Применение фильтров-биореакторов для снижения концентрации фосфора в очищаемой воде

В течение тридцати лет на очистных сооружениях г. Воскресенска (Московская область) для доочистки сточных вод используются фильтры с восходящим потоком воды и воздушной промывкой. Все это время производилась непрерывная реконструкция этих фильтров с целью повышения качества очистки сточных вод и упрощения процесса обслуживания фильтров. До сих пор фильтры-биореакторы не исчерпали возможностей для их совершенствования. За счет большой грязеемкости и дренажной системы, выполненной из полимерных материалов, они могут также эффективно использоваться для снижения концентрации фосфора в очищаемой воде.

Цех нейтрализации и очистки промышленных и сточных вод ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» осуществляет очистку сточных вод не только своего предприятия, но и городов Воскресенска, Егорьевска, других населенных пунктов и промышленных предприятий Московской области.

Воскресенские очистные сооружения построены в 1977 году по традиционной схеме полной биологической очистки и включают в себя: механические решетки, горизонтальные песколовки, первичные радиальные отстойники, аэротенки-вытеснители, вторичные радиальные отстойники, а также фильтры-биореакторы для доочистки сточных вод, контактные резервуары, в которых осуществляется обеззараживание гипохлоритом натрия.

Производительность очистных сооружений в настоящее время составляет 75-85 тыс. м3/сут.

Применение доочистки на фильтрах с зернистой загрузкой после традиционной биологической очистки сточных вод позволяет существенно повысить качественные показатели очищенных сточных вод и, в первую очередь, содержание в них взвешенных веществ. Особенно эффективными для доочистки сточных вод являются разработанные НИИ КВОВ и использованные на очистных сооружениях г. Воскресенска (Московская область) фильтры восходящим потоком воды и воздушной промывкой.

Фильтры-биореакторы, эксплуатируемые на очистных сооружениях г. Воскресенска, позволяют добиться качества очистки, соответствующего нормам допустимого сброса для водоемов рыбохозяйственного назначения по взвешенным веществам, БПК полн., азоту аммонийному, азоту нитритному, нефтепродуктам и ряду тяжелых металлов.

В течение 30 лет производилась непрерывная реконструкция этих фильтров с целью повышения качества очистки сточных вод и упрощения процесса обслуживания фильтров. Проведенная в ходе реконструкции интенсификация процессов фильтрования на основании разработанной Д.М. Минцем теории фильтрования позволила осуществить:
- специальный экономичный гидравлический режим водовоздушной промывки фильтров-биореакторов;
- прохождение в теле загрузки фильтров процессов биохимического окисления органических веществ, нитрификации и денитрификации;
- процесс фильтрования биологически очищенных сточных вод со скоростью 12-15 м/час.

Устройство фильтра-биореактора представлено на рис. 1.

Рис. 1. Устройство фильтра-биореактора

Фильтр-биореактор представляет собой прямоугольную емкость, заполненную гравийной или песчаной загрузкой, крупность зерен которой убывает снизу вверх по направлению движения очищаемой воды.

По дну фильтра проложена дренажная распределительная система подачи воды и воздуха с необходимой интенсивностью, обеспечивающая подачу очищаемой воды во время фильтроцикла и во время периодической промывки фильтрующей загрузки. Фильтры оборудованы системой низкого отвода промывной воды. Сточные воды перед подачей на фильтр аэрируются воздухом до концентрации 5-7 мг/л. Насыщенная кислородом сточная вода подается на фильтр по дренажной системе, выполненной из полимерных материалов.

Очистка фильтрованием в толще фильтрующей загрузки происходит в результате двух одновременно протекающих процессов: прилипания частиц взвеси к поверхности зерен фильтрующего материала и ранее прилипших загрязнений и их отрыв под действием сил гидродинамического давления потока воды.

В толще зернистой загрузки фильтров-биореакторов проходят процессы биохимического окисления органических веществ за счет микроорганизмов, находящихся в биопленке на поверхности зерен фильтрующей загрузки, и в частичках загрязнений, находящихся в межпоровом пространстве фильтрующей среды. Процесс очистки интенсивно протекает при наличии дополнительно растворенного воздуха в поступающих на фильтрование стоках до концентрации 5-7 мг/дм3.

В биопленке на зернах фильтрующей загрузки и в частицах задержанного активного ила происходит реакция нитрификации-денитрификации.

При этом эффективность снижения концентрации аммонийного азота составляет 50-60%, а снижение концентрации общего азота - 15-40%. Эффективность снижения общего азота увеличивается с увеличением продолжительности фильтроцикла. В первые сутки снижение не превышает 20%, во вторые сутки достигает 40%, а на третьи снижается до 20%.

В фильтрах с восходящим потоком очищаемой воды простейшим образом и наиболее полно реализуется прогрессивный принцип фильтрования в направлении убывающей крупности зерен загрузки (что позволяет в максимальной степени увеличить их грязеемкость), а применение водовоздушной промывки дает возможность получать хороший эффект отмывки фильтрующей загрузки при сравнительно небольших расходах промывной воды. Отсутствие на поверхности фильтра устройств, способных обмерзать при низких температурах воздуха, дает возможность сооружать их вне здания в большинстве регионов России, с устройством павильона только над галереей трубопроводов.

При использовании фильтровальных сооружений с восходящим потоком воды не предъявляются жесткие требования к грануло-метрическому составу зернистой фильтрующей среды, что является их важным преимуществом, поскольку применение зернистых фильтров для доочистки сточных вод (и в других областях применения) во многом сдерживается дефицитом и стоимостью достаточно однородных по крупности зернистых фильтрующих материалов. В качестве зернистой загрузки используется базальт крупностью 4-6 мм. Зерна дробленого базальта имеют порфировую равномерно-зернистую структуру и однородную текстуру и представляют собой фильтрующий материал с тонкозернистой шероховатой поверхностью гранул, к которой хорошо прилипают хлопья активного ила при фильтрации биологически очищенной сточной воды, что способствует интенсификации процесса биологической очитки в толще загрузки. Применение дробленого базальта позволяет производить доочистку сточных вод со скоростью до 20 м/час, дает возможность реализовать на практике принцип «самопромывки» фильтра, при котором промывка фильтрующего слоя производится потоком воды, подаваемым на очистку. По достижении предельных потерь напора в фильтре для его промывки необходимо подавать только воздух. Процесс промывки при этом значительно упрощается, количество промывной воды сокращается в два раза, а продолжительность промывки - в 1,5 раза. На рис. 2 представлена кривая промывки фильтра.

Рис. 2. График промывки фильтра-биореактора

В приемном резервуаре осуществляется насыщение сточной воды кислородом при помощи мелкопузырчатых аэраторов производства ЗАО «Экотон».

Насосами исходной воды типа ОВ и Д сточная вода подается в канал (1), где установлена механизированная решетка для задержания мусора и предохранения отверстий дренажно- распределительной системы. После канала решеток сточная вода направляется во входные регулирующие камеры фильтров-биореакторов. Для осуществления водовоздушной промывки фильтров установлены две воздуходувки типа ТВ. Промывная вода удаляется в резервуар промывных вод и далее в голову очистных сооружений. Доочищенная сточная вода подается в контактные резервуары для обеззараживания.

Фильтры-биореакторы доочистки биологически очищенных сточных вод эксплуатируются уже в течение трех десятков лет. За время эксплуатации достигнута высокая эффективность очистки по БПК полн. (рис 3).

Рис. 3. Эффективность снижения БПК на фильтрах-биореакторах

Необходимо отметить, что вне зависимости от концентрации загрязнений в поступающих стоках, эффективность очистки всегда была высокой.

 Рис. 4. Эффективность снижения взвешенных веществ на фильтрах-биореакторах

Рис. 5. Эффективность снижения азота аммонийного на фильтрах-биореакторах

Рис. 6. Эффективность снижения нефтепродуктов на фильтрах-биореакторах

Рис. 7. Эффективность снижения меди на фильтра-биореакторах

Многолетняя эксплуатация фильтровальных сооружений для доочистки биологически очищенных сточных вод выявила следующие их строительные и конструктивные достоинства:
- конструктивная простота технологической схемы доочистки;
- минимальное количество простейшего оборудования: решетки, воздуходувки, насосы, задвижки;
- небольшой строительный объем здания для размещения оборудования: насосов, воздуходувок, входных камер и задвижек;
- небольшая необходимая высота подъема сточных вод перед фильтрованием: 4-5 м;
- простота выполнения железобетонных емкостей для устройства в них фильтров-биореакторов;
- простота устройства систем распределения воды и воздуха;
- простота исполнения водосборной системы в фильтрах-биореакторах (низкий отвод очищенной и промывной воды);
- возможность строительства фильтров-биореакторов в средней полосе России за пределами отапливаемых зданий;
- простота заполнения фильтров-биореакторов - их загрузка осуществляется с помощью строительных автопогрузчиков в заполненный водой фильтр;
- возможность использования широкого спектра недорогих зернистых фильтрующих материалов;
- возможность работы фильтров-биореакторов в режиме «самопромывка». Режим, при котором промывка осуществляется за счет дополнительной подачи воздуха к рабочему расходу очищаемой воды;
- простота узла задержания мусора для предотвращения засорения отверстий дренажно-распределительной системы - механизированные решетки типа СУЭ-1212.

На протяжении длительного периода эксплуатации выявлены важные технологические и эксплуатационные достоинства используемых фильтровальных сооружений с восходящим потоком очищаемой сточной воды:
- не отмечено ни одного случая сдвига слоев зернистой загрузки фильтров даже при максимальной интенсивности проведения водовоздушной промывки (150-180 м3/м2 воздуха и 25 м3/м2 промывной воды);
- не отмечено ни одного случая заиливания фильтрующей загрузки при минимальной интенсивности промывки (80-100 м3/м2 воздуха и 12 м3/м2 промывной воды);
- простота обслуживания фильтров-биореакторов позволяет проводить их эксплуатационное обслуживание как в ручном режиме силами одной штатной единицы, так и в автоматическом режиме с использованием простейших контрольно-измерительных приборов расхода воды и воздуха, а также реле времени;
- малый расход промывной воды как следствие малого времени, необходимого для промывки фильтра;
- большая грязеемкость фильтров, что позволяет увеличивать время фильтроциклов между промывками с обычных 24 час. до 72 час. или увеличивать скорость фильтрования с 10 м/час до 15-18 м/час;
- простота проведения промывки фильтров биореакторов: для проведения промывки необходимо провести регулировку двух задвижек;
- возможность поступления на фильтры загрязненных стоков после биологической очистки с концентрацией по взвешенным веществам до 60-80 мг/л в течение 3-5 час без ухудшения качества фильтрационной доочистки;
- надежная работа систем распределения воды и воздуха в течение 20-25 лет без ремонтов и снижения основных технологических показателей работы фильтров;
- простота дозагрузки зернистых материалов в фильтры на протяжении их длительной эксплуатации и малое количество потребного для дозагрузки фильтрующего материала - не более 2% в год.

Фильтры-биореакторы отнюдь не исчерпали возможностей для их совершенствования. Благодаря большой грязеемкости и дренажной системе, выполненной из полимерных материалов, они могут быть эффективно использованы и для снижения концентрации фосфора в очищаемой воде. В 2008 году были проведены успешные промышленные испытания фильтров-биореакторов для снижения концентрации фосфора с помощью реагентов, использовалось хлорное и сернокислое железо. Концентрация фосфора была снижена с 5 мг/дм3 до 0,2-0,5 мг/дм3.

Литература:
1. Лукиных Н.А., Липман Б.Л., Криш- тул В.П. Методы доочистки сточных вод. - М.: Стройиздат, 1978.
2. Мельцер В.3. Фильтровальные сооружения в коммунальном водоснабжении. - М.: Стройиздат, 1995.
3. Мельцер В.3., Гецина Г.И., Смирнов В.Б. Глубокая очистка сточных вод на фильтрах-биореакторах // Водоснабжение и сан. техника. 1992. № 3.
4. Минц Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды. -М.: Стройиздат, 1964.
5. Мельцер В.З. Смирнов В.Б. Опыт эксплуатации и реконструкции фильтров- биореакторов с восходящим потоком. Водоснабжение и сан.техника. 2007. № 10.

Журнал «Вода Magazine», №7 (59), 2012 г.