Вторичная очистка сточных вод с помощью капельных фильтров

О. В. Мосин

ВТОРИЧНАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ КАПЕЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ

При очистке сточных вод с участием активного ила применяются так называемые капельные, или перколяционные биологические фильтры. В таком биологическом фильтре популяции микроорганизмов существуют в виде пленки или слизистого слоя на поверхности твердой насадки, неплотно заполняющей резервуар (доля пустот составляет около 0,5). В таких условиях воздух легко поступает в нижние слои насадки фильтра. Типичная конструкция биологического фильтра представлена на рисунке ниже.

Использование термина «фильтр» для описания этой системы водоочистки во многих отношениях неудачно, поскольку механизм обезвреживания примесей здесь связан не с их механическим удерживанием, а с теми же самыми последовательными процессами связывания и биологического окисления, которые реализуются в системах с активным илом. Прежде чем приступить к изучению популяций микроорганизмов, участвующих в очистке сточных вод в биологических фильтрах, нужно остановиться на некоторых конструктивных и эксплуатационных особенностях соответствующих аппаратов.

Подлежащие очистке сточные воды контактируют с верхней частью неподвижного слоя, толщина которого составляет обычно от 1 до 3 м; сточные воды подают непрерывно через расположенные над неподвижным слоем насадки сопла или периодически с помощью вращающегося разбрызгивателя, подобного изображенному на рисунке. И в том и в другом случае скорость потока сточных вод должна быть достаточно низкой, чтобы слой насадки не оказался под водой. Для обеспечения нужной скорости переноса кислорода поступающие в систему сточные воды должны обтекать покрытую слизью насадку достаточно тонким слоем, не препятствующим дыханию аэробных организмов, находящихся на наружной поверхности пленки микроорганизмов. В отличие от процессов с участием активного ила, обычно требующих принудительной аэрации, через биологический фильтр воздух циркулирует благодаря естественной конвекции. Движущей силой конвекции является разность температур, создающаяся в фильтре за счет биологического окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах; отверстия для поступления воздуха и связанные с ними вентиляционные трубопроводы (расположенные внутри фильтра) обеспечивают поступление воздуха в нижние и промежуточные слои насадки.

 

Рис. Биологический 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 — вращающийся разбрызгиватель сточных вод; 2 — насадка; 3 — трубопровод для подачи сточных вод; 4 — дренаж; 5—бетонная ограждающая стена; 6 — отверстия для поступления воздуха.

К биологическим фильтрам применимы основные принципы взаимосвязей между скоростью диффузии субстрата и скоростью реакции. В то же время сложность систем со смешанными популяциями микроорганизмов и смесями субстратов препятствует разработке аналитических методов изучения биологических фильтров, для которых типичны как локальные (внутри пленки микроорганизмов), так и общие (по толщине слоя насадки) градиенты концентраций субстратов и плотности популяций. Некоторые выводы качественного характера, сделанные на основе анализа диффузии и реакции в пленке, могут оказаться полезными для их эксплуатации. Так, возникновение и развитие анаэробных областей в толще пленки микроорганизмов приведут к формированию газовых пузырьков, которые в свою очередь вызывают частичное отделение пленки от носителя. Образовавшиеся таким путем и унесенные из биологического фильтра потоком воды организмы часто называют гумусом; последний необходимо отделять в отстойнике, установленном непосредственно после биологического фильтра. С другой стороны, в результате этого процесса регулируется толщина пленки микроорганизмов, среднее значение которой зависит от множества факторов. В правильно эксплуатируемом биологическом фильтре толщина пленки микроорганизмов обычно составляет около 0,35 мм.

Таблица 1. Характеристики высоконагружаемых и низконагружаемых биологических фильтров*

Характеристика

Низконагружаемые биологические фильтры

Высоконагружаемые биологические фильтры

Гидравлическая нагрузка, л.(сут м2)

1000-4000

8000-40000

Органическая нагрузка, кг БПК5/(1000 м3 сут)

80-400

400-4800

Высота неподвижного 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

Периодический с циркуляцией

Непрерывный Без циркуляции

Очищенная вода

Высоконитрофицированная БПК5 = 20 мг/л

Частично 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 диапазоны производительности и эффективности биологических фильтров. В типичном процессе гидравлическая нагрузка такова, что время пребывания стоков в фильтре составляет 20—60 мин. В табл. 1 приведены также характеристики высоконагружаемого биологического фильтра (иногда его называют импульсным капельным фильтром); в этом случае высокие скорости потока сточных вод ограничивают толщину формирующейся слизистой пленки микроорганизмов. Недостатком высоконагружаемых биологических фильтров является вымывание большого количества гумуса, который необходимо отделять в отстойнике.
Для того чтобы понять принцип работы биологического фильтра, полезно проследить за происходящими в фильтре превращениями в пространстве и времени. Допустим, капля жидкости перемещается вниз сквозь поры фильтра. По мере движения через неподвижный слой насадки состав жидкости изменяется во времени, что обусловлено поглощением разных компонентов различными микроорганизмами. Теоретически эти изменения во многих отношениях близки событиям, происходящим в скисающем молоке. По мере изменения состава жидкой среды в ней поочередно развиваются преимущественно определенные виды микроорганизмов, что в свою очередь приводит к изменению ее состава и затем к замене одной доминирующей популяции другой.

Теперь перенесем наблюдения в фиксированную в пространстве систему координат. То, что раньше представлялось как изменения в капле во времени, теперь будет иметь характер распределения в рабочем пространстве фильтра, эксплуатируемого в стационарном состоянии. Микроорганизмы, наиболее приспособленные к утилизации питательных веществ сточных вод, доминируют в верхней части слоя насадки; здесь же изобилуют прочно связанные с насадкой грибы и свободно плавающие ресничные. В нижней части фильтра преобладают стебельчатые ресничные и нитрифицирующие бактерии. Среди нежелательных обитателей биологических фильтров можно иногда обнаружить и высших животных, из которых наиболее многочисленны популяции червей и личинок насекомых. Эти животные питаются организмами слизистого слоя, растущими на насадке фильтра; регулирование численности их популяций является важнейшим фактором при управлении работой биологического фильтра.

Разделение организмов в пространстве биологического фильтра позволяет каждому виду полностью адаптироваться к соответствующему окружению. По этой причине, в частности, низконагружаемые биологические фильтры обычно обеспечивают большую прозрачность и большую степень нитрификации очищенной воды, чем системы с активным илом. Кроме того, опыт эксплуатации водоочистных станций показал, что по сравнению с системами с активным илом биологические фильтры менее чувствительны к пиковым нагрузкам токсичных веществ. В то же время, как показано в табл. 2, в некоторых отношениях системы с активным илом превосходят биологические фильтры. Предпочтение эксплуатации той или иной системе водоочистки можно отдать только после тщательного изучения характеристик сточных вод, стоимости оборудования и требований к качеству очищенной воды. В некоторых случаях оптимальный вариант проекта включает использование как первого, так и второго методов. В окончательном варианте проекта определяют также конкретные типы отстойников и устройств для рециркуляции.

Таблица 2. Сравнение методов очистки сточных вод с помощью биологических фильтров и активного ила*

Характеристики

Биологические фильтры

Системы с активным илом

Капитальные затраты

Высокие

Низкие

Эксплуатационные расходы

Низкие

Высокие

Площадь, занимаемая биореактором

Большая

Небольшая

Регулирование аэрации

Частичное (за исключением систем с принудительной аэрацией)

Полное

Регулирование температуры

Затруднено из-за больших потерь тепла

Полное; потери тепла минимальные

Чувствительность к колебаниям концентраций загрязняющих веществ в сточных водах

Низкая; восстановление чувствительности происходит медленно

Высокая; но восстановление чувствительности происходит быстро

Прозрачность очищенной воды

Хорошая

Не очень хорошая

Неприятный запах

Присутствует

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 метода очистки сточных вод являются так называемые биологические пруды; этот метод очистки намного проще, чем водоочистка с помощью активного ила или биологических фильтров. В биологических окислительных прудах, напоминающих естественные водные экосистемы, в процессе фотосинтеза водоросли выделяют кислород; тем самым поддерживается аэробный режим, который необходим для бактерий, 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 или 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).