Биологические фильтры

Биологические фильтры – оборудование для очистки сточных вод посредством жизнедеятельности аэробных бактерий. Его конструкция – проста, это емкость, заполненная загрузочным материалом. Сточные воды проходят через сооружение, а на его поверхности формируется биологическая пленка, состоящая из аэробных бактерий. По типу используемого загрузочного материла, фильтры подразделяются на 2 вида:

• объемные (зернистые);
• плоскостные.

Биофильтры с объемной загрузкой

В оборудовании этого вида используются галька, щебень горных пород, керамзит, шлак. Материал должен быть отсортированным, прочным, выдерживать морозы. Загрузка не должна утрачивать прочность:

• при нагрузке 100 кПа в естественном состоянии при насыпной плотности до 1 тысячи кг/м ³;
• при замораживании не менее 10 раз;
• насыщение сернокислого натрия – не менее 5 раз;
• кипячение в 5-процентном растворе соляной кислоты в течение 1 часа.

Производители выпускают биофильтры с объемной загрузкой трех видов:

• Капельные. Это наиболее конструктивно простые ОС. Загрузочные материалы имеют мелкую фракцию, макропористую поверхность, увеличенную концентрацию микроорганизмов. Но капельные фильтры – быстро заболачиваются.
• Высоконагружаемые. В этом оборудовании используется загрузка более крупных фракций, в них реализована большая гидравлическая нагрузка за счет рециркуляции стоков, выполняется аэрация вентиляторами.
• Башенные. Их рекомендуют использовать при расходе стоков до 50 000 м ³/сутки для неполной и полной очистки.

Требования к загрузочному материалу по фракциям представлены в таблице ниже.

Тип биологического фильтра	Остаток, % по массе, на контрольных ситах с отверстиями диаметром, мм
	70	55	40	30	25	20
Высоконагружаемые с загрузкой щебнем	0-5	40-70	95-100	-	-	-
Капельные с загрузкой: Щебнем Керамзитом	- -	- -	0-5 0-8			- 90-100
				40-70	95-100
				не нормируется

Примечания: 1. Содержание зерен пластинчатой и игловой формы в загрузочном материале допускается не более 5%. 2. Для нижнего поддерживающего слоя высотой 0,2 м во всех случаях используется материал с крупностью зерен 70 – 100 мм.

Биофильтры с плоской загрузкой

В этом оборудовании в качестве загрузочного материала используются пластмассы, которые без потери прочности выдерживают температуры от +6 до +30 градусов С. Эти установки характеризует более высокая окислительная способность. По параметрам загрузки различают такие виды:

• жесткая загрузка из колец, шариков, трубных обрезков;
• загрузочные материалы из листов, собранных в блоки;
• мягкая загрузка из синтетических тканей, металлических сеток или полимерных пленок, материалы укладываются рулонами или закрепляются на каркасы.

Также используются погружные биофильтры, они рациональны на объектах, где расход стоков не превышает 500 м ³/сутки.

На станции рекомендуется использовать от 2 до 8 секций фильтров.

Капельные биологические фильтры

Гидравлическая нагрузка на 1 м ² поверхности этого оборудования составляет – от 1 до 3 м ³/сутки, окислительная мощность – от 0,15 до 0,3 кг/ м³ х сутки. Для капельных биофильтров используют загрузку фракций от 25 до 40 мм. Высота фильтра варьируется в пределах от полутора до 2 метров. В оборудовании используется естественная вентиляция. Суммарная площадь отверстий должна быть не менее 1% от площади биологического фильтра.

Расчет технических параметров оборудования регламентирован СНиП. Он требует определять коэффициент:

K = L_a/L_t, где

L_a – БПКполн стоков на входе;

L_t – БПКполн очищенных сточных вод, ее принимают равной 15 мг/литр.

Другие технические характеристика капельного биологического фильтра представлены в нижеследующей таблице.

Гидравлическая нагрузка, q, м3/(м2·сут)	Значение К в зависимости от температуры сточной воды Т, °С, высоты биофильтра Н, м, и гидравлической нагрузки q, м 3/(м2·сут)
	Т=8		Т=10		Т=12		Т=14
	Н=1,5	Н=2	Н=1,5	Н=2	Н=1,5	Н=2	Н=1,5	Н=2
1	8	11,6	9,8	12,6	10,7	13,8	11,4	15,1
1,5	5,9	10,2	7	10,9	8,2	11,7	10	12,8
2	4,9	8,2	5,7	10	6,6	10,7	8	11,5
2,5	4,3	6,9	4,9	8,3	5,6	10,1	6,7	10,7
3	3,8	6	4,4	7,1	6	8,9	5,9	10,2

Оборудование этого вида размещают в отапливаемых помещениях. Установки с производительностью более 500 м ³/сутки можно устанавливать в неотапливаемых помещениях.

Высоконагружаемые биофильтры

В отличие от капельного оборудования высоконагружаемые фильтры характеризует более высокая окислительная мощность – от 0,75 до 2,25 кг/ (м ³ х сутки БПК). Этот эффект обусловлен отсутствием заиляемости и хорошим воздухообменом. В установках используется загрузка с фракциями от 40 до 70 мм с рабочей высотой от 2 до 4 метров. Гидравлическая нагрузка варьируется от 10 до 30 м ³/(м² х сутки). В оборудовании может использоваться естественная или искусственная вентиляция.

Для расчетов аэрофильтров очистки бытовых и близких к ним по составу стоков нужно определять коэффициент K:

K = 10 ^αF+β, где

F – критериальный комплекс, равный HB ^0,6 K_T/q^0,4;

α и β – коэффициенты, зависящие от величины F и удельного расхода воздуха.

Таблица. Значения коэффициентов α и β

Удельный расход воздуха В, м3/м3	Критериальный комплекс F	α	β
8	≤ 0,662 > 0,662	1,51 0,47	0 0,69
10	≤ 0,85 > 0,85	1,2 0,4	0,13 0,83
12	≤ 1,05 < 1,05	1,1 0,2	0,19 1,15

Другие технические характеристики представлены в таблице.

Н, м	В, м3/м3	Значение коэффициента К при средне зимней температуре сточной воды Т, °С
		8			10			12			14
		Гидравлическая нагрузка q, м3/(м2·сут)
		10	20	30	10	20	30	10	20	30	10	20	30
2	8	3,02	2,32	2,04	3,38	2,5	2,18	3,76	2,74	2,36	4,3	3,02	2,56
3		5,25	3,53	2,89	6,2	3,95	3,22	7,32	4,64	3,62	8,95	5,25	4,09
4		9,05	5,37	4,14	10,4	6,25	4,73	11,2	7,54	5,56	12,1	9,05	6,54
2	10	3,69	2,89	2,58	4,08	3,11	2,76	4,5	3,36	2,93	5,09	3,67	3,16
3		6,1	4,24	3,56	7,08	4,74	3,94	8,23	5,31	4,36	9,9	6,04	4,84
4		10,1	6,23	4,9	12,3	7,18	5,68	15,1	8,45	6,88	16,4	10	7,42
2	12	4,32	3,38	3,01	4,76	3,72	3,28	5,31	3,98	3,44	5,97	4,31	3,7
3		7,25	5,01	4,18	8,35	5,55	4,78	9,9	6,35	5,14	11,7	7,2	5,72
4		12	7,35	5,83	14,8	8,5	6,92	18,4	10,4	7,69	23,1	12	8,83

Точные параметры аэрофильтров определяют технико-экономическим обоснованием.

Биологические фильтры с пластмассовой загрузкой

Пористость пластмассовой загрузки, в сравнении с фракционными материалами, высока, она составляет от 73 до 99%. Это обуславливает большую производительность ОС. Окислительная мощность по снятой БПК при неполной очистке может достигать 4,5 кг/ (м ³ х сутки), при неполной – 2,7 кг/ (м³ х сутки).

Максимальный технико-экономический эффект от использования оборудования этого вида достигается на 1 ступени 2-ступенчатой неполной очистки, а также осветления сточных вод небольших объектов, включая городки и промышленные площадки.

Производители выпускают фильтры с загрузкой пластмассой нескольких видов:

• с жесткой засыпной, плотностью от 40 до 100 кг/м ³, пористость – от 70 до 90%;
• с жесткой блочной, плотностью от 40 до 100 кг/м ³, пористость от 90 до 97%;
• с мягкой, плотностью от 5 до 60 кг/м ³, пористость – от 94 до 99%.

СНиП рекомендует БПКполн – не более 250 мг/литр, рабочую высоте – от 3 до 4 метров. Гидравлическая нагрузка определяется по таблице ниже.

Требуемая степень очистки, %	Гидравлическая нагрузка, м3/(м3·сут), при высоте слоя загрузки, м
	3					4
	При среднезимней температуре сточной воды, °С
	8	10	12	14	8		10	12	14
90	6,3	6	7,5	8,2	8,3		9,1	10	10,9
85	8,4	8,2	10	11	11,2		12,3	13,5	14,7
80	10,2	11,2	12,3	13,3	13,7		15	16,4	17,9

Допустимая нагрузка по БПК – по следующей таблице.

БПК5 очищенной воды, мг/л	Нагрузка по БПК5, кг/(м3·сут), при высоте слоя загрузки, м
	3				4
	При среднезимней температуре сточной воды, °С
	10-12	13-15	16-20	10-12		13-15	16-20
15	1,15	1,3	1,55	1,5		1,75	2,1
20	1,35	1,55	1,85	1,8		2,1	2,5
25	1,65	1,85	2,2	2,1		2,4	2,9
30	1,85	2,1	2,5	2,45		2,85	3,4
40	2,15	2,5	3	2,9		3,2	4

Для требуемой производительности оборудования в 1 тысячу и до 9,6 тысяч м ³/сутки предлагаются секционные биофильтры. Количество секций: 2, 4 или 6. Схемы установок – на рисунке.

Рис. Биофильтр с пластмассовой загрузкой

1 – реактивный ороситель; 2 – подающий трубопровод; 3 – блок загрузки из гофрированных листов полиэтилена; Б-1, Б-2 и т.д. – блоки пластмассовой загрузки

В секционных биофильтрах может использоваться 2 вида загрузки.

Загрузка	Удельная площадь поверхности, м2/м3	Пористость, %	Плотность, кг/ м3
Полиэтиленовые листы с гофром типа «сложная волна» (лист. Гофрированный в двух направлениях).	90	96	40
Полиэтиленовые листы гофрированные	126	93	70

Объем загрузки 1 секции – 56 м ³.

Погружные биофильтры

Погружные или дисковые биологические фильтры – это оборудование, сформированное из дисков, насаженных на одну ось параллельно друг другу. Оно погружается в стоки почти до оси. Осветление вод выполняет биопленка, которая образуется на поверхности дисков. Схема установки отображена на рисунке ниже.

Рис. Схема устройства дискового биофильтра

1 – дисковый блок из пластин; 2 – вал; 3 – привод дискового блока; 4 – подводящий лоток; 5 – ванна; 6 – водослив; 7 – отводящий лоток

Исходные стоки поступают в корыто, а отводятся – через перелив с противоположного края. Расчет оборудования выполняется согласно нагрузке на 1 м ² поверхности дисков. По информации зарубежных технологов она составляет от 7 до 100 г/сутки БПК. Для достижения разных степеней очистки используются разные нагрузки:

• для 60-процентной – 80 г/сутки, расположение дисков 1 или 2 ступени;
• для 80-процентной – 40 г/сутки, расположение дисков – 2 или 3 ступени;
• 90-процентной – 20 г/сутки, расположение дисков – 3 или 4 ступени.

Диаметр дисков может составлять от 2 до 3 метров, дистанция между ними – от 15 до 20 мм, расстояние от дна до диска – от 25 до 50 мм. Преимущественно дисковые фильтры используются за рубежом для очистки бытовых и производственных вод. Преимущества этого оборудования – незначительные. Но оно считается простым и надежным.

Башенные биологические фильтры

При БПК ₂₀ высота загрузки на очистку принимается:

• 250 мг/литр – 8 м;
• 300 мг/литр – 10 м;
• 350 мг/литр – 12 м;
• 450 мг/литр – 14 м;
• 500 мг/литр – 16 м.

Это оборудование выпускается одно- и 2-ступенчатое. Во втором случае между ступенями можно обустроить отстойник, где воды будут находиться в течение 1 часа. В установках используется загрузка с фракциями от 40 до 100 мм. Загрузочный материал помещают на колосниковые решетки, слоями. Толщина слоя – от 2 до 4,5 метров. Очистка происходит при естественной аэрации. Расчет башенных фильтров выполняется согласно таблице ниже.

БПК20 очищенной воды, мг/л	Нагрузка по БПК20, кг/(м3·сут), при средней зимней температуре сточной жидкости Т, °С
	8	10	12	14
20	0,8	1	1,2	1,4
30	1,3	1,5	1,6	1,8
40	1,6	1,7	2	2,2
50	1,9	2	2,2	2,5

Оборудование этой категории преимущественно используется в зарубежной практике.

Расчеты оросительных систем биофильтров

Преимущественно используются 2 типа оросителей: спринклерные и вращающиеся.

Спринклерные оросители

Оборудование состоит из спринклеров, дозирующего бака и разводящей сети. Количество спринклеров определяют в зависимости начального напора и диаметров (от 18 до 32 мм) отверстий. Площадь орошения устанавливают по графику ниже.

Рис. График для расчета площади орошения f и расхода воды через спринклер q в зависимости от напора Н для различных диаметров отверстий спринклеров

Также график разрешает установить расход воды сквозь 1 спринклер. Количество n спринклеров определяют по формуле:

n = F/f, где

F – площадь биологического фильтра в м²;

f – площадь, которую орошает 1 спринклер в м².

Радиус разбрызгивания R в метрах рассчитывается так:

R = 0,62√ f

Спринклеры размещают в шахматном порядке: между ними в ряду – 1,73 R, между рядами – 1,5 R.

Дозирующий бак, обустроенный гидравлическим затвором и сифоном, изготовлен, как усеченная опрокинутая пирамида, что разрешает менять расход от минимума до максимума. Схема узла – ниже.

Рис. Дозирующий бак с сифоном и гидравлическим затвором

1 – дозирующий бак; 2 – сифон; 3 – переливная труба

Максимальный расход воды из спринклера устанавливают по формуле:

где μ – коэффициент истечения, равный 0,67; ω – площадь сечения отверстия спринклера, м ²; Н ^CB_max – начальный свободный напор у спринклера, м.

Средний расход воды из всех спринклеров рассчитывают такой формулой:

Объем дозирующего бака W в м ³ рассчитывают следующим образом:

где q_пр – приток сточной воды на биофильтр, м³/с; t_оп– продолжительность опорожнения бака, принимаемая равной 1 – 5 мин.

Полный цикл разбрызгивания T в минутах происходит:

Наибольший уровень воды в дезодорирующем баке H _общ в метрах:

где Н ^CB_max – начальный свободный напор у самого отдаленного спринклера, м; h _max – потери напора в сети на трение и местное сопротивление при максимальном расходе, м; h _в – восстановительный напор;

где v _k+1 и v_k – скорости движения воды в распределительных трубопроводах до и после каждого ответвления, м/с; h _c – потери напора в сифоне, м; h_б – потери напора в баке, м; .

Вращающиеся оросители

Реактивные или вращающиеся оросители сформированы распределительным стаканом и радиальных трубок. Нужный напор H в метрах для разбрызгивания определяют по следующей формуле:

где q – расчетный расход сточных вод, л/с; m – число отверстий в каждой радиальной трубе оросителя; d – диаметр отверстий, мм; D _TP – диаметр радиальных труб, мм; D_OP – диаметр оросительной системы, мм, равный диаметру биофильтра за вычетом 200 мм; K – модуль расхода, л/с; в зависимости от диаметра радиальных труб принимаемся равным:

Диаметр радиальных труб оросителя, мм	50	63	75	100	125	150	175	200	250
Модуль расхода, л/с	6	11,5	19	43	86,5	134	200	300	560

Скорость потоков воды в начале распределительных трубок рекомендуется принимать – от 0,5 до 1 м/сек. Скорость жидкости из отверстий, диаметр которых – не менее 10 мм, - 0,5 м/сек. Количество отверстий на 1 плече разбрызгивателя рассчитывается по такой формуле:

где a – расстояние между двумя последними отверстиями, мм

Дистанция r в метрах от оси разбрызгивателя до любого из отверстий определяется по такому выражению:

где R – радиус оросителя, м; i – порядковый номер отверстий от оси оросителя;

Частота вращения установки в оборотах в минуту устанавливается по такой формуле: