Что из себя представляет биофильтр? Это приспособление имеет ёмкость определённой формы, которая при использовании биоматериалов очищает сточные воды.
Что из себя представляет биофильтр? Это приспособление имеет ёмкость определённой формы, которая при использовании биоматериалов очищает сточные воды. Данные биоматериалы состоят из различных микроорганизмов. С помощью перепадов температуры атмосферы и очищаемой жидкости, в процессе очистительных работ осуществляется бесперебойная циркуляция воздуха. Это нужно для того, чтобы микроорганизмы в ёмкости получили кислород, который необходим им для жизни.
В биофильтрах существуют различные материалы, которые в них загружают. Можно выделить такие, как:
По технологическим схемам разделяют:
По качеству очистки разделяют следующие виды:
По типу передачи воздуха фильтры подразделяются на:
Так же можно выделить 2 режима функционирования биофильтров:
В зависимости от количества очищенной воды за промежуток времени выделяют:
Биологические фильтры применяющие объёмную нагрузку подразделяются на:
Все вышеперечисленные разновидности биофильтров могут быть реализованы, смонтированы и запущены нашей компанией сайт.
Усиленная загрузка производится элементами труб, кольцами и похожими компонентами. В резервуар закладывают металлическую или пластмассовую крошку. Слой очистки может составлять до 6 метров.
Смягчённая нагрузка производится металлической сеткой, синтетикой или пластмассовой плёнкой. Нагрузку закладывают рулонным методом или прикрепляют на корпус. Высота нагрузки составит 8 метров, а пористость не менее 95 процентов.
Биологические фильтры для погружения - ёмкости с вогнутым дном. Металлические, пластмассовые или асбестовые диски прикрепляются выше уровня очищаемой жидкости. Эти диски прикрепляются на расстояние 1-2 сантиметра друг от друга.
Подача воды может быть двух типов: струйным и капельным. Воздушные массы собираются с поверхности. Очищенные до этого сточные воды с низким загрязнением сами протекают в распределительное отделение, которое частями выдаёт её поверх массы загрузки. После этого, водная масса течёт в систему дренажа, затем на лотки за границами биофильтра. С другого отстойника убирается биоплёнка.
Биологические фильтры капельного типа подразумевают работу с небольшой, органической загрузкой. Для того, чтобы фильтр своевременно очищался от мертвой плёнки, производится гидравлическая загрузка.
Биофильтры капельного типа не могут быть отрегулированы под переменчивость внешних факторов. При использовании смотрят на степень загрязнённости и состояние фильтров. Намного выгоднее производить полную смену загрузки, так как её очистка стоит очень дорого. В фильтр должны заливаться сточные воды с концентрацией взвешенных частиц не более 100 миллиграмм на литр.
Очень значимым фактором при использовании является аэризация биофильтра. Количество кислорода не должно быть ниже, чем 2 миллиграмма на литр. Время от времени важно производить очистку углубления под дренажем и над дном.
Биофильтр капельного типа очень тяжело реагирует на зимние холодные ветра. Для качественной эксплуатации фильтра устанавливают защиту от ветра. Разная нагрузка ведёт за собой заболачивание биофильтра, которую можно убрать сменой загрузки. Эксплуатации фильтра так же могут вредить посторонние вещества в загрузке и дозирующих ёмкостях.
Данному виду биофильтров характерен увеличенный воздухообмен и, следственно, окислительная мощность. Производится увеличенный воздухообмен большой фракцией загрузки и увеличенной нагрузки воды.
Очищаемые водные массы передвигаются на высокой скорости и сносят трудно-окисляемые вещества и биоплёнку. На остальное загрязнение тратится кислород.
Фильтрам с высокой нагрузкой характерен высокий слой загрузки, увеличенная зернистость дренажа и дно специального типа для того, чтобы была произведена искусственная циркуляция воздушных масс.
Промывка данного типа биофильтра может осуществляться только при бесперебойной и постоянной подаче воды.
Чем выше высота загрузки, тем эффективнее биологический фильтр и наоборот.
К составу биофильтров могут относиться:
Загрузка производит очистку воды от не растворившихся веществ, которые прошли через отстойники. Микроорганизмы в ней существуют с помощью окисления органики. Остальные органические вещества служат для повышения биологической массы. Производится 2 эффективных процесса: в воде убиваются ненужные органические вещества и повышается биоплёнка. Массы сточной воды заберут с собой мёртвую часть биоплёнки. Вентиляция подаёт кислород двумя способами: искусственным и естественным.
Расчёт нужен для того, чтобы найти эффективный размер загрузки и параметров устройства водораспределения, а так же размера лотка, для отвода жидкости. Размер загрузки вычисляется по мощности окисления - ОМ. Мощность окисления - это количество обязательного кислорода в день. На неё оказывает влияние температура жидкости и воздуха, материалы загрузки, способы подачи воздуха и так далее. При среднегодовой температуре ниже трёх градусов, биологический фильтр должен быть перенесён в более обогреваемую среду с 5-кратной подачей воздуха.
Для биологических фильтров с высокой нагрузкой существует точный метод подсчёта:
Рассчитывается предельная концентрация загрязнения входящей водной массы. Далее, с помощью формул определяется коэффициент рециркуляции. Существуют методики подсчёта биофильтров, для которых используются усложнённые формулы, но которые дадут результаты высокой точности.
Как упоминалось выше по тексту, биологические фильтры имеют 2 типа передачи кислорода, естественный и искусственный. Тип вентилирования выбирают в зависимости от вида биофильтра и погодных условий.
Для фильтров с высокой нагрузкой применяют вентиляцию с невысоким давлением. Что касается аэрофильтров, то для них используют искусственное вентилирование. Установка фильтра в замкнутом пространстве подразумевает обязательную подачу воздушных масс в него.
Должна производиться постоянная циркуляция воздуха, ведь перебои могут повысить температуру до 60 градусов и вызвать появление неприятных запахов от гниения биологической плёнки.
Фильтр эффективно функционирует при температурах более шести градусов. В случаях, когда температура жидкости ниже шести градусов, нужно подогревать её перед подачей.
Для того, чтобы в холодные времена года биофильтр не замерзал, используют защиту от ветра и понижают коэффициент неравномерной подачи воды. Далее проводят ограничения по поступлению прохладного воздуха: за 60 минут на 1 кв. метр производится подача не более 20 куб. метров. Вентилируемые решётки оснащаются жалюзями, защитой из ткани.
Ширина биологической плёнки прямо влияет на равновесие в биофильтре. Чем больше ширина, тем больше вероятность, что воздушные массы перестанут поступать и начнётся процесс гниения. С этой проблемой чаще всегда сталкиваются при использовании фильтров капельного типа.
Раньше думали, что естественное поступление кислорода возможно только из-за различных температур. Но в итоге стало известно, что на него оказывает влияние процессы диффузии.
Б.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Биологический фильтр (биофильтр) - сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой (биопленкой), образованной колониями микроорганизмов (рис. Б.1).
Биофильтр состоит из следующих частей:
Фильтрующей загрузки, помещенной в резервуаре круглой или прямоугольной формы в плане;
Водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра;
Дренажного устройства для удаления профильтрованной воды;
Воздухораспределительного устройства, с помощью которого поступает необходимый для окислительного процесса воздух.
Рис. Б.1.Схема биологического фильтра: 1 - подача сточных вод; 2- водораспределительное устройство; 3 - фильтрующая загрузка; 4 - дренажное устройство; 5 - профильтрованная сточная вода; 6 - воздухораспределительное устройство
Процессы окисления в биофильтре аналогичны процессам, происходящим в других сооружениях биологической очистки, и в первую очередь на полях орошения и полях фильтрации. Однако в биофильтре эти процессы протекают значительно интенсивнее.
Рис. Б.2. Схема обмена веществ в элементарном слое биофильтра: 1- анаэробный слой биопленки; 2 - аэробный слой биопленки; 3 - слой сточной воды
Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней нерастворимые примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, сорбируемые биологической пленкой. Густо заселяющие биопленку микроорганизмы окисляют органические вещества и отсюда получают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества и, в то же время, увеличивается масса активной биологической пленки в теле биофильтра.
Отработавшая и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра (рис. Б.2).
Биофильтр, как и любой другой биоокислитель, представляет собой открытую экологическую систему, ограниченную в пространстве, включающую живую (биоценоз биопленки) и неживую (конструктивная часть биофильтра, компоненты движущихся жидкой и газовой фаз) среду, обеспеченную источниками энергии и питания. Экосистема - биофильтр отличается устойчивым равновесием, т.е. способностью за счет саморегулирования возвращаться в исходное состояние по производительности и эффективности работы после отклонений от стабильного режима в результате воздействия окружающей среды и условий функционирования. Многообразие видового состава биоценозов является показателем жизнестойкости системы. Эффективность работы биофильтров зависит от многих факторов: влияния окружающей среды, состава сточных вод, режима эксплуатации, конструкции биофильтров, состава биоценозов биопленки и др.
Биофильтры. Представляют собой прямоугольные или круглые в плане сооружения со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки, и нижним сплошным. Колосниковая решетка или дырчатое днище, дренаж биофильтров устраивается из железобетонных плит. Общая площадь отверстий дренажа принимается не менее 5—8% площади поверхности фильтра.
Фильтрующим материалом служит щебень, галька горных пород, керамзит, шлак. Загрузка фильтрующего слоя по всей его высоте должна производиться материалом одинаковой крупности (табл.61).
Таблица 61. Крупность зерен загрузочного материала для биофильтра (СНиП II-Г. 6—62)
Мелочи в загрузочном материале должно быть не более 5%. Нижний поддерживающий слой во всех типах биофильтров должен применяться с размерами 60—100 мм.
Орошение биофильтров сточными водами производится через небольшие равномерные промежутки времени. Распределение сточных вод может быть капельным, струйным или в виде тонкого слоя.
Кислород, обеспечивающий жизнедеятельность бактерий, поступает в тело фильтра естественной или искусственной вентиляцией. Количество кислорода, получаемое с 1 м3 фильтрующего материала в сутки для снижения БПК сточных вод, называется окислительной мощностью. Она зависит от температуры сточных вод, наружного воздуха, характера загрязнений (табл. 62).
Таблица 62. Окислительная мощность, г, кислорода в сутки на 1 м3 загрузочного материала биофильтров (СНиП II-Г. 6—62)
Примечания: 1. Указанные в табл. 62 величины окислительной мощности определены для сточных вод со среднезимней температурой +10°. При другой среднезимнеи температуре сточных вод значения окислительной мощности следует увеличивать илн уменьшать пропорционально отношению фактической температуры к 10°С
2. При значении часового коэффициента неравномерности притока более 2, объем фильтрующего материала следует увеличить пропорционально отношению фактического коэффициента неравномерности К=2.
При среднегодовой температуре наружного воздуха ниже + 10°С и коэффициенте рециркуляции сточных вод более 4, а также при среднегодовой температуре воздуха до +3°С биофильтры любой производительности, и при среднегодовой температуре от +3 до +6°C биофильтры с производительностью до 500 м3 в сутки необходимо размещать в отапливаемых помещениях с расчетной температурой внутреннего воздуха на +20С выше температуры сточных вод и пятикратным воздухообменом в час. При производительности более 500 м3/сутки и среднегодовой температуре воздуха от +3 до +6°C биофильтры можно размещать в неотапливаемых помещениях облегченной конструкции.
При поступлении сточных вод с перерывами в течение суток строительство биофильтров в неотапливаемых помещениях или открытого типа должно обосновываться теплотехническим расчетом. При этом необходимо принимать во внимание опыт эксплуатации очистных сооружений, находящихся в данном районе или в других районах с аналогичными условиями.
Окислительную мощность биофильтра ОМ можно определить по формулам:
при работе с рециркуляцией
, (135)
без рециркуляции
, (136)
где LCM — БПК5 смеси поступающих сточных вод, мг/л;
Ld — БПКб поступающих на очистку сточных вод, мг/л;
Lt — БПК5 очищенных сточных вод, мг/л;
QcyT — суточный расход сточных вод, м3/сутки;
F — площадь фильтра, м2;
Н — высота загрузки фильтра, м;
q — расход сточных вод, л/сек;
n — коэффициент рециркуляции, определяемый по формуле (133).
При расчете биофильтров для промышленных сточных вод предприятий пищевой промышленности можно рекомендовать коэффициент скорости биохимического окисления Кс.б, указывающий на интенсивность прироста биологической пленки, определяемый по формуле
Кс.б = 21/a, (137)
где а — разность, проц., между ХПК и БПК20 сточных вод.
Низкие значения коэффициента указывают на нецелесообразность биохимических способов очистки сточных вод. Обратная величина коэффициента скорости биохимического окисления характеризует скорость прироста биологической пленки.
Коэффициент скорости биохимического окисления смеси сточных вод с различным размером загрязнений определяется по формуле
, (138)
где Q1, Q2...Qn — расходы различных по концентрации сточных вод;
а1, а2,...an — соответствующие разности, проц., между ХПК и БПК20.
Чем меньше коэффициент, тем больше интенсивность фактора прироста биологической пленки, поэтому коэффициент оказывает влияние на выбор фильтрующего материала (табл. 63).
Таблица 63. Зависимость вида загрузочного материала от коэффициента скорости биохимического окисления
Биофильтры подразделяются на капельные, высоконагружаемые, аэрофильтры, башенные.
Отличительной особенностью капельных биофильтров является небольшой диаметр фракций загрузочного материала (30— 50 мм) и высота загрузки (2 м), при этом нижний поддерживающий слой высотой 0,2 м принимается размером 60—100 мм, а также низкая нагрузка по сточной воде от 0,5 до 1,0 мг на 1 мг загрузки фильтра.
Высоконагружаемые биофильтры отличаются от капельных значительно большей гидравлической нагрузкой. Для капельных биофильтров нагрузка на 1 м2 поверхности в сутки составляет 1—2 м3 сточных вод, для высоконагружаемых — 10—30 м3 на 1 м2 поверхности в сутки, т. е. в 10—30 раз больше.
Более высокая окислительная мощность высоконагружаемых биофильтров обусловливается незаиляемостыо, лучшим обменом воздуха, что достигается благодаря более крупному загрузочному материалу и повышенной нагрузкой по воде. Значительные скорости прохода воды через загрузочный материал обеспечивают постоянный вынос трудноокисляемых примесей и отмирающей биопленки. Крупность частиц загрузки принимается размером 40—60 мм, что обеспечивает большой объем пор.
Конструктивные и эксплуатационные особенности высоконагружаемых биофильтров и их отличие от капельных следующие:
Высоконагружаемые биофильтры могут быть одно- (рис. 19) и двухступенчатые.
Рис. 19. Схема одноступенчатых высоконагружаемых биофильтров: П.О. — первичный отстойник; Н.С. — насосная станция; Б — биофильтр; В.О. — вторичный отстойник, К.Б, — коигакгиый бассейн; 1,2 — возможные варианты рециркуляции очищенной жидкости, 3 — удаление избыточной биопленки; 4 — хтораторная; 5 — очищенные и обеззараженные сточные воды иа выпуск.
Применение двухступенчатых высоконагружаемых биофильтров рекомендуется при благоприятном рельефе местности и при необходимости более глубокой очистки сточных вод. Разновидностью высоконагружаемых биофильтров могут быть сооружения перемежающейся фильтрации (рис. 20).
Рис. 20. Схема двухступенчатых высоконагружаемых биофильтров с перемежающейся фильтрацией: ПО — первичный отстойник, K1, К2 — камеры переключения, ИС — насосная станция, Б — биофильтры, ВО — вторичные отстойники, КБ контактный бассейн, 1 — удаление избыточной бнопленки, 2 — хлораторная, 3 — очищенные сточные воды на выпуск
Разновидностью высоконагружаемых биофильтров являются аэрофильтры. Особенность фильтров этого типа.— большая высота (3—4 м) и принудительная вентиляция, которая может осуществляться вентиляторами низкого давления.
Материал загрузки тела аэрофильтра должен быть по возможности гладким. Аэрофильтры устраиваются двух- и трехслойные. Нижний слой рекомендуется устраивать толщиной 0,2 м из кусков загрузочного материала размером 50—70 мм, а верхний — размером 30—40 мм (рис. 21).
Рис. 21. Схема аэрофильтра: 1 — загрузка, 2 — реактивный водораспределитель, 3 — гидрозатвор
Устойчивой работы и высокого эффекта очистки на аэрофильтрах можно достичь, если сточные воды, направляемые на очистку, будут иметь БПК не более 150 мг/л. Расчет аэрофильтров можно проводить по их окислительной мощности (табл. 64).
Таблица 64. Окислительная мощность, г, кислорода на 1 м3 загрузки аэрофильтра (СНиП II-Г. 6—62)
Данные табл. 64 определены для сточных вод со среднезимней температурой +10°C. При температуре сточных вод более или менее +10оС окислительную мощность аэрофильтра необходимо увеличивать или уменьшать соответственно пропорционально отношению фактической температуры к+10°С.
→ Очистка сточных вод
Классификация биофильтров
Классификация биофильтров
Биофильтры могут работать на полную и неполную биологическую очистку и классифицируются по различным признакам, основными из которых являются конструктивные особенности и вид загрузочного материала.
По виду загрузочного материала биофильтры делятся на: биофильтры с объемной загрузкой (гравий, шлак, керамзит, щебень и др.) и биофильтры с плоскостной загрузкой (пластмассы, асбестоцемент, керамика, металл, ткани и др.).
Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на следующие виды: – капельные, имеющие крупность фракций загрузочного материала 20-30 мм и высоту слоя загрузки 1-2 м; – высоконагружаемые, имеющие крупность загрузочного материала 40-60 мм и высоту слоя загрузки 2-4м; – биофильтры большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60-80 мм и высоту слоя загрузки 8-16 м.
Объемный загрузочный материал имеет плотность 500-1500 кг/м3 и пористость 40-50%.
Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на следующие виды: – с жесткой засыпной загрузкой. В качестве загрузки могут использоваться керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100-600 кг/м3, пористость 70-90%, высота слоя загрузки 1-6 м; – с жесткой блочной загрузкой. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (гофрированные и плоские листы или пространственные элементы), а также из’ асбестоце-ментных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40-100 кг/м3, пористость 90-97%), высота слоя загрузки 2-16 м; – с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов. Плотность такой загрузки 5-60 кг/м3, пористость 94-99%, высота слоя загрузки 3-8 м.
Пропускная способность биофильтров зависит от конструктивных особенностей того или иного типа сооружения и объясняется содержанием активной биомассы на единицу объема биофильтра.
Биофильтры с объёмной загрузкой (капельные биофильтры). В капельном биофильтре сточная вода подается в виде капель или струй. Естественная вентиляция воздуха осуществляется через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Такие биофильтры имеют низкую нагрузку по воде – обычно 0,5-2 м3 на 1 м3 объема загрузочного материала в сутки. Капельные биофильтры впервые появились в Салфорде (Великобритания) в 1893 г., их рекомендуется применять при расходе сточных вод не более 1000 м3/сут. Они предназначаются для полной биологической очистки сточных вод.
Схема работы капельных биофильтров следующая. Сточная вода, осветленная в первичных отстойниках, самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, из которых периодически напускается на поверхность биофильтра. Вода, профильтровавшаяся через толщу загрузки, проходит через дренажную систему, а далее по непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых отмершая биоплёнка отделяется от очищенной воды. При нагрузке по органическим загрязнениям больше допустимой, загрузочный материал быстро заиливается, и работа капельных биофильтров резко ухудшается.
Высоко нагружаемые биофильтры. В начале XX столетия появились биофильтры, которые у нас в стране получили название – аэрофильтры, а за рубежом – биофильтры высокой нагрузки.
Отличительной особенностью этих сооружений является более высокая, по сравнению с капельными биофильтрами, окислительная мощность, что обусловлено меньшей заиляемостью таких фильтров и лучшим обменом воздуха в них. Достигается это благодаря крупным фракциям загрузочного материала и повышенной в несколько раз нагрузке по воде. Высокая скорость движения сточной воды в биофильтре обеспечивает постоянный вынос задержанных трудноокисляемых нерастворенных примесей и отмирающей биопленки. Поступающий в тело биофильтра кислород воздуха расходуется в основном на биологическое окисление части загрязнений, не вынесенных из тела биофильтра. Конструкции аэрофильтров были предложены Н.А. Базякиной и С.Н. Строгановым и в 1929 г. построены на Кожуховской биологической станции. Они предназначаются для неполной и полной биологической очистки сточных вод.
Башенные биофильтры. Эти биофильтры имеют высоту 8-16 м и применяются для очистных станций пропускной способностью до 50 тыс.м3/сут при благоприятном рельефе местности и при БПК очищенных сточных вод 20-25 мг/л. В отечественной практике они распространения не получили.
Биофильтры с плоскостной загрузкой. Появление в 50-х годах XX века плоскостных – блочных, мягких и засыпных загрузочных материалов позволило значительно повысить производительность биологических фильтров (рис. 12.3).
Рис. 12.3. Биофильтр с плоскостной (пластмассовой) загрузкой:
1 – корпус из облегчённых листов по металлическому каркасу; 2 – пластмассовая загрузка; 3 – решетка; 4 – бетонные столбовые опоры; 5 – подводящий трубопровод; б – реактивный ороситель; 7 – отводящие лотки
Как видно из таблицы, плотность плоскостных загрузочных материалов (12,2-140 кг/м3) значительно меньше, чем традиционных из гравия или щебня (1350-1500 кг/м3), что позволяет упростить и облегчить фундамент и ограждающие конструкции биофильтров. Пористость плоскостных загрузочных материалов (87-99%) более чем вдвое выше, чем у объемных загрузок (40-50%), что позволяет отказаться от принудительной вентиляции и сэкономить значительное количество электроэнергии. Удельная поверхность плоскостных загрузочных материалов 80-450 м /м, против 50-80 м /м3 у объемных. Однако, даже при одинаковой удельной поверхности активная поверхность плоскостных загрузочных материалов значительно больше за счет отсутствия мертвых зон, образующихся при соприкосновении фракций засыпного загрузочного материала.
Установлено, что на производительность биофильтра большое влияние оказывает конфигурация загрузочного материала. В загрузочных материалах, где жидкость движется строго вертикально по гладкой поверхности, гидравлический режим ламинарный (идеальный вытеснитель), а в загрузочном материале со сложной формой поверхности, где поток отклоняется по вертикали (Флокор, Пласдек и др.), режим движения жидкости турбулентный. По данным зарубежных ученых, производительность сложных загрузочных материалов, по сравнению с гладкими (при одинаковой площади удельной поверхности и в одинаковых условиях работы), на 67% выше.
Биофильтры насчитывают столетнюю историю использования их в качестве биологических окислителей. Но с конца 50-х годов XX столетия число строящихся станций биофильтрации в нашей стране по субъективным и объективным причинам стало уменьшаться. Среди этих причин можно выделить следующие: неиндустриальность строительства; отсутствие загрузочного материала; малая пропускная способность; изменение состава поступающих на очистку сточных вод; ненадежность работы при перегрузках (особенно по органическим загрязнениям) и ряд других. Из общего числа проектируемых и строящихся биологических окислителей на долю биофильтров приходится не более 10%.
Вместе с тем при наличии дешевых местных материалов и дефиците электроэнергии, а также в тяжелых грунтовых условиях и сейсмичных районах предпочтение отдается биофильтрам. Например, в Киргизии из 31 действующей станции биологической очистки – 28 с биофильтрами. Следует отметить, что в ряде отраслей промышленности (гидролизно-дрожжевая, пищевая, и др.), где сточные воды обладают значительной пе-нообразующей способностью, целесообразно применять биофильтры.
В настоящее время сотни построенных станций биофильтрации работают в режиме, превышающем их расчетную пропускную способность, как по расходу сточных вод, так и нагрузкам по органическим загрязнениям. Весьма актуальной стала проблема модернизации таких станций биофильтрации, что явилось стимулом для разработки новых высокопроизводительных загрузочных материалов. Следствием этого и стало появление новых биофильтров с плоскостной загрузкой. Они имеют высокую индуст-иальность строительства, включая заводское изготовление блочного загрузочного материала или комплекса сооружений небольшой пропускной способности. Им свойственна высокая пропускная способность, как по расходу сточных вод, так и по снижению органических загрязнений, превышающая соответствующие показатели биофильтров с объемной загрузкой в 3-8 раз.
Биологический фильтр - сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой, образованной колониями микроорганизмов. Биофильтр состоит из следующих основных частей:
Биофильтры - резервуары, в которых размещена инертная пористая загрузка, через которую сверху вниз просачивается сточная вода. Поверхность загрузочного материала обрастает биопленкой. Исходная вода равномерно распределяется по поверхности загрузки, а очищенная собирается в поддоне под загрузкой и отводится во вторичный отстойник для отделения от постоянно смывающейся с загрузочного материала биопленки.
Для задержания избыточной биопленки после биофильтров устанавливаются вторичные отстойники, в основном вертикального типа. Избыточная пленка из вторичных отстойников должна регулярно удаляться на обработку или иловые площадки, в противном случае загнивающий осадок ухудшает качество очищенной воды. В зависимости от режима работы биофильтра (капельный или высоконагружаемый) образуется разное количество избыточной биопленки: для капельных биофильтров - 8 г/(чел.сутки), для высоконагружаемых - 28 г/(чел.сутки). Влажность осадка, выгружаемого из вторичного отстойника, около 96%.
Биофильтры представляют собой железобетонные или кирпичные резервуары, заполненные фильтрующим материалом, который укладывается на дырчатое днище и орошается сточными водами. Для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, пластмассу и др. Очистка сточных вод в биофильтрах происходит под воздействием микроорганизмов, заселяющих поверхность загрузки и образующих биологическую пленку. При контакте сточной жидкости с этой пленкой микроорганизмы извлекают из воды органические вещества, в результате чего сточная вода очищается.
Процессы окисления, происходящие в биофильтре, аналогичны процессам, происходящим в других сооружениях биологической очистки, и в первую очередь на полях орошения и полях фильтрации. Однако в биофильтре эти процессы протекают значительно интенсивнее.
Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней не растворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, абсорбируемые биологической пленкой. Густо заселяющие биопленку микроорганизмы окисляют органические вещества и отсюда черпают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как пластический материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества и в то же время увеличивается масса активной биологической пленки в теле биофильтра. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород воздуха поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра.
Классификация биофильтров.
Биофильтры классифицируются по различным признакам.
По степени очистки -на биофильтры, работающие на полную и неполную биологическую очистку. Высокопроизводительные биофильтры могут работать на полную или неполную очистку в зависимости от необходимой степени очистки. Малопроизводительные биофильтры работают только на полную очистку.
По способу подачи воздуха - на биофильтры с естественной и искусственной подачей воздуха. Во втором случае они часто носят название аэрофильтров. Наибольшее применение в настоящее время имеют биофильтры с искусственной подачей воздуха.
По режиму работы - на биофильтры, работающие с рециркуляцией и без нее. Если концентрация загрязнений в поступающих на биофильтр сточных водах невысока и они могут быть поданы на биофильтр в таком объеме, который достаточен для самопроизвольной его промывки, то рециркуляция стока не обязательна. При очистке концентрированных сточных вод рециркуляция желательна, а в некоторых случаях обязательна. Рециркуляция 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. Двухступенчатые биофильтры применяются при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки.
Иногда предусматривается переключение фильтров, т. е. периодическая эксплуатация каждого из них в качестве фильтра первой и второй ступени.
По пропускной способности - на биофильтры малой пропускной способности (капельные) и большой пропускной способности (высоко-нагружаемые).
По конструктивным особенностям загрузочного материала - на биофильтры с объемной загрузкой и с плоскостной загрузкой.
Биофильтры с объемной загрузкой можно подразделить на: капельные биофильтры (малой пропускной способности), имеющие крупность фракций загрузочного материала 20-30 мм и высоту слоя загрузки 1-2 м;
высоко нагружаемые биофильтры, имеющие крупность загрузочного материала 40-60 мм и высоту слоя загрузки 2-4 м;биофильтры большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60-80 мм и высоту слоя загрузки 8-16 м. Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на: биофильтры с жесткой загрузкой в виде колец, обрезков труб и других элементов. В качестве загрузки могут быть использованы керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100-600 кг/м8, пористость 70-90%, высота слоя загрузки 1-6 м;биофильтры с жесткой загрузкой в виде решеток или блоков, собранных из чередующихся плоских и гофрированных листов. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.), а также из асбестоцементных листов. Плотность пластмассовой загрузки 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;биофильтры с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов. Плотность такой загрузки 5-60 кг/м3, пористость 94-99%, высота слоя загрузки 3-8 м.
К биофильтрам с плоскостной загрузкой следует отнести и погружные биофильтры, представляющие собой резервуары, заполненные сточной водой и имеющие днище вогнутой формы. Вдоль резервуара несколько выше уровня сточной воды устанавливается вал с насаженными пластмассовыми, асбестоцементными или металлическими дисками диаметром 0,6-3 м. Расстояние между дисками 10-20 мм, частота вращения вала с дисками 1-40 мин-1.
Плоскостные биофильтры с засыпной и мягкой загрузкой рекомендуется применять при расходах до 10 тыс. м3/сутки, с блочной загрузкой- до 50 тыс. м3/сутки, погружные биофильтры - для малых расходов до 500 м3/сутки.
Преимущества биологического метода очистки - возможность удалять из сточных вод разнообразные органические соединения, в том числе токсичные, простота конструкции аппаратуры, относительно невысокая эксплуатационная стоимость. К недостаткам следует отнести высокие капитальные затраты, необходимость строгого соблюдения технологического режима очистки, токсичное действие на микроорганизмы некоторых органических соединений и необходимость разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей.
Микробиологические основы процессов очистки серосодержащих сточных вод.
Принцип биологической очистки серосодержащих сточных вод основан на протекании биохимических окислительно-восстановительных процессов, осуществляемых микроорганизмами в процессе их жизнедеятельности с превращением разнообразных неорганических и органических соединений серы в безвредные малотоксичные продукты окисления.
Преимуществом биологического метода очистки является возможность удалять из сточных вод разнообразные органические соединения, в том числе токсичные. Так же преимуществом является простота конструкции аппаратуры, относительно невысокая эксплуатационная стоимость, экологичность. Очистка происходит по принципу дублирование одного из этапов биологического круговорота серы в природе.
Считается, что основную роль в биологическом круговороте серы играет 2 группы микроорганизмов:
Сера является биогенным элементам с активным окислительно-восстановительным циклом и представлены разными по химической природе соединениями со степенью окисления от -2 до плюс +6. Поэтому существуют различные группы микроорганизмов, способных изъять все соединения серы из сточных вод. Подразделяется они в зависимости от используемого источника энергии, углерода и субстрата на соответствующие группы.
Способность к биологическому окислению или восстановленнию соединений серы присущи представителям всех систематических групп микроорганизмов, при этом бактерии легче других организмов адаптируются к использованию новых органических субстратов.
Среди микроорганизмов, активно окисляющих восстановленные неорганические соединения серы в природных и искусственных экосистемах, можно выделить следующие группы
Хемоорганогетеротрофные организмы: бактерии родов Bacillius, Pseudomoas, актиномицеты и гриббы
Серобактерии в природе широко распространенны и составляет гетерогенную группу, в которой они объединены по одному общему признаку - способности окислять восстановленный или частично окисленные неорганические соединения серы. Использование этого свойства привело к соединению в одной группе многих таксономически невзаимосвязанных родов. Различные группы серокисляющих бактерий отличаются друг от друга типом питания, физиологическими свойствами, и экологическими особенностями.
Среди бесцветных серобактерии встречаются фактически все известные формы клеток и типы подвижности. Рост представителей этой группы можно обнаружить при значении, рН почти во всем диапазоне от 1 до 10,5. Основные признаки, объединяющие бесцветных серобактерий следующие: все они грамотрицательные, аэробные формы, причем некоторое из них способны к денитрификации, являются хемолитотрофами. Бесцветные серобактерии могут быть обнаружены практически везде, где присутствует восстановленные соединения серы.
Тионовые бактерии в морфологическом отношении представляет весьма однородную группу, относительная коды Тhiobacillus.
Клетки палочковидные с закругленными концами, обладающие полярным жгутиком, нейтрофилы, могут расти при рН от 6 до 8, но не растут при значениях ниже рН 3. Могут использовать кислород или в анаэробных условиях нитрат или нитрид как терминальный акцептор электронов.
Некоторые виды в чистой культуры не могут вырасти в анаэробных условиях, участвуя в осуществлении процесса денитрификации, так как способны восстанавливать нитрат только до нитрита, который при накоплении токсичен. Тионовые бактерии, однако, будут активно расти в смешанной культуре с нитритвосстанавливающими микроорганизмами.
Большинство тионовых бактерий - это типичные автотрофы, которые осуществляют хемосинтез, то есть способность ассимилировать CO2 за счёт энергии, получаемой при окислении восстановленных соединений серы, то есть они не нуждаются в органическом источнике углерода, однако для развития некоторых видов одновременно с неорганическим донором электронов требуется органические соединения.
Вторая группа серобактерии обладает отличительным свойством откладывать капли сера внутрь клеток или непосредственно на их поверхности. Одноклеточные бесцветные серобактерии - крупные неподвижные (Acheromatium) и подвижные формы, передвигающиеся с помощью многочисленных перитрихальных (p. Thiovulum) или одного полярного жгутика (p. Macromonas). Нитчатые организмы представлены неподвижными или способными к скользящему движению (pp. Beggiatoa, Thioploca) формами, встречающимися, главным образом, в грязевых водоемах.
Серобактерии доминирует в местообитаниях с относительно низким содержанием сульфида и богатых органическим веществом, например, в микробных сообществах систем очистки бытовых сточных вод, приливно-отливные зонах морей и океанов.
Таким образом, тионовые или несерные и серные бактерии окисляют одни и те же соединения, при отсутствии сероводорода в окружающей среде окисляют серу до тиосульфатов и, далее, до сульфатов. Разница заключается в том, что тионовые бактерии откладывают образующуюся серу вне своих клеток, а истинные серобактерии накапливают внутри клеток.
Фотосинтезирующие пурпурные зеленые серные бактерии способны окисляет сероводород, сера, гипосульфит, сульфит и другие не вполне окисленные соединения серы, используя для этого энергию солнечных лучей. В составе их имеется пигмент бактериохлорофилл, аналогично хлорофиллу растений. У фотосинтезирующих бактерий донором водорода служит сероводород, а в свободном состоянии выделяется сера.
Данные бактерии могут строить свои клетки, используя в качестве единственного источника углерода углекислоту, которая не фиксирует через цикл Кальвина, обитают главным образом в водной среде. Но наружных биологической очистки эти бактерии обычно не встречаются, так как в этих условиях отсутствует один из двух необходимых им факторов: или свет, или анаэробные условия.
Также известны типичные хемоорганогетеротрофные микроорганизмы, участвующие в окислении сероводорода, молекулярной серы и тиосульфата. К их ислу относятся представители родов Bacillius, Pseudomonas, Achromobacter, а также актиномицетов, плесневых грибов, дрожжей. Некоторые из них, в частности, нитчатая многоклеточная бактерия Sphaerotilus natans. В присутствии сероводорода откладывает в клетку серу. Другие способны окислять тиосульфат до тетратионата (Na2S4O6). Отмечено также образование политионатов и сульфата при воздействии смешанных культур гетеротрофных микроорганизмов на элементарную серу. Хемоорганогетеротрофные организмы окисляют серу в присутствии органических веществ. Такое превращение представляется для них побочным процессом в главном направлении метаболизма. Окисление серы хемоорганогетеротрофными микроорганизмами идет довольно медленно и менее активно, при этом в качестве промежуточных продуктов образуется сероводород, метилмеркаптан, диметилсульфид, элементная сера.
При полном окислении соединения серы бактериями должны образовываться сульфаты. Однако в среде, где протекает окислительный процесс, постоянно обнаруживаются промежуточные продукты окисления. Схематически полный путь окисления сульфидов до сульфатов в нейтральной и слабощелочной среде может быть представлен следующим образом
S2- >S0 (S2-n) >S2O32->SmO62->SO32->SO42-
Где n=2-5, m=2-6
При полном окислении соединений серы бактериями должны образовываться сульфаты. Однако способности отдельных видов не вполне одинаковы. Следует учитывать, что не всегда легко установить, какие именно соединения сера окисляется биологическим путем, так как многие из них не устойчива при низком значении pH и могут также окисляться кислородом воздуха. Нередко окисление идет не до конца, и среде могут обнаруживаться различные не полностью окисленные продукты. Так при окислении сероводорода иногда образуются молекулярная сера, а также тиосульфата политионаты. Окисление тиосульфата также часто сопровождается образованием политионатов элементарной серы. Не все эти соединения являются результатом ферментативных процессов я не относится к промежуточным продуктам окисления бактериями исходного субстрата. Многие из них могут образоваться химическим путем или в результате побочных биологических реакций окисления микроорганизмами соединений серы до конца не изучены
Механизм окислительных процессов, вызываемых SR окисляющие бактериями, может быть представлен следующим реакциями
H2S + 1/2O2 >S + H2O2
H2S + 2O2 > H2SO4
Не исключено, что одного и того же организма могут функционировать различные пути окисления соединения серы, и значение того или иного зависит от условий среды и других факторов.
Энергия, выделяющаяся при окислении сульфидов и промежуточных восстановленных соединений серы до сульфата, аккумулируются в микроэргической связи АТФ. Это реакция расходуется на восстановление пиридиннуклеотида, который необходим для фиксации углекислого газа, а также на другие жизненные функции бесцветная бактерий. Ацидофильные нейтральные серые бактерии окисляют соединения серы различными путями. У некоторых ацидофильных видов промежуточным продуктом окисления серы является тетратионат, когда у некоторых нейтрофилов это может быть тиосульфата, которые далее гидролизуется до молекул серы и сульфита. Таким образом, превращения тиосульфата могут быть связаны с расщеплением до элементарной серы, а также окислением до тетратионата и превращением в тритионат и сульфит.
Рисунок Условная схема окисления соединения серы у нетрофильных бактерий Th. thioparus 1 - сульфидоксидоредуктаза; 2 - тиосульфатдегидрогиназа; 3 - серадиоксигиназа; 4 - сульфитоксидоредуктаза; 5-аденозинфосфоульфатредуктаза; 6 - АДФ-сульфурилаза
Окисление тиосульфата (S-SO3)2- и полисульфанов (S)n2- осуществляется с помощью S-оксигеназы, и превращается в сульфит через стадию образования промежуточного продукта эквивалентного элементарной серы. Тиосульфат стабилен преимущество при нейтральном и щелочных значениях рH.
Из политионатов наибольший биологический интерес представляет тритионат (S3O62-) и тетритионат (S4O62-) устойчивые в кислых условиях. При окислении тритионата тритионат-дегидрогеназой в числе прочих продуктов образуется тиосульфат.
2S3O62-+ H2O>S2O32- + [S] + SO42- + 2 H+
После чего он окисляется до тетратионатa с помощью тиосульфат дегидрогеназы. Ключевой промежуточный метаболит, тетратионат, расщепляется тетратионатгидролазой, в результате чего регенерируются тиосульфат и образуется элементарная сера
S4O62-+ H2O>S2O32- + [S] + SO42- + 2 H+
Таким образом, механизм окисления восстановленных соединений серы до сульфатов является достаточно сложным и в настоящее время до конца не изученным. Химические и бактериальные пути являются многоступенчатыми, и расшифровка природы промежуточных продуктов окисления восстановленных соединений серы представляется достаточно сложным в силу двойственной природы процессов окисления и невозможности исключить многие побочные реакции, учитывая, что соединение серы не устойчива при низком значении паше могут также окисляется кислородом воздуха.
Следует отметить, что популяция бактерий, окисляющие восстановительной соединение серы, из-за особенности их конструктивного обмена и низкой скорости разложения медленной регенерируется и поэтому является наиболее уязвимым звеном сообщества микроорганизмов биологических очистных сооружений.
Процессор окисления путем иммобилизации микроорганизмов
Анализ по экологии тионовых бактерий в сооружениях водоотведения и особенностей интенсификации биологической очистки сточных вод в биосорбционных установках позволяет предположить, что одним из условий стабильности и активности процессов биоокисления может служить иммобилизация микроорганизмов. Иммобилизация значительно повышает устойчивость сероокисляющих бактерий к стрессовым воздействиям за счет более высокой плотности популяции, а также интенсифицирует биоокисление токсичных примесей в составе сточных вод, что улучшает качество очистки.
На практике наиболее распространённым очистным сооружением с иммобилизованной биомассой является биологический фильтр. Процессы окисления, происходящие в биофильтрах аналогичных процессам, происходящих в других сооружениях биологической очистки, и в первую очередь на полях орошения и полях фильтрации. Однако в биофильтры эти процессы протекают значительно интенсивнее.
Иммобилизованные клетки приобретает свойства, не характерные для них в свободном состоянии. и сохраняют стабильную, активность и жизнеспособность в течении длительного времени, не подвергаются химической модификации. Использование нативной биомассы микроорганизмов характеризуется достаточно коротким сроком хранения. При длительном хранении в суспензии неизбежно происходит снижение численности микроорганизмов, при этом отмечено снижение титра клеток окисляющей активности микроорганизмов.
Разработка способов очистки сточных вод требует решения двух задач: освобождение воды от загрязняющих веществ, а также от суспендированных микроорганизмов. Обе задачи эффективно решаются при использовании иммобилизованной микрофлорой и фауны.
