12.2. Биологическая очистка газовоздушных выбросов

Достоинства и недостатки. Биологические методы очистки газовоздушных выбросов лишены многих недостатков, характерных для химических и физических методов. В основе биологических методов лежит способность микроорганизмов утилизировать вещества, загрязняющие воздух. Среди веществ органического происхождения, содержащихся в выбросах и поддающихся биохимическому окислению можно выделить ароматические и непредельные углеводороды, а так жеазот-, кислород-, серо- и галогеносодержащие соединения. Биологические методы могут быть использованы также для очистки воздуха от неорганических веществ.

Основные преимущества биологических методов:

1) с помощью микроорганизмов может быть удален широкий спектр загрязнений, в том числе, токсичные и дурнопахнущие вещества, даже если они содержатся в низких концентрациях;

2) важнейшим преимуществом биологических методов очистки воздуха перед химическими является возможность проведения процесса при обычной температуре (10—40°C) и атмосферном давлении;

3) конечными продуктами микробиологической деструкции являются, как правило, простые соединения, часто органические вещества разлагаются до диоксида углерода и воды;

4) отсутствует необходимость регенерации рабочего тела установки, что является характерной чертой физических методов очистки.

Вместе с тем существует ряд ограничений для применения биологической очистки газовоздушных выбросов:

– микроорганизмы потребляют вещества в растворенном состоянии, поэтому использование методов биологической очистки воздуха наиболее эффективно для удаления водорастворимых загрязнений;

– биологические методы наиболее приемлемы для очистки газовоздушных выбросов постоянного состава. Микроорганизмы обладают довольно широкими адаптационными возможностями, и при изменении состава выбросов происходит перестройка метаболизма и синтез ферментов, необходимых для разрушения новых компонентов. Однако процесс этот довольно длительный и при частом изменении состава компонентов газовоздушных выбросов будет снижаться деструктивная активность биологической системы;

– высокая эффективность газоочистки достигается при условии, что скорость биохимического окисления улавливаемых веществ больше скорости их поступления из газовой фазы.

Факторы, влияющие на очистку выбросов. Протекание процесса биохимического окисления зависит от ряда факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких пределах, а другие должны поддерживаться в достаточно узком диапазоне. К основным факторам, определяющим пропускную способность и работоспособность газоочистного устройства на основе биологической очистки, относятся: температура, реакция среды, содержание биогенных элементов, уровень питания, т. е. величина суточной нагрузки по загрязнениям в расчете на 1 м³ реакционной среды системы.

Для обеспечения наибольшей эффективности процесса очистки от большинства загрязняющих веществ, содержащихся в промышленных выбросах, необходимо поддержание температуры в пределах 20–30°С. Этот диапазон температур является оптимальным для жизнедеятельности подавляющего большинства микроорганизмов. Эксплуатация биологических газоочистных установок при повышенных температурах (>25°С) приводит к перегреву и гибели основной микробиоты и развитию термофильных бактерий, которые характеризуются менее разнообразным и лабильным метаболизмом. Снижение температуры ниже 9°С вызывает угнетение жизнедеятельности полезных микроорганизмов, адаптированных к составу очищаемого газа, и постепенно полное вытеснение их микроорганизмами, не обладающими способностью эффективно деструктировать загрязнения газовоздушных выбросов. В зависимости от температуры поступающих на биологическую очистку выбросов может быть предусмотрено их охлаждение либо подогрев и теплоизоляция сооружения.

Оптимальное значение рН среды, в которой протекает биологическая деструкция соединений, находится в пределах 6,5–8,5. Отклонения в ту или другую сторону приводят к изменению состава микробиоты, уменьшению количества и полному исчезновению наиболее активных микроорганизмов-деструкторов. Кроме того, изменение реакции среды влияет на растворимость компонентов газовоздушных выбросов в воде и, следовательно, на полноту их удаления из газовой фазы. Исследования показывают, что величину рН можно корректировать, например, добавлением определенного количества концентрированного раствора диаммонийфосфата, который содержит в основном весь набор микроэлементов, необходимых для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов.

Необходимые для микроорганизмов биогенные элементы должны либо содержаться в материале насадки, как это имеет место при применении биофильтров, либо должны добавляться в орошающую воду.

Нагрузка по загрязнениям на единицу объема зависит от вида загрязнений, скорости их биохимического окисления, конструкции газоочистного оборудования, концентрации биомассы микроорганизмов. Превышение нагрузки по загрязнениям снижает эффективность очистки, низкая нагрузка приводит к непроизводительному использованию оборудования.

Микробиологические аспекты очистки. На практике для формирования в рабочем объеме установки популяции микроорганизмов, разрушающих нежелательные компоненты отходящего воздуха, существует 3 варианта:

1. Спонтанное формирование популяции микроорганизмов-де­структоров при создании благоприятных для микроорганизмов условий. Этот способ пригоден в том случае, если газовоздушные выбросы содержат легкоокисляемые загрязнения.

2. Использование активного ила из вторичных отстойников сточных вод данного производства. Позволяет сократить срок ввода установки в эксплуатацию.

3. Применение чистых культур специально адаптированных, отселекционированных микроорганизмов. К этому варианту прибегают, если газовоздушные выбросы содержат специфические, трудноокисляемые соединения. Могут использоваться монокультуры и смешанные культуры микроорганизмов. Последние имеют больший катаболический потенциал, более высокую деструктивную способность. Деструкция сложных смесей, включающих большое количество соединений, возможна только при применении смешанных культур.

Данные о возможности биодеградации того или иного органическо­го соединения, приведенные в различных источниках, иногда противо­речат друг другу, не всегда являются исчерпывающими. Это связано с большими адаптационными возможностями микроорганизмов, описа­ны случаи успешной адаптации микроорганизмов к росту на таких соединениях, которые раньше считали устойчивыми к биодеструкции.

К настоящему времени разработаны теория и методы селекции микроорганизмов, утилизирующих токсичные субстраты. Проводятся исследования, направленные на создание методами генетической инженерии выcокоактивных микроорганизмов-деструкторов с более широким спектром действия.