Uciążliwość zapachowa/Metody dezodoryzacji gazów/Biofiltry i biopłuczki

Spis treści
1Biopłuczki 2Czy znasz odpowiedzi?

Biofiltry i biopłuczki

Gatunki pionierskie na ziarnach piasku

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).

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) .

Podstawy procesu

Epifluorescenyjne zdjęcie mikroskopowe biofilmu na powierzchni stali nierdzewnej w wodzie pitnej

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):

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). 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).

$A+E\,{\overset {k_{1}}{\underset {k_{2}}{\rightleftharpoons }}}\,EA\,{\overset {k_{3}}{\longrightarrow }}\,E+B+C$

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

$v_{1}=k_{1}\,[E]\,\,[A]\,$

$v_{2}=k_{2}\,[EA]$

$v_{3}=k_{3}\,[EA]$

przy czym:

$v_{1}=v_{2}+v_{3}=(k_{2}\,+\,k_{3})\,[EA]$

W stanie równowagi:

$v_{1}\,=\,v_{2}$,

$k_{1}\,[E]\,\,[A]\,=k_{2}\,[EA]$

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

$K_{M}={\frac {k_{2}}{k_{1}}}={\frac {[E]\,[A]}{[EA]}}$

i wyrazić prędkość procesu (v) jako:

$v=v_{maks}{\frac {[A]}{K_{M}+[A]}}$

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).

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:

• 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).

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).

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
• 
  Bacteriahouse
• 
  Elementy z tworzyw sztucznych

Czy znasz odpowiedzi?

• Jaka jest różnica między biofiltrem i biopłuczką?

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)?

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

• Z jaką prędkością oczyszczane gazy przepływają przez biofiltry?

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?

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?

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

---

Przypisy

---

Powrót do spisu treści