BIOFILTRY I BIOPLUCZKI

http://www.scribd.com/doc/64924583/praca

Oczyszczanie powietrza › Zasada działania biofiltra ›

Sposób działania
W biologicznych metodach oczyszczania powietrza i gazów wykorzystuje się zdolności powszechnie występujących w naturalnym środowisku mikroorganizmów do biochemicznego przetwarzania (utlenienia) pewnych grup organicznych i nieorganicznych związków chemicznych.

Szkodliwe i zapachowe substancje, stanowiące pożywkę dla mikroorganizmów są przekształcane w produkty obojętne dla środowiska : np. CO2, H2O, sole itd.

Biochemiczne reakcje zachodzą w warunkach pełnego nasycenia wilgocią oczyszczanego medium .

Jako materiał filtrujący - siedlisko różnych kultur (heteropopulacji) bakterii i grzybów, stosuje się złoża pochodzenia roślinnego o dużym ładunku odżywczym : np. kompost, substrat kory, włókno kokosowe oraz inne obojętne materiały wypełniające.

Procesy technologiczne
Biologiczne oczyszczenie może być realizowane w następujących instalacjach

• BIOFILTRY

Nasycony wilgocią strumień gazów przepływa przez wilgotny, organiczny materiał filtrujący, w którym rozwijają się różne kultury mikroorganizmów. Związki szkodliwe są absorbowane, a następnie rozkładane przez mikroorganizmy.

• BIOPŁUCZKI

W kolumnie płuczącej zanieczyszczenia są wypłukiwane i absorbowane w cieczy myjącej, która podlega następnie regeneracji. Siedliskiem mikroorganizmów jest zawiesina roztworu myjącego.

• ZŁOŻA ZRASZANE

Zanieczyszczenia są absorbowane w rozpylanej cieczy, a następnie podlegają procesowi biochemicznego rozkładu w kontakcie z nasyconą mikroorganizmami błoną biologiczną, pokrywającą materiał wypełniający złoże instalacji.

Zastosowanie
Eliminowanie substancji trujących, korozyjnych oraz zapachowo uciążliwych, np. alkohole, amoniak, siarkowodór, aldehydy, fenole, kwasy karboksylowe itd., przy wykorzystaniu biologicznych technologii oczyszczania strumienia powietrza lub gazów odlotowych i produkcyjnych znajduje zastosowanie w różnych obszarach gospodarki komunalnej i przemysłowej :

• przemysł spożywczy,

• przemysł chemiczny,

• przemysł skórzany,

• oczyszczalnie ścieków, (komunalne oraz przemysłowe),

• instalacje do wytwarzania biogazu,

• wysypiska odpadów,

• masowa hodowla zwierząt,

• zakłady utylizacji padlin zwierzęcych.

Warunki stosowania
Zastosowanie technologii biologicznego oczyszczania jest zależne od spełnienia wielu warunków :

• substancje szkodliwe muszą być podatne na biologiczny rozkład,

• należy zapewnić mikroorganizmom wystarczające zaopatrzenie w tlen oraz w substancje odżywcze,

• stężenie substancji hamujących i toksycznych dla mikroorganizmów nie może przekraczać wartości krytycznych,

• optymalne warunki realizacji procesu, przyjazne dla rozwoju pożądanych kultur mikroorganizmów : temperatura, wilgotność, wartość pH itd.

• Biofiltry - skuteczna metoda oczyszczania powietrza z odorów

• Eksploatacja obiektów związanych z gospodarką ściekową wiąże się z emisją szkodliwych substancji chemicznych oraz uciążliwych zapachowo odorów. Dotyczy to przede wszystkim oczyszczalni ścieków, punktów zlewczych ścieków dowożonych, jak i sanitarnych instalacji kanalizacyjnych. Podobnie niepożądane emisje gazów, zawierających substancje negatywnie wpływające na środowisko, występują w wyniku procesów technologicznych w różnych gałęziach przemysłu i gospodarki rolnej, m.in. w przemyśle chemicznym i petrochemicznym, w przetwórstwie rolno-spożywczym, hodowli zwierząt i wielu innych. 
  Brak w Polsce unormowań prawnych, dotyczących jakości powietrza oraz oddziaływania uciążliwych zapachowo substancji, powoduje małą skuteczność decyzji administracyjnych, nakazujących ograniczanie ich emisji. Ustawa "Prawo ochrony środowiska" (DzU nr 62, poz.627 z 27 kwietnia 2001r.) przewiduje wprowadzenie norm jakości powietrza. Na ten fakt należy zwrócić uwagę, szczególnie w przypadku projektowania nowych instalacji.
  Póki co, najczęściej protesty mieszkańców osiedli narażonych na negatywny wpływ odorów wymuszają podejmowanie działań zmniejszających uciążliwość oddziaływania obiektów gospodarki ściekowej, bądź instalacji przemysłowych.
  Źródłem zwiększonej emisji odorów w obiektach komunalnych, w zasadzie w każdej fazie transportu bądź oczyszczania są miejsca, w których występuje ruch (np. mieszanie) lub przepływ ścieków oraz osadów, a także zbiorniki z nagromadzoną biomasą, gdzie następuje beztlenowy rozkład związków organicznych.
  Odory pochodzenia ściekowego zawierają gazy nieorganiczne: siarkowodór (H2S), amoniak (NH3), metan (CH4), dwutlenek węgla (CO2), azot, wodór, tlen oraz opary substancji organicznych, które są wynikiem procesów mikrobiologicznych: aldehydy, kwasy organiczne, ketony itp. Najbardziej uciążliwym dla otoczenia odorem jest siarkowodór.
  Skuteczną metodą likwidacji uciążliwości substancji zapachowych jest ograniczenie ich emisji przez zamknięcie (hermetyzację) obiektów, w których te odory powstają, a następnie dezodoryzacja strumienia zanieczyszczonego powietrza lub gazów odlotowych, przed ich odprowadzeniem do atmosfery. 
  Jako hermetyczne zamknięcia zbiorników, kanałów, bądź komór przepompowni ścieków z uwagi na wysoką odporność chemiczną najczęściej stosowane są powłoki z laminatów.
  Dezodoryzację zanieczyszczonego powietrza można realizować w procesach absorpcyjnych, polegających na wypłukiwaniu szkodliwych substancji w płuczkach wieżowych, bądź zraszaczach, lub przy zastosowaniu systemów adsorpcyjnych przy zastosowaniu stałego złoża np. w postaci węgla aktywnego lub biofiltrów. 
  Neutralizacja zanieczyszczeń w komunalnej gospodarce odpadami, dotyczy to zarówno wysypisk śmieci jak i oczyszczalni ścieków, z wykorzystaniem biotechnologii jest stosowana stosunkowo od niedawna: w USA z końcem lat 60-tych, w Europie od około 20 lat.
  Mikrobiologiczne procesy do tlenowej konwersji szkodliwych i uciążliwych substancji, zanieczyszczających powietrze i gazy odlotowe są realizowane w biofiltrach. Strumień zanieczyszczonego powietrza lub gazu przepływa przez złoże biofiltra. Mikroorganizmy są unieruchomione w złożu biologicznym, które zbudowane jest z odpowiednio spreparowanych naturalnych materiałów typu torf, kora, wrzosy itp. Warto zwrócić uwagę na zastosowanie włókna kokosowego, wyróżniającego się szczególnie korzystnymi właściwościami. Zgromadzone w złożu bakterie rozkładają niepożądane związki chemiczne i przekształcają je w produkty obojętne dla środowiska naturalnego: wodę, dwutlenek węgla, sole mineralne oraz biomasę.
  Sprawność procesu - stopień likwidacji zanieczyszczeń jest bardzo wysoki i wynosi ok. 98%. 
  Cała "tajemnica" prezentowanej technologii sprowadza się do właściwego doboru odpowiednich szczepów bakterii, zdolnych do rozkładu występujących w gazach szkodliwych związków oraz stworzenie optymalnych warunków dla ich rozwoju.
  Skuteczność instalacji zależna jest m.in. od zapewnienia następujących parametrów procesu:
  - neutralizowane substancje muszą zawierać składniki podlegające biodegradacji,
  - temperatura oczyszczanego powietrza nie może być niższa od 10oC (optymalnie 15-40oC), 
  - stężenie zanieczyszczeń winno wynosić poniżej 2,5g/m3,
  - zawartość pyłów nie może przekraczać 10 mg/m3,
  - należy zapewnić maksymalne nasycenie gazów wilgocią > 95% wilgotności względnej,
  - natężenie przepływu przez złoże biofiltra winno spełniać warunek: < 150 m3/m2.h.
  W obiektach związanych z gospodarką ściekową podane warunki są z reguły łatwo osiągane. 
  Biofiltry standardowo wyposażone są w wentylatory ssąco-tłoczące o odpowiedniej wydajności, posiadają komorę nawilżania, w której równocześnie zachodzi proces wypłukiwania siarkowodoru oraz w miarę potrzeby system zraszania złoża. Proces biofiltracji jest sterowany w układzie automatycznym, przystosowanym do zdalnego nadzoru i wymaga jedynie okresowej kontroli. Instalację biofiltra można wyposażyć w dodatkowe urządzenia, np. filtry odpylające, płuczkę do usuwania nadmiaru siarkowodoru itp., które służą zapewnieniu optymalnych warunków przebiegu procesu filtracji,
  Istotną zaletą procesów mikrobiologicznych jest wykorzystanie mikroorganizmów powszechnie występujących w naturalnym środowisku człowieka oraz możliwość zastosowania biomasy jako podłoża do hodowli roślin ozdobnych lub zakładania trawników.
  W Polsce opisane powyżej metody oczyszczania powietrza są niezbyt często stosowane, szczególnie w odniesieniu do starszych obiektów. Oczyszczalnie ścieków były wcześniej sytuowane w bezpiecznej odległości od osiedli mieszkaniowych. Rozwój infrastruktury mieszkaniowej, jak również terenów rekreacyjnych powoduje często ich zbliżanie się do oczyszczalni, co pociąga za sobą sytuacje konfliktowe, wymagające podejmowanie działań skierowanych m.in. na usuwanie emisji odorów.
  Opisane biologiczne metody usuwania zanieczyszczeń powietrza i gazów odlotowych, w ocenie specjalistów należą do najnowocześniejszych, bardzo skutecznych, bezpiecznych dla środowiska oraz relatywnie niezbyt kosztownych.
  Zainteresowanych zapraszamy na strony internetowe firmy COROL.

Systemy filtrowania powietrza składają się z zespołów filtrów niekiedy bardzo rozbudowanych:

1. Filtr wstępny to siatka o otworach zatrzymujących drobiny kurzu, pleśń ,pyłki
2. Filtr węglowy (podobny do tego znanego z okapów kuchennych)jego zadaniem jest eliminowanie nieprzyjemnych zapachów
3. Filtr biologiczny w którym bioenzymy rozkładają wychwycone bakterie i alergeny
4. Filtry elektryczne, które są elektrodami wykorzystującymi właściwości elektrostatyczne zanieczyszczeń .Oczyszczanie odbywa się poprzez kontrolowane wyładowania elektryczne wewnątrz filtra ( wykorzystywane napięcie sięga 5 tys. voltów) produktem ubocznym jest ozon, który ma silne właściwości bakteriobójczo-dezynfekujące. Producenci podają skuteczność tego typu filtrów na poziomie 70-80% zneutralizowanych alergenów, kurzu,zapachów już po 30 min. działania. Osiągnięcie odpowiedniej czystości powietrza jest bardzo istotne zarówno ze względów technologicznych (w przemyśle) ze względu na osiągnięcie komfortowych warunków w biurze i domu .Szczególne wyzwanie dla systemów klimatyzacji stanowią obiekty służby zdrowia gdzie czystość powietrza ma (z oczywistych względów) szczególne znaczenie.

Biofiltry i biopłuczki

Dezodoryzacja gazów metodami biologicznymi polega na absorpcji zanieczyszczeń w wodzie, a następnie ich wykorzystaniu w życiowych procesach bakterii (metabolizm). Te procesy decydują o powstawaniu ziemskich ekosystemów – są podstawą pionierskiego stadium sukcesji ekologicznej (zasiedlanie podłoża mineralnego) – i odgrywają ważną rolę w obiegu materii w przyrodzie (cykle biogeochemiczne).

W technice te same procesy mikrobiologiczne są stosowane od dawna. Badania możliwości oczyszczania tą metodą gazów zawierających siarkowodór i tiole prowadzono w USA w połowie XX wieku. Pierwsze urządzenie do dezodoryzacji gazów odlotowych w skali przemysłowej zostało uruchomione w kompostowni w latach 60 (Genewa). Zastosowano biofiltrację powietrza przez warstwę spulchnionej gleby (później – kompostu lub torfu). W połowie lat 80. tylko w Niemczech, w uciążliwych zakładach, np. oczyszczalniach ścieków, fermach hodowlanych, kompostowniach, przetwórniach odpadów zwierzęcych, pracowało już ponad sto instalacji. Powierzchnia większych biofiltrów osiągała 1000 m² (oczyszczanie strumieni gazów do 30 tys. m³/h)^[1].

Współcześnie proces biologicznej dezodoryzacji gazów jest prowadzony w biofiltrach lub biopłuczkach – skruberach zraszanych cieczą zawierającą mikroorganizmy. Bakterie heterotroficzne lub autotroficzne występują w fazie ciekłej jako zawiesina (osad czynny) oraz w formie warstewki pokrywającej powierzchnię fazy stałej (biofilm). Uważa się, że metody biologiczne umożliwiają osiągnięcie stosunkowo wysokich skuteczności dezodoryzacji, przy czym koszty eksploatacyjne są 2–10 razy mniejsze od kosztów absorpcji, adsorpcji lub spalania. Stosowanie technik biologicznych jest zalecane w przypadkach, gdy jest konieczne oczyszczenie dużych strumieni gazów o małych stężeniach związków uciążliwych zapachowo (o niskich progach węchowej wyczuwalności)^{[2] [1][3] [4]}.

Podstawy procesu

Procesy życiowe bakterii heterotroficznych przebiegają dzięki energii wiązań chemicznych, występujących w cząsteczkach pożywienia – cząsteczek związków organicznych. Produktami tych procesów życiowych są związki budulcowe komórek. Wydzielane są również produkty oddychania tlenowego – dwutlenek węgla i woda. Autotroficzne bakterie chemosyntetyzujące przyswajają odoranty nieorganiczne, np. siarkowodór i amoniak. Korzystają z m.in. z energii nitryfikacji (np. bakterie Nitrosomonas i Nitrobacter) lub utleniania siarkowodoru do siarki elementarnej i siarczanów (np. Thiobacter, Thiobacillus)^[1]:

2 NH⁴⁺ + 3 O₂ → 2 NO₂^- + 2 H₂O + 4 H⁺

2 NO₂- + O₂ → 2 NO₃^-

H₂S + 2 O₂ → H₂SO₄

W biofiltrach i biopłuczkach mogą być wykorzystywane specjalnie wyhodowane kultury bakterii lub bakterie z osadu czynnego z oczyszczalni ścieków, które charakteryzują zdolności adaptacyjne. Jest możliwe ich samoistne przystosowanie się do przyswajania związków nie występujących w przyrodzie (np. chlorowcopochodnych organicznych).

Zmiany stężenia substratu (A), enzymu (E), kompleksu enzym-substrat (EA) i produktu (B) w czasie

Szybkość przemiany enzymatycznej według modelu Michaelisa i Menten (1913); warunki: [A] >> K_M; czyli k₁>>k₂ i k₃>>k₂; [e] ≈ [E]

Model Michaelisa i Menten – zależność liniowa, wykorzystywana przy wyznaczaniu stałych empirycznych

Kierunek metabolicznych procesów przebiegających w komórkach zależy od rodzaju enzymów, którymi dysponują. Działanie enzymów – białkowych biokatalizatorów – opisuje np. równanie kinetyczne Leonora Michaelisa i Maud Menten (1913)^[1]. Równanie wyraża prawo działania mas, odniesione do reakcji złożonej A → B + C. Enzym E bierze udział w procesie tworząc w reakcji odwracalnej kompleks EA (enzym–substrat)^[1].

gdzie k₁, k₂, k₃ – stałe szybkości odpowiednich reakcji elementarnych:

przy czym:

W stanie równowagi:

,

co pozwala zdefiniować stałą równowagi, nazwaną stałą Michaelisa (K_M):

i wyrazić prędkość procesu (v) jako:

Wykorzystaniem prawa działania mas do opisu procesów enzymatycznych budzi zastrzeżenia, m.in. z tego powodu, że oddziaływanie cząsteczek enzymów z substratem przypomina bardziej adsorpcję na powierzchni ciała stałego niż reakcję w roztworze. Mimo to wyniki obliczeń, opartych na założeniach modelu Michaelis-Menten i „modeli adsorpcyjnych” są podobne (zob. izoterma Langmuira i typ I). W obu oś odciętych określa wartości stężenia substancji adsorbowanej (z fazy gazowej – wypadku adsorpcji zanieczyszczeń powietrza, z roztworu – w wypadku procesu enzymatycznego).

Sporządzając izotermę adsorpcji typu I na osi rzędnych umieszcza się powierzchniowe stężenie substancji adsorbowanej (a [kg/kg]), które osiąga wartość maksymalną po całkowitym pokryciu powierzchni sorbentu warstwą pojedynczą. Kształt izotermy typu I ilustruje zależność szybkości reakcji enzymatycznej od stężenia, jeżeli o tej szybkości decyduje stopień przemiany E → ES (warunek zgodności obu modeli procesu)^[1].

Rzeczywiste procesy biotechnologiczne są znacznie bardziej złożone. Modele stosowane w czasie projektowania fermentatorów uwzględniają równoczesne oddziaływanie różnych związków chemicznych (składników roztworów) na ten sam enzym oraz obecność w komórkach wielu różnych enzymów.

Projektowanie urządzeń do biologicznego oczyszczanie gazów, w tym dezodoryzacji, poprzedzają doświadczenia, wykonywana w skali laboratoryjnej lub małej skali przemysłowej. Urządzenia muszą zapewniać^[1]:

• spełnienie podstawowych warunków przenoszenia masy przez granicę gaz-ciecz (m.in. niezbędna powierzchnia i czas kontaktu faz, szybkość przepływu gazu),

• utrzymywanie zmiennych w wąskim zakresie parametrów układu, ustalonych na poziomach które sprzyjają rozwojowi bakterii, np:

– temperatura – dla większości enzymów poziom optymalny mieści się w zakresie 30–40°C,

– wilgotność – optimum – ok. 50% wilgotności względnej (co najmniej 30%; dopuszczalne wysuszenie krótkotrwałe),

– pH – poziom optymalny dla większości enzymów: pH =5–7,

– stężenie pierwiastków biogennych i proporcje między nimi – dla bakterii heterotroficznych: C : N : P = 100 : 5 : 1,

– brak trucizn (np. jonów metali ciężkich, detergentów, cyjanków lub silnych utleniaczy),

– kontrolowane oddziaływanie szkodliwego promieniowania UV, a szczególnie 230–275 nm (zakres UV-C, stosowanego w sterylizatorach, 100–290 nm).

W przypadkach, gdy osiągnięcie stabilności poszczególnych parametrów jest niemożliwe, niezbędne jest unikanie zmian gwałtownych – adaptacja bakterii do nowych warunków jest powolna.

Biofiltry

Biofiltr

Przekroje złoża biofiltru jednopoziomowego

W wielu biofiltrach nośnikiem biofilmu są naturalne materiały organiczne, np. kompost, torf, kora drzew, słoma, spulchniona gleba. Stosuje się liniową prędkość gazu 0,03–0,1 m/s (strumień objętościowy odniesieniu do całego przekroju złoża). W przypadku przepływu ok. 100–400 m³/m²×h gazu przez warstwę kompostu o grubości ok. 1 m opory przepływu wynoszą około 0,5–3 kPa (mogą być kilkukrotnie zmniejszone przez dodanie kory)^[1][5].

Zależnie od sytuacji meteorologicznej złoże jest zraszane lub pozbawiane nadmiaru wody opadowej. Aby powstrzymać rozwój bakterii beztlenowych (gnilnych) zapewnia się równomierne napowietrzenie – niezbędne są odpowiednie zabiegi pielęgnacyjne, w tym okresowe spulchnianie i przekładanie co ok. 3–6 miesięcy, wprowadzanie dodatków chrustu, kory drzew (czasem również węgla aktywnego). Pielęgnacja jest niezbędna, ponieważ właściwości złoża zmieniają się w czasie pracy (biodegradacja składników złoża, zarastanie biomasą bakterii).

Warstwy materiału filtracyjnego układa się:

• jednopoziomowo, na rusztach lub na warstwie żwiru lub tłucznia, w której instaluje się perforowane rury doprowadzające oczyszczany gaz,

• kilkuwarstwowe, np. instalowane w piętrowo ustawianych kontenerach.

W pierwszym przypadku oczyszczanie strumienia 10 tys. m³/h wymaga powierzchni 25–100 m².

Biopłuczki

Zasada działania biopłuczki

Biopłuczki są urządzeniami bardziej zwartymi, przypominającymi typowe skrubery (zwłaszcza procesy absorpcji połączonej z reakcją chemiczną). Wypełnienie biopłuczki jest zraszane cieczą zawierającą osad czynny. Ciecz spływająca z kolumny jest kierowana do zbiornika cyrkulacyjnego. Do zbiornika dozowane są pożywki, odczynniki podwyższające pH) i powietrze. Stąd jest też odprowadzany nadmiar osadu czynnego (produkt procesu biodegradacji zanieczyszczeń oczyszczanych gazów)^[1][5].

Biopłuczki wypełnia się zwykle materiałami neutralnymi, których struktura sprzyja rozwojowi bakterii, a równocześnie zapobiega zmianom oporów przepływu gazów wskutek zarastania złoża warstwą mikrobiologiczną. Niekiedy elementy złoża są nie tylko nośnikami biofilmu, ale również adsorbentami zanieczyszczań gazu. Węgiel aktywny, który bywa tu stosowany, pełni funkcję adsorbentu, gdy okresowo zmniejsza się aktywność biofilmu, i ulega regeneracji po odzyskaniu tej aktywności.

• 

Porowata ceramika

• 

Lava rock, Rheniite^[6]

• 

Bacteriahouse

• 

Elementy z tworzyw sztucznych

Czy znasz odpowiedzi?

• Jaka jest różnica między biofiltrem i biopłuczką?

[ukryj]Odpowiedź

W biofiltrach bakterie, które rozkładają zanieczyszczenia gazów, znajdują się na powierzchni złoża (zwykle materiały naturalne). Materiał filtracyjny jest zraszany wodą tylko w takim stopniu, aby nie doszło do wysuszenia. Produkt procesów – przystająca biomasa – pozostaje na złożu, zmieniając jego właściwości. W biopłuczkach wypełnieniem skrubera są materiały nie ulegające biodegradacji. Przez wypełnienie przepływa – w przeciwprądzie do gazu – ciecz zawierająca osad czynny.

• Jakie są optymalne parametry pracy złoża biofiltru (wilgotność, pH, temperatura)?

[ukryj]Odpowiedź
Wilgotność – ok. 50% wilgotności względnej (co najmniej 30%), pH 5–7, temperatura – 30–40°C.

• Z jaką prędkością oczyszczane gazy przepływają przez biofiltry?

[ukryj]Odpowiedź
Liniowa prędkość gazu wynosi 0,03–0,1 m/s (strumień objętościowy odniesieniu do całego przekroju złoża).

• Co jest dodawane i odbierane ze zbiorników cyrkulacyjnych biopłuczek?

[ukryj]Odpowiedź
Do zbiornika cyrkulacyjnego są dozowane są pożywki, odczynniki alkalizujące i powietrze, a ze zbiornika odprowadza się nadmiar osadu czynnego.

• Czy w biopłuczkach bywa wykorzystywany węgiel aktywny?

[ukryj]Odpowiedź
Tak. Pełni funkcję adsorbentu, gdy okresowo zmniejsza się aktywność bakterii, i ulega regeneracji po odzyskaniu tej aktywności.

Dobry materiał filtracyjny powinien mieć:

• dużą porowatość,

• dużą powierzchnię właściwą,

• małe opory przepływu gazu,

• dużą zdolność zatrzymywania wody,

• słaby zapach własny,

• niskie koszty pozyskania,

• dostępność,

• dużą gęstość zasiedlenia mikroorganizmami,

• dużą trwałość,

• niewielkie wymogi pielęgnacyjne.