3. Расчет биофильтров

Методы расчета биофильтров

В настоящее время в отечественной практике используется расчет биофильтров по окислительной мощности. По этому методу необходимый объем материала загрузки № определяется по уравнению

(1)

где L₁- БПК поступающих сточных вод, г/м³; Q - расход сточных вод, м³/сут; ОМ - окислительная мощность биофильтра, г/(м³-сут).

Окислительная мощность 1 м³ загрузки биофильтра определяется в зависимости от среднегодовой температуры воздуха.

К. Н. Корольков предложил для расчета изъятия органических загрязнений пользоваться закономерностью

(2)

допустив, что масса органических веществ, адсорбированных активным илом, пропорциональна концентрации их в воде L_t в момент времени t (здесь k - константа скорости изъятия органических загрязнений).

Канд. техн. наук И. С. Постников ввел в расчетные уравнения высоту биофильтра Н, имеющую большое значение для эффективной очистки сточных вод.

Проф. С. В. Яковлевым был предложен графоаналитический Способ расчета высоконагружаемых биофильтров, в основу которого положена функциональная зависимость БПК₅ выходящей после очистки на биофильтре воды от ряда факторов:

(3)

где L₂ - БПК₅ выходящих сточных вод, г/м³; L₁- БПК₅ поступающих сточных вод, г/м³; А - концентрация взвешенных загрязнений в сточных водах, поступающих на биофильтр, г/м³; q - гидравлическая нагрузка, м³/1(м²-сут); Т - температура сточной воды, °С; Н- высота биофильтра (Здесь и далее под высотой биофильтра Н подразумевается высота слоя загрузочного материала.), м; Вуд - расход воздуха, м³ необходимый для аэрации 1 м³ сточной воды.

Обработав многочисленные отечественные и зарубежные данные, С. В. Яковлев получил критериальную зависимость (рис. 34, кривая 1):

(4)

где Э=100L₂/L₂, Ф₁=10 Hk_т/q^0.4 (здесь Ф₁ - критериальный комплекс; k_Т - температурная константа).

Для определения допустимой гидравлической нагрузки на фильтр при заданных значениях L₁ ,L₂ и Н были получены следующие формулы:

при L₁/L₂ ≤ 10

при L₁/L₂ >10

Этот метод позволяет рассчитать биофильтр на любую степень очистки с учетом различных скоростей окисления органического вещества по высоте загрузки.

В дальнейшем проф. С. В. Яковлевым и канд. техн: наук Э. П. Фазуллиной были проведены лабораторные испытания по выяснению влияния иа очистку сточных вод объема подаваемого воздуха, крупности загрузки и рециркуляции. На основе проведенных исследований в критериальный комплекс кроме высоты биофильтра, температурного коэффициента и гидравлической нагрузки предлагалось ввести объем подаваемого воздуха, который влияет на результат очистки.

Расход (воздуха составлял 8, 16 и 32 м³ на 1 м³ воды. При этом увеличение подачи воздуха свыше 16 м³ не дало дальнейшего улучшения очистки воды. Значение БПК выходящей воды при расходе воздуха 8 и 16 м³ было различным.

Рис. 34. Зависимость Э = f (Фsub1/sub):1- без учета влияния воздуха; 2 - при подаче воздуха в объеме 16 и 32 мsup3/sup на 1 мsup3/sup сточной воды

При обработке опытных данных в координатах Э=100 L₁/L₂ и Ф₁ = 10 Hk_т/q^0.4 были получены две кривые (см. рис. 34). При этом первая (при расходе воздуха 8 м³ на 1 м³ сточной воды) совпала с кривой l, полученной без учета расхода воздуха.

С учетом расхода воздуха В_уд, м³ на 1 м³ сточной воды, критериальный комплекс имеет вид

(7)

где х, у, с и z - параметры, определяемые опытным путем.

В результате обработки данных исследований была рекомендована следующая формула для определения параметров биофильтров:

(8)

где α и β - постоянные коэффициенты.

Критериальный комплекс, характеризуемый выражением (8), пригоден для гидравлической нагрузки, равной 1-30 м³/(м²⋅ сут) и высоты биофильтра до 4 м. В компонентах критериального комплекса возможны отклонения от найденных значений показателей степени при очистке различных производственных сточных вод.

Опытами установлено, что закономерность очистки сточной воды на биофильтрах при введении рециркуляции не отличается от закономерности очистки ее без рециркуляции. При наличии рециркуляции в выражении (8) вместо L₁ следует подставлять значения L_см (БПК смеси исходной и рециркулируемой сточной воды). При общем расходе сточных вод, поступающих на биофильтр, (2, м³/сут ,расход воды (Qрец, м³/сут, необходимой для разбавления поступающих сточных вод, определяется из формулы

(9)

Графоаналитический метод оказался весьма гибким и был положен в основу расчета башенных биофильтров, предложенного канд. техн. наук Д. Ф. Харитоновым. Критериальный комплекс был представлен в виде

(10)

Проф. С. М. Шифрин и канд. теми: наук Ю. А. Феофанов изучили возможность гидравлического моделирования высоконагружаемых биофильтров. Поскольку биофильтры могут классифицироваться как аппараты со стационарным слоем загрузки, то по своим гидродинамическим свойствам они занимают промежуточное положение между идеальными вытеснителем и смесителем. Следовательно, они могут быть представлены либо моделью идеального вытеснителя с перемешиванием жидкости, либо моделью последовательно соединенных проточных идеальных смесителей, число которых в цепочке (а также продолжительность пребывания воды в каждом смесителе) зависит от высоты сооружения и гидравлической нагрузки на биофильтр.

Математическая модель высоконагружаемого биофильтра с Учетом кинетики биохимических реакций для первого порядка скорости изъятия загрязнений из сточных вод имеет вид

(11)

где L₁и L₂ - концентрация загрязнений соответственно в поступающей и очищенной воде; Тτ₁ - продолжительность пребывания воды в одном смесителе; m_cм - число смесителей.

Данные гидродинамических исследований позволили получить формулу для расчета высоконагружаемых биофильтров для очистки производственных сточных вод молочных заводов:

(12)

В зарубежной практике в основу расчетов биофильтров были положены как эмпирические формулы, так и формулы, основанные на уравнении мономолекулярной реакции.

После обработки на электронно-вычислительной машине многочисленных и собственных данных (свыше 300 источников) Геллером и Готассом была получена следующая формула:

(13)

(14)

L₂ - БПК₅ очищенных сточных вод, мг/л; L₁ - БПК₅ поступающих сточных вод, мг/л; r - радиус биофильтра, м.

Наибольшее влияние на L₂ оказывают L₁ и Н (с увеличением Н ее влияние уменьшается). Увеличение (Q_рец заметно уменьшает L₂ в пределах до Q_рец≤4Q.

При отсутствии рециркуляции формула принимает вид

(15)

Анализ (различных методов расчета высоконагружаемых биофильтров показывает, что эффективность их работы зависит от гидравлической нагрузки, продолжительности контакта сточной воды с биопленкой и объема воздуха, поступающего в тело биофильтра.

Рассмотрим несколько подробнее последнюю зависимость. Поскольку объем воздуха, поступающего в тело биофильтра, определяется пористостью загрузки, то можно предположить, что чем больше пустот в теле биофильтра, т. е. чем выше пористость загрузочного материала, тем лучше условия обтекания биопленки воздухом.

Приняв крупность фракций загрузочного материала за условный диаметр шаровой фракции d, м, и расположив их согласно схеме, приведенной на рис. 35, получим, что общее число шаров в 1 м³ составит: m_ш=1/d³

Рис. 35. Расположение шаровидных фракций в теле биофильтра

Общий объем, занимаемый шарами, составит (в долях единицы):

(16)

а площадь поверхности шаров, м²:

(17)

Таким образом, независимо от крупности фракций общая пористость загрузочного материала постоянна и равна 1-π/6, т. е. 48%.

Натурные замеры пористости загрузочного материала показывают, что она равна 50-52%, т. е. достаточно близко совпадает с предлагаемой схемой подсчета. Удельные площади поверхностей загрузочных материалов практически не отличаются от удельных площадей поверхностей шаровых фракций соответствующих диаметров (рис. 36).

Рис. 36. Зависимость удельной площади поверхности загрузки от крупности загрузки [точки - данные натуральных замеров объемной загрузки (щебень, гравий, шлак, керамзит)]

Таким образом, пористость объемной загрузки любого биофильтра невелика и не превышает 50%. Подсчеты также показывают, что допустимая величина нагрузки по органическим загрязнениям при обеспечении полной очистки на биофильтрах с объемной загрузкой (капельных, высоконагружаемых и башенных) находится также в прямой линейной зависимости от крупности пор в теле биофильтра (рис. 37).

Рис. 37. Зависимость величины органической нагрузки по БПКsub5/sub от объема единичной поры

Приняв нагрузку по БПК на биофильтр М = L₁qп [где L₁-БПК поступающих сточных вод, г/м³; qп - гидравлическая нагрузка, м³/(м³-сут)]. и отнеся ее к удельной площади поверхности загрузки SУД, имеем:

(18)

в то же время

(19)

где 0,2 - масштабный коэффициент; tgα=0,96; p₁ - объем единичной поры, см³, равный р/m_п (здесь m_п - число пор в 1 м³; р-общий объем пустот, см³).

Так как р= (1 -π/6) 10⁶, а S_уд=π/d, то М/S_уд=0,192р/m_п;

Если диаметр фракции d выразить в см, получим:

(20)

где d=2,5 ÷ 6,5 см.

Приведенные соображения и подсчеты убедительно показывают, что повышение производительности биофильтров следует искать в увеличении диаметра фракций загрузки и ее пористости. Но с увеличением крупности фракций загрузочного материала уменьшается площадь рабочей поверхности для образования биопленки. Поэтому для повышения производительности биофильтров следует идти по пути увеличения пористости загрузки.

В опытах, проводимых на кафедре канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева, пористость биофильтров с (плоскостной загрузкой составляла 73-99%. В этом, в частности, и усматривается основное принципиальное отличие биофильтров с плоскостной загрузкой от биофильтров с объемной загрузкой.

Авторами был предложен метод расчета -биофильтров с плоскостной загрузкой, который состоит в следующем.

Известно, что L₂ (БПК₅ очищенной сточной воды) является функцией следующих величин:

(21)

где L₁ - БПК поступающей сточной воды, мг/л; q_п - гидравлическая нагрузка, м³/(м³-сут); Р - пористость загрузочного материала, %,

Так как у биофильтров с плоскостной загрузкой аэрация осуществляется естественным путем и можно считать, что воздуха [подается вполне достаточно,, то функциональную зависимость (21) можно записать в виде:

(22)

где Р- масса органических загрязнений по БПК₅ поступающих в сутки на единицу площади поверхности загрузочного материала биофильтра, г/(м²-сут):

(23)

Результаты лабораторных и полупроизводсвенных исследований по очистке сточных вод на биофильтрах с плоскостной загрузкой обрабатываются в координатах L₂ и η (рис. 38). При этом

(24)

(25)

где k₂₀ - константа скорости биохимических процессов в сточной воде при температуре 20° С.

Рис. 38. Зависимость Lsub2/sub = f(?η)

Полученная зависимость может быть выражена аналитически: при L₂=11 ÷ 100 мг/л

(26)

при L₂ = 7÷11мг/л

(27)

Для определения высоты биофильтра можно воспользоваться следующими формулами:

при L₂ =11÷100 мг/л

(28)

при L₂=7÷11 мг/л

(29)

при L₂ =11 мг/л

(30)

С. М. Шифрин и И. А. Евстигнеев для расчета биофильтров с плоскостной загрузкой также рекомендуют применять графоаналитический метод, основанный на методе критериального комплекса:

где

(31)

здесь q_п - гидравлическая нагрузка. м³/(м ² ·сут).

Эту формулу они считают обобщенной для любых типов плоскостной загрузки. В зависимости от типа загрузки изменяется лишь коэффициент а и эмпирическим путем определяются показатели степени b и n (например, для пластмассовой загрузки из сотовых плит а = 75, b=1, n=0,4). Следует отметить, что в формуле (31) не учтена способность плоскостных биофильтров выдерживать большие нагрузки по органическим загрязнениям; эта нагрузка выражена лишь через гидравлическую нагрузку q, что не дает представления о производительности биофильтра.

Для расчета биофильтров с блочной загрузкой из пеностекла И. М. Таварткиладзе, взяв за основу формулу (24), предложил зависимость

(32)

где С - коэффициент, характеризующий неровность поверхности пеностекла; q_п - гидравлическая нагрузка, м³/(м³-сут).

Исследуя работу биофильтров с мягкой сетчатой загрузкой для очистки смеси сточных вод поселка и молочного завода, Шульц предложил зависимость

(33)

где b_т-температурная поправка: b_т = 1,035^т-20; q - гидравлическая нагрузка, м³/(м²-сут).

При исследовании по очистке сточных вод бумажных фабрик на биофильтре с плоскостной загрузкой из сотовых блоков с нагрузками по БПК от 1 до 2,5 кг/км³-сут) (при начальной БПК, равной 300-400 мг/л) Ренци получил эффект снижения органических загрязнений, равный 70-83%. Взяв за основу формулу Национального исследовательского совета, Ренци предложил для расчета биофильтров с плоскостной загрузкой аналогичную по структуре формулу

(34)

где Э - эффект работы биофильтра, %; М - нагрузка по БПК, кг/(м³ ⋅ сут); Е - рециркуляционный фактор:

(35)

Здесь е = Q_рец/Q рециркуляционное соотношение.

Для расчета дисковых погружных биофильтров при очистке бытовых и производственных сточных вод при начальной БПК₅ до 450 мг/л и БПК₅ в очищенных сточных водах до 15-40 мг/л хможно воспользоваться графоаналитическим методом расчета. В основу расчета положена функциональная зависимость L₂ от органической нагрузки по БПК₅ на 1 м² площади поверхности дисков и температуры сточных вод. Число ступеней погружных биофильтров должно быть не менее двух.

Порядок расчета следующий. В зависимости от БПК₅ неочищенных сточных вод и требуемой БПК₅ очищенных сточных вод по рис. 39,а определяется допустимая органическая нагрузка на 1 м² площади поверхности дисков в сутки FПб. Далее по рис. 39,б находится температурный коэффициент k_T; при t≥20оС коэффициент k_T =1 Затем вычисляется общая площадь поверхности дискового погружного биофильтра, м²:

(36)

где Q - расход сточных вод. м³/сут.

Рис. 39. К расчету дисковых погружных биофильтров: а - зависимость F_П.б = f (L₁,L₂); б - зависимость k_T=f (t^o, F_П.б); 1- L₁ =100÷200 мг/л; 2- L₁=200÷300 мг/л; 3- L₁= 300÷400 мг/л; 4- L₁=400÷500 мг/л; 5-t = 7^oC; 6- t = 10^oC; 7- t = 13^oC; 8- t = 10^oC

Число дисков, m, находится в зависимости от их конструктивного

размера:

(37)

где S₁ - площадь поверхности одного диска, м² .

Далее назначаются конструктивные размеры биофильтра: толщина дисков, расстояние между ними, число дисков в лакете, число ступеней и др.

Расчет дисковых и барабанных погружных биофильтров можно вести на основании опыта эксплуатации или результатов исследований по очистке определенного вида производственных сточных вод. Оптимальными конструктивными параметрами погружных дисковых биофильтров можно принимать следующие: диаметр дисков 2-3 м; расстояние между дисками 15-20 мм; глубина их погружения на 2-3 см ниже вала; частота вращения 1-6 мин^-1.

Как уже говорилось выше, биотенки целесообразно принимать в качестве I ступени двухступенчатой биологической очистки, а также при неполной биологической очистке. Это и положено в основу их расчета. Основными факторами, влияющими на требуемую величину БПК_полн очищенных сточных вод, являются:

органическая нагрузка по БПК_полн на единицу объема биотенка [F_бт, г/(м³-сут)];

высота слоя загрузки Н, м;для достижения эффекта снижения органических загрязнений до 70-75% принимается Н ≥ 4 м, до 50 - 55% принимается Н ≥ 2 м;

объем, занимаемый жидкой фазой в биотенке, W_ж, в долях единицы от общего объема;

удельная площадь поверхности для образования биопленки S_бт, м²/м³.

Для обеспечения нормальных гидродинамических условий работы биотенка гидравлическая нагрузка в пересчете на объем жидкой фазы в биотенке должна быть не менее 25 м³/(м³⋅сут).

Порядок расчета биотеека следующий. В зависимости от требуемого эффекта по рис. 40 определяются допустимые "агрузки по органическим загрязнениям: по объему жидкой фазы F_ж [г БПК_полн/ (м³-сут)] и по свободной поверхности F_п [г БПК_полн/(м².сут)].

Далее подсчитывается допустимая нагрузка по органическим загрязнениям на единицу объема биотенка по формуле

(38)

где .Sп - удельная площадь поверхности загрузки биотенка, м²/м³.

Рис. 40. Зависимость допустимых нагрузок по БПК_полн от эффекта очистки: 1 - допустимые нагрузки по объему жидкой фазы биотенка; 2 - то же, по свободной поверхности биотенка

Затем в зависимости от расхода сточных вод Q, м³/сут, определяется объем биотенка, м³:

(39)

И наконец, в зависимости от высоты слоя загрузки находятся другие конструктивные размеры биотенков и их число. Следует отметить, что методика расчета составлена исходя из опыта работы биотенков при L₁ ≤ 250 мг/л.

В основу расчета капельных и высоконагружаемых биофильтров положены результаты исследований, проведенных в МИСИ им. В. В, Куйбышева, АКХ им. К. Д. Памфилова и в других организациях.

Капельные биофильтры рассчитывают в следующем порядке:

а) определяют к = L₁L₂;

б) определяют значения H и q (табл. 23) по среднезимней температуре сточной воды Т и -найденному значению k; если полученное значение k превышает значения, приведенные в табл. 23, необходимо вводить рециркуляцию и расчет производить по методике, изложенной ниже (в расчете высоконагружаемых биофильтров) ;

Таблица 23. Параметры для расчета капельных биофильтров

в) определяют общую площадь биофильтров (S = Q/q, м²) по расходу очищаемых сточных вод (Q, м³/сут) и гидравлической нагрузке [q, м³/(м²-сут)].

Высокнагружаемые биофильтры для очистки сточных вод рассчитывают в следующем порядке:

а) определяют k= L₁ / L₂

б) определяют значения Н, q и В_уд (табл. 24) по среднезимней температуре сточной воды Т и найденному значению к; если полученное значение к отличается от значений, приведенных в табл. 24, то для очистки без рециркуляции следует принимать Н, q и Вуд по ближайшему большему значению k, а для очистки с рециркуляцией - по меньшему (устанавливается технико-эконюмическим расчетом);

в) определяют БПК₂₀ смеси сточных вод и коэффициент рециркуляции n_р (для биофильтров с рециркуляцией) по формулам:

(40)

(41)

г) определяют площадь биофильтров, м², по формулам: при работе без рециркуляции

(42)

при работе с рециркуляцией

(43)

При величине L₁ > 300 мг/л следует принимать k=300/L₂. Из

табл. 24 выбираем значение k ≥300/L₂ величину nр определяем по

L_см = 300 мг/л. Если k<300/L₂, то L_см определяется по формуле (40).

Таблица 24. Параметры расчета высоконагружаемых биофильтров

(Примечания: 1. Таблица составлена по формуле k=10αФ₂+β, где Ф₂=HВ_уд^0,6k_T/q^0.4 - критериальный комплекс; α и β - постоянные коэффициенты, принимаемые по табл. 25. 2. Для промежуточных значений В_уд, H,q, Т, а также для значений T <8°С (не ниже 6°С) и T>14°С (до 30°С) величина k определяется по интерполяции.)

Таблица 25. Значения коэффициентов α и β

Расчет высоконагружаемых биофильтров для очистки производственных сточных вод может производиться по изложенному выше методу или по окислительной мощности. Критериальный комплекс или окислительная мощность устанавливаются экспериментальным путем.

Расчет башенных биофильтров производится по табл. 26.

Таблица 26. Допустимая нагрузка на башенные биофильтры

В основу расчета биофильтров с плоскостной загрузкой положен графоаналитический метод. Для удобства составлены табл. 27 и 28, по которым в зависимости от заданной степени очистки, требуемой БПКб очищенной сточной воды, ее температуры и высоты слоя загрузки определяются допустимая гидравлическая нагрузка и нагрузка по БПКб на единицу объема биофильтра.

Таблица 27. Допустимая гидравлическая нагрузка на биофильтры с плоскостной загрузкой

Таблица 28. Допустимая нагрузка по БПК₅ на биофильтры с плоскостной загрузкой

Табл. 27 и 28 составлены для пластмассовых блоков с пористостью 93-96% и удельной площадью поверхности 90-11О м²/м³ при БПК₂₀ поступающей сточной воды 200-250 мг/л.

Расчет биофильтров с плоскостной загрузкой ведется по БПК₅ в следующем порядке:

а) в зависимости от требуемой БПК₅ очищенных сточных вод определяется критериальный комплекс η;

б) по среднезимней температуре сточных вод подсчитывается k_т;

в) в зависимости от требуемой степени очистки назначается высота слоя загрузки H; величина пористости загрузочного материала Р определяется конструктивными размерами плоскостной загрузки;

г) подсчитывается допустимая масса органических загрязнений по БПК₅, поступающих на единицу площади поверхности загрузочного материала биофильтра.

(44)

д) по исходной БПК поступающих сточных вод и конструктивному размеру удельной площади поверхности загрузочного материала определяется допустимая гидравлическая нагрузка

(45)

е) определяются объем загрузочного материала биофильтров, их число и конструктивные размеры.

Надежная работа биофильтров может быть достигнута только при равномерном орошении очищаемой сточной водой его поверхности. В отечественной и зарубежной практике наибольшее распроранение для орошения получили спринклеры и реактивные вращающиеся водораспределители (оросители).

Спринклерная система состоит из дозирующего бака, разводящей сети и разбрызгивателей (спринклеров). Расчет такой системы сводится к определению расхода воды из каждого разбрызгивателя, определению необходимого их числа, диаметра разводной сети, вместимости и продолжительности работы дозирующего бака.

Вращающийся реактивный ороситель состоит из двух - четырех или шести дырчатых труб, консольно закрепленных на общем стояке. Расчет реактивного оросителя сводится к определению диаметра оросителя, числа труб в оросителе и их диаметра, числа отверстии и их диаметра в каждой трубе, расстояний от оси оросителей до каждого отверстия, частоты вращения реактивного оросителя и требуемого напора.

Исходные данные для расчета вторичных отстойников после биофильтров следует принимать по табл. 29.

Таблица 29. Исходные данные для расчета вторичных отстойников

При расчете первичных отстойников концентрация взвешенных веществ после них не должна превышать 150 мг/л. Первичные отстойники перед плоскостными биофильтрами проектируются на продолжительность отстаивания 0,6 ч.

Примеры расчета биофильтров

Пример 1. Рассчитать капельный биофильтр при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 820 м³/сут; БПК_полн поступающих сточных вод L₁= 190 мг/л; БПК_полн очищенных сточных вод L₂=18 мг/л; среднезимняя температура сточных вод Т=12^оС; среднегодовая температура воздуха T_воз-5^oС.

Решение. Определяем коэффициент k:

По табл. 23 в зависимости от среднезимней температуры сточных вод T и высоты биофильтра H находим ближайшее большее значение k_табл. Принимаем

H = 2 м и находим k_табл = 10,7.

При этих условиях гидравлическая нагрузка q = 2 м³/(м²⋅сут). Подсчитывав ем площадь биофильтров:

Принимаем четыре секции прямоугольной формы в плане с размерами сторон 9X12 м и высотой Н=2 м. Площадь одной секции S′=108 м², а объем W′ =216 м³.

В соответствии со среднегодовой температурой воздуха Т_воз=5^оС и пропускной способностью Q = 820 м³/сут биофильтры располагаем в неотапливаемом помещении облегченной конструкции.

Пример 2. Рассчитать высоконагружаемый биофильтр при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 42 000 м³/сут; БПК_полн поступающих сточных вод L₁= 180 мг/л; БПК_полн очищенных сточных вод L = 20 мг/л; среднезимняя температура сточных вод T=10°С.

Решение. Определяем коэффициент k:

Высоту биофильтра находим для двух значений объема подаваемого воздуха Вуд при гидравлической нагрузке q=10 м³/(м²-сут).

1. При В_уд = 8 м³/м³.

По табл. 24 при высоте биофильтра H₁ = 3 м величина k=6,2, а при H₂= 4 м величина k=10,4. Так как 6,2 <9, то при высоте биофильтра H₁ = 3 м необходима рециркуляция.

По формуле (40) определяем L_см, по формуле (41)-коэффициент рециркуляции пр и по формуле (43) -площадь биофильтров S₁

При Н = 4 м рециркуляции не требуется, а площадь биофильтров

Объемы фильтрующей загрузки соответственно составят:

2. При B_уд=12 м³/м³.

По табл. 24 при высоте биофильтра H₃ = 3 м величина k = 8,35, а при H₄ = 4 м величина k=14,8. Следовательно, при H₃ = 3 м необходима рециркуляция. Расчеты производим так же, как и в первом случае. При H₃ = 3 м

При H₄=4 м рециркуляции не требуется и S₄=4200 м². Объемы фильтрующей загрузки соответственно составляют W₃=13 734 м³ и W₄=16 800 м³.

Окончательный выбор варианта следует принимать на основе технико-экономического расчета. Принимаем B_уд = 8 м³/м³; H=4 м и к проекту назначаем шесть биофильтров D-30 м с общим объемом фильтрующей загрузки W= 16 956 м³.

Подсчитаем расход воздуха В_общ:

Таблица 30. Характеристики вентиляторов низкого давления

Для подачи воздуха в высоконагружаемые биофильтры устанавливаем два рабочих и один резервный вентиляторы низкого давления ЭВР-5 подачей по воздуху 7500 м³/ч и напором до 80 мм (табл. 30).

Пример 3. Рассчитать высоконагружаемый биофильтр при следующих исходных данных: расход смеси производственных и бытовых сточных вод Q=6000 м³/сут; БПК_полн поступающих сточных вод L₁ = 480 мг/л; БПК_полн очищенных сточных вод L₂ = 25 мг/л; среднезимняя температура сточных вод Т= 14°С.

Решение. Подсчитаем величину k. Поскольку L₁>300 мг/л, то в соответствии со СНиП 11-32-74 (п. 7.91)

Из табл. 24 по величинам Т и k находим, что при удельном расходе воздуха В_уд=12 м³/м³ и высоте биофильтра Н=4 м гидравлическая нагрузка q₁ = 20 м³/(м²-сут).

Рассмотрим и другой вариант: при k=11,7 величина q₂=10 м³/(м²-сут); H₂=3 м и В_уд=12 м³/м³.

Аналогично расчету, приведенному в примере 3, определим требуемые параметры:

для первого варианта:

для второго варианта:

Выбираем первый вариант и подсчитываем общий расход воздуха:

Принимаем два биофильтра диаметром D=18 м с общим объемом фильтрующей загрузки W=2032 м³. Для подачи воздуха устанавливаем один рабочий и один резервный вентиляторы низкого давления ЦЧ-70 № 3 подачей до 3800 м³/ч и напором до 90 мм (см. табл. 30).

Пример 4. Рассчитать биофильтр с плоскостной загрузкой при следующих исходных данных: расход сточных вод (Q = 7500 м³/сут; (БПК₅ поступающих сточных вод L₁ = 150 мг/л; БПК₅ очищенных сточных вод L₂=15 мг/л; средне-зимняя температура сточных вод T=13°С.

Решение. Выбираем загрузочный материал из чередующихся плоских и гофрированных полиэтиленовых листов с удельной площадью поверхности S_уд = = 120 м²/м³ и пористостью Р = 93%. Поскольку требуемый эффект очистки составляет 90%, высоту биофильтра назначаем H = 4 м.

Значение критериального комплекса 11η находим в зависимости от требуемой величины L₂ :

По формуле (25) подсчитываем значение k_т

Для подсчета kт в диапазоне температур сточных вод Т от 8 до 20°С можно воспользоваться приведенными ниже данными:

Определяем допустимую нагрузку по БПК₅на 1 м² площади поверхности загрузочного материала по формуле (44):

Находим допустимую гидравлическую нагрузку qп по формуле (45):

Определяем необходимый объем загрузки биофильтров W и их площадь S:

Назначаем четыре секции биофильтра круглой формы в плане и определяем их диаметр

Принимаем четыре биофильтра диаметром 6 м каждый и, в соответствии со CНиП II-32-74 (п. 7.96), размещаем их в отапливаемом помещении.

Пример 5. Рассчитать биофильтр с плоскостной загрузкой при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 83 000 м³/сут; БПК₅ поступающей cточной воды L₁=260 мг/л; БПК₅ очищенной сточной воды L₂ = 50 мг/л; сред-незимняя температура сточных вод T=14^oС.

Решение. Выбираем загрузочный материал из чередующихся гофрированных поливинилхлоридных листов с удельной площадью поверхности S_уд = 100 м²/м³ и пористостью Р = 94%. Высоту слоя загрузки назначаем Н = 6 м.

По зависимостям, приведенным в примере 4, находим критериальный комплекс ?η=1,2 и коэффициент k_т =0,151.

Определяем допустимую нагрузку по органическим загрязнениям F по формуле (44) и гидравлическую нагрузку q_п по формуле (45):

Подсчитаем необходимый объем загрузки биофильтров В7 и их площадь 5:

Назначаем четыре секции биофильтров круглой формы в плане и определяем их диаметр:

Принимаем четыре биофильтра диаметром по 12 м.

Как вариант можно принять две секции биофильтров, тогда их диаметр будет:

Окончательно принимаем два биофильтра D=18 м (общий объем загрузки 3050 м³), поскольку в первом случае биофильтры будут работать с перегрузкой не обеспечат требуемого эффекта очистки.

Пример 6. Рассчитать биофильтр с плоскостной загрузкой при следующих исходных данных: (Q = 260 м³/сут; БПК₅ поступающих сточных вод L₁ = 180 мг/л; БПК₅ очищенных сточных вод L₂ = 30 мг/л; среднезимняя температура сточных вод T=14^oС.

Решение. Выбираем загрузочный материал из чередующихся гофрированных асбестоцементных листов с удельной площадью поверхности S_уд = 56 м²/м³ и пористостью Р=80%; высоту биофильтра назначаем равной 4 М.

При Т=14°С находим k_т = 0,151 и η =1,75 (см. пример 4). Величину F подсчитываем по формуле (44):

Находим допустимую гидравлическую нагрузку q_п по формуле (45):

Определяем необходимый объем загрузочного материала биофильтров W и их площадь S:

Приняв число секций n_с = 2, определим площадь каждой секции S':

Принимаем биофильтры квадратные в плане с длиной стороны 2 м. Биофильтры устраиваются в закрытом отапливаемом помещении.

Пример 7. Требуется произвести реконструкцию биофильтров на действующих очистных сооружениях при следующих исходных данных: расход городских сточных вод, поступающих на очистные сооружения, Q_гор=27 000 м³/сут; БПК_полн этих вод L_1гор = 250 мг/л; среднезимняя температура Т=12°С. На очистных сооружениях эксплуатируются шесть аэрофильтров с высотой загрузки H= 4 м и диаметром D = 24 м; объем гравийной загрузки одного биофильтра W'=1808 м³; общий объем загрузочного материала W_общ = 10848 м³; удельный расход воздуха B_уд = 8 м³/м³; БПК_полн очищенных городских сточных вод L₂гор = 22÷25 мг/л. На очистные сооружения предполагается равномерная подача высококонцентрированных производственных сточных вод химического и гидролизного заводов в количестве Q_пp=9000 м³/сут с БПК_полн L_1пр = 1600 мг/л и среднезимней температурой Т=12°С. Требуемая величин.) БПК_полн очищенной смеси городских и производственных сточных вод L_2см = 20 мг/л.

Решение. Производственные сточные воды смешиваются с городскими потоками перед сооружениями биологической очистки.

Определяем БПК_полн смеси городских и производственных сточных вод:

Поскольку концентрация органических загрязнений в смеси сточных вод велика, принимаем двухступенчатую биологическую очистку. В качестве первой ступени принимаем биофильтры с плоскостной загрузкой, в качестве второй ступени используем действующие биофильтры.

Экспериментальные исследования по очистке на биофильтрах с плоскостной загрузкой сточных вод аналогичного состава показали, что при нагрузке по БПК_полн на 1 м² площади поверхности загрузочного материала до F = 35 г/(м²Х сут.) эффект снижения органических загрязнений составляет 75%. Следовательно, после первой ступени биологической очистки (биофильтров с плоскостной загрузкой) БПК_полн смеси сточных вод будет:

Определяем необходимое число высоконагружаемых биофильтров второй ступени биологической очистки. Находим коэффициент

Из табл. 24 при высоте биофильтра H=4 м; среднезимней температуре сточной воды T = 12°С; удельном расходе воздуха В_уд = 8 м³/м³ и гидравлической нагрузке q = 20 м³/(м²-сут) находим k_табл = 7,54. Рециркуляции в нашем случае не требуется.

Подсчитываем площадь высоконагружаемых биофильтров второй ступени S2ст и объем загрузочного материала W2ст.:

Принимаем в качестве второй ступени четыре биофильтра диаметром D= 24 м, высотой 4 м и общим объемом загрузки 7232 м³.

Определяем общую площадь поверхности плоскостного загрузочного материала S^п_1ст для биофильтров первой ступени:

В качестве загрузочного материала биофильтров первой ступени намечаем три вида блочной загрузки:

1) блоки из чередующихся гофрированных асбестоцементных листов; S_уд.асб = 56 м²/м³; P_aсб = 80%;

2) блоки из чередующихся гофрированных и плоских пластмассовых листов; S'_уд.пл=170 м²/м³; Р'_пл = 90%;

3) блоки из чередующихся гофрированных и плоских пластмассовых листов;

S"_уд.пл =115м²/м³;Р"_пл = 94%.

Определяем требуемый объем биофильтров первой ступени с асбестоцементной и двумя видами пластмассовой загрузки:

Принимаем в качестве первой ступени биофильтры круглые в плане, диаметром 24 м с высотой 4 м, В этом случае потребуется шесть биофильтров с асбестоцементной загрузкой или два-три биофильтра с пластмассовой загрузкой.

Так как из шести действующих биофильтров в качестве второй ступени биологической очистки используется только четыре, то из двух оставшихся гравийную загрузку следует выгрузить и загрузить блочную. В этом случае потребуется дополнительное сооружение четырех биофильтров с асбестоцементной В загрузкой (1-й вариант) или одного биофильтра с пластмассовой загрузкой (3-й вариант); во 2-м варианте (пластмассовая загрузка) сооружения биофильтров не требуется, необходима лишь перегрузка загрузочного материала.

Окончательный выбор варианта первой ступени биологической очистки следует принимать на основе технико-экономических расчетов.

Пример 8. Рассчитать погружной дисковый вращающийся биофильтр для очистки сточных вод спиртово-крахмального завода при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 450 м³/сут; БПК_полн поступающей сточной воды L₁=600 мг/л; БПК_полн очищенной сточной воды L₂=20 мг/л; среднезимняя температура сточных вод T=18°С; k_общ = 1.

Решение. Подсчитываем требуемый эффект очистки:

По графику зависимости Э = f(F_п.б) (см. рис. 11,б) находим допустимую нагрузку по БПК_полн на 1 м² площади поверхности дисков:

Определяем общую площадь дисков:

Конструктивно принимаем диаметр диска D_д = 2,5 м, в этом случае площадь его рабочей поверхности S_д с обеих сторон будет:

Находим необходимое число дисков: n_д = S_общ/S_д = 3600/9,8 = 368.

Принимаем установку погружного дискового биофильтра, состоящую из двух секций по четыре ступени в каждой секции (см. рис. 11,а) и определяем ее конструктивные размеры:

число дисков в одной ступени п' = n_д/8 = 368/8 = 46;

ширина секции погружного биофильтра

Где δ₁-толщина диска, зависящая от материала; принимаем поливинил-хлоридные листы при ?δ₁ = 0,01 м; ?δ₂ - расстояние между дисками, принимается равным 0,015-0,03 м;

длина секции погружного биофильтра:

где n_с - число ступеней в секции; l_с - длина одной ступени.

Рабочую глубину секции погружного биофильтра принимаем: Н = (0,4÷0,5)D_д, частоту вращения вала с дисками m₀ = 2÷5 мин^-1, расстояние от нижней кромки дисков до дна секции δ₃ = 3÷5см.