БИОФИЛЬТРЫ

Сущность процесса очистки

Процесс изъятия и окисления органических загрязнений сточных вод в биологических фильтрах принципиально не отличается от аналогичных процессов, протекающих при очистке сточных вод в других сооружениях биологической очистки, однако ход процесса в биологических фильтрах во многом зависит от конструктивных особенностей этих сооружений. В частности, конструкцией биологического фильтра обусловлена специфика гидродинамических условий в нем, а следовательно, характер и скорость подвода органических веществ и кислорода воздуха к клеткам микроорганизмов биологической пленки, отвода от них продуктов биохимических реакций, что в свою очередь влияет на скорость процесса очистки сточных вод и эффективность работы сооружений.

Очистка осуществляется при контакте протекающей сточной воды через загрузку с неподвижно закрепленной на ее поверхности биологической пленкой. Ход массообменных процессов, происходящих в элементарном объеме биологаческого фильтра, схематично представлен на рис. 2.1 а. Перенос загрязнений определяется законами молекулярной и турбулентной диффузии вещества. При молекулярной диффузии массообмен происходит как за счет разности концентраций веществ на границе раздела фаз жидкость - воздух (максимальная концентрация загрязнений) и жидкость - биопленка (минимальная концентрация). Турбулентная диффузия происходит вследствие перемешивания жидкости при ее протоке через загрузку биологического фильтра. При этом скорость турбулентной диффузии может намного превышать скорость молекулярной диффузии.

t/почнал Soda

Эаеряонени*

воздух

Ppo?f/ктм реакций -

Лоробос

I HjP?/точмая I сТиоплснка

Оресничес/fue бещестба биогенные j/гсменты MP da, Mg, б и dp.

Рислород

А в I P I » I *u

биологическая

пленка

C0_ZlH;0, H0_2j Wj

Энергия

Прирост биомассы

Энергетические WMC

Нонструктиш обмен

sg

]

Рис. 2.1. Схемы массообменных процессов, протекающих при очистке сточных вод на биологических фильтрах (а), и окислительных процессов, происходящих в биопленке (б)

Кислород воздуха, необходимый для протекания биологического процесса, поступает к биопленке из порового пространства загрузки биологического фильтра. Перенос и фиксирование (сорбция) органических веществ на поверхности клетки или в околоклеточном пространстве сопровождаются гидролизом сложных соединений под действием различных ферментов, а также в результате диффузии веществ через проницаемую мембрану клетки.

В ходе внутриклеточных процессов происходит окисление органических веществ (энергетический обмен) и синтез нового материала клетки (конструктивный обмен). Процесс окисления сопровождается выделением энергии, процесс синтеза идет с ее потреблением (рис. 2.16).

Продукты распада органических загрязнений выносятся из биогшенки в слой жидкости и отводятся с потоком жидкости (растворенные вещества) и с потоком воздуха (газообразные). Одновременно потоком жидкости вымывается избыточная (прирастающая) биопленка, которая выносится из биологического фильтра вместе с очищенной водой. Для отделения избыточной биопленки очищенные сточные воды после биологических фильтров отстаивают во вторичных отстойниках.

Характер протекания процесса очистки сточных вод на биологическом фильтре показан на рис. 2.2. Как видно из рисунка, концентрация органических загрязнений Ь_н сначала быстро снижается при продолжительности процесса от г₀ До что свидетельствует о высоких скоростях изъятия загрязнений на этом участке. Одновременно резко увеличивается количество биопленки (кривая 2) по сравнению с начальным С_н, причем скорость роста микроорганизмов биоиленки по мере уменьшения концентрации загрязнений в жидкости постепенно снижается. К моменту времени /1 количество биопленки становится стабильным, так как недостаток питания тормозит дальнейший рост клеток.

Рис. 2.2. Протекание процесса очистки сточных вод на биологических фильтрах (на контакте):

1 - концентрация органических загрязнений; 2 - общая масса биогшенки, закретенной на загрузке и циркулирующей; 3 -масса биопленки, закрепленной на загрузке биологического фильтра; 4 - концентрация нитритов и нитратов; 5 - зольность биомассы

Прирост биомассы в этот момент времени максимальный. При дальнейшем увеличении продолжительности процесса очистки сточных вод в биологическом фильтре концентрация органических загрязнений продолжает снижаться (кривая /), но скорость на участках б - /₂ и /₂ - Ь значительно ниже, чем в начале процесса. Ввиду низкой остаточной концентрации загрязнений в жидкости, отсутствия достаточного питания для жизнедеятельности микроорганизмов биопленки на этих участках начинается процесс отмирания (самоокисления) биомассы. Часть биопленки смывается с за1рузки биологического фильтра и поступает в очищаемую жидкость. Вследствие распада биомассы ее общее количество уменьшается (кривая 2), также уменьшается количество биопленки, закрепленной на загрузке (кривая 3), зольность биомассы повышается (кривая 5).

Участок I (см. рис. 2.2) при продолжительности процесса очистки сточных вод от /] до ?₂ характеризует режим работы биологических фильтров при неполной биологической очистке. При работе в этом режиме концентрация загрязнений по ВПК снижается до 100...30 мг/л, наблюдается большой прирост биомассы, процесс идет без нитрификации.

При продолжительности процесса очистки от до Ь (участок II) биологические фильтры работают в режиме полной биологической очистки; ВПК жидкости снижается до Ь₀ -= 15...25 мг/л, в очищенной жидкости появляются нитриты и нитраты (кривая 4). Количество биомассы как закрепленной на загрузке биологического фильтра, так и выносимой с очищенной жидкостью, снижается вследствие процессов самоокисления.

Увеличение продолжительности процесса от и до /₄ сопровождается дальнейшим распадом и следовательно, уменьшением количества биомассы в биологическом фильтре (кривые 2 и 3), зольность ее повышается. Этот участок III характеризует режим стабилизации биомассы, аналогичный режиму продолженной аэрации при очистке сточных вод с активным илом. При работе биологических фильтров в этом режиме можно получить наименьший прирост биопленки, высокую степень минерализации выносимой из биологического фильтра избыточной биопленки, что позволяет облегчить дальнейшую ее обработку. Стабилизированная избыточная биомасса, выносимая из биологических фильтров, работающих в этом режиме, не требует дополнительного сбраживания и может быть сразу направлена на иловые площадки для подсушивания.

Концентрация загрязнений сточных вод на участке III не только не снижается по сравнению с концентрацией загрязнений на участке II, но и может даже несколько увеличиваться (кривая 1) за счет вторичного загрязнения очищенной жидкости продуктами распада биомассы. В конце участка III при продолжительности процесса Ц в биологическом фильтре развиваются микроорганизмы, адаптированные к остаточным трудноокисляемым загрязнениям сточных вод, что обусловливает дальнейшее снижение концентрации загрязнений.

Участок IV характеризует работу биологических фильтров в режиме доочистки сточных вод до величины остаточных загрязнений по ВПК Ь_й = 15...5 мг/л. В этом режиме прирост биомассы крайне незначительный, зольность избыточной биомассы высокая, процесс нитрификации протекает интенсивно.

Рассмотренный ход процесса очистки сточных вод на биологических фильтрах на контакте иллюстрирует возможность работы этих сооружений в различных режимах, а их режим работы, принятый на основании местных условий и требуемого качества очищенных сточных вод, обусловливает выбор конструкции этих сооружений, технологических параметров их работы, схемы всей очистной станции.

Основные технологические параметры, определяющие режим работы биологических фильтров: нагрузка по органическим загрязнениям, окислительная мощность, гидравлическая нагрузка, средняя продолжительность протока сточных вод, коэффициент рециркуляции, расход подаваемого воздуха.

Нагрузка по органическим загрязнениям измеряется количеством органических загрязнений, подаваемых вместе со сточными водами на биологический фильтр в единицу времени, и является основным показателем, определяющим режим и условия биологического процесса (см. рис. 2.2). Обычно пользуются удельной нагрузкой по БПК_полн, отнесенной к 1 м³ объема биологического фильтра: N - Ь_еп QJW, где N - удельная

нагрузка по БПК_П0Л11, г/сут-м³; Ь_еп - БПК_полн исходных сточных вод, г/м³; 0^, - расход сточных вод, м³/сут; ]Г- объем биологического фильтра, м³.

Для сравнения режимов работы биологических фильтров удельную нагрузку правильнее определять на единицу площади поверхности биопленки или площади поверхности фракций загрузки: Ы = Ь_е„ 0,^_а, где - удельная нагрузка, г/сут-м²; /в - площадь поверхности загрузки, м².

Окислительную мощность, или производительность биологического фильтра по количеству изъятых органических загрязнений в процессе очистки сточных вод, выражают в граммах БПК_полн на 1 м³ загрузки в сутки: ОМ = (Ь_еп~ ()*/№, где ОМ - окислительная мощность, г/сут-м³; А^-БПКполн очищенных сточных вод, г/м³.

Гидравлическая нагрузка - количество сточных вод, поступающих на биологический фильтр, отнесенное к 1 м² площади сооружения в плане: ц - ()„/Г, где q - гидравлическая нагрузка, м³/м⁵-сут; площадь биологического фильтра, м².

Средняя продолжительность протока сточных вод через биологический фильтр Г_со зависит от гидравлической нагрузки, высоты биологического фильтра, способа подачи сточных вод на поверхность загрузки, типа загрузки и распределения в ней биопленки. Величина г_ср является показателем продолжительности процесса очистки сточных вод в биологическом фильтре. При повышении гидравлической нагрузки увеличивается скорость движения жидкости через биологический фильтр и уменьшается продолжительность протока; с увеличением высоты биологического фильтра увеличивается продолжительность пребывания сточных вод в загрузке. Загрузка, а также закрепленная на ней биопленка, оказывая сопротивление движению протекающей жидкости, тем самым определяют путь, по которому движется поток жидкости, а следовательно, влияют на продолжительность протока.

Коэффициент рециркуляции - отношение расхода рециркулируемой очищенной жидкости к общему расходу исходных сточных вод, поступающих на биологический фильтр, п = (2и-

Рециркуляция, т.е. повторный пропуск части очищенной ЖИДкости через биологический фильтр, позволяет увеличить продолжительность процесса очистки, снизить начальную концентрацию загрязнений исходных сточных вод и повысить гидравлическую нагрузку, обеспечивающую промывку загрузки сооружения в процессе его работы. Коэффициент рециркуляции принимают в зависимости от предельно допустимой концентрации загрязнений по БПК_полн смеси исходных и рециркулируемых сточных вод, которую можно направить на биологический фильтр без опасений заиливания пор загрузки в результате прироста биопленки. Коэффициент рециркуляции определяют по формуле п = (L_en - L_mix)/ (L_mix - L_ex ), где L_mix -БПК_п0ЛН смеси исходных и рециркулируемых сточных вод, г/м³.

Количество кислорода, требуемое для окисления органических загрязнений сточных вод микроорганизмами биопленки, должно обеспечиваться подачей в тело биологического фильтра соответствующего количества воздуха. Недостаток кислорода замедляет скорость биологического процесса. Однако влияние количества подаваемого воздуха на скорость процесса очистки сказывается только до тех пор, пока процесс не будет полностью обеспечен требуемым количеством кислорода. Если достаточный воздухообмен в поровом пространстве загрузки биологических фильтров не обеспечивается естественной вентиляцией, то предусматривают принудительную подачу воздуха.

Наиболее важным конструктивным элементом биологического фильтра является загрузка. Тип и характеристика загрузки существенно влияют на протекание процесса очистки сточных вод. Загрузка биофильтра характеризуется следующими основными параметрами: высотой слоя, удельной площадью поверхности, пористостью и плотностью загрузки. Высота слоя загрузки, или рабочая высота биологического фильтра, определяет наравне с другими параметрами продолжительность пребывания сточных вод в биологическом фильтре.

От удельной площади поверхности загрузки зависит и общая площадь поверхности закрепленной на ней биопленки, а следовательно, и площадь, через которую осуществляется перенос органических загрязнений из жидкости, обтекающей загрузку, к бактериальным клеткам. Как правило, процесс массо-переноса является фактором, лимитирующим скорость изъятия загрязнений, и потому от площади поверхности загрузки в значительной мере зависит окислительная мощность биологического фильтра.

Следует отметить, что для процесса очистки сточных вод важным является площадь поверхности биопленки, а не общее количество биомассы в загрузке. При накоплении биомассы увеличивается толщина биопленки, а активно работающим остается по-прежнему только наружный аэробный слой. Внутри, у поверхности загрузки, образуется анаэробная зона (рис. 2.1а), которая почти не участвует в процессе изъятия и окисления загрязнений. Увеличение количества биомассы уменьшает объем порового пространства загрузки, затрудняет воздухообмен в биологическом филыре, а также снабжение микроорганизмов кислородом воздуха. Пористость загрузки биологических фильтров должна быть такой, чтобы при установившемся режиме работы сооружения (когда количество биопленки в загрузке остается постоянным и ее прирост соответствует выносу) объехМ свободных пор был достаточен для снабжения биоплёнки кислородом воздуха.

Загрузку, применяемую для биологических фильтров, условно можно разделить на два вида: объемную и плоскостную. В качестве объемной загрузки используют щебень, гравий прочных горных пород, кокс, керамзит и другие материалы, характеризуемые определенной крупностью фракций, механической прочностью и стойкостью к разрушению [1]. Такой материал имеет пористость 40...50 %, плотность 500... 1500 кг/м³, удельную поверхность в зависимости от размера фракций загрузки 30... 120 м²/м³.

В качестве плоскостной загрузки применяют листовой материал (пластмассу, асбестоцемент и др.), мягкие рулонные материалы (пластмассовую пленку, синтетические ткани), а также засыпные элементы (кольца, отрезки труб и др.). Загрузку из листовых материалов выполняют в виде различных блоков и кассет, которые укладывают в тело биологического фильтра, мягкие рулонные материалы закрепляют на каркасах или свободно подвешивают.

Пористость плоскостной загрузки из листовых материалов составляет 80...97 %, из рулонных материалов - 94...99, из засыпных элементов - 70...90 %. Удельная поверхность листовой и рулонной загрузки - 80... 130 м²/м³, засыпной - 70... 100 м²/м³, плотность листовой загрузки 40-100 кг/м³, рулонной - 5.. .60 кг/м³, засыпной- 100...600 кг/м³ [2].

Применение плоскостной загрузки позволяет упростить конструкцию биологического фильтра, снизить строительные и монтажные расходы.