Биологические фильтры

Биологический фильтр
Сооружение биологической очистки сточных вод, в котором очистка осуществляется в результате сочетания двух процессов: фильтрования через загрузочный материал и биохимического окисления органических веществ.
В этих сооружениях отсутствует активный ил в обычном понимании этого термина. Он представляет собой биологическую пленку, образованную колониями микроорганизмов и покрывающую загрузочный материал фильтра.
Процессы окисления органических веществ в биофильтрах аналогичны процессам, протекающим в других сооружениях биохимической очистки, и, в первую очередь, на полях орошения и фильтрации. Однако, скорость этих процессов в биофильтрах значительно выше.
Биофильтры могут быть запроектированы на полную или неполную биохимическую очистку сточных вод.

Основные элементы биофильтров
Фильтрующая загрузка (загрузочный материал);
Водораспределительное устройство;
Дренажное устройство;
Воздухораспределительное устройство;
Резервуар.

Схема биологического фильтра

Фильтрующая загрузка
Вид и характеристики фильтрующей загрузки являются одним из основных классификационных признаков биофильтров. В соответствии с этим признаком их подразделяют:
биофильтры с объемной загрузкой (загрузочный материал – гравий, шлак, керамзит, щебень и др.);
биофильтры с плоскостной загрузкой (загрузочный материал – пластмасса, асбестоцемент, керамика, металл, ткани и др.).

Классификация биофильтров с объемной загрузкой
Капельные биофильтры (крупность фракций загрузочного материала –20…30 мм, высота слоя загрузки – 1…2 м);
Высоконагружаемые биофильтры (крупность фракций загрузочного материала – 40…60 мм, высота слоя загрузки – 2…4 м);
Башенные биофильтры (крупность фракций загрузочного материала – 60…80 мм, высота слоя загрузки – 8…16 м).
Объемный загрузочный материал имеет плотность 500…1500 кг/м3 и пористость 40…50 %.

Классификация биофильтров с плоскостной загрузкой
биофильтры с жесткой засыпной загрузкой (загрузочный материал – керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы, плотность загрузочного материала – 100…600 кг/м3, пористость загрузочного материала – 70…90 %, высота слоя загрузки – 1…6 м);
биофильтры с жесткой блочной загрузкой (загрузочный материал – гофрированные и плоские листы или пространственные элементы из пластмасс или листы из асбестоцемента. Пластмассовая загрузка: плотность – 40…100 кг/м3, пористость – 90…97 %, высота слоя загрузки – 2…15 м. Асбестоцементная загрузка: плотность – 200…250 кг/м3, пористость – 80…90 %, высота слоя загрузки – 2…6 м);

Классификация биофильтров с плоскостной загрузкой (продолжение)
Биофильтры с мягкой или рулонной загрузкой (загрузочный материал – металлические сетки, пластмассовые пленки, синтетические ткани (нейлон, капрон), закрепленные на каркасах или уложенные рулонами, плотность загрузочного материала – 5…60 кг/м3, пористость загрузочного материала – 94…99 %, высота слоя загрузки – 3…8 м);
Полупогружные дисковые биофильтры (материал дисков – пластмасса, асбестоцемент или металл, диаметр дисков – 0,6…3,0 м, расстояние между дисками – 10…20 мм, частота вращения вала с дисками – 1…10 мин-1).

Классификации биофильтров
По количеству ступеней:
Одноступенчатые;
Двухступенчатые;
По режиму работы:
С рециркуляцией очищенной сточной воды;
Без рециркуляции очищенной сточной воды.

Область применения биофильтров
Капельные биофильтры – при расходах сточных вод до 1000 м3/сут;
Высоконагружаемые и башенные биофильтры – при расходах сточных вод до 50000 м3/сут;
Плоскостные биофильтры с засыпной и мягкой загрузкой – при расходах сточных вод до 10000 м3/сут;
Плоскостные биофильтры с блочной загрузкой – при расходах сточных вод до 50000 м3/сут;
Полупогружные дисковые биофильтры – при расходах сточных вод до 1000 м3/сут.

Водораспределительное, дренажное и воздухораспределительное устройства
Водораспределительное устройство проектируется таким образом, чтобы обеспечить равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра.
Дренажное устройство обеспечивает удаление профильтрованной воды из биофильтра.
Воздухораспределительное устройство обеспечивает поступление в биофильтр необходимого количества кислорода.
Для распределения сточных вод по поверхности биофильтров используют разбрызгиватели (спринклеры) и реактивные оросители.

Основы расчета биофильтров

Схема спринклерной водораспределительной системы капельного биофильтра

Схема высоконагружаемого биофильтра (аэрофильтра) с реактивным оросителем

Капельные биофильтры

Основные технологические характеристики
Допустимая величина БПКполн очищаемых сточных вод – 220 мг/л;
Гидравлическая нагрузка – 1…3 м3/(м2·сут);
Число рабочих секций – 2…6(8).

Порядок расчета
Коэффициент очистки сточных вод
По среднезимней температуре сточных вод Т и значению k по таблицам СНиП 2.04.03-85 определяется высота биофильтра Н и гидравлическая нагрузка q. В случае, когда расчетное значение k выше приведенных в таблице, необходимо ввести рециркуляцию очищенной сточной воды, а расчет сооружения выполняется по методике расчета высоконагружаемых биофильтров с рециркуляцией очищенных стоков.

Порядок расчета (продолжение)
По расходу очищаемых сточных вод и гидравлической нагрузке вычисляется общая площадь биофильтра

Высоконагружаемые биофильтры

Основные технологические характеристики
Допустимая величина БПКполн очищаемых сточных вод – 300 мг/л;
Гидравлическая нагрузка – 10…30 м3/(м2·сут).

Порядок расчета
Определяется коэффициент очистки сточных вод k;
По среднезимней температуре сточных вод Т и значению k по таблицам СНиП 2.04.03-85 определяются высота биофильтра Н, гидравлическая нагрузка q и удельный расход воздуха Вуд. Если расчетное значение k отличается от приведенных в таблице, указанные параметры следует принимать: при очистке сточных вод без рециркуляции – по ближайшему большему значению k, при очистке сточных вод с рециркуляцией – по ближайшему меньшему значению k.

Порядок расчета (продолжение)
При очистке сточных вод без рециркуляции площадь биофильтров определяется аналогично капельным биофильтрам. При очистке стоков с рециркуляцией рассчитываются допустимая величина БПКполн смеси поступающей на очистку и рециркулирующей сточных вод, подаваемой на биофильтр, коэффициент рециркуляции и площадь биофильтра:

Порядок расчета (продолжение)
При расчете биофильтров для очистки сточных вод с температурой Т < 8 0С и Т > 14 0С площадь биофильтров следует скорректировать по формуле

Биофильтры с плоскостной загрузкой

Основные технологические характеристики
Допустимая величина БПКполн очищаемых сточных вод: при полной биохимической очистке – 250 мг/л, при неполной биохимической очистке – не ограничивается;
Величина гидравлической нагрузки зависит от глубины очистки и концентрации органических веществ в поступающей на очистку сточной воде и принимается по рекомендациям СНиП 2.04.03-85.

Порядок расчета
Определяется критериальный комплекс η в зависимости от величины БПКполн очищенных сточных вод по таблицам СНиП 2.04.03-85 или по формуле

Порядок расчета (продолжение)
По среднезимней температуре сточных вод определяется коэффициент kТ.
Высота слоя загрузки Н назначается в зависимости от требуемой степени очистки сточных вод по рекомендациям СНиП 2.04.03-85, но не менее 4 м.
Величина пористости загрузки определяется исходя из конструктивных размеров плоскостной загрузки.
По величине суточного расхода сточных вод Q и величине гидравлической нагрузки q вычисляется объем загрузки биофильтра, затем количество биофильтров и их конструктивные размеры.

Биофильтры с пластмассовой загрузкой

Основные технологические характеристики
БПКполн сточных вод, подаваемых на биофильтры – не более 250 мг/л;
рабочую высоту – 3…4 м;
в качестве загрузки – блоки из поливинилхлорида, полистирола, полиэтилена, полипропилена, полиамида, гладкие или перфорированные пластмассовые трубы диаметром 50…100 мм или засыпные элементы в виде обрезков труб длиной 50…150 мм, диаметром 30…75 мм с перфорированными, гофрированными или гладкими стенками;
пористость загрузочного материала – 93…96 %
удельную поверхность загрузочного материала – 90…110 м2/м3;
аэрацию – естественную.

В случае возможного прекращения притока сточных вод необходимо предусматривать рециркуляцию этих вод во избежание высыхания биопленки на поверхности загрузки.
Рассматриваемые биофильтры могут быть выполнены:
прямоугольной формы в плане со спринклерной водораспределительной системой;
круглой формы в плане с реактивными оросителями.
В первом случае для расчета следует использовать формулы, приведенные для капельных биофильтров, а во втором – для высоконагружаемых биофильтров (аэрофильтров). При этом, гидравлическую нагрузку qs в соответствии с принятой рабочей высотой h1 и заданными эффектом очистки Э и температурой сточных вод Тw принимают по рекомендациям СНиП 2.04.03-85.

Полупогружные дисковые биофильтры