Биофильтр

Биофильтр — это устройство или сооружение для биологической очистки сточных, промышленных или вентиляционных газов, в котором загрязнения разлагаются микроорганизмами, закреплёнными на поверхности инертной загрузки (фильтрующего материала). В отличие от механических и химических фильтров, биофильтр использует живые организмы (бактерии, грибы, простейшие) для окисления и минерализации органических и неорганических соединений. Биофильтры применяются в коммунальном хозяйстве, пищевой, химической, нефтеперерабатывающей промышленности, а также в системах вентиляции и аквакультуре.

История

Первые упоминания об использовании биологических процессов для очистки воды относятся к концу XIX века. В 1880-х годах в Англии были построены первые «биологические фильтры» с каменной загрузкой, на которой развивалась биоплёнка. В 1910–1920-х годах технология получила развитие в Германии и США, где начали применять орошаемые фильтры с гравием и коксом. В СССР биофильтры начали внедряться с 1930-х годов для очистки бытовых сточных вод небольших населённых пунктов и промышленных предприятий.

В 1950–1960-х годах появились конструкции с синтетической загрузкой (пластмассовые кольца, блоки), что позволило увеличить удельную поверхность и эффективность очистки. В 1970–1980-х годах биофильтры начали применяться для очистки газовоздушных выбросов (биофильтры для газов) — в основном на предприятиях по переработке органических отходов и в пищевой промышленности. В 1990–2000-х годах развитие получили мембранные и погружные биофильтры, а также комбинированные системы (биофильтры-аэротенки).

Устройство и принцип работы

Основные элементы биофильтра:

• Корпус — герметичная или открытая ёмкость (резервуар, колонна, камера), изготовленная из бетона, стали, пластика или кирпича.
• Фильтрующая загрузка (насадка) — слой материала, на котором закрепляется биоплёнка. Может быть:
• природная (гравий, щебень, керамзит, песок, торф, древесная кора);
• синтетическая (пластмассовые кольца, блоки, гофрированные листы, волокнистые материалы);
• комбинированная (например, керамзит с добавлением активированного угля).
• Система распределения — для подачи очищаемой жидкости или газа на поверхность загрузки (разбрызгиватели, форсунки, перфорированные трубы).
• Дренажная система — для отвода очищенной воды и сбора избыточной биоплёнки.
• Система аэрации — в аэробных биофильтрах подаётся воздух (естественная или принудительная вентиляция).

Принцип работы

1. Подача загрязнителя — сточная вода или газ равномерно распределяются по поверхности загрузки.
2. Сорбция — загрязняющие вещества адсорбируются на поверхности биоплёнки и фильтрующего материала.
3. Биологическое окисление — микроорганизмы (бактерии, грибы, актиномицеты) разлагают органические соединения до углекислого газа, воды и минеральных солей. В аэробных условиях используется кислород воздуха, в анаэробных — нитраты, сульфаты или другие акцепторы электронов.
4. Отвод продуктов — очищенная вода или газ удаляются через дренаж; избыточная биоплёнка периодически смывается или удаляется механически.

Классификация

По типу очищаемой среды

• Биофильтры для сточных вод — очищают бытовые, промышленные и ливневые стоки.
• Биофильтры для газов — очищают вентиляционные выбросы от органических летучих соединений, аммиака, сероводорода.

По режиму работы

• Аэробные — с подачей кислорода (воздуха). Наиболее распространены.
• Анаэробные — без доступа кислорода, используются для очистки высококонцентрированных стоков (например, навоз, отходы пищевой промышленности).
• Факультативные — работают в смешанном режиме.

По конструкции загрузки

• С насыпной загрузкой — гравий, керамзит, кокс, пластмассовые кольца.
• С блочной загрузкой — гофрированные пластиковые блоки, соты, решётки.
• С волокнистой загрузкой — синтетические волокна, капроновые сетки.
• С мембранной загрузкой — пористые мембраны, на которых культивируется биоплёнка.

По способу подачи жидкости

• Оросительные — вода разбрызгивается сверху.
• Погружные — загрузка полностью или частично погружена в воду.
• Комбинированные — чередование орошения и погружения.

Применение

Очистка сточных вод

Биофильтры широко применяются на малых и средних очистных сооружениях (до 10–20 тыс. м³/сутки) — в коттеджных посёлках, санаториях, школах, фермах, предприятиях пищевой промышленности. Они эффективно удаляют органические загрязнения (БПК, ХПК), взвешенные вещества, аммонийный азот, фосфаты. В России биофильтры используются в системах канализации сельских населённых пунктов, на мясокомбинатах, молокозаводах, пивоварнях.

Очистка газов

Биофильтры для газов применяются для удаления запахов и летучих органических соединений (ЛОС) на:

• компостных и мусороперерабатывающих заводах;
• животноводческих комплексах (свинарники, птицефабрики);
• предприятиях по переработке рыбы, мяса, масложировой продукции;
• лакокрасочных и химических производствах.

Аквакультура

В замкнутых системах водоснабжения (УЗВ) для разведения рыбы и ракообразных биофильтры используются для удаления аммиака и нитритов, выделяемых рыбой. Обычно применяются погружные биофильтры с пластмассовой загрузкой (биоболлы, биокольца).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая эффективность очистки (до 95–99 % по органическим загрязнениям).
• Низкие эксплуатационные затраты (не требуют дорогих реагентов).
• Простота конструкции и обслуживания.
• Возможность работы в широком диапазоне концентраций загрязнений.
• Экологичность — не образуются вторичные химические отходы.

Недостатки

• Чувствительность к резким колебаниям состава и температуры стоков.
• Возможность засорения загрузки избыточной биоплёнкой (требуется периодическая промывка).
• Ограниченная эффективность при высоких концентрациях токсичных веществ (фенолы, тяжёлые металлы).
• Зависимость от температуры и влажности (для газовых биофильтров).
• Необходимость в предварительной механической очистке (для удаления крупных взвесей).

Примеры конструкций

• Капельный биофильтр — сточная вода подаётся каплями на слой гравия или керамзита высотой 1–2 м. Простейшая конструкция, применяется для небольших объёмов.
• Высоконагружаемый биофильтр — с принудительной аэрацией и синтетической загрузкой, высота слоя до 4–6 м. Используется на крупных очистных сооружениях.
• Биофильтр-аэротенк — комбинированная система, в которой биофильтр совмещён с аэротенком (активный ил). Обеспечивает более глубокую очистку.
• Биофильтр для газов — колонна с загрузкой из торфа, компоста или коры, через которую продувается загрязнённый воздух. Увлажнение — орошением или подачей пара.

Интересные факты

• Первые биофильтры в России были построены в 1930-х годах в Москве и Ленинграде для очистки сточных вод от предприятий пищевой промышленности.
• В современных биофильтрах для аквакультуры используется загрузка с удельной поверхностью до 1000–1500 м²/м³ (например, пластмассовые кольца «биоболлы»).
• Биофильтры для газов могут работать при температурах от +5 до +40 °C, оптимальная влажность загрузки — 50–70 %.
• В некоторых конструкциях биофильтров для очистки газов используются специальные культуры грибов (например, Phanerochaete chrysosporium), способные разлагать трудноокисляемые соединения.

Источники

• Водоотведение и очистка сточных вод: учебник для вузов / под ред. Ю. В. Воронова. — М.: АСВ, 2009.
• Калицун В. И., Ласков Ю. М. Очистка сточных вод. — М.: Стройиздат, 1980.
• Яковлев С. В., Карелин Я. А., Жуков А. И. Очистка производственных сточных вод. — М.: Стройиздат, 1985.
• Биофильтры для очистки газов: обзор / Н. И. Куликов, А. В. Григорьев // Экология и промышленность России. — 2015. — № 4.
• Технический регламент Таможенного союза «О безопасности машин и оборудования» (ТР ТС 010/2011) — раздел по очистным сооружениям.