Wszystko, co musisz wiedzieć o (złożach biologicznych zraszanych)

Autor: Jia Zhu, Bryan Rothermel

Złoża biologiczne zraszane (filtry biologiczne, biofiltry) były niezwykle ważnym elementem układu technologicznego oczyszczalni ścieków przez ponad 100 lat i ich istota zapewne nie straci na znaczeniu także w przyszłości. Filtry te składają się z części stałej – nośnika wypełnionego złożem biologicznym, przez który „przesączane” są ścieki. Pojęcie biofiltr może być nieco mylące, ponieważ fizyczna filtracja faktycznie nie występuje w systemie filtra biologicznego. Materiał filtracyjny służy raczej jako stelaż dla mikroorganizmów, które rosną wypełniając medium filtracyjne, a w konsekwencji tworzą błonę biologiczną, czyli biofilm. Biofilm, dzięki procesom biochemicznym, absorbuje zanieczyszczenia zawarte w przepływających ściekach: kiedy ścieki zetkną się z biofilmem i powietrzem, substancje zanieczyszczające dyfundują do warstwy biologicznej i przekształcane są w związki nieszkodliwe. Na dnie biofiltru znajduje się drenaż, który odprowadza ścieki do odstojników, gdzie substancje stałe ulegają sedymentacji. Fotografia nr1 przedstawia nowoczesny biofiltr podczas eksploatacji.

Fotografia nr1
 

Znaczenie technologii filtrów biologicznych

Współczesne biofiltry mogą być budowane do nawet ok. 12m (40 stóp) wysokości i składać się z wysokiej jakości, wypełnienia z tworzyw sztucznych, w połączeniu z nowoczesnymi systemami zraszania i wentylacji. Wydajność biofiltrów została znacznie zwiększona w porównaniu z wcześniejszymu filtrami, pochodzącymi z lat 50-tych ubiegłego wieku. Możliwości technologii filtrów biologicznych zostały znacznie rozszerzone poza wstępną fazę zapotrzebowania na tlen, włączając wtórne utlenianie węgla oraz trzecią fazę nitryfikacji.

Technologia biofiltów jest zarówno prosta jak i niezawodna. Dzięki mniejszej liczbie elementów rychomych niż systemy osadu czynnego czy inne technologie oczyszczania, biofiltry wymagają znacznie mniej zabiegów konserwacyjnych oraz nadzoru podczas eksploatacji. Złoża biologiczne są również znane jako systemy o wyższej odporności na wzrost obciążeń ładunkiem biologicznym przepływających ścieków.

Biofiltry są „zieloną technologią”, która potrzebuje mniejszej ilości energii niż inne systemy oczyszczania. Zazwyczaj wymagają tylko dostarczania mocy pompom,a w niektórych przypadkach, zużycie energii jest dużo mniejsze niż moc dmuchaw napowietrzających, stosowanych w systemach osadu czynnego. Prawidłowo zamontowane i odpowiednio obsługiwane biofiltry wykazują zużycie energii mniejsze o 30 – 50% w porównaniu z technologią osadu czynnego.

Innymi słowy, technologia filtów biologicznych jest nadal bardzo istotna.

Fotografia nr 2
 

Kluczowe elementy biofiltrów

Typowy biofiltr składa się z systemu zraszania, materiału filtracyjnego, dolnego drenażu zbiorczego, systemu wentylacji, oboudowy oraz, w niektórych przypadkach, kopuły. Fotografia nr2 przedstawia budowę współczesnego biofiltra.

System zraszania: System ten zapewnia równomierny rozkład ścieków nad medium filtracyjnym. Nowoczesne biofiltry zazwyczaj wyposażone są w zraszacze obrotowe, które składają się z dwóch lub więcej poziomych rur zawieszonych nad złożem biologicznym. Poziome rury nazywane są ramionami zraszacza, obracają się nad złożem rozprowadzając ścieki dzięki umieszczonych w rurach dyszom. Ramiona zraszacza mogą być napędzane hydraulicznie za pomocą siły odrzutu wypływających z dysz ścieków, umożliwiając tym samym ich obrót. Zraszacze mogą również być napędzane przy pomocy mechanizmów elektrycznych.

Materiał filtracyjny: Dawne biofiltry używały kamieni jako materiał wypełniający, jednak słaba wentylacja oraz limit wysokości złoża ograniczonej dość dużą masą uniemożliwiał zwiększenie pojemności i wydajności oczyszczania ścieków. W latach 50-tych wprowadzono syntetyczne wypełnienia takie jak pakiety z PVC, które stały się dominującym materiałem do budowy nowych filtrów a także przy modernizacji starych filtrów wypełnionych kamieniami. Masa wypełnień wykonanych z tworzyw sztucznych stanowi od 2 do 3 procent masy kamiennego wypełnienia, a powierzchnia przeznaczona dla rozwoju mikroorganizmów jest od 2 do 4 razy większa. Wskaźnik porowatości wypełnienia z tworzyw sztucznych jest również o wiele wyższy, co sprzyja wentylacji i może zapewnić podwojenie wydajności oczyszczania w porównaniu do filtrów o tej samej wielkości, z kamiennym wypełnieniem.

Dla różnych zastosowań opracowano kilka typów wypełnień pakietowych. Przykładowo, wypełnienia o przepływie pionowym stosowane są do ścieków silnie zanieczyszczonych, natomiast o przpływie poprzecznym wykorzystywane są do oczyszczania wtórnego oraz w procesach nitryfikacji. Kombinacja poprzecznego przepływu na górze złoża filtracyjnego oraz pionowego przepływu na dole może również być wykorzystywana podczas oczyszczania wstępnego. Wybór wypełnienia zależy głównie od przewidywanego obciążenia ładunkiem biologicznym filtra.

Drenaż dolny: Drenaż spełnia trzy cele: 1) zbieranie oczyszczonych ścieków do przetransportowania; 2) wspieranie wypełnienia; 3) umożliwianie przepływu powietrza przez złoże biologiczne.

Konwencjonalne systemy drenujące mogą być zbudowane z betonowych filarów lub belek. System drenujący, składający się z regulowanych plastikowych podpór i krat wzmocnionych włóknem szkalnym, widoczny na fotografii nr3, często używany jest jako alternatywa konwencjonalnego drenażu dolnego. Ten prefabrykowamy system jest bardziej ekonomiczny i zapewnia lepszą wentylację niż konwencjonalne systemy drenujące dlatego też, zyskuje popularność zarówno w nowych instalacjach jak i przy modernizacji już istniejących obiektów.

Fotografia nr 3

 

Wentylacja: Zmniejszanie biochemicznego zapotrzebowania na tlen oraz nitryfikacja na złożach zraszanych są procesami aerobowymi, które opierają się na wystarczającym przepływie powietrza wcelu uzyskania opytmalnej wydajności procesu. Strasze, otwarte typy złóż zraszanych opierają się na naturalnym ciągu wentylacyjnym. Wykorzystując gradienty wilgotności i temperatury pomiędzy powietrzem na zewnątrz i wewnątrz, do wytworzenia cyrkulacji powietrza.

Pokrywy czasem są stosowane we współczesnych złożach zraszanych w celu redukcji utraty temperatury w porze zimowej oraz aby kontrolować odoranty. W zamkniętych systemach wykorzystywane są wentylatory niskociśnieniowe w celu utrzymania ruchu powietrza.

 

Jak zwiększyć wydajność złoża biologicznego zraszanego

Kluczem do udanej eksploatacji jest wytworzenie i utrzymanie właściwego rodzaju i grubości biofilmu na stosownej powierzchni złoża. Zdrowy biofilm wymaga odpowiedniej ilości tlenu, wody i usuwania nadmiaru w celu osiągnięcia najefektywniejszego tempa absropcji zanieczyszczeń.

Recyrkulacja przpływających ścieków na złoże zraszane jest uważana za główny proces sterujący. Recyrkulacja ścieków może zwiększać ilość rozpuszczanego tlenu, zapewnić odpowiednie zwilżenie złoża oraz kontrolować jego „złuszczanie”.

Obciążenie hydrauliczne jest ogólnym wskaźnikiem ilości ścieków podawanych na złoże, zarówno zasilających jak i recyrkulowanych.

Kolejnym ważnym parametrem technologicznym jest wskaźnik dawkowania, który odzwierciedla intensywność zraszania złoża ściekami. Parametr ten może być kontrolowany poprzez stopień recyrkulacji oraz prędkość obrotową zraszacza. Wskaźnik dawkowania jest mierzony w milimetrach na obrót. Większe wartości tego parametru są zalecane przy dużych ładunkach zanieczyszczeń organicznych w celu zapewnienia odpowiedniego wymywania, niezbędnego do utrzymywania wymaganej grubości błony biologicznej. Makrofauna, taka jak ślimaki, pojawia się w złożach biologicznych i wiele z nich powoduje uciążliwe problemy, których większość może być kontrolowana przez płukanie. Udowodnioną metodą przy kontrolowaniu występowania ślimaków jest zwiększenie wartości Ph co spowoduje uwolnienie amoniaku, który jest dla nich toksyczny. W niektórych oczyszczalniach zostały zastosowane także specjalne pułapki na ślimaki.

 

Kiedy powinno się wymienić plastikowe wypełenienie złoża?

Żywotność wypełnienia z tworzyw sztucznych waha się w granicach od 20 do 30 lat, chociaż górna warstwa może wymagać wcześniejszej wymiany, ze względu na niszczące działanie promieniowania UV oraz erozję wodną. W momencie, gdy kończy się sugerowany okres eksploatacji złoża zraszanego, warto zaplanować wymianę medium filtracyjnego w celu uniknięcia osłabienia skuteczności działania lub awarii konstrukcji wypełnienia złoża. Fotografie 4a-4c przedstawiają przypadki awarii wypełnień złóż filtracyjnych.

Kilka przydatnych pytań do zadania, podczas rozważania wymiany złoża biologicznego:

  • W jaki sposób wykonane jest złoże biologiczne?
    Spadek wydajności jest prawdopodobnie wskaźnikiem zapchania złoża, czego konsekwencją jest zmniejszenie powierzchni dla biofilmu, spadek wentylacji oraz spadek skuteczności działania.
  • Jak złoże biologiczne wygląda od spodu oraz od góry?
    Uszczelnienie na górze lub nierówny wyciek wody w części drenażowej powoduje zapychanie, co może wywołać awarię złoża.
  • Jaki jest typ ścieków?
    Złoża nitryfikujące zazwyczaj mają dłuższą żywotność niż złoża wstępne, które pracują na wysokich ładunkach zanieczyszczeń organicznych oraz posiadają wzmożony wzrost biomasy, co przyspiesza starzenie się złoża.

Dzięki właściwemu zaprojektowaniu złoża oraz odpowiedniemu montażowi i okresowej konserwacji przez okres pracy złoża, filtry biologiczne mogą używane przez wiele lat, z dużą efektywnością i niskimi kosztami utrzymania.

Fotografia nr 4a
Fotografia nr 4b
Fotografia nr 4c
 

 

Do pobrania: