Определение основных технологических и геометрических параметров высоконагружаемого биофильтра с рециркуляцией и искусственной аэрацией для очистки сточных вод с изменяющейся нагрузкой

УДК 66

В. В. Кирсанов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ВЫСОКОНАГРУЖАЕМОГО БИОФИЛЬТРА С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ И ИСКУССТВЕННОЙ

АЭРАЦИЕЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ НАГРУЗКОЙ

Ключевые слова: рециркуляция, биоокисление, загрязнения, биофильтр, устройство, загрузка, микроорганизмы, расход, параметры,, воздух, вентиляция, гидравлическая высота, материал, оросители.

Представлена характеристика биофильтра и методики расчета параметров биофильтра, рекомендованная строительными нормами и правилами и другими литературными источниками. Предложена методика расчета параметров биофильтра, основанная на применении более оперативного показателя ХПК

Keywords: recycling, biooxidation, pollution, biofilter, device, loading, microorganisms, consumption, parameters,, air, ventilation,

hydraulic height, material, sprinklers.

The characteristics of the biofilter and the methodology for calculating the biofilter parameters, recommended by building codes and rules and other literary sources, are presented. A method for calculating the parameters of a biofilter based on the use of a more efficient COD indicator (in line with BOD5) is proposed, and, in addition, taking into account the uneven loads on pollutants in the initial wastewater, characteristic for industrial wastewaters characterized by an uneven load (for example, chemical enterprises).

Биологический фильтр (биофильтр) -устройство, в котором реализуется одновременно два процесса - фильтрационный за счет фильтрования через крупнозернистый материал, и биотехнологический с биоокислением загрязнений микроорганизмами, закрепленными на поверхности загрузочного материала [4].

Биофильтр состоит из следующих основных устройств (узлов), обеспечивающих заданное функциональное назначение биофильтров (рис. 1):

1) фильтрующей загрузки, которой может служить щебень, керамзит, гравий, керамика и пр.;

2) оросители - водораспределительное устройство, обеспечивающее равномерное и ламинарное распределение сточных вод (СВ) с максимальным обтеканием всей поверхности элементов загрузочного материала;

3) дренажного устройства для удаления профильтрованной воды и отмершей биопленки;

4) аэрационной системы, с помощью которой в биофильтр поступает воздух для биоокисления органических загрязняющих веществ (ЗВ). Воздух может поступать в тело биофильтра за счет естественной или искусственной вентиляции.

Рис. 1 - Схема высоконагружаемого биофильтра с рециркуляцией очищенной СВ и искусственной аэрацией: 1 - биофильтр; 2 - распределительный трубопровод исходной СВ; 3 - оросители (спринклеры); 4 - фильтрующая загрузка; 5 - решетка; 6 - исходная СВ; 7 - рециркуляционный поток; 8 - осветленная вода; 9 - вторичный отстойник; 10 - биопленка; 11 - турбовоздуходувка; 12 - очищенная СВ после

биофильтра (вода + биопленка). рециркуляционной воды

Нр - рабочая высота фильтрующей загрузки; Q^ - расход

Методика расчета параметров биофильтров в действующих строительных нормах (СНиП 2.04.0385) и соответствующих литературных источников основана на стабильных нагрузках загрязняющих

веществ (ЗВ) в сточных водах, характерных для бытовых (коммунальных) СВ [1,3]. В предлагаемую методику предлагается ввести коэффициент равномерности нагрузок по ХПК (кнхпк),

учитывающий колебания нагрузок (особенностью практически всех производственных сточных вод является резкое изменение концентраций ЗВ во времени). Кроме того, в указанных методиках используется показатель БПК, время определения которого занимает 5 суток (БПК5), что не позволяет результаты анализа использовать для оперативного регулирования работы биофильтра.

Для биофильтра с рециркуляцией очищенной сточной воды (рис. 1) необходимо сначала определить допустимую величину концентрации загрязняющих веществ после смешивания исходной сточной волы (СВ) и рециркулируемой воды (ХПКсм.).

Площадь биофильтра F, м находится по формуле:

F=[Q

где N - максимальная допустимая нагрузка в г ХПК на 1 м3 площади биофильтра в сутки, зависящая от температуры воздуха, принимается по табл. 2:

Таблица 2 - Максимальная допустимая нагрузка в г ХПК на 1 м2 площади биофильтра в сутки

Средняя температура воздуха в 0С До 3 Более 3 и до 6 Более 6

^г ХПК/м2-сут 1800 2400 3100

ХПКсм-=КЛ •ХПКвых-,

где ХПКвых' - регламентное ХПК очищенной воды после биофильтра, мгО2/см3; Ки - коэффициент, величина которого зависит от рабочей высоты биофильтра (Нр, рис.1) и средней температуры СВ на входе в биофильтр; Ки устанавливается по табл1.

Таблица 1 - Значение коэффициента Кь от

рабочей высоты температуры

Нр биофильтра и средней

Средняя температура СВ на входе в биофильтр, 0С Рабочая высота биофильтра, Нр, м

2,0 22,5 33,0 33,5 44,0

Значение коэффициента Ки

8 - 10 22,5 33,3 44,4 55,7 77.5

Более 10 до 14 33,3 44,4 55,7 77,5 99,6

Более 14 и выше 44,4 55,7 77,5 99,6 112

Далее определяется расход рециркуляционной воды Qрeц., м3/сут по формуле:

Qрец ={[Q

где Q - расход исходной СВ, м3/сут; ХПКсрвх - ХПК среднее перед биофильтром; определяется как среднеарифметическое между максимальным и минимальным значениям ХПК в разовых пробах на входе в биофильтр:

ХПКфвх=

где ХПКвых' и ХПКсм' - ХПК смеси сточной воды соответственно на выходе из биофильтра и рециркулируемой воды, мгО2/дм3; крхпк -коэффициент равномерности нагрузок на биофильтр по ХПК, вводимый для производственных сточных вод, характеризующихся периодическими колебаниями концентраций ЗВ в исходных СВ; кнхпк можно определить по следующей зависимости:

Крхпк=(ХПКт

х)/

где ХПКтахвх и ХПКт1Пвх - ХПК максимально и минимально разовое на входе в биофильтр; ХПКсм и ХПКвых - ХПК смеси рециркулируемой воды и ХПК на выходе после очистки.

По найденной величине ХПК среднее перед биофильтром (ХПКсрвх) и ХПК после биофильтра определяется коэффициент рециркуляции Кр.:

Крец=

По заданной рабочей высоте Нр и найденной площади биофильтра F определяется объем загрузки W, м3:

W=F•Нр

Определяется гидравлическая

м /м •сут:

q=N/ХПКCI

нагрузка q,

В качестве примере рассмотрим определение технологических и геометрических параметров высоконагружаемого биофильтра с рециркуляцией и искусственной аэрацией при следующих данных:

ХПК исходной СВ: ХПКтахвх = 910 мгО2/дм3; ХПКт1Пвх = 200 мгО2/дм3; требуемая ХПК на выходе ХПКвых = 15 мгО2/дм3; расход Q = 12000 м3/сут; температура сточной воды ^СВ =120 С; температура окружающего воздуха ^окрвозд = 50С; рабочая высота фильтрующей загрузки Нр = 4 м.

Определяем допустимую величину

концентрации загрязняющих веществ после смешивания исходной СВ и рециркулируемой воды (ХПКсм.) по формуле (1):

ХПКсм = Кк •ХПКвых' = 9,6^25 = 240 мгО2/дм3 Ки для 120С и рабочей высоты фильтрующей загрузки, равной 4 м, по табл. 1 составляет 9,6. По формуле (3) определяем

ХПКсрвх = (ХПКтахвх+ХПКтШвх)/2 ХПКсрвх == (910 + 200)/2 = 555 мг О2/дм3; Коэффициент равномерности нагрузок формуле (4):

по

Крхпк=

Крхпк==(910+200)/(910-200) =1,56 Расход рециркуляционной воды Qрец. согласно формуле (2):

QPeЦ={[Q(ХПКсрBX-ХПКCм)/ехр(kнXпк)]}/(ХПКCм-ХПКBыX) Qрeц=[12000(55 - 240)]/(ехр 1,56)]}/(240-15) = 3536 м3/сут.

Коэффициент рециркуляции Крец. по формуле (5) равен:

Крец. = ( ХПКсрвх.-ХПКсм)/(ХПКсм-ХПКвых) Крец. = (555 - 240)]/(240 - 15) = 1,4. Площадь биофильтра F согласно формуле (6): F =[Q(Крeц +1>ХПКсм]/Ы=[12000(1,4+1>240]/2400 F =2880м2

Максимальная допустимая нагрузка N для проведения процесса при 50С (температура окружающего воздуха) по табл. 2 принимается равной 2400 г ХПК/м2-сут.

По заданной рабочей высоте Нр и найденной площади биофильтра F в соответствии с формулой (7) определяется объем загрузки W:

W = F• Нр = 2880-4 = 11520 м3. Гидравлическая нагрузка q определяется по формуле (8):

q = N ХПКсм' = 2400/240 = 10 м3/м2-сут. На данном примере показана возможность практического применения предложенной методики для расчета параметров высоконагружаемого биофильтра с рециркуляцией.

Литература

1. Строительные нормы и правила. Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85

2. Хенце М. Очистка сточных вод: пер.с англ./Хенце М., Армоес П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э.: мир, 2004.-480 с., ил.

3. Кирсанов В.В. Биотехнологии в системах очистки сточных вод:учебно-методическое пособие / В.В.Кирсанов. - Казань:Изд-во КНИТУ-КАИ. 2016. -148с.

4. Кирсанов В.В. Современные технико-технологические методы защиты окружающей среды. Т.1. Процессы и аппараты защиты гидросферы/ В.В. Кирсанов.- Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2013, 496 с.

5. Кирсанов В.В. Определение полноты биоочистки сточных вод ОАО «Казаньоргсинтез» с помощью адсорбционной способности активного ила // Вестник технол. ун-та. 2017, т.20, №2, с.141-143

© В. В.Кирсанов - доктор технических наук, профессор кафедры общей химии и экологии КНИТУ-КАИ имени. А.Н.Туполева, заслуженный химик РТ, заслуженный эколог РФ, vvkirsanov@mail.ru.

© V. V. Kirsanov - the Doctor of Engineering Sciences, professor of department of the common chemistry and ecology of Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev - KAI, honored chemist of RT, honored Ecologist of the Russian Federation, vvkirsanov@mail.ru.