Фильтры для обмеления остаются краеугольным камнем биологической очистки сточных вод, предлагая надежный и энергоэффективный метод удаления органических загрязнителей. Центральным в их производительности является фильтрующий носитель, который обеспечивает поверхность для роста микробной биопленки и облегчает контакт между сточными водами и микроорганизмами. В отрасли доминируют две основные категории носителей: пластиковые носители и каменные носители. Каждая приносит определенный набор физических, биологических и экономических характеристик, которые влияют на эффективность обработки, эксплуатационную сложность и долгосрочную устойчивость. В этой статье представлен глубокий сравнительный анализ пластмассовых и каменных сред в фильтрах для просачивания, изучение их свойств, производительности, преимуществ, недостатков и пригодности для различных применений очистки сточных вод.

Что такое фильтры для трения?

Фильтр просачивания представляет собой прикрепленный к пласту биологический реактор, где сточные воды распределяются по руслу среды. Микроорганизмы прикрепляются к поверхности среды, образуя биопленку, которая метаболизирует растворенные органические соединения, когда жидкость просачивается вниз. Фильтр обычно возбуждается естественным путем или с принудительной вентиляцией для подачи кислорода для аэробной деградации. Ключевые параметры конструкции включают удельную площадь поверхности (м2/м3) среды, соотношение пустоты пространства, скорость гидравлической нагрузки и скорость органической нагрузки. Выбор среды непосредственно влияет на эти параметры и, следовательно, производительность обработки.

Фильтры для обкатки широко используются на муниципальных и промышленных очистных сооружениях, часто в рамках вторичного процесса очистки. Они ценятся за простоту эксплуатации, низкое энергопотребление и способность справляться с колеблющимися нагрузками. Выбор среды является одним из наиболее важных решений при проектировании или модернизации фильтра для просачивания, поскольку он определяет биологическую емкость, устойчивость к засорению и долгосрочные эксплуатационные расходы.

Пластиковые медиа в фильтрах для трения

Пластиковые носители, как правило, изготовленные из полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП) или поливинилхлорида (ПВХ), становятся все более популярными с 1970-х годов. Они изготавливаются в различных формах, включая случайные свалки (например, кольца для пилюль, седла) и структурированные блочные носители с перекрестно-коррумпированными каналами. Основные преимущества обусловлены их инженерной конструкцией, которая максимизирует площадь поверхности при сохранении высоких соотношений пустот.

Виды пластиковых медиа

Средства массовой информации с рэндомом : Это небольшие неправильные формы (обычно 25-100 мм), которые сбрасываются в фильтровальную кровать. Примеры включают кольца Рашига, седла Берла и трипаксы. Они предлагают умеренную площадь поверхности (100-200 м2 / м3) и хорошее распределение жидкости, но могут создавать мертвые зоны, если не упакованы должным образом.

Структурные носители: Это сборные модули с упорядоченными каналами, которые направляют воздушный поток и поток воды. Широко распространены сквозные и трубчатые конструкции. Структурированные носители обеспечивают очень высокие удельные площади поверхности (200-400 м2/м3) с низким падением давления, что делает их идеальными для высокопроизводительных фильтров для просачивания. Они также сопротивляются засорению из-за прямых каналов.

Гофрокартонные носители: Еще один структурированный вариант, они собраны из гофрированных пластиковых листов, сложенных для создания сотового поперечного сечения. Они легкие и могут быть разрезаны в соответствии, предлагая простоту установки.

Характеристики исполнения

Пластиковые носители обычно достигают более высоких показателей органического удаления по сравнению с каменными средами при той же гидравлической нагрузке из-за большей доступной поверхности для биопленки. Высокое соотношение пустот (часто > 90%) обеспечивает отличную передачу кислорода, особенно при нанесении принудительной аэрации. Гладкие пластиковые поверхности также предотвращают накопление тяжелой биопленки, снижая риск обдумывания и неприятностей с летучей пленкой. Однако биопленка, которая прикрепляется, может легче отслаиваться, что приводит к потенциальным проблемам запуска. Современные пластиковые носители разработаны с гребнями или шероховатостью для усиления первоначальной бактериальной адгезии.

С гидравлической точки зрения, пластиковые носители позволяют более высокие скорости потока без затопления. Это делает их пригодными для высокопроизводительных фильтров (гидравлическая нагрузка > 10 м3 / м2·д), где канальная среда будет канал или засорение. Модульная природа структурированных носителей также позволяет модернизировать существующие каменные фильтры для увеличения емкости без расширения следа.

Преимущества пластиковых медиа

  • Высокоудельная площадь поверхности : до 400 м2/м3, что способствует увеличению плотности биопленки и высокой производительности обработки на единицу объема.
  • Легкая конструкция : Плотность 30–80 кг/м3 снижает конструктивную нагрузку, позволяя использовать более высокие фильтры и установки на крыше.
  • Коррозия и химическая устойчивость: инертность к большинству компонентов сточных вод, кислот и щелочей, обеспечивающая длительный срок службы (20+ лет).
  • Низкое падение давления: Облегчает естественную аэрацию сквозняка или уменьшает энергию вентилятора при принудительной вентиляции.
  • Простота монтажа и обслуживания: Модульные секции могут быть подняты вручную или небольшим оборудованием; при повреждении могут быть заменены отдельные модули.
  • Постоянная производительность : Инженерные формы обеспечивают предсказуемое распределение жидкости и избегают ченнелинга, общего с камнем.

Недостатки пластиковых медиа

  • Более высокая начальная стоимость: Пластиковые носители в 2-5 раз дороже на кубический метр, чем каменные носители. Однако стоимость жизненного цикла может быть ниже из-за сокращения технического обслуживания и более длительного срока службы.
  • Биофильмовыделение : Некоторые пластиковые носители могут иметь гладкие поверхности, которые задерживают создание биопленки или вызывают чрезмерный слафтинг, что приводит к переносу сточных твердых веществ.
  • Температурная чувствительность: Пластмассы расширяются и сжимаются с температурой, что может вызвать изменения размеров в структурированных средах.
  • Экологические проблемы: Производство пластмасс зависит от ископаемых видов топлива, и удаление в конце срока службы проблематично, потому что большинство пластмасс не являются биоразлагаемыми.
  • Потенциал для засорения плотной биопленки: Если органическая нагрузка очень высока, биопленка может заполнить пустоту даже в структурированных средах, что приводит к прудированию. Это менее распространено, но все же возможно.

Rock Media в Trickling Filters

Среда для скал используется с начала 20-го века, в основном в обычных и низкоскоростных фильтрах для просачивания.Обычные материалы включают измельченный гранит, известняк, гравий или речную породу. Скалы обычно оцениваются в диапазоне размеров 50-150 мм, с типичной глубиной 1,5-3 метра. Неправильная форма и грубая текстура обеспечивают естественные поверхности для микробного присоединения.

Типы рок-медиа

Гранит: прочный и инертный, с высокой механической прочностью. Он сопротивляется выветриванию и не реагирует с сточными водами. Раздавленный гранит имеет острые края, которые способствуют удержанию биопленки.

Известняк: Легкодоступен и недорогой, но слегка растворим в кислых условиях. При обработке сточных вод рН обычно близок к нейтральному, поэтому растворение минимально. Известняк может обеспечить некоторую щелочность буферизации.

Речная гравия: Гладкий и округлый, предлагающий меньшую шероховатость поверхности. Часто используется там, где местная доступность высока, но более низкая удельная площадь поверхности и плохое распределение жидкости делают его менее эффективным, чем измельченная порода.

Шлак и клинкер: Промышленные побочные продукты использовались исторически. Они легкие и пористые, но экологические проблемы из-за выщелачивания снизили их популярность.

Характеристики исполнения

Среда для горных пород обычно имеет удельную площадь поверхности 40-100 м2/м3, что значительно ниже, чем у пластиковых сред. Отношение пустоты колеблется от 40% до 60%, что ограничивает гидравлическую нагрузку до примерно 1-4 м3/м2·д для фильтров стандартной скорости. Скорости органической нагрузки обычно ниже 0,5 кг BOD/м3·д для предотвращения истощения и засорения кислорода. Перенос кислорода зависит от естественной конвекции через пустотные пространства; принудительная аэрация редко используется с средами для горных пород из-за высокого падения давления.

Рок-фильтры известны производством высококачественного стока со стабильным илом (гумусом), который хорошо оседает во вторичных проясняющих материалах. Более толстая биопленка, которая развивается на поверхности породы, более устойчива к ударным нагрузкам и холодным температурам. Однако производительность фильтра со временем снижается, поскольку пустоты заполняются накопленной биомассой, а среда горных пород трудно очищается без опорожнения кровати.

Преимущества Rock Media

  • Низкая стоимость материалов: Рок часто добывается на месте, иногда только за счет транспортных расходов.
  • Экологическая устойчивость: Природная порода инертна и может быть возвращена в окружающую среду в конце срока службы без обработки.
  • Сильная биопленка: Грубые, неровные поверхности способствуют густой, стабильной биопленке, которая может выдерживать ударные нагрузки и колебания температуры.
  • Удаление твердых частиц : Скалистые фильтры действуют как фильтры глубины, захватывая взвешенные твердые вещества. Осадок гумуса плотный и хорошо оседает.
  • Простота: Специальных инструментов для изготовления или установки не требуется.

Недостатки рок-медиа

  • Низкая удельная площадь поверхности: Ограничивает органическую погрузочную способность. Для такой же мощности обработки требуются большие объемы фильтров, что увеличивает использование земли.
  • Тяжелый вес: Плотность породы около 1600 кг/м3 требует железобетонных конструкций и прочных фундаментов.Высота фильтра ограничена примерно 3 метрами, чтобы избежать избыточного веса на нижних слоях.
  • Засорение и канализация: Со временем биопленка и мусор заполняют пустоты, что приводит к обдумыванию поверхности. Каналирование создает предпочтительные пути потока, снижая эффективность обработки. Очистка трудоемкая и может потребовать замены среды.
  • Плохие гидравлические характеристики: Неправильная форма вызывает неравномерное распределение жидкости. Высокие гидравлические нагрузки приводят к затоплению и анаэробным условиям.
  • Капля высокого давления: Природная вентиляция часто недостаточна, что приводит к ограничениям переноса кислорода, особенно в глубоких кроватях.
  • Медленная установка: Размещение пород требует ручного труда или тяжелой техники.Для обеспечения последовательной пустотной структуры необходима посадка на размер.

Сравнительный анализ: Пластик против рока

Эффективность лечения

Пластиковые носители последовательно достигают более высоких скоростей удаления БПК на единицу объема, чем каменные носители. Например, высокопроизводительный пластиковый фильтр для просачивания, работающий при органической нагрузке 1,5 кг БПК/м3·д, может достигать удаления 70-85%, в то время как стандартный фильтр для породы при 0,3 кг БПК/м3·д обычно достигает удаления 80-90%, но с гораздо большим объемом. При нормировании для площади поверхности оба типа носителей имеют схожую активность биопленки; разница в первую очередь обусловлена большей площадью поверхности в пластиковых средах. Современные структурированные пластиковые носители могут достигать скорости удаления, сопоставимой с активированными системами шлама, когда за ними следует разделение твердых веществ.

Гидравлическая и органическая погрузка

Пластиковые носители могут обрабатывать гидравлические нагрузки 15-30 м3/м2·д без обдумывания, тогда как каменные носители обычно ограничены 2-6 м3/м2·д. Это делает пластиковые носители идеальными для высокопроизводительных фильтров, которые уменьшают площадь очистных сооружений. Органические нагрузки на пластиковые носители могут достигать 3 кг БОД/м3·д, в то время как каменные носители обычно рассчитаны на 0,1-0,4 кг БОД/м3·д. Однако при очень высоких органических нагрузках пластиковые фильтры могут требовать рециркуляции для поддержания уровня растворенного кислорода. Рок-фильтры менее подходят для сильных промышленных отходов без обширного разбавления.

Засорение и техническое обслуживание

Засорение (забивание) является основной проблемой эксплуатации в скальных фильтрах. Нерегулярные пустоты задерживают твердые вещества, а тяжелый вес породы затрудняет выемку и очистку. Биологический слафтинг может усугубить проблему. Напротив, открытая структура пластиковых сред и гладкие поверхности уменьшают накопление твердых веществ. Структурированные среды могут быть очищены на месте струями воды высокого давления или путем удаления модулей по отдельности. Многие современные растения выбирают пластиковые среды специально для сокращения технического обслуживания. Более легкий вес также облегчает замену сред, если это необходимо.

Расчеты расходов

Первоначальные капитальные затраты на пластиковые носители выше - часто 200-600 долларов США за кубический метр для структурированных носителей по сравнению с 20-80 долларами США за кубический метр для измельченной породы. Однако полная стоимость системы должна включать структуру фильтра, фундамент и землю. Поскольку пластиковые носители позволяют использовать более мелкие или более высокие кровати с меньшими отпечатками, затраты на гражданские работы могут быть значительно ниже. В течение срока службы завода (20-30 лет), пластиковые носители часто оказываются экономически эффективными из-за более высокой пропускной способности, более низкого обслуживания и более длительного срока службы носителей (камень медленно разрушается, но может потребоваться замена штрафов). Энергетические затраты на воздуходувки ниже с пластиковыми средами из-за снижения падения давления.

Анализ стоимости жизненного цикла должен учитывать:

  • Закупка и установка средств массовой информации
  • Структурные и фундаментные затраты (тяжелая порода требует больше бетона)
  • Стоимость земли (пластик требует меньше площади)
  • Обслуживание труда и простои
  • Энергия для аэрации (если вынуждена)
  • Расходы на удаление или переработку в конце срока службы

Воздействие на окружающую среду

Средства рока имеют явное преимущество с точки зрения устойчивости сырья. Природные породы обильны, нетоксичны и могут быть повторно использованы в качестве агрегата в конце жизни. Углеродный след добычи и транспортировки может быть высоким, если источник является отдаленным, но местная порода минимизирует это. Пластиковые среды изготавливаются из невозобновляемых нефтехимических веществ, и их производство выделяет CO2. Однако некоторые производители в настоящее время используют переработанные пластмассы или биопластики. В конце жизни пластиковые среды могут быть сожжены для рекуперации энергии (с надлежащим контролем выбросов) или переработаны в другие продукты. Легкая природа уменьшает выбросы при транспортировке. Комплексная экологическая оценка должна взвешивать экономию энергии пластиковых фильтров против воплощенной энергии производства.

Критерии отбора и тематические исследования

Выбор между пластиком и рок-медиа зависит от конкретных условий:

  • Доступная площадь земли: В городских условиях с ограниченным пространством, высокая скорость пластика мультимедиа имеет важное значение.
  • Прочность сточных вод : Сильные промышленные или комбинированные сточные воды могут извлечь выгоду из надежной биопленки породы, но пластик с рециркуляции также может обрабатывать высокие нагрузки.
  • Климат : В холодном климате, горные фильтры могут лучше удерживать тепло из-за тепловой массы, но пластиковые фильтры с крышками также могут работать хорошо.
  • Экспертная оценка оператора: Рок-фильтры проще в эксплуатации, но более трудоемки в обслуживании. Пластиковые фильтры требуют понимания гидравлического и управления воздушным потоком.
  • Бюджетные ограничения: Немедленные ограничения капитала могут способствовать року, но долгосрочное финансирование часто оправдывает инвестиции в пластик.

Пример: Муниципальный завод в холодном регионе (например, Канада) заменил фильтр для просачивания породы на пластиковые структурированные среды, удвоив емкость в пределах одной и той же бетонной структуры. Новый фильтр снизил потребление энергии на 30% и устранил проблемы с обдумыванием. Другой пример: небольшое сообщество в развивающейся стране использовало местно добытую породу для недорогого фильтра, который работал адекватно в течение десятилетий с минимальным механическим оборудованием.

Заключение

Как пластические, так и каменные носители оказались успешными в применении фильтров для просачивания, но их пригодность отличается на основе целей обработки, масштаба и ресурсов. Пластиковые носители с их высокой удельной площадью поверхности, легким весом и инженерными путями потока позволяют компактную, высококачественную обработку с более низкими требованиями к техническому обслуживанию. Они являются предпочтительным выбором для новых муниципальных заводов, где земля дорогая или планируется расширение. Рок-медиа остаются действительной, низкотехнологичной альтернативой для небольших общин, промышленной предварительной обработки или модернизации, где капитал чрезвычайно ограничен и эксплуатационная простота имеет первостепенное значение. Лучшее решение возникает из целостной оценки требований к производительности, стоимости жизненного цикла и экологических приоритетов. Достижения в пластмассах, таких как перерабатываемый полиэтилен, продолжают сужать разрыв, но для многих применений прочная простота породы никогда не будет полностью смещена.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к руководству EPA по технологиям фильтрации фильтров , сравнительному исследованию типов сред в исследованиях воды и информации о производителе от Brentwood Industries на пластиковых носителях .