БИОФИЛЬТР

Полезная модель относится к биологической очистке сточных вод от взвешенных и растворенных органических веществ с применением микрофлоры и может быть использована в промышленности, сельском и коммунальном хозяйствах и смежных областях при очистке сточных вод.
Биофильтры представляют собой закрепленный на носителе биоценоз, состоящий из множества различных бактерий, простейших водорослей, грибов и др., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Их используют, в частности, для очистки сточных вод в биологических прудах - искусственных водоемах с глубиной не превышающей 1 м (Кривошеин Д.А. и др. «Инженерная защита поверхностных вод от промышленных стоков», учебное пособие, М., Высшая школа, 2003 г. 241-248). В этих прудах биофильтр представляет собой водную растительность, способствующую снижению концентрации биогенных элементов и регулированию кислородного режима водоема,.
Недостатком таких биофильтров является низкая окислительная способность, сезонность и нестабильность работы, потребность в больших территориях.
Известен биофильтр (RU 1731739, 1989), представляющий собой резервуар, к корпусу которого подсоединены трубопроводы для подвода сточной и отвода очищенной воды. В резервуаре с помощью канатов закреплена полимерная сетка с пучками волокон, которая в процессе работы обрастает пленкой биоценоза. Сточная вода омывает неподвижный материал загрузки с биоценозом и очищается от примесей.
Недостатком этого устройства является невысокая степень очистки, обусловленная сравнительно малой удельной рабочей поверхностью и малой скоростью массообмена.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому является биофильтр (RU 49525, 2005), состоящий из каркаса, выполненного из рамок с натянутой на них полимерной сеткой с пучками волокон, помещаемого в резервуар, снабженный трубопроводами для подачи сточной и отвода очищенной воды.
Недостатком данного биофильтра является невысокая производительность биофильтра, связанная с недостаточной активностью клеток биоценоза и малой скоростью массообмена.
Задачей заявляемой полезной модели является создание более эффективного биофильтра.
Техническая задача состояла в разработке конструкции, обеспечивающей активизацию активности клеток за счет использования кислорода воздуха и конструкции, обуславливающей эффективное турбулентное движение жидкости.
Технический результат достигается путем введения в нижнюю часть корпуса биофильтра трубопровода для подачи воздуха и размещении в корпусе загрузки в виде несвязанных между собой сетчатых элементов, снабженных в центральной части отверстием, диаметр которого в 4-10 раз превосходит диаметр (ширину) ячейки сетки, расположенного, как правило, в центре сетчатого элемента (далее ЦО).
В зависимости от особенностей поставленной задачи трубопровод для подача воздуха подводится ко дну или нижней части боковой стенки корпуса, подача очищаемой жидкости осуществляется в верхнюю часть корпуса с удалением очищенной жидкости из нижней части корпуса (в противоток с движением воздуха) или в нижнюю часть корпуса с удалением очищенной жидкости из верхней части (параллельно с движением воздуха.
2
Используемые сетчатые элементы могут быть плоскими или преимущественно объемными, в частности иметь форму спирали, чаше- или шарообразную форму, форму усеченного конуса или пирамиды. На поверхности сетчатых элементов могут быть прикреплены дополнительные выступы или установлены более мелкие элементы, в частности в виде лопастей, трубок, колец или прикреплены пучки волокон. Сетчатые элементы могут объединяться между собой в конгломераты или иные ассоциации. Диаметр сетчатого элемента и их число определяется габаритами корпуса. Диаметр составляет, как правило, от 5 до 39 см, размер ячеек сетки составляет от 1 до 100 мм. Число элементов должно быть достаточно для образования в корпусе слоя толщиной не менее 3 элементов. Конкретный размер и параметры отверстий загружаемых элементов подбирают экспериментально исходя из характеристик биофильтра и особенностей очищаемой жидкости.
Особенность заявляемой конструкции состоит в том, что при использовании сетчатых элементов такой конструкции за счет различия в скорости газо-жидкостных потоков через ячейки сетки и через ЦО приводит к возникновению турбулентных потоков у поверхности элемента и благодаря небольшой массе изолированного элемента к его вибрации, что содействует разрушению взвесей, содержащихся в жидкости, препятствует загрязнению поверхности элемента посторонними веществами, стимулирует активность микроорганизмов и скорость протекающих обменных процессов, а также способствует образованию достаточно тонкого слоя биоценозной пленки и лучшему контакту между микроорганизмом и перерабатываемыми ими веществами, содержащимися в сточных водах.
Общая схема конструкции биофильтра приведена на фиг.1-2, возможная форма используемых элементов приведена на фиг.3-11 (виды сверху и сбоку). На чертежах используются следующие обозначения:
1 - корпус, 2 - сетчатый элемент, 3 - трубопровод подачи воздуха, 4 - трубопровод подачи загрязненной воды, 5 - трубопровод отвода чистой воды.
Устройство работает следующим образом. Сетчатые элементы 2 загружаются в залитый водой корпус 1. Поток воды из трубопровода 4, проходя через элементы 2 обеспечивает образование на них биопленки. Воздух через трубопровод 3 подается со скоростью, обеспечивающей содержание кислорода на уровне 0,1-6 мг/л. Поступая в корпус 1, воздух смешивается с потоком очищаемой воды. Полученная газожидкостная смесь, проходя через ЦО и ячейки сетчатых элементов 2, вызывает образование турбулентных вихрей, что обеспечивает разрушение взвесей, содержащихся в воде, очистку поверхности сетчатых элементов от осадка взвесей. При этом биопленка постоянно обновляется, что способствует активации процессов биоокисления растворенных веществ, в частности, органических и азот-содержащих соединений и перевода их в биоразлагаемые формы, тем самым обеспечивая высокую степень очитки. Одновременно, биопленка содержит денитрифицирующие микроорганизмы, осуществляющие восстановление нитритных и нитратных соединений. Очищенная вода выходит далее из корпуса биофильтра по трубопроводу 5.
Испытания, по денитрификации сточных вод проводились в течении 2,5 месяцев на установке фирмы Mikkeli Polytechnic (Финляндия) с подачей воздуха по схеме 1. Скорость подачи воды составляла 8,5 мл/мин, содержание взвесей составляло от 50 до 100 мг/л.
В ходе эксперимента использовалось 80 сетчатых элементов (конструкция показана на фиг 5, 8 и 11) диаметром 60-80 мм с диаметров ячеек 2-3 мм и ЦО 10-30 мм, образовавших в исходном состоянии 5 слоев на дне корпуса.
Параллельно, в качестве контроля проводилась очистка параллельного потока на аналогичном реакторе, где в качестве насадки использовались трубчатые элементы. Концентрация кислорода составляла 6-7 мг/л, рН 6,5-7,0.
Техническо-экономическая эффективность заявленного биофильтра заключается в более простом способе загрузки сетчатого элемента в реактор, а также в эффективной очистке воды от примесей.
Полученные результаты по денитрификации приведены в таблице 1
Таблица 1
Результаты испытаний заявляемого биофильтра на опытной установке фирмы Mikkeli Polytechnic (Финляндия).
Показатель (мг/л)
фильтр
Дни после загрузки
0
7
14
21
28
35
42
49
56
63
Общий азот
к
48
53
Э
26
43
34
37
35
35
Нитратный азот
К
43
40
48
55
28
5
5
Э
45
43
46
22
13
16
5
3
3
3
Аммонийный азот
К
0
0
0
0
3
4
5
5
5
Э
0
0
3
13
16
7
4
3
3
5
взвеси
К
50
20
22
28
Э
100
11
12
14
Анализ проведенных экспериментов показал, что использование предлагаемой конструкции позволяет существенно снизить концентрацию нитратного азота за счет денитрификации или перевода его в аммонийный, а также существенно понизить долю взвешенных веществ