Биологично пречистване на отпадни води

Част II. Приложна област, конструктивни особености, принцип на работа и технологични схеми на биодискове
Наред с различни механични замърсители отпадните води от населените места съдържат и голямо количество биологични замърсители. За отстраняването им се използват различни съоръжения, разработени специално за биологично пречистване на отпадни води. Сред често прилаганите за малки и средни пречиствателни станции съоръжения са биодисковете, познати още сред специалистите като въртящи се биоконтактори.
Биодисковете са съоръжения, в които се извършва аеробно биологично пречистване, като за отстраняване на биологичните замърсители се използва активна утайка (единични щамове или комплекс от такива, които при подходящи условия на развитие в присъствието на кислород се размножават, консумирайки органичните замърсители). Биодисковете са подходящи за отпадъчни води със замърсеност по БПК5 до 350 mg/dm3 и суспендирани вещества до 500 mg/dm3 при средна зимна температура, по-висока от 7 оС. Могат да се използват както за непълно, така и за пълно биологично пречистване, със или без стабилизиране на получените утайки.

В конструктивен аспект биодисковете представляват правоъгълни по форма резервоари с овални дъна, които могат да бъдат с една или с няколко секции. Основният им конструктивен елемент, естествено, са бавно въртящите се дискове, които обикновено са пластмасови или метални. Дисковете са поставени така, че да бъдат само частично потопени във водата. Диаметърът им обикновено варира от 1.2 до 3.6 m, а дебелината на стените им се определя от използвания за изработването им материал. Например, когато дисковете са от PVC, дебелината им обикновено е от 0,8 до 2 mm, а когато материалът е полистирол, дебелината на стената им е от 10 до 20 mm.
Дисковете се монтират върху вал, който се задвижва с електродвигател. Броят на дисковете, които се монтират върху един вал, варира в широки граници и се определя преди всичко в зависимост от дължината на вала. Обикновено, върху един вал се монтират от 30 до 180 диска, като на 1 m от вала се поставят средно по 30 диска. За оптимално светло разстояние между дисковете се приема разстоянието от 10 до 25 mm, а максималната дължина на вала в повечето случаи не надвишава 6 - 7 m.

За да се постигне добър пречиствателен ефект, специалистите препоръчват между дъното на резервоара и самите дискове да се остави разстояние от 2 до 5 cm, а дисковете да са потопени на 45 % от диаметъра им, така че оста на вала да се намира малко над водното ниво.

Органично и хидравлично натоварване на биодисковете

Както вече бе споменато, в биодисковете се извършва аеробно биологично пречистване с помощта на активна утайка. В резервоара на биодиска се поставя посявка от микроорганизми, които извършват биодеградацията. При въртенето на дисковете те увличат част от водата със себе си, в резултат на което тя се насища с кислород от околния въздух. Върху самите дискове се образува биологична ципа, която е способна да окислява замърсителите. Благодарение на въртенето на дисковете, се осигурява и периодичен контакт на биомасата върху тях с водата и околния въздух. По този начин се създават аеробни условия за жизнената дейност на микроорганизмите от биологичната ципа. Пречистваната вода престоява в резервоара на биодисковете за период от време от няколко часа до едно денонощие.
Честотата на въртене на биоконтакторите е от 1,1 до 4,8 min-1, а периферната скорост на дисковете е от 0,20 до 0,30 m/s. При пълно биологично пречистване органичното натоварване е в границите от 10 до 80 g БПК5/(m2.d). Хидравличното натоварване, обаче, варира в широки граници, тъй като върху него оказват влияние конструктивните особености на биоконтакторите, началната замърсеност на отпадъчните води и необходимата степен на пречистване. Обикновено е в границите от 40 до 100 dm3/(m2.d). Органичното натоварване при пълно биологично пречистване с нитрификация е от 3 до 5 g БПК5/m2.d, а хидравличното съответно е от 10 до 30 m3/(m2.d). Точните данни за допълнителни натоварвания се предоставят от производителите на въртящи се биоконтактори.
При въртящите се биоконтактори разходът на електроенергия възлиза на 0,3 kWh за един kg за един kg БПК5. В сравнение с биобасейните, например, биодисковете изразходват 5 - 6 пъти по-малко електроенергия за постигане на еднакъв пречиствателен ефект. Препоръчително е при използването на въртящи се биоконтактори още на проектния етап да се предвиди монтирането им в специални сгради. Предназначението им основно е с цел защитата им от пряко атмосферно влияние, както и осигуряването на оптимални условия за поддръжка. Сградите, в които се монтират биодисковете, се изграждат с леки пластмасови покривни конструкции. Разстоянието между стените на сградата и биоконтакторите се определя в зависимост от конструктивните им особености.
Когато средната зимна температура на отпадните води е под 12 оС, се предвижда корекционен коефициент за увеличаване на необходимата контактна повърхнина на въртящия се биоконтактор. Прирастът на биомаса зависи от големината на органичното натоварване и обикновено стойността му се приема от таблици в зависимост от стойността на самото органично натоварване.

Биодисковете като част от общата технологична схема

При изграждането на пречиствателни станции, в които проектно е заложено включването на въртящи се биоконтактори, се използват различни технологични пречиствателни схеми. При избора на конкретна технологична схема се вземат предвид преди всичко количеството и съставът на пречистваната вода и необходимата степен на пречистване на отпадната вода. Схемите се класифицират в зависимост от броя на секциите, броя на степените, както и според степента на пречистване. Например, според броя на степените те могат да бъдат едностепенни, двустепенни и многостепенни, изградени от един до шест биодискове, разположени един зад друг. Според броя на секциите схемите са едносекционни, двусекционни и трисекционни, работещи в паралел. Според степента на пречистване, технологичните схеми са за пълно или непълно пречистване.
Независимо вида си, всяка избрана технологична схема включва няколко основни съоръжения, сред които са решетки (сита), първични утаители, биоконтактори, вторични утаители и съоръжения за стабилизиране, обезводняване и изсушаване на утайките. Решетките, които се предвиждат, могат да бъдат с различна големина на отворите. В случаите, когато се използват решетки с големина на отворите 8 mm, се допуска да не се предвижда първичен утаител. Но ако се използват решетки с големина на отворите от 16 до 20 mm и съдържанието на суспендираните вещества надвишава 250 mg/dm3, е препоръчително в схемата да се включи и първичен утаител.
Вторичните утаители след въртящите се биоконтактори се оразмеряват за времепрестой на отпадните води в тях не по-малко от 2 часа и максимално хидравлично натоварване до 0,5 dm3/(m2.d) при влажност на задържаната утайка 96-97%. За да се повиши ефективността на пречистване, при необходимост е възможно да се предвиди и реализира и рециркулация на активната утайка.

Етапи на оразмеряване на биодисковете

За оразмеряване на въртящите се биоконтактори съществуват различни методи. Общото между всички тях е, че използват хидравличното и органичното натоварване на единица площ от дисковете за единица време. Разликата между различните методи се състои в използването на различните методологии за тяхното определяне. Обикновено в процеса на оразмеряване се използва следната последователност.
Първоначално се определя натоварването на биоконтакторите с органично вещество, като се вземат предвид оразмерителното водно количество и неговата начална замърсеност по БПК5. След като се определи натоварването на биоконтакторите с органично вещество, се пресмятат окислените органични вещества от биоконтакторите, като освен оразмерителното водно количество и неговата начална замърсеност по БПК5 се отчита и БПК5 на пречистената вода.
Следващият етап включва определяне на общата необходима площ на биодисковете. За пресмятането й отново се вземат предвид оразмерителното водно количество и неговата начална замърсеност по БПК5, както и БПК5 на пречистената вода, но също така се отчита и органичното натоварване. Видът на дисковете се избира на базата на каталожна информация от фирмата-производител, а броят им се определя в зависимост от общата необходима площ на дисковете и работната площ на диска от двете му страни.
След като се избере моделът на дисковете и се определи броят им, се пристъпва към пресмятане на броя на секциите и броя на степените. Последните етапи от оразмеряването са свързани с определяне на широчината и дължината на една секция и работната дълбочина на биованите.

Използват се и за пълно, и за непълно пречистване

Както всички технически съоръжения, и въртящите се биоконтактори имат своите предимства и недостатъци. Като основни техни предимства се посочват лесната им експлоатация, ниските енергийни и експлоатационни разходи, както и възможността да се постигне висока степен на пречистване. Практически е доказано, че могат успешно да се използват както за пълно, така и за непълно биологично пречистване на битови и промишлени отпадни води. Съществено предимство на биодисковете е гарантираното пълно периодично намокряне на повърхността на дисковете, независимо от текущото хидравлично натоварване.
Чрез промяна скоростта на въртене на дисковете е възможно да се регулира концентрацията на кислород в пречистваните отпадни води. Ако се избере конструктивна схема, при която има денивелация в размер на от 0,5 до 0,7 m, пакетът от дискове би могъл да се задвижи и от падащата водна струя. С цел увеличаване на специфичната повърхност на дисковете и обема на активната биомаса, те могат да се произвеждат профилирани. Също така, с цел доставяне на необходимото количество кислород, както и за задвижване на дисковете с въздух, се изгражда въздушна инсталация. Важно предимство на биодисковете е и фактът, че те не са източник на допълнителен производствен шум. Произвеждат се на модулен принцип в заводски условия. Препоръчва се да се изграждат на двустепенна или тристепенна технологична схема.
Недостатъците на въртящите се биоконтактори са свързани с по-високата първоначална инвестиция за изграждането им .
Освен това при използването им е необходимо да се осигури добро механично пречистване, тъй като първичната утайка и отмитата биологична ципа могат да се утаят на дъното на биобасейните, в които са потопени дисковете, и да създадат затруднения. По тази причина се препоръчва да се предвидят изпразнителни устройства, чрез които да се отстраняват този вид утайки.

Модификации на биодисковете

В практиката се използват и различни модифицирани конструкции на потопени биофилтри. Особено широко приложение намират т. нар. потопени въртящи се барабанни биофилтри. Този вид реактори са изградени от въртящи се барабани, които са обвити с метална или пластмасова мрежа, която е монтирана върху метална конструкция. Корпусът на барабана е запълнен с насипни пластмасови елементи, различни фигурни блокови пластмасови тела, гофрирани или плоскостни материали. Върху повърхността на тези елементи се образува биологична ципа. Обикновено барабаните са с дължина от 2 до 3 метра, а диаметърът им е от 2 до 2,5 метра. Потопени са в резервоари, изработени от стомана или стоманобетон, в които постъпва отпадната вода за пречистване. Честотата на въртене на барабана е от 1 до 2 оборота в минута. За осигуряване на стабилност на конструкцията, от вътрешната страна на барабана се предвиждат метални ребра и напречни прегради, които разделят тялото на барабана на от 6 до 8 сектора. Този тип биофилтри могат да бъдат едностепенни и многостепенни.
Друга конструкция, намерила приложение в практиката, са статичните биофилтри. Те се изграждат от един или няколко басейни, в които са монтирани пакети от филтърен материал, през които протича водата.