Глава 5. Процессы и аппараты для биологической очистки сточных вод

Биологическое окисление — широко применяемый на практике метод очистки производственных сточных вод, позволяющий очистить их от многих органических примесей. Процесс этот, по своей сущности, природный, и его характер одинаков для процессов, протекающих в водоеме или очистном сооружении. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т. д.

Сооружения и аппараты для биологической очистки сточных вод в искусственных условиях.

Всю совокупность сооружений биологической очистки целесообразно разделить на три группы по признаку расположения в них активной биомассы:

1) когда активная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии;

2) когда активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки;

3) когда сочетаются оба варианта расположения биомассы.

Первую группу сооружений составляют аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки; вторую — биофильтры; третью— погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями.

В производственных сточных водах встречается до 30 видов бактерий. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения.

Самыми важными факторами формирования биоценоза илов очистных сооружений являются состав обрабатываемой воды и величина нагрузки на ил (биопленку).

Действие других факторов — температуры, перемешивания, концентрации растворенного кислорода — практически не изменяет качественного состава илов, но влияет на количественное соотношение различных групп микроорганизмов.

Важнейшим свойством активного ила является его способность к оседанию.

Свойство оседания описывается величиной илового индекса, представляющего собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30-минутного отстаивания. Илы с индексом до 120 мл/г оседают хорошо, с индексом 120…150 мл/г —удовлетворительно, а при индексе свыше 150 мл/г — плохо. Плохая оседаемость ила влечет за собой повышенный вынос его с очищенной водой и, следовательно, ухудшение качества их очистки.

Аэротенки

Аэробная биологическая очистка больших количеств сточных вод обычно осуществляется в аэротенках — емкостных проточных сооружениях со свободно плавающим в объеме обрабатываемой воды активным илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности. Непременным условием эффективности биологических процессов метаболизма в аэротенке является обеспечение их растворенным в воде кислородом, что достигается аэрацией и перемешиванием смеси воды и активного ила пневматическими, механическими или смешанного типа устройствами.

Аэротенки можно классифицировать по следующим основным признакам. По структуре потока — аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости, аэротенки промежуточного типа (рис.5.1).

Рис. 5.1. Схемы аэротенков:

а — вытеснители; б — смесители; в — с рассредоточенным впуском воды;

г — с неравномерно распределенной подачей жидкости типа АНР;

д — с регенераторами; е — ячеистого типа; I — сточная вода; II — активный ил; III —иловая смесь; 1 — аэротенк; 2 — вторичный отстойник;

3 — регенератор.

По способу регенерации активного ила — аэротенки с отдельно стоящими регенераторами ила, аэротенки, совмещенные с регенераторами.

По нагрузке на активный ил — высоконагружаемые, обычные и низконагружаемые.

По числу ступеней — одно-, двух- и многоступенчатые.

По конструктивным признакам — прямоугольные, круглые, комбинированные, противоточные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.

По типу систем аэрации — с пневматической, механической, комбинированной гидродинамической или пневмомеханической..

Аэротенки могут быть успешно применены для полной или частичной очистки многих видов сточных вод в широком диапазоне концентраций загрязнений и расходов сточных вод.

В аэротенках-вытеснителях, имеющих один — четыре коридора, вода и ил подаются в начало сооружения, а смесь отводится в конце его. Теоретически режим потока в вытеснителях должен быть поршневым без продольного перемешивания. Однако, в коридорных аэротенках существует значительное продольное перемешивание. В большей степени режиму вытеснителя соответствуют конструкции аэротенков ячеистого типа.

Аэротенк ячеистого типа представляет собой прямоугольное в плане сооружение, разделенное на ряд отсеков поперечными перегородками. Смесь из первого отсека переливается во второй (снизу), из, второго — в третий (сверху) и т. д. В каждой ячейке устанавливается режим полного смешения, а сумма ряда последовательно расположенных смесителей составляет практически идеальный вытеснитель.

Сточная вода и ил в аэротенках-смесителях подводятся и отводятся равномерно вдоль длинных сторон сооружения. Принимается, что поступающая смесь очень быстро (в расчетах мгновенно) смешивается с содержимым всего сооружения.

В аэротенках промежуточного типа можно рассредоточенно подать либо воду, либо ил с отводом смеси сосредоточенно в конце аэротенка. На практике применяется первый тип — с рассредоточенной подачей воды.

В аэротенках с разными структурами потока существенно различны и условия развития популяции микроорганизмов. В аэротенках-вытеснителях нагрузка на ил и скорость потребления кислорода максимальны в начале сооружения и минимальны в конце. Если воздух подается равномерно по всей длине аэротенка, то в начале процесса может отмечаться глубокий дефицит кислорода. Условия развития популяции микроорганизмов в этой системе оптимальны только в какой-то средней части сооружения, где имеется соответствие между уровнем питания и наличием растворенного кислорода. Аэротенки-вытеснители плохо справляются с залповыми перегрузками по загрязнениям, в них нельзя, существенно повысить рабочую концентрацию ила.

Нагрузка на ил, скорости процесса изъятия загрязнений и потребление кислорода в аэротенках-смесителях (называемых также аэротенками полного смешения) постоянны во всем объеме сооружения. Ил находится в одной достаточно узкой стадии развития культуры, обусловленной величиной нагрузки на ил. Условия существования культуры близки к оптимальным. Однако качество очищенной воды при прочих равных условиях может оказаться несколько ниже, чем в аэротенках-вытеснителях, поскольку в силу особенностей гидродинамической структуры потока, обусловливающих вероятность попадания части только что поступившей сточной воды в отводную систему, снижается общий эффект очистки. Эта вероятность тем выше, чем ближе конструкция сооружения к идеальному смесителю.

При рассредоточенной подаче жидкости полная нагрузка по загрязнениям достигает максимума к концу сооружения, но степень очистки воды может быть очень высокой, так как по мере продвижения смеси по аэротенку ранее поданные загрязнения успевают срабатываться и к концу аэротенка уровень питания истинный (а не расчетный) может соответствовать состоянию ила с высокой окислительной способностью.

Аэротенк с рассредоточенной подачей воды имеет тот же недостаток, что и аэротенк-вытеснитель: отсутствие оптимальных условий по кислородному режиму в сооружении. Однако общая масса ила в аэротенке с рассредоточенной подачей воды выше, чем в вытеснителе, в связи с чем пропускная способность этого аэротенка также выше.

Нагрузку по сточной воде на единицу длины сооружения qx рассчитывают по формуле

где α — количество возвратного ила, выраженное в долях единицы от расхода воды; Q— общий расход сточных вод, м³/с; l — длина сооружения, м; х — расстояние от начала впуска до заданного сечения, м.

Система аэрации— важнейший элемент любого аэротенка. Эта система состоит из комплекса сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости кислородом, поддержание ила во взвешенном состоянии и постоянное перемешивание сточной воды с илом. Для большинства типов аэротенков система аэрации обеспечивает одновременное выполнение всех этих функций, лишь в окситенке перемешивание механическими мешалками не связано с системой подачи кислорода:

Существуют три системы аэрации: пневматическая, механическая и комбинированная.

Пневматическую систему аэрации, при которой воздух нагнетается в аэротенк под давлением, подразделяют на три типа в зависимости от размера продуцируемого пузырька воздуха: на мелкопузырчатую — с размером пузырька до 4 мм, среднепузырчатую — 5…10 мм и крупнопузырчатую — более 10 мм. В качестве распределительного устройства для воздуха в пневматических системах применяют фильтросные пластины и трубы, купола, диски, тканевые аэраторы и др.

При механической системе аэрации в качестве источника кислорода используется непосредственно наружный воздух, вовлекаемый в аэротенк при вращении в нем жидкости мешалкой-аэратором. Механические аэраторы обычно классифицируют по типу расположения оси вращения ротора на горизонтальные и вертикальные. Наибольшее разнообразие видов имеют аэраторы с вертикальной осью вращения. Эти аэраторы могут располагаться либо на поверхности, либо в толще воды (соответственно кавитационная или импеллерная система).

Удельный расход воздуха D, м³/м³, при очистке производственных сточных вод в аэротенках с пневматической системой аэрации определяют так же, как и для бытовых сточных вод. Расчетная формула представляет собой отношение количества кислорода, требующегося для обработки 1 м³ воды, к количеству кислорода, используемого с 1 м³ подаваемого воздуха:

где z — удельный расход кислорода, мг на 1 мг снятой БПК_полн; L_τ и L_a — БПК соответственно очищенной и поступающей сточной воды; k₁ — коэффициент, учитывающий тип аэратора (по размеру пузырька) и для мелкопузырчатых аэраторов являющийся функцией площади, которая занята аэраторами по отношению к общей площади зеркала воды в сооружении; k₂ — коэффициент, учитывающий глубину погружения аэратора; п₁ — коэффициент, учитывающий температуру сточных вод; n₂ — коэффициент качества сточной воды, описывающий изменение величины объемного коэффициента массопередачи в сточной воде по отношению к водопроводной воде при t = 20 °С; C_p —растворимость кислорода в воде в зависимости от высоты столба сточной воды над. аэратором, мг/л; С — допустимая минимальная концентрация кислорода в сточной воде, которая не лимитирует скорости окислительного процесса, мг/л.

За счет интенсивной рециркуляции и засасывания воздуха в воду механические аэраторы насыщают жидкость кислородом. В зависимости от принципа действия и конструкции механические аэраторы разделяются на поверхностные и погружные (всасывающие и пневмомеханические).

Поверхностные — дисковые и конусные — аэраторы представляют собой лопастные турбины диаметром 0,5…4 м с вертикальным валом, которые приводятся во вращение двигателями-редукторами (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Механический поверхностный аэратор дискового типа:

1 — вал; 2 — лопасти аэратора; 3 — направляющий аппарат для циркуляции.

При работе аэратора жидкость засасывается снизу, приводится во вращение и отбрасывается к периферии. В результате гидравлического прыжка захватывается и диспергируется атмосферный воздух. Основными показателями, характеризующими механические аэраторы, являются окислительная способность (ОС) и удельные затраты Э.

Расчет аэратора производится по формуле

где v_д — минимальная донная скорость потока в аэрируемом резервуаре, м/с; D_т —диаметр турбины, м; N — частота ее вращения, с^-1;

Н — глубина резервуара, м; В —длина зоны действия одного аэратора, м.

При выборе механических аэраторов следует исходить из их производительности по кислороду, определенной при 20 °С. При отсутствии растворенного кислорода в воде скорости потребления кислорода и массообменных свойств жидкости характеризуются коэффициентами п₁, n₂ и дефицитом кислорода (С_р - С)/С_р.

Число аэраторов m для аэротенков и биологических прудов рассчитывают по формуле

,

где V — объем сооружения, м³; W — производительность аэраторов по кислороду, кг/с (принимается по паспорту); τ — продолжительность пребывания жидкости в сооружении, ч.

Окислительная способность ОС аэратора зависит от многих факторов и может быть определена расчетным путем. Ориентировочно можно принять, что дисковые аэраторы диаметрами 0,5; 1 и 3 м имеют ОС, равную соответственно 80, 230 и 1860 кг/сут.

Существуют также струйные аэраторы, обеспечивающие диспергирование атмосферного воздуха путем эжектирования его напорной струёй аэрируемой жидкости, которая подается к аэраторам предусмотренными для этих целей циркуляционными насосами. Применяют два типа струйных аэраторов — шахтный и эжекторный. По производительности и энергетическим показателям шахтные аэраторы превосходят эжекторные, но последние более компактны.

Имеются и другие конструкции эрлифтных аэраторов.

Аэротенки-вытеснителикоридорного типа (рис. 5.3) применяют при начальной БПК_полн не более 500 мг/л. Ширина коридоров принята 4,5; 6 или 9 м, шаг длины коридора равен 6 м.

Рис. 5.3. Типовой четырехкоридорный (I—IV) аэротенк:

1 — воздуховод; 2 — средний канал; 3 — щитовой затвор; 4 — верхний канал осветленной воды; 5, 6 — соответственно воздушные и водовыбросные стояки; 7 — скользящая опора; 8 — труба Вентури; 9 — трубопровод циркулирующего активного ила; 10— распределительный канал вторичных отстойников; 11 — нижний канал осветленной воды; 12, 13 — воздуховод соответственно на канале и секции.

В качестве аэраторов использованы фильтросные трубы. Площадь аэрируемой зоны составляет 50 % общей площади аэротенка. Рабочая глубина аэротенка 5 м, ширина коридора 6 м, число коридоров 2, 3, 4, длина аэротенка 36…84 м с длиной вставки 6 м.

Аэротенки-смесителирекомендуется применять для сточных вод с высокой начальной БПК, а также при резких колебаниях состава воды. Практически все аэротенки небольшого размера с механическими аэраторами относятся к типу аэротенков-смесителей. Наибольшее распространение получили аэротенки-смесители, совмещенные со вторичными отстойниками. Конструкций таких аэротенков предложено много, некоторые из них показаны на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Аэротенки-отстойники с механической системой аэрации:

а, г, д — установки с центрально расположенной зоной аэрации; б — установка большой производительности с удалением осадка скребками; в — установка со смежным расположением зон аэрации и отстаивания; е — установка МИСИ; 1 — подача сточной воды; 2 — стабилизатор потока; 3 — механический аэратор поверхностного типа: 4 — зона аэрации; 5 — отделение дегазирования ила; 6 — зона отстаивания; 7 — зона уплотнения ила; 8 — выпуск обработанной сточной воды; 9 —выпуск избыточного ила; 10 — дополнительный заглубленный ротор.

Для очистки сточных вод, содержащих примеси, окисляющиеся с заметно разной скоростью, эффективно применение двухступенчатых аэротенков. Создание активного ила, хорошо адаптированного к определенным веществам, в каждой ступени аэротенков повышает общую пропускную способность системы на 15…20 %. Схемы двухступенчатых аэротенков могут включать как аэротенки-вытеснители, так и аэротенки-смесители. Аэротенки могут быть с регенераторами и без них. Чаще регенератор вводят только в I ступень.

Аэротенки с заполнителями. С целью повышения общей концентрации ила в аэротенк помещают биологически инертную массу, которая обрастает биопленкой. Одним из вариантов такого устройства является аэротенк, в который помещается поролон в виде мелких кусков неправильной формы. После обрастания биопленкой поролон становится тяжелее воды и поддерживается во взвешенном состоянии продувкой смеси. На выходе из аэротенка устраивается сетка, задерживающая наполнитель.

В настоящее время существует несколько разновидностей аэротенков с заполнителями (называемых также и биотенками). Они успешно применяются для очистки фенолсодержащих сточных вод. Общая окислительная мощность аэротенков с заполнителями выше, чем у обычного аэротенка, вследствие, увеличенной концентрации ила, но удельная скорость окисления, отнесенная к 1 г ила, такая же, как и в других аэротенках.

Биотенки-биофильтры. Эти сооружения (рис. 5.5) состоят из корпуса и расположенных внутри него друг над другом в шахматном порядке лотковых элементов. Обрабатываемая сточная вода поступает в верхнюю часть биотенка и, заполнив расположенные выше емкости, стекает вниз. При этом сточной водой омываются наружные части элементов, на которых образуется биопленка. Образующаяся в самих элементах биомасса активного ила перемешивается и насыщается кислородом вследствие движения обрабатываемой сточной воды. Биотенк в совокупности с биофильтром обеспечивает высокую степень очистки (до БПК₅ порядка 30 мг/л) при нагрузке по БПК₅ примерно 1,5 кг/(м^3.сут).

Рис. 5.5. Схема биотенка:

1 — корпус; 2 — элементы загрузки.

Расчет аэротенков.Задача технологического расчета аэротенков — определение основных параметров системы (продолжительность аэрации, расход воздуха и приростила), по которым устанавливаются размеры, конструкции и оборудование сооружений.

Период аэрации τ, ч, в аэротенках-смесителях, определяется по формуле

где V – объем аэротенка-вытеснителя; Q – расход сточной воды, подаваемой на сооружение; s — зольность ила, доли единицы; ρ — скорость окисления загрязнений, мг БПК_полн на 1 г беззольного вещества ила в 1 ч;

а ≈ 2…5 кг/м³ – доза (концентрация) активного ила (по сухой его части) в аэротенке.

В выражении (5.1) уравнение скорости реакции окисления загрязнений имеет вид

В практике расчетов аэротенков величину r [в г О₂/(м^3.сут)] называют окислительной мощностью (ОМ) аэротенка. Объем аэротенка в зависимости от ОМ определяют по формуле

где Q_сут – суточная производительность аэротенка, м³/сут.

Величину ρ мг/(г^.ч), находят по формуле

где ρ_max — максимальная скорость окисления, мг/(г·ч), равная для городских сточныхвод 85; С_O — концентрация растворенного кислорода, мг/л; K_O — константа, характеризующая влияние кислорода, мг О₂/л, равная для городских сточных вод 0,625; K_l —константа, характеризующая свойства органических загрязнений, мг БПК_полн/л, равная для городских сточных вод 33; φ — коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила, г/л, равный для городских сточных вод 0,07; а — доза ила, г/л.

Скорость окисления зависит от многих факторов, определяющими из которых являются: состав обрабатываемой сточной воды, степень адаптации биоценоза ила, температура, рН, наличие биогенных элементов, уровень нагрузки, концентрация растворенного кислорода и ингибирующего фактора.

Период аэрации в аэротенках-вытеснителях τ, ч, рассчитывают по формуле

,

где K_p — коэффициент, учитывающий влияние продольного перемешивания, равный при полной биологической очистке 1,5 при

L_τ < 15 мг/л и 1,25 при L_τ = 30 мг/л.

Режим вытеснения обеспечивается при соотношении длины коридоров L/В > 30.

При L/B < 30 необходимо предусматривать секционирование коридоров с числом ячеек 5…6.

Для промышленных аэротенков τ равно 8…12 ч, а иногда достигает 20 ч.

Нагрузка на ил q, мг/БПК_полн на 1 г беззольного вещества ила в сутки, составляет:

.

Объем аэротенков V можно подсчитать как произведение Q•τ - (где Q — среднечасовой расход за время аэрации τ в часы максимального притока).

Расход воздуха D (м³/м³ воды) в аэротенке при (пневматической аэрации определяется из условия равенства скоростей потребления кислорода (при изменении БПК_полн сточной воды от х_н до х_τ) и его растворения.

В соответствии с основным уравнением массопередачи (для кислорода воздуха в процессе аэрации жидкости в аэротенке)

, (5.2)

где dM — масса кислорода, переходящего из пузырьков воздуха при аэрации в воду за время dτ ; K_c — коэффициент массопередачи; F — поверхность контакта фаз (общая поверхность пузырьков воздуха при аэрации); c — рабочая концентрация кислорода в сточной воде; с* — растворимость кислорода в воде при условиях аэрации.

Величина F поверхности контакта фаз зависит от объемного расхода

Q _возд воздуха, пропускаемого через аэраторы, высоты H барботажа в аэротенке и типа диспергатора (аэратора) воздуха:

, (5.3)

где K_a — коэффициент, учитывающий влияние типа аэратора на величину F .

Подставляя значение F и учитывая, что , получим

. (5.4)

Пусть

— дефицит кислорода в воде, доли от насыщения. При

c* ≈10мг/л, 20 °С и обычно минимально достаточной величине c = 2 мг/л значение d составляет 0,8. Вообще дефицит кислорода в сооружениях аэрации изменяется в пределах 0,2…1,0, часто приближаясь к максимальным значениям.

Пример 5.1.Рассчитать аэротенки-вытеснители для городской станции аэрации производительностью Q = 85000 м3/сут; БПК_полн поступающих стоков L_ex = 140 мг/л; БПК_полн очищенных стоков L_ex = 15 мг/л; среднегодовая температура стоков T_w = 10,5^oС; среднемесячная температура сточных вод T_w = 22 ^oС.

По графику притока бытовых и промышленных сточных вод города приток в часы максимального расхода в % от Q_сут составляет:

Часы суток	5-6	6-7	7-8	8-9	9-10	10-11	11-12
Приток в % от Qсут	4,3	5,9	5,8	6,3	6,1	6,1	5,0

1. Принимается:

- доза ила a_i = 3,0 г/л;

- иловый индекс J_i = 100 см³/г;

- концентрация растворенного кислорода С_О = 2 мг/л.

2. Степень рециркуляции активного ила определяется по формуле

3. Принимаются вторичные отстойники с илососами.

Определяется БПК_полн с учетом рециркуляционного расхода по формуле

4. Период аэрации, ч, определяется по формуле

Для городских сточных вод принимаются следующие значения параметров: ρ_max =85 мг/(г.ч); K_l = 33 мг БПК_полн/л; K_О = 0,625 мг О₂/л; φ = 0,07 л/г; s = 0,3; K_р = 1,5 для полной биологической очистки до L_ex = 15 мг/л.

С поправкой на температуру

5. Определяется расчетный расход.

Средний часовой расход за время аэрации (3 ч) в часы максимального притока с 8 до 11 ч составляет:

Расчетный расход:

q_w = 0,0617^.85000 = 5244,5 м³/ч.

6. Необходимый объем аэротенка:

V_at = τ_atv·q_w = 2,7^.5244,5 = 14160 м³.

Принимается 5 секций 2-коридорных аэротенков-вытеснителей с шириной коридора В_a = 6 м и глубиной H_at = 4,6 м.

Длина коридоров аэротенка

где N - количество секций, шт; n - количество коридоров в секции, шт.

Принимается L_cor = 54 м. Отношение

.

Следовательно, секционирование коридоров не требуется.

7. Уточняются нагрузка на активный ил q_i и величина илового индекса J_i

Этой нагрузке на ил соответствует иловый индекс J_i = 105 см³/г, что близко к предварительно принятому значению J_i = 100 см³/г. Следовательно, пересчета параметров не требуется.

Окситенки.

Для увеличения окислительной мощности аэротенка можно использовать кислород вместо воздуха. Такой технологический прием реализуется в окситенках — герметизированных сооружениях, оборудованных системами механических перемешивающих устройств (аэраторами) и циркуляции кислорода. ОМ окситенков в 5…6 раз выше ОМ аэротенков.

Окситенки — сооружения биологической очистки, в которых вместо воздуха используется технический кислород или же воздух, обогащенный кислородом. Кислород— газ, относительно мало растворяющийся в воде. При температуре 20 °С в воде растворяется около 9 мг/л кислорода. Если применять чистый кислород вместо воздуха, то растворимость его возрастает пропорционально повышению парциального давления кислорода в газовой фазе (по закону Генри).

Существенным отличием окситенка от аэротенка, работающего на атмосферном воздухе, является возможность повысить в нем концентрацию ила в связи с увеличенным массообменом кислорода между газовой и жидкой фазами. Рекомендуемая концентрация ила в окситенке составляет 6…8 г/л, хотя принципиально сооружение может работать и при более высоких концентрациях. При прочих равных условиях окислительная мощность окситенков в 5…10 раз выше, чем у аэротенков, эффективность использования кислорода составляет 90…95 %.

Конструктивно окситенк выполнен в виде резервуара круглой в плане формы с цилиндрической перегородкой, отделяющей зону аэрации от зоны илоотделения. В средней части цилиндрической перегородки устроены окна для перепуска иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель; в нижней части — для поступления возвратного ила в зону аэрации (рис. 5.6). (не копирует)

Расчет окситенков выполняют по формуле, учитывающей снижение удельной скорости окисления при повышении концентрации ила:

τ τ .

Значения коэффициентов k_н установлены экспериментально:

а, г/л
kн	1,8	1,3		0,7	0,5	0.4	0,3

При повышении концентрации ила окислительная мощность системы, пропорциональная произведению a k_н, возрастает, но при концентрации свыше 8…10 г/л остается почти на одном уровне. Следовательно, для окситенка дальнейшее повышение концентрации ила оказывается нецелесообразным.

Пример 5.2.Рассчитать окситенки при следующих исходных данных: среднечасовой расход за период аэрации в часы максимального притока qw = 1667 м³/ч; БПК_полн исходной воды L_en = 400 мг О₂/л; БПК_полн очищенной воды L_ex = 15 мг О₂/л; среднегодовая температура сточных вод T_w = 12^оC; среднемесячная температура сточных вод за летний период T_w = 20 ^оC.

Расчет.

Доза ила a_i и концентрация кислорода С_О определяются в результате технико-экономических расчетов. В первом приближении принимаются

a_i =6г/л; С_О = 8 мг/л.

1. Удельная скорость окисления, мг БПК_полн/(г·ч), определяется по формуле

,

где ρ_max - максимальная скорость окисления, мг/(г·ч), ρ_max = 85; C_O - концентрация растворенного кислорода, мг/л, С_O = 8; K_l - константа, характеризующая влияние кислорода, мг БПК_полн/л, K_l = 33; K_O - константа, характеризующая влияние кислорода, мг О₂/л, принимается K_O = 0,625;

φ - коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила, л/г, принимается φ = 0,07.

2. Период пребывания в зоне реакции определяется по формуле

,

где a_i - доза ила, принимается 6 г/л ; s - зольность ила принимается по табл. 2.1, s = 0,3.

3. Суммарный объем зон реакции окситенков, м³, определяется по формуле

V_o = q_w τ_atm = 1667^.5,02 = 8368,34 м³.

4. Принимаются окситенки диаметром D_о = 22 м, рабочей глубиной

Н_о= 4,5 м, с общим объемом зон, м³, равным:

Принимается: объемы зоны окисления и илоотделения равными, тогда объем зоны реакции:

5. Диаметр зоны реакции, м, определяется по формуле

6. Количество окситенков:

Согласно расчетам принимается n_o = 10 шт.

Биофильтры.

В этих сооружениях биоразлагаемые органические вещества жидких отходов сорбируются и окисляются в аэробных условиях популяций гетеротрофных факультативных бактерий, образующих биологическую пленку на поверхности насадки (загрузочного материала, субстрата). Для орошения насадки вода с загрязнениями периодически или непрерывно подается в верхнюю часть сооружения через неподвижные разбрызгиватели (спринклеры) или реактивные вращающиеся водораспределители. Активная

часть биопленки распространяется на глубину 70…100 мкм. В слоях пленки, прилегающих к насадке, создаются анаэробные условия, образуются органические кислоты (и газы СН₄ и H₂S), величина рН снижается, происходит частичное отмирание клеток.

Под воздействием гидравлической нагрузки такие части пленки отрываются от субстрата и выносятся с водой.

Пропускная способность биофильтра определяется площадью поверхности, занятой биопленкой, и возможностью свободного доступа кислорода воздуха к ней. Чем больше площадь поверхности биопленки (при одинаковой массе) и чем легче к ней доступ кислорода, тем выше пропускная способность биофильтра.

Важнейшая составная часть биофильтра — загрузочный материал. По типу загрузочного материала все биофильтры делят на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой.

Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на капельные с малой пропускной способностью 0,9…9 м³/(м^2.сут) (рис. 5.7), высоконагружаемые с большой пропускной способностью 9…40 м³/(м^2.сут) (рис. 5.8) и башенные.

Рис. 5.7. Капельный биофильтр:

1 — дозирующие баки сточной воды; 2 — спринклеры: 3 — железобетонная стенка; 4— загрузка биофильтра; 5 — подача сточной воды; 6 — отводящий лоток.

Рис. 5.8. Высоконагружаемый биофильтр с реактивным оросителем.

Биофильтры с плоскостной загрузкойделятся на категории по типу загрузки: с жесткой засыпной, жесткой блочной и мягкой (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Биофильтр с пластмассовой загрузкой производительностью 1400 м3/сут:

I — корпус из стеклопластика по металлическому каркасу;

II — пластмассовая загрузка; III — решетка; IV — бетонные столбовые опоры; V — подводящий трубопровод; VI— реактивный ороситель; VII — отводящие лотки; а и б — раскладка блоков соответственно в четных и нечетных рядах.

Анаэробные биофильтры. Эта новая разновидность биофильтров представляет собой закрытые резервуары с загрузкой, сквозь которую вода профильтровывается восходящим потоком, без доступа в нее кислорода воздуха. Анаэробные биофильтры по принципу работы занимают промежуточное положение между обычными биофильтрами и метантенками. Биопленка в них закреплена на материале загрузки; процессыокисления сопровождаются метанообразованием. Анаэробные биофильтры можно применять для очистки высококонцентрированных сточных вод, не содержащих взвешенных веществ или содержащих их в незначительном количестве.

Расчет биофильтров.В основу расчета капельных и высоконагружаемых биофильтров положено представление о том, что снижение концентрации загрязнений,описываемых величиной БПК, может быть принято по типу уравнения реакции первогопорядка:

где L_τ и L_a — БПК соответственно очищенной и поступающей сточной воды; k′ —константа скорости реакции; τ — продолжительность процесса.

Если применить это уравнение для расчета снижения БПК в биофильтре, то, приняв во внимание соотношения: τ = V/Q, V = F H; Q = qF; τ = H/q (где V — объем биофильтра; F — его площадь; Q — расход воды; Н — глубина; q — гидравлическая нагрузка), несложно получить:

где k = 0,434^.k'.

Выражение в правой части этого уравнения, названное критериальным комплексом Ф, получило вид:

где k_T — константа окисления.

Биофильтры представляют собой системы для биологической обработки воды в условиях замедленного роста клеток или стационарного их состояния. Поэтому скорость биохимического окисления в биопленке невелика и обычно является лимитирующей стадией массопередачи загрязнений из фазы очищаемой воды в биопленку.

В биопленке должен соблюдаться баланс массы загрязнений, переданных в эту пленку в результате молекулярной диффузии и израсходованных в биохимической реакции

где D_L — коэффициент диффузии в биопленке (< 10^-5…10^-6 см²/с); у — координата, нормальная к поверхности, через которую осуществляется транспорт массы; r_L = dL_б/d_τ — скорость переработки загрязнений в результате биохимической реакции.

Для обеспечения надежности результатов проектирования требуются нормированные методы расчета объема загрузки насадки в фильтр. В таких методах обычно используются экспериментальные значения окислительной мощности ОМ. Объем загрузки V_ф для очистки 1 м³ сточной воды определяется по выражению

При расчете биофильтров определяют L_н/L_τ = K; зная коэффициент K и заданную температуру сточной воды, по таблицам опытных данных выбирают основные параметры биофильтра: рабочую высоту загрузки H

(в м) и удельную гидравлическую нагрузку на сооружение q [в м³/(м^2.сут)].

Пример 5.3.Рассчитать высоконагружаемый биофильтр при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 42 тыс. м³/сут; БПК_полн поступающих сточных вод L₁ = 180 мг/л; БПК_полн очищенных сточных вод L₂ = 20 мг/л; среднезимняя темпера