3. Погружные биофильтры

Большой интерес, проявляемый к погружным биофильтрам за рубежом, свидетельствует о перспективности их применения, особенно для очистки небольших объемов сточных вод - до 200-500 м³/сут, т. е. в тех случаях, когда коэффициент неравномерности поступления сточных вод велик. Следует отметить, что сведения различных исследователей разноречивы: широк диапазон рекомендуемых нагрузок по органическим загрязнениям (от 7 до 100 г по БПК на 1 м² поверхности в сутки) и данные об эффекте очистки.

Эти обстоятельства и послужили основанием для проведения исследований по очистке сточных вод на погружных биофильтрах, которые были начаты на кафедре канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева в 1971 г.

Экспериментальная установка (рис. 31) состояла из резервуара, имеющего вид полуцилиндра длиной 2 м, шириной поверху 0,9 м и высотой 0,57 м. Резервуар был разделен перегородкой на две равные секции, перегородка "мела 30 отверстии диаметром 38 мм Вдоль оси корпуса проходил горизонтальный вал диаметром 38 мм, который приводился во вращение электродвигателем АОЛ-011-4 мощностью 50 Вт и частотой вращения 1390 мин. С помощью редуктора и клиновидной передачи достигалось уменьшение частоты вращения вала до 6 мин-1. На вал были насажены 82 пластмассовых диска диаметром 0,85 м, изготовленных из листов вспененного полиэтилена толщиной 7 мм, плотностью 420 кг/м; расстояние между дисками составляло 15 мм, а зазор между дисками и корпусом 25 мм. Высота заполнения резервуара сточной водой в установке составляла 0,4 м, а общий объем воды -0,35 м³. Площадь одного диска с обеих сторон 1,1 м², а общая площадь поверхности дисков 92 м².

Рис. 31. Схема экспериментального погружного биофильтра: 1 - резервуар; 2 - перегородка с отверстиями; 3 - горизонтальный вал; 4 - распределительный бачок; 5 - редуктор; 6 - электродвигатель; 7 - пластмассовые диски; 8 - патрубок для опорожнения установки; 9 - выпускной карман; 10 - пробоотборник; 11 - патрубок для выпуска очищенных сточных вод

Для определения прироста биопленки и для микробиологических обследований на четырех дисках были вырезаны съемные полоски шириной 40 мм и длиной 250 мм. Сточная вода после механической очистки поступала в распределительный бачок, а затем на установку. Обработанная вода попадала в выпускной карман, оттуда в пробоотборник, который позволяет отбирать среднесуточные пробы, и выходила через патрубок для выпуска очищенных сточных вод. Для опорожнения установки предусмотрен другой патрубок.

На первом этапе исследований определяли окислительную способность установки за счет аэрации, наблюдавшейся при вращении Дисков, по широко распространенной в настоящее время методике, в основе которой лежит химическое окисление сульфитов в. сульфаты. При проведении опытов резервуар заполняли водопроводной водой. Растворенный в воде кислород удалялся путем введения в воду сульфита натрия с хлоридом кобальта, служившего катализатором. Через 0,5, 1 и 2 ч ,с момента начала вращения дисков отбирали пробы воды из каждой секции и определяли содержание сульфитионов. По изменению их концентрации можно было судить о (количестве кислорода, перешедшего из воздуха в воду, что и дало возможность определить окислительную мощность установки (как по объему, так и в пересчете на единицу площади поверхности дисков), которую может обеспечить чисто механическое вращение дисков без учета биохимического окисления органических загрязнений биопленкой (табл. 20).

Таблица 20. Окислительная мощность погружного биофильтра

Как видно из табл. 20, окислительная мощность установки весьма высока и позволяет рекомендовать эти биофильтры для очистки небольших количеств высококонцентрированных сточных вод от промышленных предприятий и объектов сельского хозяйства.

В республиканском проектно-конструкторском бюро Министерства пищевой промышленности БССР (РЛКБ МПП) инж. Ф. Н. Юшкевич исследовал возможность очистки сточных вод крахмального производства на полупроизводственных установках одноступенчатых погружных (дисковом и барабанном) биофильтрах. Диаметр полиэтиленовых дисков 0,3 м; их число 100 шт.; диаметр сетчатого барабана, заполненного волокнистым материалом (отходом производства синтетического волокна), 0,4 м; частота вращения обеих установок 5 мин-1. Состав сточных вод, подаваемых на установки, был следующий: БПК_полн - 600-1870 мг/л; ХПК -900- 2000 мг/л; рН = 7,5^-8,5; температура 14-21°С. Продолжительность пребывания обрабатываемых сточных вод в резервуаре составляла 1 -10 ч. Эффект снижения органических загрязнений при продолжительности контакта 1 ч составлял 35-45 %; 3 ч - 60- 65%; 10 ч - 75-80%. Барабанный биофильтр при продолжительности контакта 4 ч и менее работал на 5-10% эффективнее дискового, при более длительном времени контакта эффект был практически одинаков. Содержание растворенного кислорода в обработанных сточных водах в зависимости от продолжительности контакта составляло 2,5-7 мг/л. Исследования (позволили сделать вывод о целесообразности применения погружных биофильтров в качестве I ступени биологической очистки сточных вод крахмальных и других предприятий пищевой промышленности; при этом продолжительность контакта должна быть около 2 ч (эффект снижения органических загрязнений в этом случае - 50%). Возможно применение для этой цели и многоступенчатых погружных биофильтров.

Сравнительная оценка работы биофильтров различных типов доказывает значительно большую производительность и эффективность биофильтров с плоскостной 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 биофильтра с плоскостной загрузкой может быть доведена до 1,9 кг/(м³-сут).

Эффективность биофильтров с плоскостной загрузкой можно сравнить с эффективностью башенных биофильтров. Та(к, если допустимая нагрузка на башенные биофильтры при температуре поступающей сточной воды 13°С и БПК₂₀ очищенных сточных вод 20-30 мг/л составляет по БПК2о 1,3-1,7 кг/(м³-сут), то биофильтр с плоскостной загрузкой при соблюдении заданных условий может выдержать напружу по БПК_полн более 2 кг/(м³-сут).

На рис. 32 приведены данные лабораторных и полупроизводственных испытаний по снижению БПК₅, полученные в МИСИ им. В. В. Куйбышева, а также систематизированы многочисленные данные зарубежных исследований по очистке бытовых и различных производственные -стачных вод (целлюлозно-бумажных и спиртовых заводов, химических комбинатов, предприятий легкой и пищевой промышленности и т. д.). Эти данные свидетельствуют о способности биологических фильтров с пластмассовой загрузкой перерабатывать большие количества органических веществ, содержащихся в стачных водах, и при этом получать довольно стабильные результаты. Так, по данным американской практики при очистке сточных под фабрик по замораживанию продуктов, а также целлюлозно-бумажного завода в диапазоне нагрузок по БПК от 3 до 14 >кг/(м³-сут), снижение БПК составляет в среднем 53%, т. е. окислительная мощность по снятой БПК достигает 7 1кг/(м³-(сут).

Рис. 32. Зависимость снижения БПК₅ от органической нагрузки: 1 - суммарная кривая лабораторных, полупроизводственных и производственных испытаний, проведенных в МИСИ; 2 - результирующая кривая зарубежных данных по очистке производственных сточных вод

Таким образом, проведенные исследования показали, что биофильтры с плоскостной загрузкой могут работать со значительно большими нагрузками (по загрязнениям) по сравнению с нагрузками и обычных фильтрах. В чем же заключаются причины столь высокой производительности биофильтров с плоскостной загрузкой? Производительность биофильтра должна быть пропорциональна количеству образованной в теле биофильтра биопленки, которая соответственно будет больше при увеличении площади поверхности загрузочного материала на единицу объема сооружения. Следовательно, производительность биофильтра должна находиться в прямой зависимости от площади поверхности материала загрузки. Однако простые расчеты показывают, что эти предположения в действительности не оправдываются.

Средняя крупность фракций загрузочного материала капельных, высоканагружаемых и башенных биофильтров соответственно равна 25, 50 и 65 мм, а удельная площадь поверхности такой загрузки составляет 125, 65 и 50 м²/м³. В то же время суточная нагрузка по органическим загрязнениям, при которой обеспечивается полная биологическая очистка, составляет для биофильтров капельных 0,2, высоконагружаемых 0,65 и башенных 1,2 кг/(м³-сут) по БПК₅.

Если указанные выше нагрузки то загрязнениям отнести к 1 м² площади поверхности -загрузки, то они составят по БПК соответственно 1,6; 10 и 24 г/(м²-сут). Следовательно, с увеличением площади поверхности биофильтров производительность их не увеличивается, а, наоборот, уменьшается. Так, нагрузка на 1 м² площади поверхности нагрузки в башенном биофильтре в 15 раз больше, чем в капельном, и в 2,4 раза больше, чем в высоконагружаемом. Совершенно очевидно, что большую роль играет высота биофильтра, но преимущественную роль в увеличении эффективности работы высоконагружаемых биофильтров играют величина пор между зернами загрузки и связанные с этим условия аэрации. Поверхность загрузки может обрасти одинаковым количеством биологической пленки, независимо от того, находится ли она в капельном или в башенном биофильтре. Разница в эффективности их работы зависит от внешних условий - от скорости поступления к биопленке такого количества кислорода, которое необходимо для интенсификации процессов биохимического разрушения органических веществ и построения нового клеточного материала.

Обеспечив равномерную подачу кислорода воздуха к биопленке по всей высоте биофильтра, можно интенсифицировать аэробный распад органических загрязнений и увеличить производительность биофильтра. Поэтому для увеличения производительности высоконагружаемых биофильтров и применяется искусственная подача воздуха.

В башенных биофильтрах искусственную вентиляцию устраивать нецелесообразно, что подтверждается исследованиями канд. техн. наук Д. Ф, Харитонова (АКХ им. К. Д. Памфилова). Проведенные им опыты по искусственной подаче воздуха в тело биофильтра позволяют сделать вывод о том, что производительность биофильтра увеличивается незначительно. При этом надо иметь в виду, что суммарные местные сопротивления между зернами загрузки по пути движения воздуха в теле биофильтра весьма различны. Если принять число пор в биофильтре равным числу фракций и (пористость биофильтров 42-59% (в среднем 50%), получим, что объем одной поры в капельном биофильтре составляет 7,5 см³, а в башенном-132 см³. Следовательно, наиболее неблагоприятные условия аэрации возникают в (капельном биофильтре. Заиливание таких биофильтров при повышенных нагрузках препятствует дополнительному прониканию кислорода воздуха в тело биофильтра. Экспериментальные и эксплуатационные данные (подтверждают, что подобные условия работы не дают возможности увеличить гидравлическую нагрузку свыше 1,2-1,5 м³/(м³-сут).

Условия работы высоконагружаемого биофильтра несколько лучше. Более крупные поры способствуют лучшему притоку кислорода воздуха в тело биофильтра. При искусственной (вентиляции происходит дополнительное насыщение (кислородом рабочего объема, что позволяет поднять производительность биофильтра.

Наиболее (благоприятные условия для нормального хода аэробных биохимических процессов создаются в башенном биофильтре, где, как указывалось выше, не требуется искусственной подачи воздуха.

Как же воздух поступает в тело биофильтра при естественной аэрации? Существует мнение, что воздух в тело (биофильтра поступает лишь вследствие разности температур внутри биофильтра и вне его. Вполне естественно, что разность температур ускоряет воздухообмен, но, по-видимому, здесь наблюдаются и диффузионные процессы. При биологической очистке сточных вод (микроорганизмы биопленки потребляют из воздуха кислород, а в воздух выделяют продукты реакции - углекислый газ, сероводород, метан и аммиак (рис. 33). Следовательно, в порах биофильтров парциальное давление кислорода должно (резко падать, а давление углекислого газа возрастать. Условия равновесия внутри биофильтра и вне его создают диффузионные потоки кислорода внутрь биофильтра, а углекислого газа наружу. Наличие же загрузки, покрытой биологической пленкой, препятствует этой диффузии. При достаточно большом сопротивлении может наступить момент, когда потребление кислорода биопленкой прекратится, так как его парциальное давление в воздушном пространстве поры достигнет минимальной величины. В этом случае в теле биофильтров могут начаться процессы гниения. Опасность такого явления в наибольшей сьепени возникает в капельных биофильтрах.

Рис. 33. Схема обмена веществ в элементарном слое биофильтра: 1 - материал загрузки; 2 - анаэробная зона биопленки; 3 - аэробная зона биопленки; 4 - сточная жидкость; 5 - газовая фаза

Из сказанного следует, что ,во всех биофильтрах с объемной загрузкой (гравием, щебнем, керамзитом, коксом или шлако1м) наблюдается обратно пропорциональная зависимость между их производительностью и площадью поверхности загрузочного материала, т. е. увеличение рабочей (площади (поверхности биофильтра неизбежно приводит к ухудшению условий аэрации.

Конструктивно совместить благоприятные условия аэрации и значительную площадь поверхности загрузки можно в биофильтрах с плоскостной загрузкой, где при пористости 95% может быть удельная площадь поверхности загрузки, равная 100-130 м²/м³. Эти два обстоятельства и, кроме того, хорошие гидродинамические условия движения жидкости в теле биофильтра и являются причиной высокой производительности биофильтров с плоскостной загрузкой.

Для предварительной и быстрой оценки производительности различных конструкций загрузочных материалов можно воспользоваться способом определения их окислительной мощности химическим путем с использованием чистой водопроводной воды при небольшом начальном содержании кислорода.

Анализируя отечественные и зарубежные исследования и опыт эксплуатации, можно с уверенностью сказать, что биофильтры с плоскостной загрузкой (пластмассовой, асбестоцементной, тканевой, металлической, керамической и др.) успешно конкурируют с аэротенками как по окислительной мощности, так и по эффективности работы, не говоря уже о компактности и эксплуатационных преимуществах. На таких биофильтрах с высоким эффектом могут очищаться сточные воды химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, легкой, пищевой, текстильной, фармацевтической и других отраслей промышленности.

Наибольший экономический эффект наблюдается при применении биофильтров с плоскостной загрузкой для неполной биологической очистки в качестве I ступени двухступенчатой биологической очистки, а также при очистке сточных вод небольших городов, поселков, промышленных предприятий, сельскохозяйственных объектов, санаторно-курортных комплексов, лагерей и отдельно стоящих зданий. Плоскостная загрузка найдет широкое применение при реконструкции и расширении станций биофильтрации.

Индустриальность изготовления блочной пластмассовой загрузки и ее экономическая перспективность позволяют ставить вопрос о заводском изготовлении биофильтров пропускной способностью до 100-200 м³/сут и унифицированных загрузочных секций, из которых можно собирать биофильтры любой пропускной способности. Внедрение таких биофильтров значительно ускорит строительство и ввод в эксплуатацию станций биофильтрации.