Обзор биологических методов очистки воздуха

Биофильтры.

Они появились в 1950-х годах в качестве дезодорации воздуха от очистных сооружений. В настоящее время они очищают воздух, загрязненный не только органическими соединениями, но и аммиаком и сероводородом. Биофильтры более эффективны для низкомолекулярных газов с высокой растворимостью в воде и низкой концентрацией в очищаемом газе.

Биофильтр представляет собой слой биологически активной среды (засыпка), обычно природного происхождения (компост, торф, древесная щепа, кора деревьев). В некоторых конструкциях также используются гранулированный активированный уголь и полимерные материалы. Среда должна обеспечивать большую площадь поверхности, питательные вещества и влагу (около 50% среды) для микробной активности и адсорбции/абсорбции газов. Микрофлора для деградации вредных веществ – в основном бактерии. Непрерывной водной фазы нет. Требуется постоянный контроль и поддержание питательных веществ, содержащих азот и фосфор (особенно при частичном, а тем более полном использовании полимерных материалов и при высоких нагрузках на биофильтр).

Для низкого перепада давления на биофильтре требуется пористость около 0,5.

Схематично биофильтр состоит из прямоугольного в плане корпуса, на дно которого уложены перфорированные трубы для равномерного распределения загрязненного вентвоздуха под «кровать» засыпки. Время, необходимое для адсорбции/абсорбции и метаболизации обычно составляет от 15 до 60 секунд. Нормы нагрузки на поверхность составляют около 1,2 м³ на м² в минуту.

Для оптимальной долговременной работы биофильтров помимо управления содержание влаги (обычно поддержание относительной влажности воздуха близкой к состоянию насыщения), температуры (оптимально 37°С) и питательных веществ, следует принять меры для предотвращения подкисления, если присутствуют сера или азотсодержащие соединения. Это может быть достигнуто добавлением CaCO3 или регулярной заменой (каждые 1–5 лет, в зависимости от степени загрузки) засыпки. Последнее предпочтительнее, так как удаляет другие накопленные промежуточные или конечные продукты метаболизма, чтобы предотвратить нарастание перепада давления и ограничение питательных веществ, если питательные вещества не добавляются во время работы биофильтра.

Эффективность нейтрализации вредных веществ зависит от их природы и вида засыпки, составляет от 60% до 100%. Со временем могут возникнуть проблемы, перечисленные выше, что приводит к резкому снижению эффективности.

Капельные биофильтры

Представляют собой моноблочные корпуса заполненный насадочным материалом, как и биофильтры. Насадочный материал заселяют микроорганизмами. Биопленки растут, используя питательные вещества, поставляемые загрязненным воздушным потоком и потоком жидкости с питательными веществами, стекающей вниз по насадке, постоянно или периодически. Жидкая движущаяся фаза и неорганический характер насадки являются наиболее важными различиями между биофильтрами и биокапельными фильтрами. В отличие от биофильтров, использующих натуральные материалы, большинство насадки для биокапельных фильтров изготовлены из пластика, стали или керамического материала.

Сначала вредные вещества передаются из воздуха в стекающую по насадке воду. Затем они должен диффундировать в биопленку. Наконец, микроорганизмы окисляют соединения.

Проведено множество исследований с использованием разных насадочных материалов, чтобы попытаться избежать засорения каналов. Даже у материалов с большой площадью поверхности и пористостью рост бактерий значительно снижал проходные сечения за короткое время.

Засорение является прямым результатом бактериального роста. Рост означает, что микроорганизмы метаболизируют загрязняющие вещества, т.е. процесс очистки воздуха идет. Поэтому нет смысла попытаться ограничить рост, чтобы избежать засорения каналов. Очистка и удаление избыточной биомассы является правильным, но очень сложным путем, поддержания биокапельного фильтра в рабочем состоянии.

Биохимическая установка

В биохимических установках биомасса находится в жидкой фазе. Вредные вещества из воздуха сначала промываются, а затем окисляются взвешенными микроорганизмами. Могут быть один или два отдельных аппарата для абсорбции и биохимического окисления. Классически воздушный поток промывается в скруббере, а затем жидкая фаза направляется в резервуар с активным илом, где загрязняющие вещества окисляются. Существуют установки, где загрязненный поток подается непосредственно под зеркало воды биореактора. В этом случае дополнительная аэрация биореактора не требуется.

Для этого способа биологической очистки воздуха жидкая фаза может никогда не покидать биореактор, что снижает эффективность очистки, а может частично обновляться, при достижении предельных показателей по содержанию солей и взвешенных веществ, что позволяет поддерживать эффективность очистки 60-90%. В обоих случаях вода добавляется для восполнения потерь из-за испарения и очистки от шлама.

Данный биологический метод очистки воздуха используется в основном для удаления высоких концентраций соединений, хорошо растворимых в воде. Их используют для очистки отработанных газов заводов по производству ДСП, ДВП, МДФ, производству и нанесению лакокрасочных материалов, литейного производства (амины, фенол, формальдегид, аммиак).

Основная проблема, связанная при эксплуатации биохимических установок состоит в образовании избыточного ила (биомассы) и жидких отходов (продукты метаболизма и насыщение солями), которые со временем значительно снижают эффективность процесса.

Мембранный биореактор

В конструкции мембранного биореактора одна сторона мембран сухая и действует как поверхность для поглощения загрязняющих веществ из воздуха, протекающего вдоль мембран, в то время как другая сторона остается влажной и покрыта биопленкой.

Загрязняющие веществ избирательно проникают через гидрофобную мембрану за счет разницы концентрации между газовой фазой и фазой биопленки, которая обеспечивает движущую силу согласно закону Генри и впоследствии разлагаются микроорганизмами в биопленке или в рециркулирующей водной фазе. При непрерывной рециркуляции водной фазы процесс микробной деградации можно легко контролировать.

К основным преимуществам мембранных биореакторов для очистки отходящих газов можно отнести отсутствие движущихся частей, простота масштабирования, высокая удельная поверхность, способность предотвращать засорение, физическое разделение газа и биопленки, низкий перепад давления, отсутствие стока и независимый контроль газовой и жидкой фаз.

Недостатки мембранных биореакторов являются высокие капитальные затраты и возможное засорение мембраны из-за образования избытка биомассы.