Как выбрать биозагрузку для очистных сооружений и биофильтров

Биозагрузка применяется в очистных сооружениях, биофильтрах и установках замкнутого водоснабжения (УЗВ) как поверхность для развития микроорганизмов, участвующих в очистке воды. Для подбора наполнителя недостаточно знать объем резервуара: необходимо учитывать состав и количество загрязнений, требуемое качество очистки, тип реактора и характеристики носителей. Ниже рассмотрены основные разновидности биозагрузки и приведен пример предварительного расчета ее объема.

Биозагрузка - это носители, на поверхности которых формируется биопленка: сообщество микроорганизмов, закрепленное на материале. Носителями могут служить полимерные кольца, цилиндры с внутренними перегородками, шары, блоки и другие конструкции. Их геометрия определяет доступную площадь поверхности, особенности обтекания водой и удержания биомассы.

В аэробной среде микроорганизмы окисляют биоразлагаемые органические соединения. При подходящих условиях отдельные группы бактерий осуществляют нитрификацию - последовательное окисление аммонийного азота до нитритного и затем нитратного. Для удаления нитратного азота может применяться денитрификация в бескислородных (аноксидных) условиях. Эти процессы требуют разных режимов и не должны рассматриваться как одна универсальная функция любого носителя.

В отличие от механического фильтрования, где основная задача - задержать взвешенные частицы, биологическая очистка основана на превращении загрязнений микроорганизмами. При росте биопленки часть биомассы отделяется от носителей, поэтому технологическая схема должна предусматривать обращение с образующимися взвешенными веществами, включая их отделение после биореактора, если это требуется.

Плавающей называют загрузку с положительной плавучестью в конкретной рабочей жидкости. Подвижная - это загрузка, которая перемещается внутри реактора благодаря аэрации, потоку или механическому перемешиванию. Термины описывают разные свойства: плавающие элементы необязательно работают в подвижном слое, а движение носителей обеспечивается конструкцией установки.

В реакторах MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) пластиковые носители с биопленкой свободно перемещаются в воде. В аэробных секциях движение обычно обеспечивает аэрация; в аноксидных может использоваться механическое перемешивание. На выходе из реактора предусматривают устройства удержания носителей. При проектировании учитывают их заполнение, движение и достаточный массообмен между водой и биопленкой.

Неподвижные носители располагаются в фиксированном положении либо образуют стационарный слой. К ним относятся структурированные модули, блоки и насадки для биофильтров. Здесь особенно важны равномерное распределение потока, возможность поступления кислорода в аэробных режимах, свободные каналы между элементами и контроль обрастания, способного повышать гидравлическое сопротивление.

Тонущие элементы имеют среднюю плотность выше плотности рабочей жидкости и без поддерживающего потока стремятся осесть. Они могут работать в стационарном либо перемешиваемом слое при соответствующей конструкции. Для них проверяют условия удержания, циркуляции воды и недопущение скопления в отдельных частях резервуара.

Примечание: категории пересекаются. Например, плавающий носитель может быть частью неподвижного поверхностного слоя.

Удельная площадь показывает площадь поверхности, приходящуюся на единицу объема загрузки; обычно используется единица м²/м³. При сравнении предложений необходимо выяснить, как производитель определяет показатель: по всей геометрической поверхности или только по защищенной части, менее подверженной истиранию при контакте носителей. Для инженерного расчета следует использовать согласованный показатель доступной расчетной поверхности, соответствующий принятой методике и характеристикам конкретного носителя.

Большая паспортная поверхность сама по себе не гарантирует более высокой степени очистки. На результат влияют интенсивность массообмена, толщина биопленки, концентрация растворенного кислорода, температура и гидравлические условия. Если каналы носителя плохо омываются или зарастают биомассой, часть геометрической поверхности может работать менее эффективно.

Для полимерных носителей применяют, в частности, полиэтилен и полипропилен. Подбор материала зависит от его плотности, механических свойств и совместимости с рабочей средой. Диаметр и форма влияют на свободное пространство внутри слоя, удержание загрузки, столкновения элементов и проход воды. Слишком мелкие элементы при неподходящих решетках могут выноситься из реактора; крупные элементы могут обеспечивать меньшую удельную поверхность при сопоставимом объеме.

Сравнивать следует показатели, полученные при одинаковом определении объема: кубометр насыпной загрузки - не то же самое, что кубометр плотного полимера или всего реактора. Также необходимо уточнять, включает ли указанная площадь наружные участки, на которых биопленка может интенсивнее стираться.

В подвижных системах носители должны перемещаться достаточно равномерно, а в неподвижных - обеспечивать проход воды без выраженных застойных зон. Для аэробных процессов одновременно требуется достаточное поступление кислорода. Чрезмерное количество носителей может ухудшать гидродинамику, увеличивать энергопотребление и создавать нагрузку на удерживающие устройства. Окончательное решение принимают с учетом режима конкретного реактора.

Для предварительного подбора рассмотрим аэробную ступень MBBR, предназначенную для удаления органических загрязнений. Для других процессов, в частности нитрификации, применяются иные расчетные нагрузки и собственная проверка ограничивающих факторов.

В упрощенном подходе для органической ступени требуемую площадь определяют как отношение расчетной массы удаляемого загрязнения к допустимой поверхностной скорости его удаления:

A = (Lуд × 1000) / r

Здесь A - требуемая площадь носителей, м²; Lуд - расчетная масса БПК, подлежащая удалению в данной ступени, кг/сут; r - принятая допустимая скорость удаления БПК с единицы расчетной поверхности, г/(м²·сут). Коэффициент 1000 переводит килограммы в граммы.

Важно согласовать смысл величины r с исходными данными: в разных методиках могут использовать поверхностную нагрузку по поступающему загрязнению либо поверхностную скорость его удаления. Эти показатели нельзя подставлять один вместо другого без учета доли удаления. В данном примере используется именно скорость удаления и масса загрязнения, которую требуется удалить.

После определения площади рассчитывают насыпной объем носителей:

Vз = A / S

Vз - насыпной объем загрузки, м³; S - принятая доступная расчетная площадь поверхности носителей на 1 м³ насыпной загрузки, м²/м³. Доля заполнения реактора равна F = Vз / Vр × 100%, где Vр - рабочий геометрический объем реактора, принятый для расчета заполнения.

Параметры S и r должны относиться к сопоставимой поверхности. Нельзя брать скорость удаления на защищенной поверхности и делить требуемую площадь на общую геометрическую поверхность носителя.

Предположим, что для аэробной ступени требуется удалить 10 кг БПК в сутки. Для иллюстрации методики примем скорость удаления 10 г БПК/(м²·сут), расчетную удельную площадь носителей 500 м²/м³ и рабочий объем реактора 5 м³.

Шаг 1. Площадь: A = 10 × 1000 / 10 = 1000 м².

Шаг 2. Насыпной объем носителей: Vз = 1000 / 500 = 2 м³.

Шаг 3. Доля заполнения: F = 2 / 5 × 100% = 40%.

Итог примера - 2 м³ загрузки и 40% заполнения. Значения 10 г/(м²·сут) и 500 м²/м³ выбраны исключительно для демонстрации формул, а не как универсальные нормативы.

Для реального проекта дополнительно проверяют время гидравлического пребывания с учетом вытеснения объема материалом носителей, режим поступления кислорода, перемешивание, допустимую долю заполнения, максимальные нагрузки и возможность отделения взвешенной биомассы. Если нужна нитрификация, необходимо выполнить отдельный расчет по аммонийному азоту с учетом температуры, pH, щелочности и кислорода.

В коммунальных очистных сооружениях ключевые исходные данные - расход, нагрузка по БПК и соединениям азота, сезонные колебания и целевые показатели сброса. Схема может включать отдельные биологические ступени для органики и нитрификации.

Для промышленных сточных вод необходимо оценивать биоразлагаемость органических веществ, возможные ингибиторы, колебания состава и совместимость материала носителей с водой. Большая поверхность не компенсирует токсическое воздействие на микроорганизмы.

В биофильтрах с неподвижной загрузкой дополнительно важны равномерность распределения потока, свободные каналы, риск кольматации и порядок обслуживания. Подходящие конструкции и критерии их расчета могут отличаться от MBBR; приведенный выше пример нельзя переносить на них без адаптации методики.

В УЗВ биофильтры часто предназначены прежде всего для окисления аммонийного азота, образующегося при выращивании рыбы. Здесь учитывают кормовую нагрузку, образование аммония, содержание растворенного кислорода, температуру и щелочность. Нитрификация не равна полному удалению азота: после превращения аммония в нитраты последние остаются в системе, если не предусмотрены дальнейшие процессы.

Ориентация только на паспортную площадь. Общая геометрическая поверхность не тождественна доступной биопленке поверхности; режим омывания и толщина биопленки важны не меньше.

Подбор лишь по проценту заполнения. Доля наполнителя без учета загрязняющей нагрузки не доказывает, что реактор обеспечит требуемую очистку.

Подмена показателей расчета. Нельзя смешивать нагрузку по поступлению и скорость удаления загрязнения, равно как общую и защищенную площадь.

Недооценка аэрации и перемешивания. Недостаток кислорода или слабое движение носителей ограничивают производительность; чрезмерное перемешивание увеличивает энергозатраты и износ.

Игнорирование температуры и состава воды. Особенно существенны для нитрификации температура, щелочность, pH и конкуренция микроорганизмов за кислород.

Отсутствие устройств удержания и удаления биомассы. Носители не должны бесконтрольно покидать реактор, а отделившаяся биопленка должна обрабатываться в последующих ступенях.

Для запроса производителю желательно сообщить тип установки, назначение ступени очистки, расчетные расходы и концентрации загрязнений, рабочий объем реактора, особенности аэрации или циркуляции, нужный диапазон размеров носителей и планируемый объем поставки. Если имеется проектная документация, следует приложить основные технические требования.

В каталоге компании «ВОЛЬХ» представлена плавающая биозагрузка (наполнитель для декарбонизатора). На странице перечислены диаметры 20, 30, 40, 55 и 100 мм. Возможность применения конкретных изделий в заданной системе, их расчетную удельную поверхность и условия поставки следует уточнять по техническим данным производителя.

Предварительный расчет помогает определить ориентировочную потребность в наполнителе, но окончательный подбор требует оценки всей системы очистки: от состава воды и биологической нагрузки до гидравлики, кислородного режима и эксплуатационных ограничений.

Вас может заинтересовать:
Литье пластмасс;
Литье на Babyplast;
Литье полиуретанов.