По конструктивным особенностям загрузки:
- биофильтры с объемной загрузкой;
- биофильтры 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.
4.1 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. 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. Капельные биофильтры обеспечивают снижение БПК сточных вод до 80 %.
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.
4.2 Высоконагружаемые биофильтры
Высоконагружаемые биофильтры отличаются от капельных большей окислительной мощностью, обусловленной лучшим обменом воздуха и незаиляемостью загрузки, что достигается применением загрузочного материала крупностью 40-70 мм, увеличением рабочей высоты загрузки до 2-4 м.
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 применение 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.
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.
4.3 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.
4.4 Погружные биофильтры.
Биофильтры этого типа были впервые сконструированы в России в 1917 году. 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.
5. Вентиляция биофильтров
Естественная вентиляция в биофильтрах происходит вследствие разницы температур наружного воздуха и тела биофильтра. Основная масса воздуха поступает в тело биофильтра через междудонное пространство и сверху вместе с водой по мере ее движения в фильтре. Если температура сточных вод выше температуры воздуха, то устанавливается восходящий (от дренажа к поверхности) поток воздуха, при обратном соотношении -- нисходящий; при равенстве температур вентиляция может прекратиться.
Интенсивность вентиляции биофильтров также зависит от высоты слоя фильтрующей загрузки, размеров ее зерен и высоты междудонного пространства. Чем мельче загрузка, тем хуже условия вентиляции. Объем кислорода воздуха, используемого в биофильтрах, как и в других сооружениях биологической очистки, не превышает 7-8 %. Температура внутри биофильтра не должна быть ниже +6 °C, иначе окислительный процесс практически прекращается.
В установках большой и средней пропускной способности необходимая температура поддерживается вследствие постоянного притока сточных вод, температура которых почти всегда выше 8 °C. Поэтому такие фильтры обычно не требуют утепления. Небольшие фильтры, как уже отмечалось, приходится размещать в утепленных помещениях во избежание их переохлаждения, особенно в ночное время, когда приток сточной воды уменьшается.
Заключение
Цель работы - изучить принцип работы биофильтра при очистке сточных вод - достигнута. Рассмотрены устройство биофильтра и конструкции различных видов биофильтров. Изучена технология очистки сточных вод с помощью биофильтра.
В заключение следует сказать, что, биологический фильтр является эффективным устройством водоочистки сточных вод. Он отличается относительной простотой конструкции, эффективностью изъятия органических и неорганических загрязнений из обрабатываемой воды, возможностью расчета и проектирования. Предпочтение эксплуатации той или иной конструкции биофильтра определяется после тщательного изучения химического состава и характеристик сточных вод, наличия в них тех или иных органических и неорганических загрязнений, стоимости оборудования и требований к качеству и составу очищенной воды. Значительный интерес к применению биофильтров обусловливает поиск новых и модификацию существующих конструкций биологических фильтров.
Библиографический список
1. Волова, Т.Г. Экологическая биотехнология: уч. пособие для университетов / Т.Г. Волова. - Новосибирск: Хронограф, 2007.
2. Экология микроорганизмов: Учеб. для студ. вузов / А.И. Нетрусов, Е.А. БончОсмоловская, В.М. Горленко и др. / Под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.
3. Роев Г.А. Очистные сооружения. Охрана окружающей среды - М.: Недра, 1993.
4. Захаров С.Л. Очистка сточных вод нефтебаз / Экология и промышленность России. - 2002.
5. Хенце М. Очистка сточных вод / М. Хенце, П. Армоэс, Й. Ля-Кур-Янсен и др.; пер. с англ. - М.: Мир, 2004.
6. Яковлев С.В. Биологические фильтры / С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов. - 2-е изд. - М.: Стройиздат, 1982.
7. Гудков А.Г. Биологическая очистка городских сточных вод / А.Г. Гудков. - Вологда: ВоГТУ, 2002.
8. Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод / С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов. - М.: АСВ, 2002.
9. Кузнецов А.Е. Прикладная экобиотехнология. В 2-х т. / А.Е. Кузнецов, Я.Б. Градова, С.В. Лушников и др. - М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2010.