Табл. 1. Сравнение методов очистки сточных вод с помощью биофильтров и активного ила
Табл. 2. Характеристики высоконагружаемых и низконагружаемых биологических фильтров
Введение
Биологический фильтр (биофильтр) является альтернативой существующим фильтрующим установкам и предназначен для биологической очистки сточных вод с использованием сообществ микроорганизмов. Биофильтр состоит из следующих основных частей: а) фильтрующей загрузки (тело фильтра) из шлака, гравия, керамзита, щебня, пластмасс, асбестоцемента, на поверхности которой развивается биопленка; б) водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра; в) дренажного устройства для удаления отфильтрованной воды; г) воздухораспределительного устройства, с помощью которого поступает необходимый для процесса окисления органических веществ воздух.
Принцип действия биофильтра основан на постепенном прохождения очищаемых водных масс: либо через толщу фильтрующего материала, покрытого активной биологической пленкой, толщиной 1–2 мм, образованной колониями окисляющих и минерализующих органические вещества аэробных микроорганизмов на поверхности загрузки биофильтра; либо через пространство, занятое искусственно созданным сообществом микроорганизмов различных таксономических групп — простейших микроорганизмов (нитчатые бактерии, инфузорий), типичным представителем которых является симбиотическая группа бактерий и микроорганизмов рода Zoogloea (активный ил) [1].
Первые процессы осуществляются в биофильтрах, вторые в аэротенках. Активный ил формируется под влиянием химического состава обрабатываемой сточной воды, растворенного кислорода, температуры, значения рН и окислительно-восстановительного потенциала. Количество бактерий в активном иле составляет 108–1012 клеток на 1 г сухого ила. Способность активного ила к оседанию характеризуется значением илового индекса, представляющему собой соотношение объема (мл) осаждаемой части активного ила к массе сухого осадка (грамм) после отстаивания в течение 30 мин.
Из-за развитой поверхности хлопьев активного ила (70–100 м2 на 1 г сухого вещества) на нем сорбируются коллоидные и взвешенные вещества, в результате активному илу присуща высокая абсорбционная способность. Биохимическая активность активного ила — способность его к изъятию и окислению органических примесей, определяется по скорости потребления кислорода и по содержанию в нем соответствующих ферментов [2].
Значение удельной ХПК активного ила с данным соотношением основных органогенов составляет 1,42 мг/мг. Качество очищаемой воды для практических целей оценивают по показателю БПКполн (за 20 дней), в расчетах полное окисление производится до БПКполн = 15 (мг⋅О2)/л. Скорость биохимического окисления зависит от концентрации органических загрязнений и их способности ассимилироваться и утилизироваться микроорганизмами.
Она возрастает с увеличением концентраций субстратов и активного или. Доза активного ила рассчитывается по иловому индексу. Необходимым условием при биологической очистке сточных вод является то, чтобы в воде в составе органических веществ содержались не только основные макро(углерод, азот, фосфор, кислород, водород) и микроэлементы (калий, натрий, железо, цинк, магний), из которых формируется вещество клетки, но и их количественное соотношение в активном иле соответствовало их содержанию в веществе клетки.
Соотношение элементов определяется формулой клеточного вещества C5P7NO2, которая используется для расчетов кинетики биохимических процессов очистки воды. Их количество в активном иле зависит от его видового состава и возраста. Примерно 75–80 % беззольного вещества активного ила приходится на долю белков, жиров и углеводов, остальные 20–25 % составляет негидролизуемый остаток.
Зольность активного ила колеблется в пределах от 10 до 40 %, для активного ила городских водоочистных станций она обычно составляет 25–30 %. В зольной части активного ила детектируются все элементы, характерные для клеток организмов (Р, S, N, К, Si, Na, Ca, Mg, Fe) при увеличении содержания нерастворимого фосфата кальция, увеличивающего плотность хлопьев. Согласно рекомендациям СНиП 2.04.04–84, на каждые 100 мг/л БПК20 должно приходиться 5 мг/л азота и 1 мг/л фосфора.
В сточных водах, содержащих органические вещества животного и растительного происхождения, эти соотношения, как правило, находятся в необходимых пределах или преобладают азот и фосфор (соотношение БПК20/N/Р для хозяйственно-бытовых сточных вод — 100/20/2,5) [3]. Солесодержание сточных вод, поступающих на водоочистные сооружения, не должно превышать 5–6 г/л. Оптимальная температура для биохимического окисления составляет 20–30 °C.
Отметим, что значительный интерес к применению биофильтров обусловливает поиск новых и модификацию существующих конструкций биологических фильтров, а также разработку наиболее точных методов их проектировочного расчета. Целью данной работы являлось рассмотрение конструктивных особенностей биофильтров, процессов биохимического окисления и расчет их основных технических параметров.
Основные принципы биологической очистки воды
Механизм фильтрации примесей биофильтром основан на последовательных процессах связывания (адсорбции) микроорганизмов биопленки с субстратом (органические загрязнители), формированием хлопьевидных флокул, диффузией субстрата и кислорода через клеточную мембрану, биологическим окислением субстрата, сопровождающимся приростом биомассы, выделением диоксида углерода и продуктов реакции.
В отличие от процессов с участием активного ила, требующих принудительной аэрации, через биофильтр воздух может циркулировать за счет естественной конвекции. Движущей силой конвекции является разность температур, создающаяся в фильтре за счет биологического окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах; отверстия для поступления воздуха и связанные с ними вентиляционные трубопроводы, расположенные внутри биофильтра, обеспечивают поступление воздуха в нижние и промежуточные слои загрузки.
Процессы биологического окисления в биофильтре являются аэробными, то есть происходят с участием кислорода [4]. Загрязненная вода, подаваемая непрерывно через расположенные над неподвижным слоем насадки сопла или периодически с помощью вращающегося разбрызгивателя контактирует с верхней частью неподвижного слоя загрузки толщиной от 1 до 3 м, оставляя на нем нерастворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, которые сорбируются и утилизируются биопленкой, покрывающей поверхность загрузочного материала.
Микроорганизмы, образующие биопленку, окисляют органические вещества, используя их как источник субстрата и энергии. В результате из сточной воды удаляются органические вещества и увеличивается биомасса активной биопленки в объеме биофильтра. Омертвевшая и отработанная биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра. Необходимый для окисления кислород поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции биофильтра.
При этом наблюдаются как локальные (внутри пленки микроорганизмов), так и общие (по толщине слоя насадки) градиенты концентраций субстратов и плотности микробной популяций [5]. По мере движения воды через неподвижный слой загрузочного материала насадки с биопленкой микроорганизмов ее состав изменяется во времени, что обусловлено поглощением разных субстратов различными микроорганизмами.
По мере изменения состава водной среды в биопленке поочередно развиваются определенные виды микроорганизмов, что приводит к изменению ее состава и замене одной доминирующей микробной популяции другой. Микроорганизмы биопленки потребляют из воздуха кислород, выделяя в воздух продукты реакции — углекислый газ, сероводород, метан и аммиак.
Поэтому в порах биофильтра парциальное давление кислорода уменьшается, а давление углекислого газа возрастает. Условия равновесия внутри биофильтра и вне его создают диффузионные потоки кислорода внутрь биофильтра, а углекислого газа — наружу. Наличие загрузки, покрытой биологической пленкой, препятствует диффузии. Возникновение и развитие анаэробных областей в толще биопленки микроорганизмов приводят к формированию пузырьков кислорода, которые вызывают частичное отделение пленки от носителя.
Образовавшиеся и унесенные из биофильтра потоком воды микроорганизмы (гумус) отделяют в отстойнике, установленном после биофильтра. В результате этого процесса регулируется толщина пленки микроорганизмов, среднее значение которой зависит от множества факторов. В правильно эксплуатируемом биофильтре толщина пленки микроорганизмов обычно составляет около 0,5–1 мм.
Скорость изъятия органических загрязнений [1], адсорбированных биопленкой, пропорциональна их концентрации в воде Lτ в момент времени τ (где k — константа скорости удаления органических загрязнений):
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 органических веществ. Разница температур между сточными водами и воздухом гарантирует непрерывную вентиляцию атмосферного воздуха через загрузку биофильтра, обеспечивая постоянную концентрацию кислорода для жизнедеятельности микроорганизмов. Регулирование численности популяций микроорганизмов является важнейшим фактором при управлении работой биофильтра.
В первый период развития заиления возможна промывка биофильтра интенсивной рециркуляцией, при необходимости с выключением его из работы. Также допускается промывка биофильтра хлорной водой (HClO + HCl) (концентрация активного хлора 100–150 мг/л, остаточный активный хлор 10–15 мг/л) или 1 %-м раствором хлорной извести (Ca(Cl)OCl). Запущенное заиление биофильтра ликвидируют штыкованием загрузки, разрыхлением гидродинамическими и механическими средствами.
После операций по промывке загрузки, особенно в случае применения хлорной воды, необходимо повторное наращивание биопленки. Для предотвращения вымывания биопленки устанавливают вторичные отстойники. Основой другого метода очистки являются так называемые «биологические пруды» — этот метод очистки намного проще, чем водоочистка с помощью активного ила или биофильтров.
В биологических окислительных прудах, напоминающих естественные водные экосистемы, в процессе фотосинтеза водоросли выделяют кислород; так поддерживается аэробный режим, необходимый для аэробных бактерий, утилизирующих загрязняющие органические вещества. Для предотвращения образования анаэробных зон окислительные пруды обычно проектируют неглубокими — от 0,6 до 1,2 м глубиной.
В стабилизирующих прудах для обработки сточных вод, содержащих осаждающиеся примеси, поддерживается анаэробный режим или чередование во времени аэробного и анаэробного режимов. Дополнительные сведения о таких процессах водоочистки приведены в работе [7]. Сравнительные характеристики методов очистки сточных вод с помощью биофильтров и активного ила приведены в табл. 1.
Классификация биофильтров
Принципы классификации биофильтров различаются по степени очистки, способу подачи воздуха, режиму работы (наличие или отсутствие рециркуляции), технологической схеме (одно-, двухили трехступенчатые) и другим параметрам [8]:
- По степени очистки биофильтры классифицируются на высокопроизводительные и малопроизводительные биофильтры. Высокопроизводительные биофильтры могут работать на полную или неполную биологическую очистку в зависимости от необходимой степени очистки. Малопроизводительные биофильтры работают только на полную биологическую очистку.
- По способу подачи воздуха — на биофильтры с естественной и искусственной подачей воздуха, обозначаемых аэрофильтрами. Наибольшее применение в настоящее время имеют биофильтры с искусственной подачей воздуха.
- По режиму работы — на биофильтры, работающие с рециркуляцией воды и без нее. В биофильтрах без рециркуляции концентрация загрязнений в поступающих на биофильтр сточных водах не высока и они подаются на биофильтр в объеме, достаточном для самопроизвольной промывки. В биофильтрах с рециркуляцией при очистке концентрированных сточных вод рециркуляция необходима. Она позволяет понизить концентрацию сточных вод до необходимой величины, так же как и предварительная их обработка в аэротенках — на неполную очистку.
- По технологической схеме — на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые. Одноступенчатые биофильтры применяются в обычных условиях, а двухступенчатые биофильтры при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки. Иногда предусматривается переключение фильтров, то есть периодическая эксплуатация каждого из них в качестве фильтра первой и второй ступени.
- По пропускной способности — на биофильтры малой пропускной способности (низконагружаемые/капельные) и большой пропускной способности (высоконагружаемые).
- По конструктивным особенностям загрузки — на биофильтры с объемной и с плоскостной загрузкой. Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на три группы: а) низконагружаемые — капельные с размером загрузочного материала 20–30 мм и высотой слоя загрузки 1–2 м; б) высоконагружаемые с размером загрузочного материала 40–60 мм и высотой слоя загрузки 2–4 м; в) башенные (большой высоты), имеющие крупность фракций загрузочного материала 60–80 мм и высоту слоя загрузки 8–16 м.
Биофильтры с плоскостной загрузкой можно разделить на группы по типу загрузки: а) жесткая засыпная в виде колец, обрезков труб и других элементов могут быть использованы керамические, пластмассовые, асбестовые и металлические засыпные элементы плотностью 100–600 кг/м3 и пористостью 70–90 % при высоте слоя 1–6 м. Плотность пластмассовой загрузки ρзагр = 40–100 кг/м3, пористость — 90–97 %, высота слоя загрузки — 2–16 м.
Плотность асбестоцементной загрузки — 200–250 кг/м3, пористость — 80–90 %, высота слоя загрузки — 2–6 м; б) жесткая блочная в виде решеток или же блоков, собранных из чередующихся плоских и гофрированных листов — могут быть использованы различные виды пластмасс (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полистирол, пеностекло и др.) плотностью 40–100 кг/м3 и пористостью 90–97 % при высоте слоя 2–16 м, а также асбестоцементные листы плотностью 200–250 кг/ м3 и пористостью 80–90 % при высоте слоя 2–6 м; в) мягкая из металлических сеток, пеностекла, пластмассовых пленок или синтетических тканей (нейлон, капрон), которые располагают на специальных каркасах или укладывают в виде рулонов — такая загрузка имеет плотность 5–60 кг/м3 и пористость 94–99 % при высоте слоя до 3–8 м. Биофильтры с жесткой засыпной и мягкой загрузкой рекомендуется применять при расходах сточных вод до 10 тыс. м3/сут., а с жесткой блочной загрузкой — до 50 тыс. м3/сут.
Капельные биофильтры. В капельном биофильтре сточная вода самотеком (или под напором) подается на поверхность биофильтра при помощи специальных распределительных устройств различного типа в виде капель или струй. Вода, отфильтрованная через загрузку биофильтра, попадает в дренажную систему и далее по сплошному непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра.
Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых выносимая пленка отделяется от очищенной воды. Естественная вентиляция воздуха осуществляется через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Такие биофильтры имеют низкую нагрузку по воде; обычно она варьирует от 0,5 до 1 м3 воды на 1 м3 фильтра. Капельные биофильтры рекомендуется применять при расходе сточных вод не более 1000 м3/сут.
Они предназначаются для частичной (БПК20 = 25–30 мг/л) и полной (БПК20 = 15–20 мг/л) биологической очистки сточной воды [9]. При нагрузке по загрязнениям больше допустимой поверхность капельных биофильтров быстро заиливается, и работа их резко ухудшается. Скорость потока сточных вод на биофильтр не должна быть слишком высокой, чтобы слой насадки не оказался под водой.
Для обеспечения необходимой скорости поступления кислорода, поступающие в систему сточные воды должны обтекать покрытую микроорганизмами насадку достаточно тонким слоем, не препятствующему дыханию аэробных микроорганизмов, находящихся на поверхности биопленки. Фильтрующий слой в капельных биофильтрах может быть выполнен из щебня или гравия (размер 25–60 мм) или отдельных конструкций, состоящих из пространственных пластмассовых элементов.
Подобные фильтры не требуют принудительной аэрации; поступление воздуха происходит через отверстия поддерживающей загрузку решетки, расположенной на дне фильтра. Данные биофильтры могут быть использованы как для очистки воды от органических загрязнений, так и для реализации процесса нитрификации — процесса окисления кислородом воздуха аммонийного азота до нитритов и нитратов за счет нитрифицирующих микроорганизмов; в последнем случае часто требуется установка биофильтра первой и второй ступеней.
Рекомендуется также использовать такие биофильтры для предварительной очистки высококонцентрированных сточных вод. В этом случае при использовании пластмассовых загрузок можно эксплуатировать биофильтр с нагрузкой 2 кг БПК/(м3⋅сут.). Капельные биофильтры обеспечивают снижение БПК сточных вод до 80 %, содержание БПК в очищенных сточных водах — менее 30 (мг⋅О2)/дм3 (в СНиП 2.04.03–85, пункт 6.129, указывается, что остаточная концентрация загрязнений сточных вод по БПКполн может быть принята 15 (мг⋅О2)/дм3), а аммонийного азота — менее 2 мг/дм3.
Недостатки капельного биофильтра, которые могут проявляться в период эксплуатации: возможность заиления загрузки; чувствительность к колебаниям температуры; невозможность достижения низких значений БПК в очищенной сточной воде даже в случае низкой нагрузки по органическим загрязнениям; сравнительно высокие капитальные затраты.
Высоконагружаемые биофильтры. Высоконагружаемые биофильтры отличаются от капельных большей окислительной мощностью, равной 0,75– 2,25 кг БПК/(м3⋅сут.), обусловленной лучшим обменом воздуха и незаиляемостью загрузки, что достигается применением загрузочного материала крупностью 40–70 мм, увеличением рабочей высоты загрузки до 2–4 м и гидравлической нагрузки до 10–30 м3/(м3⋅сут.).
Высоконагружаемые фильтры применяются при расходах сточных вод 30– 60 тыс. м3/сут.; при обосновании применение высоконагружаемых биофильтров допускается на водоочистных сооружениях большей пропускной способности. Эти биофильтры находят применяются в качестве биологических окислителей в комплексе сооружений, предназначенных для очистки бытовых и производственных сточных вод.
Высоконагружаемые фильтры могут быть с естественной и искусственной аэрацией, последние обозначаются аэрофильтрами, в которых активный ил находится во взвешенном состоянии. Их конструктивными отличиями являются большая высота слоя загрузки, большая крупность ее зерен и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом.
Междудонное пространство, в которое подается вентиляторами воздух, должно быть закрытым. На отводных трубопроводах предусмотрены гидравлические затворы глубиной 200 мм. Особенностями эксплуатационного характера являются необходимость орошения всей поверхности биофильтра с возможно малыми перерывами в подаче воды и поддержание повышенной нагрузки по воде на 1 м2 площади фильтра. Материалом загрузки высоконагружаемых биофильтров является антрацит, сланец, пемза, гравий, щебень со средним диаметром частиц 40–60 мм.
Направление потока обрабатываемой сточной воды может быть как нисходящим, так и восходящим. При БПК сточных вод более 300 (мг⋅О2)/дм3 применяют рециркуляцию воды. Если аэрофильтр рассчитывается с учетом нитрификации, то определяемыми параметрами являются нагрузка по аммонийному азоту, выраженная в килограммах NН4–N/м3 загрузки в сутки (0,3–2,0 кг NН4–N/м3 загрузки в сутки и гидравлическая нагрузка — 3–15 м3/ м2 в час.
При правильном проектировании аэрофильтра удаление загрязнений из сточных вод по БПК5 может достигать 90 % и более (БПК5 очищенной воды менее 20 (мг⋅О2)/дм3; концентрация взвешенных веществ — 25 мг/дм3 и менее). При осуществлении процесса нитрификации, содержание аммонийного азота в очищенной воде составляет менее 2 мг/дм3; взвешенных веществ — менее 15 мг/дм3. Затраты энергии для функционирования аэрируемых биофильтров сопоставимы с затратами для систем с активным илом.
Аэрофильтры имеют незначительную чувствительность к колебаниям температуры, стабильное качество очищенной воды. Практика эксплуатации высоконагружаемых биофильтров четко показывает, что на них можно подавать сточные воды с БПК20 не выше 300 мг/л. На многих промышленных предприятиях, использующих для биологической очистки сточных вод высоконагружаемые биофильтры, это положение не учитывается и на биофильтры подается вода с более высокой БПК20 и значительным содержанием взвешенных веществ (свыше 100– 150 мг/л), что способствует заиливанию биофильтров.
Кроме того, заиливанию биофильтров способствует присутствие в сточных водах жиров, масел, мазута, нефтепродуктов, остатков растительной и животной пищи (сточные воды мясокомбинатов, масломолочных заводов, птицефабрик и др.). Избыточную биомассу необходимо подвергать промывке 1 %-м раствором (HClO + HCl) или 1 %-м Са(Сl)OCl для предотвращения гниения.
Высоконагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для частичной, так и для полной их очистки. Согласно данным исследований [10], в одинаковых условиях (одинаковая высота и крупность загрузки, характер загрязнений, степень очистки сточных вод и т.д.) высоконагружаемые биофильтры по сравнению с капельными имеют большую пропускную способность по объему пропускаемой через них воды, а не по количеству переработанных органических загрязнений.
Башенные биофильтры. Эти биофильтры имеют высоту 8–16 м и применяются для станций водоподготовки пропускной способностью до 50 тыс. м3/ сут. при благоприятном рельефе местности и при БПК20 очищенной воды 20– 25 мг/л. В отечественной практике широкого распространения не получили.
Погружные биофильтры. Биофильтры этого типа были впервые сконструированы в России в 1917 году [11]. В бассейне с очищаемой водой периодически погружался и поднимался для воздействия кислорода воздуха железный каркас с расположенными на нем металлическими решетками, на которые помещались пластины из пробки, ваты или кусков ткани. Этот принцип работы биофильтров нашел техническое применение лишь в 1970-х годах.
Такие конструкции биофильтров получили название погружных и применяются при малых расходах сточных вод (до 500 м3/сут.). В конструкциях погружных биофильтров вдоль резервуара, несколько выше уровня поступающей обрабатываемой сточной воды, установлен вращающийся вал барабана, на котором установлены либо засыпные пластмассовые элементы, либо фигурные блочные секции, либо гофрированный или пленочный материал, на поверхности которого развивается биопленка.
Типовые параметры погружного биофильтра: барабан, длиной 2–3 м и диаметром 2–2,5 м, расстояние между засыпными элементами — 10–20 мм, частота вращения барабана — 1–20 мин–1. Для обеспечения механической прочности внутри вала установлены ребра жесткости и поперечные перегородки, которые делят барабан на 6–8 секторов. Характеристики, производительность и эффективность высоконагружаемых и низконагружаемых биологических фильтров приведены в табл. 2.
