Расчет.

Доза ила a_i и концентрация кислорода С_О определяются в результате технико-экономических расчетов. В первом приближении принимаются a_i = 6 г/л; С_О = 8 мг/л.

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

мг БПК_полн/(г·ч),

где _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;  - коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила, л/г, принимается φ = 0,07.

2. Период пребывания в зоне реакции определяется по формуле

= 5,02 ч,

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

W_o = q_w t_atm = 1667^.5,02 = 8368,34 м³.

4. Принимаются окситенки диаметром D_о = 22 м, рабочей глубиною Н_о = 4,5 м, с общим объемом зон, м³, равным:

W₀₁ = 0,785 D_о² Н_о = 0,785^.22^2.4,5 = 1709,73 ≈ 1710 м³.

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

= = 855 м³.

5. Диаметр зоны реакции, м, определяется по формуле

15,6 м.

6. Количество окситенков:

n_o = = 9,79 шт.

Согласно расчетам принимается n_o = 10 шт.

5.1.3. 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.

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 температура сточных вод t = 10 °С.

Решение. Определяем коэффициент K:

K = L₁/L₂ = 180/20 = 9.

Высоту биофильтра находим для двух значений удельного объема подаваемого воздуха В_уд при гидравлической нагрузке q = 10 м³/(м^2.сут).

1. При В_уд = 8 м³/м³.

При высоте биофильтра H₁ = 3 м величина K = 6,2, а при H₂ = 4 м величина K = 10,4. Так как 6,2 < 9, то при высоте биофильтра H₁ = 3 м необходима рециркуляция.

Определяем L_см, коэффициент рециркуляции п_р и площадь биофильтров S₁:

L_см = K L₂ = 6,2^.20 = 124 мг/л;

n_р = (L₁ – L_см)/(L_см – L₂) = (180 - 124)/(124 - 20) = 0,54;

S₁ = Q(n_р + 1)/q = 42000(0,54 + 1)/10 = 6448 м².

При Н = 4 м рециркуляции не требуется, а площадь биофильтров

S₂ = Q/q = 42000/10 = 4200 м².

Объемы фильтрующей загрузки соответственно составят:

W₁ = S₁ H₁ = 6468^.3 = 19404 м³;

W₂ = S₂ H₂ = 4200^.4 = 16800 м³;

2. При В_уд = 12 м³/м³.

При высоте биофильтра H₃ = 3 м величина K = 8,35, а при H₄ = 4 м K = 14,8.

Следовательно, при H₃ = 3 м необходима рециркуляция.

Расчеты производим так же, как и в первом случае. При H₃ = 3 м:

L_см = 8,35^.20 = 167 мг/л;

N_р = (180 – 167)/(167 - 20) = 0,09;

S₃ = 42000(0,09 + 1)/10 = 4578 м².

При H₄ = 4 м рециркуляции не требуется и S₄ = 4200 м².

Объемы фильтрующей загрузки соответственно составляют: W₃ = 13734м³ и W₄ = 16800м³.

Окончательный выбор варианта следует принимать на основе технико-экономического расчета. Принимаем B_уд = 8 м³/м³; H = 4 м и к проекту назначаем шесть биофильтров D = 30 м с общим объемом фильтрующей загрузки W = 16956 м³.

Биофильтры с плоскостной загрузкой делятся 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; процессы окисления сопровождаются метанообразованием. Анаэробные биофильтры можно применять для очистки высококонцентрированных сточных вод, не содержащих взвешенных веществ или содержащих их в незначительном количестве.

Кроме технических приемов повышения пропускной способности аэрационных сооружений (увеличения в них массы ила, создания эффективных систем аэрации, создания оптимальных гидродинамических условий, применения чистого кислорода и т. п.) широко исследуются пути интенсификации процессов окисления микробиологическим, химическим и биохимическим способами.

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 первого порядка:

,

где L_t и L_a — БПК соответственно очищенной и поступающей сточной воды; — константа скорости реакции;  — продолжительность процесса.

Если применить это уравнение для расчета снижения БПК в биофильтре, то, приняв во внимание соотношения:  = V/Q, V = F/H; Q = qF;  = H/q (где V — объем биофильтра; Q — расход воды; F — его площадь; 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/dτ — 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)].

Погружные биофильтры состоят из вращающегося вала с насаженными на нем дисками и резервуара со сточной водой, в которую диски погружаются на 1/3…1/2 своего диаметра. Диски (пластины) изготовляются из разного материала (предпочтительно легкого) и располагаются на расстоянии 10…20 мм друг от друга. Число пластин на валу может быть различным — от 20 до 200. Диаметр дисков 0,5…3 м. Частота вращения вала в среднем около 1 мин (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Схема установки биодисков в блоке с отстойником:

1 — камера впуска сточных вод; 2 — лоток; 3 — биодиски; 4 — илопровод; 5 — отстойник; 6 — ка­мера выпуска обработанных сточных вод;

7 — двигатель-редуктор биодиска; 8 — трубопровод к иловой насосной станция.

Сточная вода протекает по резервуару с разной скоростью в зависимости от желаемой степени ее очистки. Обычно наименьшая продолжительность пребывания воды в резервуаре составляет 70 мин, а при необходимости более высокой степени очистки может достигать 3 ч и более. На дисках нарастает биопленка толщиной до 4 мм. Попеременно погружаясь в воду и выходя из нее, биопленка извлекает загрязнения и окисляет их с помощью кислорода, который она получает непосредственно из атмосферы. Отмершая часть биопленки попадает в воду и выносится затем с очищенной водой во вторичный отстойник. Поскольку вода в резервуаре находится продолжительное время, то в ней развивается активный ил, доля участия которого в общем эффекте очистки также должна приниматься во внимание. Сточная вода в резервуаре аэрируется вследствие вращения дисков, а сумма вращательного и поступательного движения воды способствует поддержанию активного ила (и всех остальных веществ) во взвешенном состоянии.

Погружные фильтры часто устраивают двух- и трехступенчатыми, что позволяет активизировать деятельность биопленки в каждом фильтре и, кроме того, возвращать часть сточной воды в начало резервуара для большей полноты изъятия загрязнений.

Расчет погружных биофильтров осуществляют по окислительной мощности, отнесенной к 1 м² площади поверхности дисков. Окислительная мощность должна определяться экспериментально; по данным разных авторов, она колеблется от 7 до 100 г БПК на 1 м² площади поверхности в сутки. Использование погружных биофильтров целесообразно в качестве сооружений I ступени с последующей глубокой очисткой в биоокислителях других типов.