Вторичная чистка сточных вод при помощи капельных фильтров
Вторичная чистка сточных вод при помощи капельных фильтров
О. В. Мосин
ВТОРИЧНАЯ Чистка СТОЧНЫХ ВОД При помощи КАПЕЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ
При чистке сточных вод с ролью активного ила используются так именуемые капельные, либо перколяционные био фильтры. В таком био фильтре популяции микробов есть в виде пленки либо слизистого слоя на поверхности жесткой насадки, неплотно заполняющей резервуар (толика пустот составляет около 0,5). В таких критериях воздух просто поступает в нижние слои насадки фильтра. Обычная конструкция био фильтра представлена на рисунке ниже.
Внедрение термина «фильтр» для описания этой системы водоочистки в почти всех отношениях безуспешно, так как механизм обезвреживания примесей тут связан не с их механическим удерживанием, а с теми же самыми поочередными процессами связывания и био окисления, которые реализуются в системах с активным илом. До того как приступить к исследованию популяций микробов, участвующих в чистке сточных вод в био фильтрах, необходимо тормознуть на неких конструктивных и эксплуатационных особенностях соответственных аппаратов.
Подлежащие чистке сточные воды контактируют с верхней частью недвижного слоя, толщина которого составляет обычно от 1 до 3 м; сточные воды подают безпрерывно через расположенные над недвижным слоем насадки сопла либо временами при помощи вращающегося разбрызгивателя, подобного изображенному на рисунке. И в том и в другом случае скорость потока сточных вод должна быть довольно низкой, чтоб слой насадки не оказался под водой. Для обеспечения подходящей скорости переноса кислорода поступающие в систему сточные воды должны обтекать покрытую слизью насадку довольно узким слоем, не препятствующим дыханию аэробных организмов, находящихся на внешней поверхности пленки микробов. В отличие от процессов с ролью активного ила, обычно требующих принудительной аэрации, через био фильтр воздух циркулирует благодаря естественной конвекции. Движущей силой конвекции является разность температур, создающаяся в фильтре за счет био окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах; отверстия для поступления воздуха и связанные с ними вентиляционные трубопроводы (расположенные снутри фильтра) обеспечивают поступление воздуха в нижние и промежные слои насадки.
Рис. Био капельный фильтр. [Из работы: Abson J. W., Todhunter К. П., in Biochemical and Biological Engineering Science, Blakebrough N. (ed.), vol. 1, p. 326, Academic Press, London, 1967.] 1 — крутящийся разбрызгиватель сточных вод; 2 — насадка; 3 — трубопровод для подачи сточных вод; 4 — мелкие камешки; 5—бетонная ограждающая стенка; 6 — отверстия для поступления воздуха.
К биологическим фильтрам применимы главные принципы взаимосвязей меж скоростью диффузии субстрата и скоростью реакции. В то же время сложность систем со смешанными популяциями микробов и растворами субстратов препятствует разработке аналитических способов исследования био фильтров, для которых типичны как локальные (снутри пленки микробов), так и общие (по толщине слоя насадки) градиенты концентраций субстратов и плотности популяций. Некие выводы высококачественного нрава, изготовленные на базе анализа диффузии и реакции в пленке, возможно окажутся полезными для их эксплуатации. Так, появление и развитие анаэробных областей в толще пленки микробов приведут к формированию газовых пузырьков, которые в свою очередь вызывают частичное отделение пленки от носителя. Образовавшиеся таким методом и унесенные из био фильтра потоком воды организмы нередко именуют дерном; последний нужно отделять в отстойнике, установленном конкретно после био фильтра. С другой стороны, в итоге этого процесса регулируется толщина пленки микробов, среднее значение которой находится в зависимости от огромного количества причин. В верно эксплуатируемом био фильтре толщина пленки микробов обычно составляет около 0,35 мм.
Таблица 1. Свойства высоконагружаемых и низконагружаемых био фильтров*
Черта Низконагружаемые био фильтры Высоконагружаемые био фильтры Гидравлическая нагрузка, л.(сут м2) 1000-4000 8000-40000 Органическая нагрузка, кг БПК5/(1000 м3 сут) 80-400 400-4800 Высота недвижного слоя насадки, м:
При одноступенчатом фильтре
При многоступенчатом фильтре
1,5-2,4
0,8-1,2
0,9-1,8
0,5-1,2 Режим подачи сточных вод
Циркуляция Повторяющийся
с циркуляцией Непрерывный
Без циркуляции Очищенная вода Высоконитрофицированная
БПК5 = 20 мг/л Отчасти нитрифицированная
БПК5 = 30 мг/л
*Из работы: Rich L. G., Environmental Systems Engineering, p. 370, McGraw-Hill Book Company, New York, 1973.
В табл. 1. приведены спектры производительности и эффективности био фильтров. В обычном процессе гидравлическая нагрузка такая, что время пребывания стоков в фильтре составляет 20—60 мин. В табл. 1 приведены также свойства высоконагружаемого био фильтра (время от времени его именуют импульсным капельным фильтром); в данном случае высочайшие скорости потока сточных вод ограничивают толщину формирующейся слизистой пленки микробов. Недочетом высоконагружаемых био фильтров является вымывание огромного количества дерна, который нужно отделять в отстойнике.
Для того чтоб осознать механизм работы био фильтра, полезно проследить за происходящими в фильтре превращениями в пространстве и времени. Допустим, капля воды перемещается вниз через поры фильтра. По мере движения через недвижный слой насадки состав воды меняется во времени, что обосновано поглощением различных компонент разными микробами. На теоретическом уровне эти конфигурации в почти всех отношениях близки событиям, происходящим в скисающем молоке. По мере конфигурации состава водянистой среды в ней попеременно развиваются в большей степени определенные виды микробов, что в свою очередь приводит к изменению ее состава и потом к подмене одной доминирующей популяции другой.
Сейчас перенесем наблюдения в фиксированную в пространстве систему координат. То, что ранее представлялось как конфигурации в капле во времени, сейчас будет иметь нрав рассредотачивания в рабочем пространстве фильтра, используемого в стационарном состоянии. Мельчайшие организмы, более адаптированные к утилизации питательных веществ сточных вод, доминируют в высшей части слоя насадки; тут же изобилуют крепко связанные с насадкой грибы и свободно плавающие ресничные. В нижней части фильтра преобладают стебельчатые ресничные и нитрифицирующие бактерии. Посреди ненужных жителей био фильтров можно время от времени найти и высших животных, из которых более многочисленны популяции червяков и личинок насекомых. Эти животные питаются организмами слизистого слоя, возрастающими на насадке фильтра; регулирование численности их популяций является важным фактором при управлении работой био фильтра.
Разделение организмов в пространстве био фильтра позволяет каждому виду стопроцентно приспособиться к соответственному окружению. По этой причине, а именно, низконагружаемые био фильтры обычно обеспечивают огромную прозрачность и огромную степень нитрификации чистой воды, чем системы с активным илом. Не считая того, опыт эксплуатации водоочистных станций показал, что по сопоставлению с системами с активным илом био фильтры наименее чувствительны к пиковым нагрузкам ядовитых веществ. В то же время, как показано в табл. 2, в неких отношениях системы с активным илом превосходят био фильтры. Предпочтение эксплуатации той либо другой системе водоочистки можно дать только после кропотливого исследования черт сточных вод, цены оборудования и требований к качеству чистой воды. В неких случаях сбалансированный вариант проекта включает внедрение как первого, так и второго способов. В окончательном варианте проекта определяют также определенные типы отстойников и устройств для рециркуляции.
Таблица 2. Сопоставление способов чистки сточных вод при помощи био фильтров и активного ила*
Свойства
Био фильтры
Системы с активным илом
Серьезные издержки
Высочайшие
Низкие
Эксплуатационные расходы
Низкие
Высочайшие
Площадь, занимаемая биореактором
Большая
Маленькая
Регулирование аэрации
Частичное (кроме систем с принудительной аэрацией)
Полное
Регулирование температуры
Затруднено из-за огромных утрат тепла
Полное; утраты тепла малые
Чувствительность к колебаниям концентраций загрязняющих веществ в сточных водах
Низкая; восстановление чувствительности происходит медлительно
Высочайшая; но восстановление чувствительности происходит стремительно
Прозрачность чистой воды
Отменная
Не очень отменная
Противный запах
Находится
Отсутствует
*Из работы: Abson J. W., Todhunter К. Я., in Biochemical and Biological Engineering Science, Blakebrough N. (ed.), vol. 1, p. 337, Academic Press, London, 1967.
Основой другого способа чистки сточных вод являются так именуемые био пруды; этот способ чистки намного проще, чем водоочистка при помощи активного ила либо био фильтров. В био окислительных прудах, напоминающих естественные водные экосистемы, в процессе фотосинтеза водные растения выделяют кислород; тем поддерживается аэробный режим, который нужен для микробов, утилизирующих органические загрязняющие вещества. Для предотвращения образования анаэробных зон окислительные пруды обычно делают неглубокими, от 0,6 до 1,2 м глубиной.
Напротив, в стабилизирующих прудах для обработки сточных вод, содержащих осаждающиеся примеси, поддерживается анаэробный режим либо чередование во времени аэробного и анаэробного режимов. Дополнительные сведения о таких процессах водоочистки приведены в работе Рича [3].
Литература
1. Hattori Т., Microbial Life in the Soil: An Introduction, Marcel Dekker, Inc., New York, 1973.
2. Mitchell R., Introduction to Environmental Microbiology, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1974.
3. Rich L. G., Environmental Systems Engineering, McGraw-Hill Book Company, New York, 1973.
4. Abson J. W., Todhunter К. П., Effluent Disposal, in Biochemical and Biological Engineering Science, Blakebrough N. (ed.), vol. 1, chap. 9, Academic Press, London, 1967. Andrews J. F., Review Paper: Dynamic Models and Control Strategies for Wastewater Treatment Processes, Water Res., 8, 261—289 (1974).