|
Авторы Хоружий П.Д., Хомутецкая Т.П., Котельчук А.Л., Рубан О.В., Рудницкий E.А., Институт гидротехники и мелиорации УААН, Киев, Хоружий В.П, Василюк А.В., Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса В современных условиях усиленной антропогенной нагрузки на источники водоснабжения и зарегулированности поверхностного стока возникают проблемы подготовки качественной питьевой воды. При небольшой мутности поверхностных вод, их цветность повышается в результате загрязнения органическими примесями и развития фитопланктона. Именно поэтому современные технологии водоподготовки с использованием лишь тяжелой или плавающей фильтровальной загрузки уже не обеспечивают нужного качества питьевой воды.
В настоящее время эта проблема решается за счёт использования на водоочистительных станциях волокнисто-пенополистирольных фильтров, которые являются дешевыми в строительстве, более простыми в эксплуатации в сравнении с типичными технологиями, а также обеспечивают необходимые характеристики питьевой воды. Такая технологическая схема с успехом применяется также для очистки подземных вод и доочистки стоковых хозяйственно-бытовых вод и стоковых вод промышленных предприятий, а также предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции. В таких водоочистительных станциях применяют два основных сооружения ( рис. 1 ): 1. Фильтр с волокнистой загрузкой, который исполняет роль биореактора (БР). 2. Контактный осветительный фильтр (КОФ) предназначенный для глубокого осветления и обесцвечения воды. 
Водоочистительная станция работает так. Исходная вода по трубе 1 поступает через аэратор 2 на биофильтр 3. В нем происходит насыщение воды кислородом, удаление углекислого газа и других газов из воды для предотвращения пузырьковой кальматации фильтровальной загрузки КОФ. На волокнистой загрузке БР образуется биопленка, которая принимает участие в биохимическом окислении органических примесей, которые находятся в исходной воде. Раствор реагентов для коагуляции воды может подаваться в следующих местах: 1. перед БР (точка 20 рис. 1 ) при обработке мутных малоцветных вод. В этом случае БР исполняет роль камеры образования крупных хлопьев для освещения воды в КОФ; 2. перед КОФ (точка 21 рис. 1 ) при обработке маломутных высокоцветных вод, которые имеют много органических примесей. В этом случае в БР происходит процесс биохимического окисления органических веществ и их сорбции на биопленке волокнистой загрузки. Для интенсификации работы водоочистительной станции на ней осуществляются такие технологические процессы: аэрация воды; биохимическое окисление органических веществ и их минерализация; контактная коагуляция примесей; использование сил гравитации при восходящем движении воды; осветлениение воды в слое зависшего осадка в подфильтровом пространстве КОФ. Для равномерного распределения воды по площади фильтра применяют верхнюю и нижнюю дренажно-распределительные системы. Длительность фильтроцикла определяется при достижении предельных потерь напора на станции: 
Промывку фильтра осуществляют обратным движением воды. Промывную воду отводят по сбросной трубе в канализацию. Для загрузки биореакторов следует применять волокнистые материалы из полистирола, капрона или лавсана, допущенные Министерством охраны здоровья Украины для применения в системах питьевого водоснабжения. Эти материалы используются в качестве насадки для закрепления естественных биоценозов: железобактерий — при очистке подземных вод, гидробионтов — при очистке поверхностных естественных вод и доочистки стоковых вод с целью интенсификации очистки воды от органических, неорганических и микробиологических примесей. Характеристики волокнистой загрузки следует принимать по табл. 1 . 
Для обеспечения выхода газов из жидкости в биореакторе время пребывания воды в нем должно быть не меньше 1 минуты, а максимальная скорость движения воды в конце фильтроцикла между нитями загрузки не должна превышать 0,05 м/с. Нити волокнистой фильтровальной загрузки диаметром d в и на расстоянии между их осями Ä должны быть натянуты между верхней и нижней колосниковыми решетками, через которые проходит вода. Необходимая длина нитей волокнистой фильтровальной загрузки определяется по формуле: 
где V Ф — скорость фильтрования воды в биореакторе, м/час; С О и С Ф — содержание примесей в исходной и фильтруемой воде, мг/дм 3 ; К О — параметр биосорбции, час -1 , определяется по формуле: 
где К С — коэффициент массопереноса в биореакторе, м/час, принимается по табл. 1 ; r В — радиус нитей волокнистой загрузки, м; ä n — средняя толщина биопленки вокруг нитей за период фильтроцикла; С О / С Ф — расчётная глубина очистки воды в биореакторе. 
Схема движения исходной воды между нитями волокнистой загрузки БР показана на рис. 2 . 
Общая площадь поперечного сечения биореактора (брутто) определяется по формуле: 
где Q р.max — расчётный расход воды через биореактор, м 3 /час. Эта площадь должна быть проверена на возможность выхода газов из биореактора в конце фильтроцикла: 
где F O — минимальная свободная площадь поперечного сечения биореактора в конце фильтроцикла, через которую проходит исходная вода: 
K 1 — коэффициент, который учитывает степень заполнения поперечного сечения корпуса биореактора нитями загрузки: 
где N — количество нитей загрузки в поперечном сечении биореактора; d В и d Б — диаметры, соответственно, нитей загрузки и биореактора, мм; К 2 — коэффициент, который учитывает степень обрастания нитей волокнистой загрузки биопленкой и примесями из исходной воды: 
Количество биореакторов должно быть не меньше двух. По площади одного биореактора определяют его размеры в плане. Общая высота биореактора должна быть не меньше 4 м. При равномерном расположении нитей волокнистой фильтровальной загрузки в поперечном сечении их количество определяется по формулам для биореакторов: ❏ квадратной формы в плане: 
❏ цилиндрического типа: 
где а и d Б — соответственно, длина стороны квадрата и диаметр биореактора, мм. Пористость волокнистой фильтровальной загрузки биореакторов цилиндрического типа определяется: ❏ в начале фильтроцикла: 
❏ в конце фильтроцикла: 
где d Б — средняя толщина прикрепленной к волокнам биомассы, мм. Для биореакторов с поперечным сечением квадратной формы пористость волокнистой фильтровальной загрузки определяется по формулам (10) или (11), в которых вместо d Б подставляется величина а . Для очистки исходной воды от органических примесей (окисляемость, БСК) с эффективностью не меньше 50% на биореакторе с волокнистой фильтровальной загрузкой длиной Н В = 1 м скорость фильтрования воды V Ф должна быть не большей 5 м/час, а параметр биосорбции К О — не меньше 7 час -1 . Оптимальные конструктивные ( d Б , Н В , d В и Ä ) и технологические параметры ( V Ф и К С ) биореактора определяются технико-экономическими расчётами, выходя из требований достижения нужной глубины очистки воды СО/СФ при наименьших расходах на строительство и эксплуатацию водоочистительных сооружений. Исходную воду, которая поступает в биореактор, нужно насыщать кислородом воздуха, путем ее разбрызгивания на мелкие капельки и их падения с высоты не меньше 0,5 м над наивысшим уровнем воды в биореакторе. Режим работы биореактора должен быть отработан таким образом, чтобы обеспечить на первом этапе накопление и закрепление микроорганизмов, окисления и удаления из воды загрязнений, а на втором этапе — удаление из поверхности волокон минеральных частиц под действием гидродинамических сил фильтрационного потока. Биореакторы должны быть сконструированные таким образом, чтобы скорость движения воды в них не превышала критическую, при которой смываются с волокон прикрепленные микроорганизмы, а с другой стороны, была целиком достаточной, чтобы выносить из биореактора остатки биомассы, которая наросла и не прикрепилась к волокнам. Для загрузки контактно осветительных фильтров (КОФ) следует использовать гранулы из вспененного полистирола тех марок, на которые существует разрешение Министерства охраны здоровья Украины для применения в системах питьевого водоснабжения после 10-ти часового отмывания фильтровальной загрузки в проточной воде. На рис. 3 приведена схема оборудования напорного КОФ. Расчётные параметры пенополистирольной загрузки КОФ следует принимать по табл. 2 . 
Выбор контактно-осветлительных фильтров напорного или безнапорного типа следует осуществлять в зависимости от площади фильтра в плане на основе технико-экономических расчётов. Для предотвращения всплытия пенополистирольной фильтровальной загрузки от и выноса его за пределы фильтра при фильтровании воды следует предусматривать: для безнапорных фильтров — колосниковые решетки, пригруженные сверху гравиево-щебневым дренажом; для напорных фильтров — металлическую крышку, герметично соединенную с корпусом фильтра.
Колосниковую решетку безнапорных контактно осветительных фильтров с пенополистирольной загрузкой следует рассчитывать на выдерживание веса гравиево-щебневого дренажа при отсутствии воды в фильтрах и проверять ее на подъёмную силу всплывающей загрузки при восходящем фильтровании воды. Для исключения выноса гранул плавающей загрузки из фильтра, высоту подфильтрового пространства следует принимать не меньше 0,7 м и не допускается выпускать воду из фильтра во время его промывки при закрытой задвижке на трубопроводе подачи промывной воды. Окончание рабочего периода фильтрования воды на контактных осветлительных фильтрах следует определять по достижению предельных величин расхода напора: Расчётную дозу коагулянта ДК, мг/дм 3 , в начале фильтроцикла следует принимать при обработке цветных поверхностных вод: 
где К — цветность обрабатываемой воды ( К ≥ 23° ПКШ). Промывку фильтра допускается осуществлять исходной водой или фильтруемой водой. В первом случае количество рабочих фильтров должно быть не меньше: N рaб = 3,6 . q пр /V , (13) а после промывки фильтра первый фильтрат нужно сбрасывать в канализацию в течение: t = 60 . l Ф / V Ф , мин., (14) где q пр — интенсивность промывки фильтра, дм 3 /(с . м 2 ); l Ф — толщина фильтровальной загрузки, м; V Ф — скорость фильтрования воды, м/час. Интенсивность и длительность промывки контактных осветлительных фильтров следует определять при пусконаладочных работах сооружений, исходя из требований, чтобы была обеспечена расчётная «зарядка» пенополистирольного фильтра (минимальная грязеёмкость фильтра G min , кг/м 2 ), при которой достигается нужное качество очищенной воды по ее цветности в начале фильтроцикла. Для фильтров с пенополистирольной загрузкой и восходящим движением воды G min = 4-5 кг/м 2 . При эксплуатации контактных осветлительных фильтров с целью увеличения длительности фильтроцикла ТФ при нормативных качествах фильтруемой воды по ее цветности и значительной экономии расходов коагулянту следует применять переменную коагуляцию воды, когда в начале фильтрования длительностью 0,3 ТФ подается усиленная доза коагулянта, что определяется по формуле (12), а в течение 0,7 ТФ подается коагулянт в десять раз меньшей дозой. ■ Литература 1. Гвоздяк П.И. Микробиология и биотехнология очистки воды: Quo Vadis? // Химия и технология воды, 1989. — т. 11. — №9. — с. 854-858. 2. Журба М.Г. Пенополистирольные фильтры. — М.: Стройиздат, 1992. — 176 С. 3. Хоружий П.Д., Хомутецька Т.П., Хоружий В.П. Нові технології і установки для підготовки питної води в локальних водопроводах // Водне господарство України. — № 3-4. — 2003. — с.13-15. 4. Хоружий В.П., Хамад Іхаб Ахмад. Доочищення стічних вод на установці з волокнистим і пінополістирольним фільтрувальними завантаженнями // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. Вип.3. — К.: КНУБА, 2004. — с. 69-77. 5. Хоружий П.Д., Котельчук А.Л. Визначення пористості завантаження біореакторів для глибокого доочищення стічних вод // Водне господарство України. — № 6. — 2006. — с. 45-48. |
