Проектирование и расчет водоочистительных станций с биореакторами и контактно-осветлительными фильтрами

В настоящее время эта проблема решается за счет использования на водоочистительных станциях волокнистопенополистирольных фильтров, которые являются дешевыми в строительстве, более простыми в эксплуатации в сравнении с типичными технологиями, а также обеспечивают необходимые характеристики питьевой воды. Такая технологическая схема с успехом применяется также для очистки подземных вод и доочистки стоковых хозяйственно-бытовых вод и стоковых вод промышленных предприятий, а также предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции. В таких водоочистительных станциях применяют два основных сооружения (рис. 1): 1. Фильтр с волокнистой загрузкой, который исполняет роль биореактора (БР); 2. Контактный осветлительный фильтр (КОФ) предназначенный для глубокого осветления и обесцвечения воды. Водоочистительная станция работает так. Исходная вода по трубе 1 поступает через аэратор 2 на биофильтр 3. В нем происходит насыщение воды кислородом, удаление углекислого газа и других газов из воды для предотвращения пузырьковой кальматации фильтровальной загрузки КОФ. На волокнистой загрузке БР образуется биопленка, которая принимает участие в биохимическом окислении органических примесей, которые находятся в исходной воде. Раствор реагентов для коагуляции воды может подаваться в следующих местах: 1. перед БР (точка 20 рис. 1) при обработке мутных малоцветных вод. В этом случае БР исполняет роль камеры образования крупных хлопьев для осветления воды в КОФ; 2. перед КОФ (точка 21 рис. 1) при обработке маломутных высокоцветных вод, которые имеют много органических примесей. В этом случае в БР происходит процесс биохимического окисления органических веществ и их сорбции на биопленке волокнистой загрузки. Для интенсификации работы водоочистительной станции на ней осуществляются такие технологические процессы: аэрация воды; биохимическое окисление органических веществ и их минерализация; контактная коагуляция примесей; использование сил гравитации при восходящем движении воды; осветление воды в слое зависшего осадка в подфильтровом пространстве КОФ. Для равномерного распределения воды по площади фильтра применяют верхнюю и нижнюю дренажно-распределительные системы. Длительность фильтроцикла определяется при достижении предельных потерь напора на станции h_ф = Z_max – Z_min = 1 м. Промывку фильтра осуществляют обратным движением воды. Промывную воду отводят по сбросной трубе в канализацию. Для загрузки биореакторов следует применять волокнистые материалы из полистирола, капрона или лавсана, допущенные для применения в системах питьевого водоснабжения. Эти материалы используются в качестве насадки для закрепления естественных биоценозов: железобактерий — при очистке подземных вод, гидробионтов — при очистке поверхностных естественных вод и доочистки сточных вод с целью интенсификации очистки воды от органических, неорганических и микробиологических примесей. Характеристики волокнистой загрузки следует принимать по табл. 1. Для обеспечения выхода газов из жидкости в биореакторе время пребывания воды в нем должно быть не меньше 1 мин, а максимальная скорость движения воды в конце фильтроцикла между нитями загрузки не должна превышать 0,05 м/с. Нити волокнистой фильтровальной загрузки диаметром d_в, с расстоянием между их осями ∆, должны быть натянуты между верхней и нижней колосниковыми решетками, через которые проходит вода. Необходимая длина нитей волокнистой фильтровальной загрузки определяется по формуле (1) где V_ф — скорость фильтрования воды в биореакторе, м/год; С_о и С_ф — содержание примесей в исходной и фильтруемой воде, мг/дм³; К_о — параметр биосорбции, ч^–1, определяемый по формуле (2) где К_с — коэффициент массопереноса в биореакторе, м/ч, принимается по табл. 1; r_в — радиус нитей волокнистой загрузки, м; δ_п — средняя толщина биопленки вокруг нитей за период фильтроцикла; С_о/С_ф — расчетная глубина очистки воды в биореакторе. Схема движения исходной воды между нитями волокнистой загрузки БР показана на рис. 2. Общая площадь поперечного сечения биореактора (брутто) определяется по формуле (3) где Q_р.max — расчетный расход воды через биореактор, м³/ч. Эта площадь должна быть проверена на возможность выхода газов из биореактора в конце фильтроцикла: F_б ≥ F_o + K₁K₂F_б, м² (4) где F_o — минимальная свободная площадь поперечного сечения биореактора в конце фильтроцикла, через которую проходит исходная вода: (5) где K₁ — коэффициент, который учитывает степень заполнения поперечного сечения корпуса биореактора нитями загрузки (6) N — количество нитей загрузки в поперечном сечении биореактора; d_в и d_б — диаметры, соответственно, нитей загрузки и биореактора, мм; K₂ — коэффициент, который учитывает степень обрастания нитей волокнистой загрузки биопленкой и примесями из исходной воды: (7) Количество биореакторов должно быть не меньше двух. По площади одного биореактора определяют его размеры в плане. Общая высота биореактора должна быть не меньше 4 м. При равномерном расположениинитей волокнистой фильтровальной загрузки в поперечном сечении их количество определяется по формулам для биореакторов: ❏ квадратной формы в плане: (8) ❏ цилиндрического типа: (9) где а и d_б — соответственно, длина стороны квадрата и диаметр биореактора, мм. Пористость волокнистой фильтровальной загрузки биореакторов цилиндрического типа определяется: ❏ в начале фильтроцикла (10) ❏ в конце фильтроцикла: (11) где d_б — средняя толщина прикрепленной к волокнам биомассы, мм. Для биореакторов с поперечным сечением квадратной формы пористость волокнистой фильтровальной загрузки определяется по формулам (10) или (11), в которых вместо d_б подставляется величина а. Для очистки исходной воды от органических примесей (окисляемость, БСК) с эффективностью не меньше 50 % на биореакторе с волокнистой фильтровальной загрузкой длиной Н_в = 1 м скорость фильтрования воды V_ф должна быть не большей 5 м/ч, а параметр биосорбции К_о — не меньше 7 ч–1. Оптимальные конструктивные (d_б, H_в, d_в и ∆) и технологические параметры (V_ф и K_c) биореактора определяются технико-экономическими расчетами, выходя из требований достижения нужной глубины очистки воды С_о/С_ф при наименьших расходах на строительство и эксплуатацию водоочистительных сооружений. Исходную воду, которая поступает в биореактор, нужно насыщать кислородом воздуха, путем ее разбрызгивания на мелкие капельки и их падения с высоты не меньше 0,5 м над наивысшим уровнем воды в биореакторе. Режим работы биореактора должен быть отработан таким образом, чтобы обеспечить на первом этапе накопление и закрепление микроорганизмов, окисление и удаление из воды загрязнений, а на втором этапе — удаление из поверхности волокон минеральных частиц под действием гидродинамических сил фильтрационного потока. Биореакторы должны быть сконструированы таким образом, чтобы скорость движения воды в них не превышала критическую, при которой смываются с волокон прикрепленные микроорганизмы, а с другой стороны, была целиком достаточной, чтобы выносить из биореактора остатки биомассы, которая наросла и не прикрепилась к волокнам. Для загрузки контактно-осветительных фильтров (КОФ) следует использовать гранулы из вспененного полистирола тех марок, на которые существует разрешение для применения в системах питьевого водоснабжения после 10-часового отмывания фильтровальной загрузки в проточной воде. На рис. 3 приведена схема оборудования напорного КОФ. Расчетные параметры пенополистирольной загрузки КОФ следует принимать по табл. 2. Выбор контактно-осветлительных фильтров напорного или безнапорного типа следует осуществлять в зависимости от площади фильтра в плане на основе технико-экономических расчетов. Для предотвращения всплытия пенополистирольной фильтровальной загрузки от и выноса его за пределы фильтра при фильтровании воды следует предусматривать: ❏ для безнапорных фильтров — колосниковые решетки, пригруженные сверху гравиево-щебневым дренажом; ❏ для напорных фильтров — металлическую крышку, герметично соединенную с корпусом фильтра. Колосниковую решетку безнапорных контактно осветительных фильтров с пенополистирольной загрузкой следует рассчитывать на выдерживание веса гравиево-щебневого дренажа при отсутствии воды в фильтрах и проверять ее на подъемную силу всплывающей загрузки при восходящем фильтровании воды. Для исключения выноса гранул плавающей загрузки из фильтра, высоту подфильтрового пространства следует принимать не меньше 0,7 м и не допускается выпускать воду из фильтра во время его промывки при закрытой задвижке на трубопроводе подачи промывной воды. Окончание рабочего периода фильтрования воды на контактных осветительных фильтрах следует определять по достижению предельных расходов напора: ❏ для безнапорных фильтров 1 м; ❏ для напорных фильтров 2 м. Расчетную дозу коагулянта Д_к, мг/дм³, в начале фильтроцикла следует принимать при обработке цветных поверхностных вод: (12) где К — цветность обрабатываемой воды (К ≥ 23°ПКШ). Промывку фильтра допускается осуществлять исходной или фильтруемой водой. В первом случае количество рабочих фильтров должно быть не меньше (13) а после промывки фильтра первый фильтрат нужно сбрасывать в канализацию в течение (14) где q_пр — интенсивность промывки фильтра, дм³/(с˙м²); l_ф — толщина фильтровальной загрузки, м; V_ф — скорость фильтрования воды, м/ч. Интенсивность и длительность промывки контактных осветлительных фильтров следует определять при пусконаладочных работах сооружений, исходя из требований, чтобы была обеспечена расчетная «зарядка» пенополистирольного фильтра (минимальная грязеемкость фильтра Gmin, кг/м2), при которой достигается нужное качество очищенной воды по ее цветности в начале фильтроцикла. Для фильтров с пенополистирольной загрузкой и восходящим движением воды G_min = 4–5 кг/м². При эксплуатации контактных-осветлительных фильтров с целью увеличения длительности фильтроцикла Т_ф при нормативных качествах фильтруемой воды по ее цветности и значительной экономии расходов коагулянту следует применять переменную коагуляцию воды, когда в начале фильтрования длительностью 0,3Т_ф подается усиленная доза коагулянта, что определяется по формуле (12), а в течение 0,7Т_ф подается коагулянт в 10 раз меньшей дозой.

1. Гвоздяк П.И. Микробиология и биотехнология очистки воды: Quo Vadis? // Химия и технология воды, 1989, т. 11, №9. 2. Журба М.Г. Пенополистирольные фильтры. — М.: Стройиздат, 1992. 3. Хоружий П.Д., Хомутецька Т.П., Хоружий В.П. Нові технології і установки для підготовки питної води в локальних водопроводах // Водне господарство України, №3–4/2003. 4. Хоружий В.П., Хамад Іхаб Ахмад. Доочищення стічних вод на установці з волокнистим і пінополістирольним фільтрувальними завантаженнями // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. Вип. 3. — К.: КНУБА, 2004. 5. Хоружий П.Д., Котельчук А.Л. Визначення пористості завантаження біореакторів для глибокого доочищення стічних вод // Водне господарство України, №6/2006.