Сооружения биологической очистки сточных вод методом биофильтрации.

Теоретические основы метода биофильтрации

 

Биологический фильтр (биофильтр) – сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической плёнкой (биоплёнкой), образованной колониями микроорганизмов (рис. 12.1).

Биофильтр состоит из следующих частей:

– фильтрующей загрузки, помещенной в резервуар круглой или прямоугольной формы в плане;

– водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра;

– дренажного устройства для удаления очищенной сточной воды;

– вентиляционного устройства, с помощью которого поступает необходимый для окислительного процесса воздух.

Биофильтр это сооружение биологической очистки с фиксированной биомассой, закреплённой на поверхности среды-носителя (загрузочного материала), которая осуществляет процессы извлечения и сложной биологической переработки загрязнений из сточных вод. Микроорганизмы биоплёнки в процессе ферментативных реакций окисляют органические вещества, получая при этом питание и энергию, необходимые для своей жизнедеятельности. Биофильтр, как и любой биоокислитель, представляет собой открытую экологическую систему, ограниченную в пространстве. Эффективность и пропускная способность биофильтров зависит от многих факторов: влияния окружающей среды, состава и режима сточных вод, эксплуатации, конструкции биофильтров.

Оценка возможности использование ила из системы сточных вод как удобрение для сельскохозяйственных полей

Вводная часть

Биологический ил из вторичных отстойников и сброженный осадок из метантенков систем очистки сточных вод содержит большое количество биогенных элементов (C, N, P, K, Cа, S) и после обезвоживания может использоваться как органическое удобрение близкое по качеству к навозу. Такое использование ила одновременно решает задачи его удаления и утилизации и с этой точки зрения наиболее экологично, поскольку замыкает кругооборот биогенов. Возможности использования ила в качестве удобрения лимитируется двумя обстоятельствам

· повышенным содержанием в нем тяжелых метолов и расходами на транспортировку

При высоком содержании тяжелых металлов в иле он в органических количествах может использоваться как удобрение. Предельные дозы ила, которые могу быть внесены на с.х. поле, определяются следующими факторами

· составом ила

· составом и типом почвы

· видом выращенной с.х. культуры

и рядом других природных и техноэкологических условий.

Общим принципам которым на сегодняшний день можно руководствоваться при определении допустимости до ила, является принцип не перекрытия ПДК по содержанию тяжелых металлов в почве и в с.х продукции. При этом следует учитывать два обстоятельства 1. некоторый количество тяжелых металлов всегда присутствует в почве и некоторые из них (Zn, Cu, Co и другие) являются при этих концентрациях необходимы для растений микроэлементами

С другой страны при повышенном содержании эти же элементы могут стать токсичны для растений, причем суммарный токсичный эффект действия нескольких элементов может превышать действий каждого из них в отдельности

Например, в качестве оценки суммарного загрязнение почвы цинком медью и никелем предложено использовать «эквивалент цинка» определяют следующим образом ЭЦ=1[Zn ]+2 [ Cu]+8 [ Ni]

При отсутствии данных о взаимном усилении или ослабленных токсичных действий различных элементов критерий допустимости суммарного загрязнения считается соотношением = ≤1

Где

концентрация i-того токсиканта в почве или растении

Для потребителя сельхоз. продукции загрязнение почвы тяжелыми металлами сказывается двояко - во 1-ых снижается качество продукции за счет загрязнение ее тяжелыми металлами и снижение питательных ценностей а во 2-ых снижается урожай в результате угнетения растений.

Таким образом возможность использования ила как удобрения определяется балансом между пользой от замыкания кругооборота биогенов путём возвращения их в почву с одновременной утилизацией отходов очистных сооружений и вредом от загрязнения почвы тяжелыми металлами и другими устойчивыми ксенобиотиками. При оценке экологического ила от очистных сооружений до места утилизации.

Исходные данные расчёта Валовой элемент состав не загрязняющий почву зависит от типа почвы и почвообразующей породы. Примерное содержание микроэлементов в загрязненных и сильно загрязненных почвах и ПДК для почв приведены в таблице 1.

Таблица 1. содержание некоторых элементов в пахотном слоя почвы элемент элемент Обычное содержания максимальное содержание элементов обнаруженных в загрязненных почвах ПД содержания As Мышьяк 0,1-20     Бор Бор 5-20     Be Бериллий 0,1-5     Br Бром 1-10     Cd Кадмий 0,01-1     Со Кобальт 1-10     Сr Хром 2-50     Сu Медь 1-20     F Фтор 50-200     Ga Галлий 0,1-10     Hg Ртуть 0,01-1   2,1 Молибден Мо 0,2-5     Ni Никель 2-50     Pb Свинец 0,1-20     Sb Сурьма 0,01-0,5     Se Силен 0,01-5     Sn Олово 1-20     Tl Таллий 0,01-0,5     Ti Титан 10-5000     U Уран 0,01-1     V Ванадий 10-100     Zn Цинк 3-50     Zr Цирконий 1-300       Состав биологического ила из системы очистки городских стоков варьируется в довольно широких приделах таблица 2 содержание и загрязнения элементов в илах городских стоков. Компоненты ила Единица измерения Диапазон содержания Среднее содержание Общий азот % 2,0-7,9 5,6 Органический азот % 2,4-6,9 4,1 Р % 2,1-3,8 2,9 К % 0,2-0,6 0,4 Zn мг/кг 750-2740   Pb мг/кг 165-3690   Cr мг/кг 15-3900   Cu мг/кг 275-1540   Mn мг/кг 150-1380   Ni мг/кг 5-330   Cd мг/кг 10-365   В мг/кг 25-60   Нg мг/кг 0,8-10

Таблица 3 усредненные фоновые содержание (числитель) и ПДК (знаменатель). Микроэлементы в некоторых видах растительной продукции и кормов мг/кг сырой массы

 

Вид продукции	Pb	Cd	Hg	Cu	Zn	Ni	As
Продукты: Зерновые и зернобобовые Овощи фрукты	/0.5 0,2/0,5 0,05/0,4	/0,1 0,02/0,03 0,005/0,3	/0,03 0,003/0,02 0,002/0,02	/10 1,1/5 1,0/5	/50 4,0/10 1,5/10	0,1 0,05	10,2 0,1/0,2 0,05/0,2
Корма: Зерно Грубые и сочные корма   корнеплоды	/5,0   /5,0   0,2/50	/0,3   /0,3   0,02/0,3	/0,1   /0,05   0,03/0,05	/30   /30   1,4/30	/50   /50   3,6/100	/1,0   /3,0   0,1/3,0	/0,5   /0,5   0,1/5

 

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.)

биофильтры с плоскостной загрузкой (пластмассы, асбестоцемент, керамика, металл, ткани и др.).

1. 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 от 1-4м;

– биофильтры большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60-80 мм и высоту слоя загрузки 8-16 м.

2. 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’ асбестоцементных 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.

Процесс очистки сточных вод осуществляется в проточном режиме с периодическим или непрерывным орошением поверхности загрузочного материала и включает сооружения биофильтрации и вторичного отстаивания, оборудование и коммуникации для подачи и распределения сточной воды, отведения и рециркуляции очищенной воды, вентиляции биофильтров. По технологической схеме работы биофильтры могут быть одно- и двухступенчатыми, при этом режим работы назначается как с рециркуляцией, так и без нее. В некоторых случаях биофильтры применяются в качестве сооружений первой или второй ступеней биологической очистки в комплексе с другими биоокислителями.

Допускается применение биологических фильтров с плоскостной загрузкой без первичного отстаивания в одно- и двухступенчатых технологических схемах очистки сточных вод.

 

Технологические схемы работы биофильтров:
а – одноступенчатая; б – одноступенчатая с рециркуляцией; в – двухступенчатая; г – двухступенчатая с рециркуляцией; д – двухступенчатая с биофильтрами с объёмной загрузкой на первой ступени и аэротенками на второй; е – двухступенчатая с биофильтрами с плокостной загрузкой на первой ступени и аэротенками на второй; ж – то же, но без первичного отстаивания перед биофильтрами с плоскостной загрузкой; з – то же, но без вторичного отстаивания перед аэротенком; 1 – осветленные сточные воды после сооружений механической очистки; 2 – биологически очищенные сточные воды; 3 – избыточная биопленка; 4 – подача сточных вод на рециркуляцию; 5 – рециркуляционный активный ил; Б – биофильтр; Б-1 – биофильтр первой ступени; Б-Н – биофильтр второй ступени; БОЗ – биофильтр с объёмной загрузкой; БПЗ – биофильтр с плоскостной загрузкой; АЭР – аэротенк; ПО – первичный отстойник; ВО – вторичный отстойник; ТО – третичный отстойник; П -песколовки

На рис. а приведена классическая схема очистки сточных вод при концентрации органических загрязнений по БПК_П0ЛН <300 мг/л. По этой схеме сточная вода, после первичного отстаивания поступает на биофильтр и далее биологически очищенная вода осветляется во вторичном отстойнике.

Технологическая схема б предназначена для очистки сточных вод, если концентрация загрязнений по БПК_П0ЛН >300 мг/л. По этой схеме часть биологически очищенной сточной воды отбирается после вторичного отстойника и подаётся перед биофильтрами и тем самым достигается требуемое разбавление воды, поступающей на биологическую очистку. Применение схемы с рециркуляцией сточной воды повышает эффективность работы очистных сооружений по БПК и позволяет снизить концентрацию аммонийного азота.

Для очистки сточных вод с высокой концентрацией органических загрязнений по БПК, содержащих трудноокисляемые загрязнения, следует применять двухступенчатые технологические схемы (в, г, д). При этом на первой ступени используются биофильтры, а на второй – другие виды биологических окислителей, например аэротенки.

Методы расчета биофильтров

Длительное время в отечественной практике используется способ расчета биофильтров по окислительной мощности. По этому методу необходимый объем материала загрузки определить по уравнению

W=

Где - БПК поступающих сточных вод, г/м³;

Q - расход сточных вод, м³/сут;

ОМ - окислительная мощность биофильтра, г/(м³-сут).

Окислительная мощность 1м³ загрузки биофильтра определяется в зависимости от среднегодовой температуры воздуха. К. Н. Корольков предложил для расчета изъятия органических загрязнений воспользоваться след. закономерностью

=K

допустив, что масса органических веществ, адсорбированных активным илом, пропорциональна концентрации их в жидкости в момент времени (здесь k - константа скорости изъятия органических загрязнений). И. С. Постников ввел в расчетные уравнения высоту биофильтра Н, имеющую большое значение для эффективной очистки сточных вод. Проф. С. В. Яковлевым был предложен графоаналитический способ расчета высоконагружаемых биофильтров, в основу которого положена функциональная зависимость БПК₅ выходящей после очистки на биофильтре воды от ряда факторов:

=f ( А,q, Т, Н, В)

где - БПК₅ выходящих сточных вод, г/м³;

А - концентрация взвешенных загрязнений в сточных водах, поступающих на биофильтр, г/м³;

q - гидравлическая нагрузка, м³/1(м²-сут);

Т - температура сточной воды, °С;

Н- высота биофильтра м;

В- расход воздуха, м³ необходимый для аэрации 1 м³ сточной воды.

Обработав многочисленные отечественные и зарубежные данные, С. В. Яковлев получил критериальную зависимость

Э=f (Ф)

Где , Ф₁=

Ф₁ - критериальный комплекс; k_Т - температурная константа).

Для определения допустимой гидравлической нагрузки на фильтр при заданных значениях и Н были получены следующие формулы:

при ≤ 10

q=

 

Этот метод позволяет рассчитать биофильтр на любую степень очистки с учетом различных скоростей окисления органического вещества по высоте загрузки.

 

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА И ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБЫ ПРИ ПРЕЗИДЕНТЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ»

КОЛЛЕДЖ МНОГОУРОВНЕВОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ