Физико-химические методы защиты биосферы. Очистка фильтрационных вод

• высоконагружаемые, с крупностью фракций загрузочного материала 40-60 мм и высотой слоя загрузки 2-4 м;

Капельные биофильтры можно рекомендовать для очистки сточных вод до 1000 м3/сут, высоконагружаемые и башенные - при расходе до 3050 тыс. м3/сут.

В качестве загрузочного материала в биофильтрах с объемной за­ грузкой используют щебень, гравий, шлак, керамзит и другие материалы плотностью 500-1500 кг/ м3 и пористостью 40-50 %. Капельные био­ фильтры применяются для полной биологической очистки сточных вод до БПКполн 15 мг/л.

Биофильтры с плоскостной загрузкой можно разделить по типу за­ грузки:

• жесткая засыпная в виде колец, других элементов, выполненных из пластмассы, металла, керамических материалов, пеностекла и др.;

• жесткая блочная загрузка в виде решеток или блоков, собранных из чередующихся плоских или гофрированных листов. Могут быть ис­ пользованы полимерные материалы: полиэтилен, поливинилхлорид, поли­ пропилен, полистирол;

• мягкая из металлических сеток, полимерных пленок или синтети­ ческих тканей (капрон, нейлон), которые закрепляют на специальных кар­ касах или укладывают в виде рулонов.

Биофильтры с жесткой засыпной и мягкой загрузкой рекомендуется применять при расходах сточных вод до 10 тыс. м3/сут.

Основными технологическими характеристиками работы биофильт­ ра являются гидравлическая нагрузка Се), выражаемая в м3 сточной воды, подаваемой в сутки на 1 м3 или 1 м2 загрузки (м3/(м3-сут) или м3/(м2-сут)) и окислительная мощность (ОМ) биофильтра - количество кислорода, вы­ деляемое в сутки единицей объема загрузки (г 02/(м3-сут)). ОМ можно рас­

G - производительность сооружений, м3/сут;

V- объем загрузки биофильтра, м3

На эффективность очистки воды в биофильтрах влияет состав сточ­ ных вод и температура. Сточная вода, подаваемая на биофильтры, должна содержать биоразлагаемые органические примеси, для предотвращения быстрого заиливания загрузки БПК воды не должно превышать 200 мг О2/Л, содержание взвешенных веществ - не более 20 мг/л, нефте­ продуктов - не более 10 мг/л. Фильтр эффективно работает при температу­ рах не ниже 10 °С, поэтому при непрерывной работе биофильтра их необ­ ходимо размещать в отапливаемых помещениях.

Для очистки фильтрационных вод (производительность очистных сооружений до 100 м /сут) экономически целесообразно использовать биофильтры с засыпной объемной загрузкой, работающие в режиме ка­ пельного биофильтра.

Остановимся более подробно на устройстве и условиях эксплуата­ ции капельных биофильтров. Капельный биофильтр представляет собой прямоугольную железобетонную емкость высотой до 2 м, заполненную за­ грузочным материалом и снабженную дренажной системой для отвода очищенной сточной воды. Подача сточной воды осуществляется на по­ верхность фильтра через водораспределительную систему спринклерного типа. Вода, обогащенная кислородом воздуха, поступает в слой загрузоч­ ного материала и, проходя через слой загрузки, очищается. Конструкция биофильтра с естественной подачей воздуха (капельного биофильтра) по­ казана на рис. 6.1.

соте слоя загрузки 1-2 м.

Для стабильной и эффективной работы биофильтров требуется пред­ варительное образование на поверхности загрузочных материалов био­ пленки, рост которой успешно протекает при температуре 17-18 °С, по­ этому пуск биофильтров в эксплуатацию осуществляется в теплое время года. Период формирования биопленки и адаптации микроорганизмов к примесям сточных вод может длиться до 1 месяца. В качестве дополни­ тельного источника микрофлоры для сокращения периода адаптации мик-

роорганизмов можно использовать активный ил городских очистных со­ оружений. О «созревании» биопленки можно судить по снижению содер­ жания ионов аммония и увеличению нитрат-ионов в очищенной воде.

Биофильтры используют как в качестве основного метода очистки сточных вод от биоразлагаемых органических соединений, так и для до­ очистки сточных вод. Для предотвращения быстрого заиливания био­ фильтра сточные воды должны подвергаться предварительной очистке от взвешенных соединений механическими методами или коагуляцией.

Технологический расчет капельного биофильтра. В настоящее время в отечественной практике очистки сточных вод используются раз­ личные методы расчета капельных биофильтров. Наиболее часто приме­ няются методика, разработанная в Московском строительном университе­ те и АКХ им. Памфилова, и методика определения основных параметров биофильтра по его окислительной мощности.

I. Расчет капельных биофильтров по методике, разработанной в Московском строительном университете и АКХ им. Памфилова.

Капельные биофильтры рассчитывают в следующем порядке: 1. Определяют коэффициент очистки:

где L\,L2 - ВПК поступающих и очищенных сточных вод, г/м3

2.Определяют высоту фильтра Н и гидравлическую нагрузку по

3.Определяют общую площадь биофильтра (м2):

II. Расчет биофильтра по его окислительной мощности.

Объем загрузочного материала V определяют по уравнению

(6.2)

ОМ

Окислительная мощность фильтра зависит от температуры процесса очистки.

Полезную площадь биофильтра определяют по формуле

(6.3)

где Я - высота биофильтра, м.

Зная полезную площадь биофильтра, рассчитывают число необходи­ мых типовых фильтров.

Окислительная мощность биофильтров в зависимости от состава, концентрации сточных вод и гидравлической нагрузки может составлять ОТ 0,3 ДО 1,0 КГ с>2/(м3-сут).

6.2.Закономерности очистки сточных вод

вбиосорбционных фильтрах

Внастоящее время в практике очистки сточных вод наряду с био­ фильтрами применяют биосорбционные фильтры. В отличие от биофильт­ ров в качестве загрузочных материалов биосорбционных фильтров приме­ няют материалы с развитой пористой структурой, например углеродные сорбенты. Применение сорбентов в биофильтре, в котором обычно в каче­ стве загрузки используются инертные материалы с неразвитой поверхно­ стью (полимерные материалы, гравий и др.), позволяет значительно интен­ сифицировать процесс очистки.

Закономерности очистки сточных вод в биосорбционных аппаратах исследованы в НИИВОДГЕО (В.Н Швецов, С.В. Яковлев, И.В. Скирдов), Воронежском техническом университете, ПГТУ и др.

Вбиосорбционных процессах одновременно происходит сорбция ор­ ганических примесей на поверхности и в порах загрузки, формирование биопленки и биохимическое окисление сорбированных органических при­

месей. Преимуществом использования биосорбционных фильтров является простота их конструкции и условий эксплуатации. Применяя в качестве фильтрующих материалов отходы различных производств, обладающие сорбционными свойствами, можно значительно снизить себестоимость очистки ФВ.

На поверхности углеродсодержащих материалов при очистке сточ­ ных вод, содержащих биологически окисляемые примеси, образуется био­ пленка, представляющая собой биоценоз, на 80-90 % состоящий из бакте­ риальных клеток, адаптированных к имеющимся органическим примесям.

Углеродные материалы способны адсорбировать на своей поверхно­ сти кислород и катализировать окислительные процессы, поэтому при биосорбционной очистке подвергаются деструкции биорезистентные при­ меси, не разрушаемые при очистке в аэротенках и биофильтрах. При био­ сорбции происходит биохимическая модификация адсорбированных трудноокисляемых веществ в биоразлагаемую форму экзоферментами, иммо­ билизованными в микропористой структуре АУ, диффузия продуктов к поверхности частиц сорбента и их биологическое окисление микроорга­ низмами биопленки.

Протекающие процессы обеспечивают постоянное биохимическое самовосстановление сорбента, способствуют значительному увеличению фильтроцикла сорбционных материалов, исключают необходимость их термической регенерации и частой замены и повышают степень очистки сточных вод.

В качестве загрузочного материала биосорбционного фильтра можно использовать как промышленные гранулированные АУ, например АУ марки АГ-3, так и углеродсодержащие отходы производств.

Биосорбционный фильтр может работать как высоконагружаемый биофильтр с принудительной подачей воздуха, так и в режиме капельного биофильтра. Принципиальная технологическая схема очистки сточных вод на биосорбционном фильтре с принудительной подачей воздуха представ­ лена на рис. 6.2.

Исходная вода поступает в аэрационную камеру биосорбера первой ступени, в которой происходит насыщение потока воды воздухом, пода­ ваемым компрессором. В аэрационной камере вода движется сверху вниз в противотоке с воздухом, что обеспечивает высокую степень растворения кислорода. Нижняя часть аэрационной колонны соединена с водораспре­ делительной системой, которая обеспечивает равномерное распределение потока обрабатываемой воды по всей площади биосорбционного фильтра. Поднимаясь вверх, вода проходит через слой АУ и переводит его в псев­ доожиженное состояние (взвешенный слой). С поверхности фильтра вода собирается лотками. Очистка воды протекает во взвешенном слое биоло­ гически активного АУ После очистки в первой ступени вода поступает в

пературе по сравнению с другими биологическими методами (при +3 °С). Эффективность очистки природных вод при этих температурах снижается незначительно, менее чем на 5-8 %. Таким образом, биосорбция является эффективным методом очистки сточных вод и может конкурировать с тра­ диционными методами биологической очистки.

При невысокой гидравлической нагрузке 2-3 м3/(м2 сут), что харак­ терно для очистки фильтрационных вод, можно использовать биосорбционные фильтры, работающие в капельном режиме с естественной подачей воздуха.

Для очистки воды, имеющей многокомпонентный состав и содержа­ щей высоко- и низкомолекулярные органические соединения, а также ион­ ные примеси, целесообразно использовать многослойные биосорбционные фильтры, в которых каждый слой загрузки фильтра обладает определен­ ными функциональными свойствами.

Для очистки фильтрационных вод полигонов ТБО разработана кон­ струкция многослойного биосорбционного фильтра, в которой в качестве загрузочных материалов используются отходы производств: дробленый металлургический шлак с размером частиц 2-4 мм, отсев при получении активных углей марки БАУ (фракция 1-2 мм и ниже), сорбент-Н.

Выбор материалов для загрузки фильтра осуществляется с учетом их сорбционных свойств. Шлак значительно улучшает органолептические свойства воды, снижая ее цветность за счет поглощения гуминовых соеди­ нений. Сорбент-Н как мезопористый материал также адсорбирует окра­ шенные примеси, отсев АУ по своим сорбционным характеристикам подо­ бен БАУ и способен к сорбции ароматических и других низкомолекуляр­ ных биорезистентных примесей.

Для очистки воды от ионных примесей - гидратированных ионов тяжелых металлов, целесообразно использовать природные ионообменные материалы, например диатомиты, цеолиты, керамзит и т.п.

На поверхности этих материалов в течение 5-7 суток происходит формирование биопленки, биоценоз которой представлен аэробными ви­ дами микроорганизмов: бактериями и простейшими. Бактерии относятся к родам Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, присутствуют микрококки, единично - нитчатые формы бактерий, простейшие представлены коло­ вратками, жгутиковыми, червями родов: Aspidisca, Vorticella, Paramecium, Rotatoria, Nematoda. Кроме бактерий в биопленке присутствуют грибы ро­ да Fusarium. Наиболее развитая биопленка образуется на сорбенте-Н. Формирующийся биоценоз обеспечивает протекание биохимических про­ цессов деструкции и окисления примесей.

В качестве дополнительного источника микрофлоры для интенсифи­ кации процессов биохимической очистки в биосорбционном фильтре мож­

но рекомендовать использование активного ила сооружений очистки хо­ зяйственно-бытовых сточных вод, почвенный слой или кору длительного срока хранения (до 15 лет) - отхода в целлюлозно-бумажной промышлен­ ности.

Дренаж обеспечивается через гравийный слой фильтра. Материалы укладываются в фильтр в соответствии с их гидравлической крупностью. Высота слоев выбирается с учетом их сорбционной емкости. Например, при общей высоте биосорбционного фильтра 1,5 м высота слоев может быть следующей: кора - 10 см, шлак - 30 см, сорбент-Н - 50 см, отсев АУ - 40 см, диатомит - 20 см, дренажный слой - 5 см. Конструкция биофильт­ ра представлена на рис. 6.3.

1

Рис. 6.3. Конструкция биосорбционного фильтра: 1 - кора; 2 - шлак; 3 - сорбент-Н; 4 - диатомит; 5 - гравий

Исходная сточная вода, прошедшая предварительную очистку от взвешенных веществ, поступает на поверхность фильтра через водорас­ пределительные устройства спринклерного типа. Равномерность подачи воды обеспечивается расположением спринклеров. Продолжительность цикла орошения должна составлять 5-10 мин. С увеличением периода ме­ жду орошениями уменьшается продолжительность пребывания воды в те­ ле биосорбционного фильтра. Периодичность подачи воды обеспечивается дозирующим устройством или качающимся желобом. Проходя через слои загрузки, вода очищается. Очищенная вода накапливается в сборнике очищенной воды, откуда подается на стадии доочистки. В первоначальный период (до 12 дней) фильтр работает в сорбционном режиме, затем по ме­ ре формирования на поверхности материалов биопленки и ее адаптации к

примесям фильтрационных вод начинают протекать биосорбционные про­ цессы. Эффективность работы биосорбционного фильтра, эксплуатируе­ мого в капельном режиме, зависит от нагрузки на биосорбционный фильтр и окислительной мощности загрузочных материалов.

ОМ биосорбционного фильтра при очистке ФВ, работающего с гид­ равлической нагрузкой 2 м3/(м2,сут), по показателям ВПК и ХПК составля­ ет:

800 г 02/(м3,сут).

Вода с такими показателями может быть доочищена в биологических прудах или физико-химическими методами.

Для интенсификации работы биосорбционных фильтров на их по­ верхности целесообразно высаживать солеустойчивые культуры (овес, костер безостый), что позволяет активизировать жизнедеятельность мик­ роорганизмов и повысить эффективность очистки воды от минеральных примесей.

Биохимическая очистка эффективно протекает при температуре не ниже 5 °С, поэтому биосорбционный фильтр в суровых климатических ус­ ловиях России может эксплуатироваться только в теплое время года (ап­ рель - сентябрь). В первоначальный период работы (апрель), когда средняя температура окружающей среды +5...+8 °С, он может работать в режиме сорбционного фильтра. Повышение температуры благоприятствует разви­ тию на поверхности материалов биопленки, и фильтр начинает работать как биореактор. При этом будут разлагаться ранее сорбировавшиеся орга­ нические примеси. Использование заглубленных биосорбционных фильт­ ров позволит расширить температурный диапазон их эксплуатации.

Саморегенерация загрузочных материалов в процессе биохимическо­ го окисления сорбированных примесей позволяет использовать биосорб­ ционные фильтры в течение длительного времени до 5 лет. Исчерпание эксплуатационных свойств загрузочных материалов обусловлено их меха­ ническим разрушением. Отработанные загрузочные материалы могут быть захоронены на полигоне ТБО.

Перспективы применения биосорбционного метода для очистки фильтрационных вод. Биосорбционный метод очистки сточных вод прост в аппаратурном оформлении и эксплуатации, не требует больших эконо­ мических и трудовых затрат, позволяет очищать сточные воды от биорезистентных примесей, не удаляемых традиционными методами биологиче­ ской очистки (аэротенки, биофильтры). Использование углеродных сор­ бентов в качестве загрузки фильтра позволяет расширить температурный

интервал применения метода (биосорбция эффективна при достаточно низких температурах до +3 °С).

Биосорбционные фильтры в меньшей мере подвержены влиянию из­ менения концентрации примесей в сточных водах на качество очистки, что существенно отличает их от других биологических очистных сооружений. Это преимущество необходимо учитывать при выборе методов очистки ФВ, т.к. концентрация примесей в них подвержена сезонным колебаниям, пиковая нагрузка характерна для паводкового и осеннего периодов.

Биосорбционный метод с использованием в качестве загрузочных материалов - отходов производств, можно рекомендовать как основной метод очистки фильтрационных вод:

•полигонов ТБО, находящихся на стад™ рекультивации и по­ стэксплуатации;

•при реконструкции действующих полигонов малой мощности. Граничные условия применения метода:

•концентрация органических примесей по ХПК не должна превы­ шать 400 мг/л;

•для предотвращения заиливания загрузки концентрация взвешен­ ных веществ не должна превышать 20-30 мг/л;

•гидравлическая нагрузка на сорбционные материалы фильтра

должна составлять 2,0-3 м /(м *сут);

•при использовании биосорбционных фильтров в режиме естест­ венной подачи воздуха высота фильтра не должна превышать 2 м для под­ держания необходимого кислородного режима;

•биосорбционные фильтры целесообразно эксплуатировать в тем­ пературном интервале +5.. .+30 °С;

•использование заглубленных биосорбционных фильтров позволит расширить температурный диапазон их эксплуатации.

Вопросы и задания к главе 6

6.1.Перечислите особенности биохимической очистки сточных вод

вбиофильтрах.

6.2.Какова классификация биофильтров по конструктивным осо­ бенностям загрузочных материалов и режиму эксплуатации?

6.3.Что характеризует гидравлическая нагрузка биофильтра?

6.4.Что характеризует окислительная мощность биофильтра?

6.5.Каковы особенности конструкции капельного биофильтра?

6.6.Используя методику расчета капельного биофильтра, разрабо­ танную в Московском строительном университете и АКХ им. Памфилова, рассчитайте необходимую площадь биофильтра по следующим исходным