3. Высоконагружаемые биофильтры

Высоконагружаемые биофильтры находят широкое применение в качестве биологических окислителей в комплексе сооружений, предназначенных для очистки бытовых и производственных сточных вод.

Наиболее часто такие биофильтры применяют для очистки бытовых сточных вод при наличии местного загрузочного материала и при тяжелых грунтовых условиях (в Киргизской ССР, в Таджикской ССР). При очистке производственных сточных вод с интенсивной пенообразующей способностью (сточные воды пищевых предприятий, гидролизных заводов и др.) применение высоконагружаемых биофильтров является предпочтительным. Ниже приводится несколько примеров работы отечественных очистных сооружений, в состав которых входят высоконагружаемые биофильтры.

На очистные сооружения г. Железногорска поступает 10 тыс. м³ сточных вод в сутки, включающих сточные воды горно-обогатительного комбината и молокозавода. В состав очистных сооружений входят три расположенных под шатром биофильтра, два из которых загружены щебнем, а третий - речным гравием; высота слоя загрузки 4 м, крупность фракций 40-100 мм. При гидравлической нагрузке 30 м³/(м²-сут) и количестве подаваемого воздуха 8-16 м³ на 1 м³ воды БПК₅ с 60-170 мг/л снижается до 4-20 юг/л, а содержание взвешенных веществ с 70- 140 до 15-30 мг/л. Более высокий эффект очистки достигается на биофильтре с загрузкой речным гравием. На этих сооружениях отмечались случаи попадания грунтовых вод в воздуходувную систему, что уменьшало количество подаваемого воздуха на биофильтры, особенно в зимний период, когда попавшая в воздуховод вода замерзала.

На очистные сооружения г. Губкина, в состав которых входят аэрофильтры высотой 4 м, поступают бытовые сточные воды города, а также производственные сточные воды мясокомбината и ТЭЦ. Общее количество сточных вод составляет 8-9 тыс. м³/сут; БПК₅ поступающей воды изменяется от 80 до 270 мг/л. При гидравлической нагрузке на биофильтры 15- 20 м³/(м²-сут) и количестве подаваемого воздуха 8-10 м³ на 1 м³ воды БПК₅ очищенной сточной воды составляет 15-27 мг/л.. Поверхность загрузочного материала биофильтров часто заиливается.

В состав очистных сооружений г. Сафоново входят высоконагружаемые биофильтры диаметром 12 м и высотой слоя загрузочного материала (крупность фракций 60-80 мм), равной 4 м. При гидравлической нагрузке 30 м³/(м²-сут) БПК₅ сточных вод (бытовые и производственные азотно-тукового завода) снижается с 50-200 до 5-25 мг/л.

Высоконагружаемые биофильтры, входящие в состав первой очереди очистных сооружений г. Владимира, служат II ступенью биологической очистки производственных сточных вод, прошедших до биофильтров комплекс сооружений биологической очистки I ступени, включающих аэротенки. Всего построено шесть биофильтров диаметром 17 м и высотой 2 м, загруженных разнообразными материалами - дробленым камнем, гравием, доменным шлаком. Наличие в загрузке большого количества доменного шлака, который сильно разрушается при эксплуатации, является причиной заиливания биофильтров, для борьбы с которым прибегают к ежедневной штыковке верхнего слоя фильтра. Заиливанию биофильтров способствует также и наличие в поступающих водах значительного количества взвешенных веществ и активного ила. Частые штыковка и промывка биофильтров сильной струей воды разрушают биопленку и ухудшают процесс очистки сточной воды. При эксплуатации биофильтров зимой (во время сильных морозов) иногда приходится прекращать подачу воздуха на фильтры, чтобы не допустить сильного охлаждения, в результате чего содержание растворенного кислорода в очищенной сточной воде падает до нуля.

При содержании в сточных водах мазута, масел, хрома и др. эффект очистки снижается. Так, на очистные сооружения г. Климовска, в состав которых входят две секции высоконагружаемых биофильтров с размером в плане 18X30 м и с высотой слоя загрузки 2,4 м, поступают бытовые сточные воды и стоки машиностроительного завода. При гидравлической нагрузке 10 м³/(м²-сут) и начальной БПК₅ 60-215 мг/л эффект очистки не превышает 75-80%.

При обработке высококонцентрированных производственных сточных вод, особенно при их локальной очистке или при незначительном разбавлении бытовыми сточными водами эксплуатация биофильтров затруднена. Так, при очистке сточных вод овощесушильного завода при гидравлической нагрузке 1 м³/(м²-сут), БПК₅ в необработанных сточных водах 180-2200 мг/л и содержании взвешенных веществ 100-400 мг/л эффект снижения органических- загрязнений не превышал 50%, а взвешенных веществ- 60%. При очистке менее концентрированных сточных вод консервного завода (БПКБ необработанных сточных вод 120-280 мг/л; ХПК-150-330 мг/л; взвешенных веществ 80- 160 мг/л) при гидравлической нагрузке 0,5 м³/(м²-сут) эффект очистки по БПК и ХПК составлял в среднем 50%, а по взвешенным веществам-40%. Влияние активной реакции в обоих последних случаях не могло не оказаться на эффекте очистки, поскольку рН было равно 6-6,5. Эффект снижения органических загрязнений на очистных сооружениях хлебозавода не превышал 30-45;%. На очистных сооружениях указанных заводов в качестве загрузки биофильтров принимался щебень и блочное пеностекло.

На очистные сооружения комбината биохимических и витаминных препаратов поступает в сутки около 3000 м³ сточных вод, содержащих десятки различных органических соединений. Состав сточных вод значительно колеблется как в течение года, так и в течение суток (по БПК₅ от 20 до 1000 мг/л; по взвешенным веществам от 10 до 1600 мг/л). В состав очистных сооружений входят две секции биофильтров, с гравийной загрузкой (высота слоя 2 м, крупность фракций 20-70 мм и размер каждой секции в плане 12X21 м), а также биофильтр с гравийно-керамзитовой загрузкой. Водораспределительная система-спринклерная; разводящая сеть расположена над поверхностью загрузки (рис. 12). При гидравлической нагрузке 4 м³/(м²-сут) эффект изъятия органических загрязнений составляет 50%. На работу биофильтров оказывают существенное влияние неравномерность распределения сточных вод между отдельными секциями биофильтра, а также вызывающие заиление загрузочного материала залповые поступления сточных вод, содержащих значительное количество взвешенных веществ (до 400 мг/л и более).

Рис. 12. Биофильтр со спринклерным распределением сточной воды

Большинство станций биологической очистки сточных вод гидролизно - дрожжевых заводов оборудованы биофильтрами или аэрофильтрами. Наиболее широко применяются прямоугольные аэрофильтры размером в плане 15X25 м с высотой слоя загрузки 4 м. На ряде очистных сооружений функционируют биофильтры размером в плане 36X60 м с высотой слоя загрузки 15 м Применяются также и круглые в плане аэрофильтры диаметром 6И м с высотой слоя загрузки 4 м.

Сточные воды гидролизных заводов интенсивно окрашены, сильно загрязнены и обладают пенообразующей способностью. Общий сток гидролизных заводов имеет рН=4-г-5,5 содержание

Взвешенных веществ 400-700 мг/л, а БПК₅ достигает 1200- oрит мг/л. Сточные воды содержат широкий спектр органических загрязнений и незначительное количество биогенных элементов -азота и фосфора. Как правило, очистные сооружения гидролизных заводов не обеспечивают полной биологической очистки.

На очистные сооружения гидролизного завода, на которых установлено 12 аэрофильтров, поступает в сутки 11 тыс. м³ сточных вод, имеющих начальную величину БПК₅ 600-800 мг/л. Эффект снижения органических загрязнений составляет 60-87%. Аэрофильтры при гидравлической нагрузке 1,5 м³/(м³-сут) обеспечивают эффект очистки по БПК₅ 50-65%. Следует учесть, что БПК₅ сточных вод, поступающих на аэрофильтры (с учетом разбавления), составляет 450-500 мг/л.

На аэрофильтры биохимзавода (шесть аэрофильтров диаметром 30 м) с учетом рециркуляционного расхода подается в сутки 38-40 тыс. м³ бытовых сточных вод города и производственны} сточных вод биохимзавода, сахарного и консервного заводов. Гидравлическая нагрузка составляет в среднем 2,3 м³/(м³-сут); БПК₅ поступающих на аэрофильтры сточных вод 300-1300 мг/л. При нагрузке по БПК₅ от 1 до 2 кг/(м³-сут) эффективность очистки сточных вод составляет 40-50%.

Опыт работы очистных сооружений биофильтрации при очистке высококонцентрироваиных производственных сточных вод свидетельствует, что технологическая схема биологической очистки должна быть как минимум двухступенчатой. При одноступенчатой очистке аэрофильтры работают неэффективно, часто заиливаются и на их поверхности образуются застойные зоны.

Практика эксплуатации высоконагружаемых биофильтров показывает, что на них можно подавать сточные воды с БПК₂₀ не выше 300 мг/л. К сожалению, на многих промышленных предприятиях, использующих для биологической очистки сточных вод высоконагружаемые биофильтры, это положение не учитывается и на биофильтры подается вода с более высокой БПК₂₀ и значительным содержанием взвешенных веществ (свыше 100- 150 мг/л), что способствует заиливанию биофильтров. Кроме того, заиливанию биофильтров, особенно капельных, способствует присутствие в сточных водах жиров, масел, мазута, нефтепродуктов, остатков растительной и животной пищи (сточные воды мясокомбинатов, масло-молочных заводов, птицефабрик, звероферм, мастерских, гаражей и др.).

Изменение технологических режимов производства и применение новых токсичных компонентов оказывают значительное влияние на процессы биохимической очистки и на видовой состав микрофлоры биопленки, в результате чего биофильтры могут выйти из строя. Это наиболее часто наблюдается на очистных сооружениях предприятий химической, легкой, текстильной и красильно-отделочной промышленности.

На отдельных производствах состав сточных вод претерпевает значительные изменения в течение года (картофелеперерабатывающие, сахарные, спиртовые, фармацевтические, первичного виноделия заводы). Например, на заводах первичного виноделия соотношение максимальной и минимальной БПК достигает 100. Такие колебания могут вызвать значительные перегрузки биофильтра и заиливание загрузочного материала. Попадание на биофильтры остатков плодов и овощей (косточки от винограда, шелуха и т. д.) может значительно усложнить работу биофильтра и вывести его из строя.

Как показало обследование действующих сооружений, причиной неудовлетворительной работы биофильтров может быть: перегрузка (против проектных данных) по расходу сточных вод и особенно по концентрации органических загрязнений и взвешенных веществ; выключение биофильтра из работы на длительные сроки (более суток); значительные колебания расхода в течение суток; недостаточное количество подаваемого воздуха в тело биофильтра; дефицит биогенных элементов в сточных водах; малая гидравлическая нагрузка, вызывающая скопление биопленки в теле биофильтра; высокая гидравлическая нагрузка, приводящая к значительному выносу биопленки; наличие в сточных водах токсичных компонентов, жиров, масел и т. д. в концентрациях, превышающих допустимые; засорение спринклерных головок; обмерзание реактивных оросителей, приводящее к неравномерному распределению сточных вод по поверхности био фильтра, и др.

Большое значение для нормальной работы высоконагружаемых биофильтров имеет качество фильтрующего материала. Опыт работы Щукинской, Кожуховской, Харьковской и других отечественных биологических станций показал, что такие материалы, как щебень, галька прочных горных пород и керамзит, по своим качествам превосходят кокс и котельный шлак. Обладая большой шероховатостью и пористостью, шлаковая загрузка создает условия для образования толстой биопленки, в глубине которой происходят анаэробные процессы, что способствует заиливанию биофильтра и препятствует свободной циркуляции воздуха в теле биофильтра.

Интересен опыт применения новых видов загрузочных материалов для высоконагружаемых и башенных биофильтров. В НИКТИ городского хозяйства (Киев) канд. техн. наук И. М. Таварткиладзе проводились исследования по очистке бытовых и производственных сточных вод на высоконагружаемых биофильтрах с загрузкой из пеностекла в лабораторных, полупроизводственных и производственных условиях.

Загрузка была выполнена из блоков пеностекла размерами 0,45 X 0,45 X 0,12 и 0,25 X 0,25 X 0,12 м, в которых были просверлены отверстия диаметром 18-32 мм. Поверхность пеностекла весьма развита и состоит из больших и малых пор. Удельная площадь поверхности достигала 70 м²/м³, пористость составляла 60%, плотность-100-200 кг/м³. Блоки в теле биофильтра укладывались таким образом, чтобы отверстия верхнего блока перекрывали отверстия нижнего наполовину. Биофильтры выдерживали гидравлическую нагрузку до 10-12 м³/(м³-сут) при нагрузке по БПК₅ до 1,5-2,2 кг/(м³-сут). Экономический эффект от применения биофильтров с загрузкой из пеностекла по сравнению с биофильтрами с загрузкой из гравия составляет 25%. Биофильтры с загрузкой из пеностекла рекомендуются для расходов сточных вод до 50 тыс. м³/сут при высоте слоя загрузки 2-16 м.

Производственные исследования проводились на канализационной станции в г. Житомире. Существующие биофильтры были разделены на три секции: I секция была загружена насыпным пеностеклом с крупностью фракций 100-150 мм; II секция - щебеночной загрузкой и III секция - блочной загрузкой из пеностекла. Исследования, продолжавшиеся в течение одного года, показали, что биофильтры с загрузкой из насыпного пеностекла могут обеспечить лишь неполную oбиологическую очистку при низких гидравлических и органических нагрузках, тогда как находящийся в тех же условиях биофильтр, загруженный блоками из пеностекла, обеспечивает полную биологическую очистку и при высоких нагрузках. Загруженная щебнем II секция работала при гидравлической нагрузке 1,5 м³/(м³-сут), Но через 6 мес заилилась и вся поступающая сточная вода с расходом 1300 м³/сут была направлена в III секцию с блочной загрузкой из пеностекла. При этом была обеспечена окислительная мощность по снятой БПК 0,9-1 кг/(м³-сут).

Проводились также исследования на биофильтре большой высоты с загрузкой из блочного пеностекла. Биофильтр имел высоту 10 м и диаметр 2 м. Полная биологическая очистка была достигнута при расходе 250 м³/сут и при нагрузке по БПК до 1,6-2 кг/(м³-сут). При этом начальная БПК_полн не превышала 150-200 мг/л.

Загрузка из пеностекла требует тщательной укладки блоков во избежание перекрытия отверстий и образования застойных зон. Первоначально развитая поверхность просверленных каналов имеет пористую мелкоячеистую структуру, обеспечивающую быстрое образование биопленки, но через два-три месяца поры заиливаются и при высоких органических нагрузках в них могут образоваться микрозоны анаэробного разложения, что ухудшает процессы очистки.

На многих зарубежных станциях биофильтрации в целях увеличения пропускной способности биофильтров и повышения качества очищаемой сточной воды используется ряд технологических приемов, позволяющих при увеличении количества поступающих на очистные сооружения сточных вод или концентрации их загрязнений обойтись без строительства дополнительных сооружений. Первый и наиболее простой путь - это предусмотреть возможность переключения одноступенчатых схем работы биофильтров на двухступенчатые.

В качестве примера можно привести очистные сооружения в: г. Фаргарее (Новая Зеландия), где в качестве сооружений биологической очистки построены два высоконагружаемых биофильтра диаметром 33 м при высоте слоя загрузки 1,53 м. Станция рассчитана на пропускную способность 9100 м³/сут. При увеличении концентрации загрязнений или расхода сточных йод биофильтры с одноступенчатой схемой работы переводятся на двухступенчатую, что обеспечивает необходимый эффект очистки.

При увеличении концентрации загрязнений как при одноступенчатой, так и при двухступенчатой схеме очистки рекомендуется вводить рециркуляцию. Так, на очистных сооружениях г. Рединга (Англия), куда поступает 50 тыс. м³/сут производственных сточных вод, имеющих БПК 480 мг/л и содержание взвешенных веществ 530 мг/л, предусмотрена возможность работы биофильтров по двухступенчатой схеме очистки с рециркуляцией.

При высоких концентрациях загрязнений биофильтры проектируют по схеме простого и переменного двойного фильтрования с применением рециркуляции. Например, в г. Солсбери (Англия) запроектировано шесть биофильтров диаметром 42 м и высотой 1,8 м, обеспечивающих полную биологическую очистку.

В качестве II ступени биологической очистки могут служить аэротенки или биологические пруды. Так, для очистки сточных вод г. Кабула (США) запроектирован биофильтр диаметром 24 м при высоте слоя загрузки 1,5 м. На очистные сооружения в сутки поступает 920 м³ бытовых сточных вод, 1450 м³ производственных сточных вод молокозавода и 780 м³ птицефабрики. Биофильтр работает с рециркуляцией, выдерживает нагрузку по БПК до 2,5 кг/(м³-сут) и обеспечивает снижение органических загрязнений на 50%. После биофильтра сточные воды доочищают в прудах.

В отдельных случаях экономически целесообразно применение трехступенчатой биологической очистки. Например, в г. Сиу-Фолс (США) на очистные сооружения ежесуточно поступает 13 200 м³ производственных сточных вод (БПК 2380 мг/л, содержание взвешенных веществ 1430 мг/л) и 20 800 м³ бытовых сточных вод (БПК 295 мг/л, содержание взвешенных веществ 250 мг/л). Производственные сточные воды проходят усреднители, первичные отстойники, первичные биофильтры (четыре биофильтра диаметром 24 м), промежуточные отстойники, вторичные биофильтры (четыре биофильтра диаметром 59 м), вторичные отстойники. В схеме очистных сооружений предусмотрена рециркуляция сточных вод из вторичных отстойников через вторичные биофильтры.

В результате этой двухступенчатой биологической очистки эффект снижения загрязнений составляет по взвешенным веществам 77%, а по БПК 95%. Затем производственные сточные воды смешиваются с бытовыми сточными водами и обрабатываются на аэротенках с пневматической аэрацией.

В зарубежной практике часто сооружают биофильтры больших диаметров (значительно превосходящие размеры отечественных конструкций), что вызывает необходимость устройств; весьма сложных систем распределения сточных вод по поверхности биофильтров. Если в нашей стране очень редко проектируют биофильтры для расходов сточных вод, превышающих 40 тыс. м³/сут, то на зарубежных станциях применяют биологические фильтры для расходов 250 тыс. м³/сут и более. Так, в Аделаида (Австралия) на очистные сооружения поступает 250тыс. м³/сут. В состав сооружений входят 12 биофильтров диаметром 50 м при высоте слоя загрузки из кварцита (крупностью фракций 6,2-9 см) 1,8 м.

На очистных сооружениях г. Огдена (США) пропускной способностью 170 тыс. м³/сут установлено 12 биофильтров диаметром 69 м при высоте загрузки 1,6 м, что обеспечивает полную биологическую очистку сточных вод.

На ряде станций при достаточно больших расходах сточных вод сооружают всего по два биофильтра, что целесообразно при невысоких концентрациях органических загрязнений и эффективной механической очистке. В качестве примера адажио привести очистные сооружения г. Рапид-Сити (США), где при расходе 51 тыс. м³/сут установлены два биофильтра диаметром 60 м и высотой 2 м.

Определенный (интерес представляют также конструкции закрытых биофильтров с верхней подачей воздуха. Подобные биофильтры эксплуатируются в ряде населенных пунктов Франции (Шалон-Сюр-Марн, Еврус, Кантье, Жосселен и др.) свыше 30 лет и имеют как санитарно-гигиенические, так и эксплуатационные преимущества перед открытыми биофильтрами. В закрытый биофильтр воздух подается сверху вниз, а не наоборот, как в традиционных высоконагружаемых биофильтрах. Этим достигается определенное соответствие между концентрацией загрязнений, верхней части биофильтра и концентрацией кислорода в подаваемом воздухе. В результате происходит более интенсивное окисление органических загрязнений в верхней части биофильтра, где, как правило, всегда наблюдается минимальное содержание кислорода в газовой фазе. Очистные сооружения, в состав которых входят такие биофильтры, имеют суточную пропускную способность от 170 до 2100 м³ сточных вод. Концентрация загрязнений по БПК₅ снижается в среднем со 105-665 до 17-40 мг/л.

В МИСИ им. В. В. Куйбышева канд. техн. наук Э. П. Фазуллиной проводились лабораторные исследования по очистке городских сточных вод на закрытом биофильтре с верхней подачей воздуха. В результате этих исследований было установлено, что при подаче воздуха 8 м³/м³ содержание органических загрязнений по БПК₅ снижалось от 95-250 до 15-40 мг/л, а при расходе воздуха 16 м³/м³ - от 145-270 до 8-15 мг/л, что подтверждает данные зарубежного опыта эксплуатации и свидетельствуют об эффективности применения таких биофильтров.