных вращающихся биореакторов...................80
5.3.1. Примеры расчета погружных вращающихся биореакторов........81
Список литературы................................................93

3

ВВЕДЕНИЕ


     Биофильтры, или биореакторы с неподвижной и подвижной загрузкой, применяются для биологической очистки сточных вод и относятся к сооружениям, в которых процесс очистки воды осуществляется с помощью биопленки, закрепленной на этой загрузке. Биофильтры с неподвижной загрузкой разделяются на орошаемые биофильтры, в которых поступающая вода распределяется по поверхности загрузки и проходит через нее отдельными струями, или каплями, и затопленные биофильтры, через загрузку которых вода протекает сплошным потоком.
    В биореакторах (биофильтрах) с подвижной загрузкой процесс биологической очистки производится при перемещении загрузки с биопленкой в потоке очищаемой воды. Эти биореакторы можно разделить на следующие группы: погружные вращающиеся биофильтры; биореакторы с плавающей засыпной загрузкой и биореакторы с псевдоожиженной мелкозернистой загрузкой. Классификация биореакторов с неподвижной и подвижной загрузкой приведена на рис. 1.



            Биофильтры с неподвижной загрузкой

            Биореакторы (биофильтры) с подвижной загрузкой



Орошаемые

Затопленные

Погружные вращающиеся биореакторы

с плавающей засыпной загрузкой

Капельные

Дискового типа

с псевдоожиженной
мелкозернистой загрузкой

Вид загрузки

Высокона-гружаемые

Плоскостная (пластмассовая) ”

Барабанного типа

Способ перемешивания загрузки

пневматический

гидравлический

механический

                           засыпная



Рис. 1. Классификация биофильтров (биореакторов) с неподвижной и подвижной загрузкой для очистки сточных вод

4

1. ОРОШАЕМЫЕ БИОФИЛЬТРЫ С НЕПОДВИЖНОЙ ЗАГРУЗКОЙ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ИХ РАБОТЫ

     Сущность работы орошаемых биофильтров с неподвижной загрузкой иллюстрируется рис. 2, где показан элемент загрузочного материала биофильтра с закрепленной на нем биопленкой. Сточная жидкость протекает тонким слоем по поверхности загрузки, покрытой биомассой, при этом осуществляется контакт загрязненной воды с биопленкой. Органические загрязнения изымаются из протекающей жидкости и окисляются микроорганизмами биопленки. Продукты распада органического вещества выносятся в слой жидкости и отводятся (растворенные вещества - с жидкостью, газообразные - с воздухом). Одновременно происходит вымывание потоком жидкости избыточной (прирастающей) биомассы. Требуемый для протекания биохимического процесса кислород поступает из воздуха, заполняющего поровое пространство биофильтра. Кислород воздуха растворяется в жидкости и вместе с ней подводится к биологической пленке.
     Скорость биохимического процесса очистки сточных вод зависит от скорости подвода к активной биологической массе загрязнений и кислорода воздуха. Перенос загрязнений (из жидкости в биопленку) и кислорода воздуха (из порового пространства в жидкость) осуществляется через поверхность раздела фаз «биопленка - жидкость» и «воздух - жидкость». Скорость этих процессов определяется концентрацией загрязнений в жидкости, составом воздуха в порах загрузки, площадью поверхности загрузки, а также режимом протекания жидкости. При повышении концентрации загрязнений в протекающей по загрузке жидкости будет увеличиваться (до определенного предела) градиент скорости их переноса к биологической пленке, а следовательно, и скорость биохимического процесса. Скорость переноса загрязнений через слой движущейся жидкости к биопленке зависит также и от режима потока жидкости. При ламинарном режиме потока подвод растворенных загрязнений определяется, в основном, молекулярной диффузией вещества за счет разности его концентраций на границе раздела фаз «жидкость - воздух» (где концентрация загрязнений максимальная) и «жидкость - биопленка» (где концентрация загрязнений в воде будет минимальной). В случае турбулентного режима движения жидкости значительное влияние на скорость переноса вещества в продольном направлении оказывает перемешивание жидкости. При турбулентной диффузии скорость переноса вещества может намного превышать скорость молекулярной диффузии и, следовательно, при турбулентном режиме движения скорость биохимического процесса будет выше, чем при ламинарном потоке.
     Скорость биохимического процесса очистки сточных вод в биофильтре зависит от площади поверхности раздела фаз «биопленка - жидкость», через которую осуществляется поступление загрязнений к бактериальным клеткам. Очевидно, что чем больше эта поверхность, тем интенсивнее может протекать процесс изъятия загрязнений из жидкости. Таким образом, одним из факторов, определяющих скорость процесса в биофильтрах, является поверхность биологической пленки, которая в свою очередь зависит от поверхности загрузочного материала.

5

    При значительном накоплении биомассы в загрузке активно работающим остается по-прежнему наружный аэробный слой, а внутри (у поверхности загрузки) может иметь место анаэробная зона биомассы, не участвующая активно в изъятии и окислении загрязнений (см. рис. 2). Увеличение количества биомассы в загрузке уменьшает объем ее порового пространства, затрудняет воздухообмен и может привести к полному закупориванию пор верхнего слоя загрузки и нарушению работы биофильтра.
    Прирост биологической массы зависит от состава и концентрации загрязнений исходной воды. Поступление высококонцентрированных по загрязнениям сточных вод на биофильтры может привести к чрезмерному приросту биомассы. Во избежание этого применяют предварительное разбавление исходных сточных вод, обычно очищенной жидкостью (рециркуляция). Мерой борьбы против заиления может служить и повышенная нагрузка по воде на биофильтры (гидравлическая нагрузка), при которой достигается достаточно интенсивная промывка пор загрузки.
     При установившейся работе биофильтра прирост биопленки должен равняться ее выносу из загрузки с очищенной жидкостью. Обеспечить такой режим работы биофильтра можно, с одной стороны, регулируя прирост биомассы путем разбавления исходных сточных вод для снижения концентрации загрязнений и, с другой стороны, регулируя вынос биопленки путем изменения гидравлической нагрузки на сооружение. С этой целью применяют рециркуляцию очищенной жидкости, которая позволяет снизить начальную концентрацию загрязнений и одновременно увеличить гидравлическую нагрузку на биофильтр.


Рис. 2. Схема массообменных процессов, происходящих в орошаемом биофильтре

6

     Скорость биохимического процесса может зависеть и от количества кислорода воздуха, подводимого к биопленке. При недостаточном поступлении кислорода процесс будет замедляться; увеличение скорости подвода кислорода к бактериальным клеткам позволяет ускорить протекание биохимического процесса. Однако влияние количества подводимого кислорода к биомассе на скорость процесса сказывается до определенного предела, при котором процесс полностью обеспечивается поступлением кислорода. Если при естественной вентиляции биофильтра поступление воздуха будет недостаточным, то осуществляют принудительную его подачу в биофильтр в необходимом объеме с помощью вентиляторов.
     Биологические фильтры с неподвижной загрузкой делятся на капельные (низконагружаемые) и высоконагружаемые. В биофильтрах может применяться объемная загрузка из естественных и искусственных материалов или плоскостная загрузка (см. рис. 1). Обычно в качестве объемной загрузки применяют гравий, щебень прочных горных пород определенной крупности, а в качестве плоскостной - пластмассовые изделия (в виде листов, блоков, пленок и засыпных элементов различной формы), способные выдержать температуру от 6 до 30 °С без потери прочности. Все виды загрузки биофильтров должны отвечать требованиям [1, 2].
     Капельные биофильтры устраиваются с естественной вентиляцией, в вы-соконагружаемых - предусматривают возможность работы как с естественной, так и с искусственной вентиляцией (аэрофильтры).
     Для распределения сточных вод по поверхности биофильтров обычно используются спринклерные оросители либо вращающиеся оросители из перфорированных труб.
     Капельные биофильтры обычно применяют для полной биологической очистки сточных вод с высокой степенью нитрификации, для них характерны низкие нагрузки по загрязнениям, небольшие гидравлические нагрузки, длительный контакт сточных вод с биопленкой, небольшой прирост биомассы. Последнее обстоятельство позволяет использовать в капельных биофильтрах более мелкую фракцию объемной загрузки, а также осуществлять работу сооружений с естественной вентиляцией [3, 4, 7].
     Высоконагружаемые биофильтры применяют как для полной, так и неполной биологической очистки сточных вод. В последнем случае возникает необходимость повышения гидравлической нагрузки, применения более крупной загрузки с более высокой пористостью, увеличения высоты биофильтра, а также принудительной вентиляции загрузки. Повышенная гидравлическая нагрузка и введение рециркуляции позволяют обеспечить вынос прирастающей (избыточной) биологической пленки, предотвращать заиливание загрузки. Увеличением высоты фильтра, а также введением рециркуляции достигается требуемая продолжительность пребывания сточных вод в загрузке при высоких скоростях движения жидкости.

7

      Биофильтры используются как самостоятельные сооружения при одноступенчатой и двухступенчатой схемах биологической очистки или в качестве сооружений первой либо второй ступени совместно с другими сооружениями биологической очистки, например аэротенками. Число биофильтров на станции должно быть не менее двух (все рабочие); общее количество одноступенчатых биофильтров рекомендуется принимать не более восьми [I, 3, 4].
      Характеристики биофильтров с орошаемой неподвижной загрузкой приведены в табл. 1.

     Т а б л и ц а 1 Характеристики биофильтров с орошаемой неподвижной загрузкой

                               Характеристика загрузки                          
 Тип биоло-        Вид                    Разви-  Удель-                        
 гического     загрузочного   Пористость,  тость  ная по- Режим очистки         
  фильтра       материала          %      поверх-  верх-                        
                                           ности  ность,                        
                                                   м2/м3                        
1. Низко-    Щебень,          40-45       Высокая 80-120  Полная биологическая  
производи-   гравий                                       очистка с высокой     
тельные (ка- крупностью                                   степенью              
пельные)     25-40 мм                                     нитрификации при      
биофильтры                                                нагрузке от 1,5 до    
                                                          4,5 гБПКполн./ сут. м2
                                                          поверхности загрузки  
2. Высоко-   То же крупно-                                Неполная и полная     
производи-   стью 40-70 мм                                биологическая         
тельные био- То же с круп-                                очистка с разной сте- 
фильтры с    ностью 50-       40-50       Средняя 50-80   пенью нитрификации    
объемной за- 100 мм           45-65       Низкая  30 -50  в зависимости от      
грузкой (вы-                                              нагрузки (от 5,0 до   
соконагружа-                                              50 гБПКполн./сут. м2  
емые)                                                     поверхности           
                                                          загрузки)             
3. Высоко-   а) Вертикаль-    90-97       Средняя 60-80   Неполная и полная     
производи-   ные листы        90-99       Средняя 90-120  биологическая         
тельные      (шифер,          70-90       Высокая 150-250 очистка с разной      
биофильтры   пластмасса)                                  степенью              
с плоскост-  б) Блочная и                                 нитрификации при      
ной загруз-  пленочная                                    нагрузке от 5,0 до    
кой          пластмассовые                                50 гБПКполн./сут. м2  
             загрузки                                                           
             в) Загрузка из                                                     
             засыпных                                                           
             пластмассовых                                                      
             элементов                                                          
             (кольца, отрезки                                                   
             труб и др).                                                        

      Производительность биофильтров зависит, главным образом, от принятого режима очистки и рабочей поверхности загрузочного материала, то есть факторов,


8

определяющих скорость биохимического процесса и количество закрепленной на загрузке биомассы. Данные об удельной поверхности и пористости объемной (кусковой) загрузки биофильтров приведены на рис. 3.


Рис. 3. Зависимость удельной поверхности и пористости объемной (кусковой) загрузки биофильтров от ее крупности

     Преимуществами многих видов объемной загрузки являются относительно небольшая стоимость и значительное гидравлическое сопротивление, способствующее лучшему распределению жидкости по поверхности загрузки, недостатками - большой инертный объем, значительный объемный вес, низкая пористость, возможность заиливания.
     Плоскостная загрузка обладает, как правило, лучшими технологическими показателями, уступая объемной загрузке лишь в стоимости. Конструкции плоскостных загрузок весьма разнообразны, Более широкое распространение получили загрузки из пластмасс (полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, полистирол) в виде блоков, труб, пленок и засыпных элементов. Высокие величины удельной поверхности и пористости плоскостных загрузок позволяют использовать их в биофильтрах, работающих с повышенными нагрузками по загрязнениям без рециркуляции и принудительной вентиляции.
     Для биофильтров с плоскостной загрузкой используются те же виды водораспределителей, что и для биофильтров с объемной загрузкой, и их недостатки проявляются здесь в большей мере, так как плоскостная загрузка оказывает меньшее сопротивление падающим струям жидкости. Очевидно, что для биофильтров с плоскостной загрузкой необходимо более тщательное распределение жидкости.
     Особенности объемной и плоскостной загрузки следует учитывать также и при выборе режима подачи на биофильтр исходной воды. В сооружениях с объемной загрузкой, в толще которой возможно чрезмерное накопление биомассы, приводящее к закупориванию пор, целесообразна подача воды ярко выраженными импульсами, прежде всего, для смыва избыточной биопленки. В биофильтрах с плоскостной загрузкой, имеющей высокую пористость, обильный прирост биомассы обычно не приводит к негативным последствиям. Биопленка самопроизвольно отрывается от загрузки при достижении критической массы под соб

9

ственной тяжестью, и возможность заиливания загрузки здесь маловероятна. Поэтому, для биофильтров с плоскостной загрузкой критерием при выборе режима подачи сточных вод, как и конструкций водораспределительных устройств, служит, в первую очередь, равномерность распределения жидкости.
     Способ подачи и распределения жидкости по поверхности биофильтра оказывает влияние на степень перемешивания жидкости и скорость переноса загрязнений и кислорода к биопленке. При непрерывном режиме орошения, потребление биопленкой кислорода в ходе окислительных реакций происходит из стекающей по загрузке жидкости, а при периодическом орошении кислород потребляется как из жидкости, так и непосредственно из газовой фазы, заполняющей поровое пространство биофильтра. Причем в случае значительных интервалов между орошением загрузки основной вклад в обеспеченность процесса кислородом вносит именно прямой перенос его из газовой фазы в биопленку.
     Потребная интенсивность воздухообмена в биофильтре зависит от концентрации загрязнений поступающих сточных вод, конструктивных и технологических параметров работы биофильтров. Величина ее в любом диапазоне может быть обеспечена при применении искусственной (принудительной) вентиляции. Естественная вентиляция биофильтров применяется при низких нагрузках (капельные биофильтры) или в случае использования загрузки с высокой пористостью (плоскостная загрузка). При естественной вентиляции биофильтров, в зависимости от разности температур сточных вод и наружного воздуха, в загрузке может устанавливаться восходящий либо нисходящий поток воздуха.
     В биофильтрах с принудительной вентиляцией воздух подается вентилятором в междонное пространство сооружения.
     Схемы работы биофильтров выбираются в зависимости от состава и концентрации загрязнений исходных сточных вод, требуемой степени их очистки, конструктивных особенностей сооружений и их технологических параметров. Основные схемы работы одноступенчатых биофильтров показаны на рис. 4. Одноступенчатые биофильтры без рециркуляции очищенной жидкости (рис. 4 а) применяют для полной очистки сточных вод с невысокой концентрацией загрязнений либо для неполной очистки стоков. Схемы работы одноступенчатых биофильтров с рециркуляцией жидкости, используют обычно при более высоких концентрациях загрязнений исходных сточных вод. Наиболее распространенной из них является схема (рис. 4 б), которая предусматривает рециркуляцию очищенных сточных вод, забираемых после вторичных отстойников. Особенностью этой схемы является необходимость увеличения объема вторичных отстойников для осветления рециркулируемой жидкости.
     Схема, показанная на (рис. 4 в), предусматривает отстаивание рециркулируемой жидкости в первичных отстойниках и применяется при тех же условиях, что и предыдущая схема, но в отличие от нее требует увеличения объема первичных отстойников.
     Схема с рециркуляцией смеси очищенной жидкости и осадка из вторичных отстойников с подачей ее в первичные отстойники (рис. 4 г) применяется при высокой концентрации взвешенных веществ в исходных сточных водах. В этом

10

случае требуемое дополнительное увеличение объема первичных отстойников компенсируется повышением эффективности их работы за счет процессов биокоагуляции. По схеме (рис. 4 д) биофильтры работают с рециркуляцией очищенной жидкости без ее отстаивания, что позволяет снизить объем отстойников. Эта схема может быть применена для биофильтров с плоскостной загрузкой высокой пористости во избежание заливания биофильтра избыточной биопленкой, содержащейся в рециркулируемой жидкости.
    В зависимости от климатических условий района строительства, производительности очистных сооружений, режима притока сточных вод, их температуры биофильтры размещаются в помещениях (отапливаемых или не отапливаемых) либо на открытом воздухе.


Рис. 4. Технологические схемы работы орошаемых одноступенчатых биофильтров: 1 — первичный отстойник, 2 — биофильтр, 3 — вторичный отстойник, 4 — насосная станция рециркулируемых сточных вод, 5 — вентиляторы. Обозначения: ИВ, РВ, ОВ — соответственно, исходные, разбавляющие (малозагрязненные) и очищенные сточные воды; В — воздух; ОС — осадок

11