12.3. Аппаратурное оформление процесса биологической очистки газовоздушных выбросов

Существует три основных типа установок для биологической очистки газовоз­душных выбросов: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем. Их отличительные признаки суммированы в табл. 29.

Очистка газовоздушных выбросов в биофильтрах. В биофильтрах (рис. 54) очищаемый газ пропускается через слой насадки, который орошается водой для поддержания необходимой влажности, достаточной для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов. Загрязнения сорбируются материалом фильтрующего слоя и разлагаются микроорганизмами.

Рис. 54. Схема очистки газовоздушных выбросов в биофильтре:

1 – сборник воды для орошения; 2 – корпус; 3 – решетка; 4 – фильтрующий слой; 5 – система распределения воды

В качестве фильтрующего слоя используются материалы природного происхождения (торф, солома, почва, кора и опилки древесины, компост и др.). К таким материалам предъявляется ряд требований:

– они должны на протяжении длительного времени являться источниками минеральных веществ для микроорганизмов;

– должны иметь высокую влагоемкость;

– обладать хорошими сорбционными свойствами;

– обеспечивать равномерность укладки и хорошую проницаемость для воздуха.

Таблица 29. Классификация установок биологической очистки газовоздушных выбросов

Тип установки	Рабочее тело установки	Водный режим	Основные стадии удаления загрязнений из газовоздушных выбросов	Источник минеральных солей
Биофильтр	Клетки микроорганизмов, иммобилизованные на природных носителях	Отсутствует циркуляция воды	1. Адсорбция материалом фильтрующего слоя. 2. Деструкция иммобилизованными клетками микроорганизмов	Материал фильтрующего слоя
Абсорбционно-биохими-ческая	Биоскруббер (вода)  активный ил (аэротенк, биореактор)	Осуществляется циркуляция воды	1. Абсорбция водой в скруббере. 2. Деструкция в аэротенке (биореакторе) микроорганизмами	Минеральные соли добавляются в воду
Биореактор с омываемым слоем	Клетки микроорганизмов, иммобилизованные на искусственных и синтетических материалах	Осуществляется циркуляция воды	1. Диффузия через водную пленку, покрывающую слой микро-организмов. 2. Деструкция иммобилизованными клетками микроорганизмов	Минеральные соли добавляются в воду

На практике подобрать фильтрующий материал, удовлетворяющий всем этим требованиям, обычно не удается, и поэтому фильтрующий слой формируют смешением двух или нескольких материалов. Толщина фильтрующего слоя принимается обычно равной 0,5–1,0 м, скорость фильтрования воздуха не более 0,1 м/с.

Равномерный подвод очищаемых газов осуществляют с помощью перфорированных труб или плит, помещенных в слой гравия или щебня, над которым и располагается собственно фильтрующий материал. Размер гравия или щебня выбирают таким, чтобы гидрав­лическое сопротивление слоя было минимальным и не происходило забивание отверстий перфорированных труб. При работе биофильтров такой конструкции требуется поддержание фильтрующего материала при определенной влажности, которая зависит от природы материала фильтрующего слоя и составляет обычно 40–60%. При недостаточной влажности материал пересыхает, что затрудняет прохождение воздуха и приводит к снижению физиологической активности микроорганизмов. В случае переувлажнения возрастает аэродинамическое сопротивление, формируются зоны анаэробиоза. Требуемую влажность поддерживают обычно путем впрыскивания жидкости в очищаемый воздух или с помощью оросительных устройств, размещенных над поверхностью фильтрующего слоя.

Одной из проблем, возникающих при эксплуатации биофильтров, является увеличение гидравлического сопротивления слоя и нарушение равномерного фильтрования воздуха из-за постоянного разрушения фильтрующего слоя и разрастания биопленки. В этом случае

производится рыхление фильтрующего материала механическим путем или его замена. Наиболее склонны к уплотнению в фильтрующем слое почвы, поэтому этот материал для биофильтров в настоящее время практически не используется.

Наибольшее распространение получили фильтры со сфагновым торфом или со смесью этого торфа с хворостом. Такие фильтры имеют рыхлую структуру, обладают небольшим гидравлическим сопротивлением и мало изменяются при эксплуатации. Они широко используются в ФРГ при дезодорации воздуха на очистных сооружениях и в установках по переработке бытового мусора, а также в Нидерландах, Швейцарии, США. В качестве фильтрующего материала для био­фильтров широко применяется также компост, изготавливаемый из травы, листвы и торфа.

Достоинствами биофильтров являются простота конструкции и небольшие энергозатраты, недостатками – низкая концентрация биомассы и, следовательно, невысокая производительность (до 350–400 м³/(м³∙ч)). Из-за ограничения толщины фильтрующего слоя биофильтры занимают большие площади. Одним из направлений уменьшения поперечных размеров фильтров является применение многоярусных конструкций, что уже и реализовано на ряде действующих биофильтров.

С помощью биофильтров достигается эффективность очистки и дезодорации газовых выбросов более 85%.

Очистка газовоздушных выбросов в абсорбционно-биохимических установках. В состав таких установок входят биоскрубберы, т. е. абсорбционные аппараты (абсорберы, скрубберы), в которых орошающей жидкостью (абсорбентом) служит водная суспензия микроорганизмов. Находящиеся в газовоздушных выбросах загрязняющие вещества абсорбируются водой, а затем расщепляются микроорганизмами. Учитывая, что биохимические реакции протекают с относительно невысокой скоростью, в составе газоочистной установки предусматривается промежуточная емкость для очистки воды. Она выполняется в виде отдельного реактора либо компонуется в нижней части скруббера. Микроорганизмы находятся либо во взвешенном состоянии (по типу аэротенка), либо закреплены на насадке. Во избежание забивания насадки после реактора для очистки воды следует предусматривать отстойник. Схема абсорбционно-биохимической установки для очистки газовоздушных выбросов представлена на рис. 55.

Рис. 55. Абсорбционно-биохимическая установка для очистки

газовоздушных выбросов:

1 – абсорбер: 1а – решетка; 1б – слой насадки; 2 – шламоотстойник; 3 – аэротенк; 4 – вторичный отстойник; 5 – сборник очищенного абсорбента

Применяют различные типы абсорберов (барботажные, распылительные, насадочные). Основная цель – увеличение площади поверхности раздела газовой и жидкой фазы, а значит, рост эффективности абсорбции.

Для обеспечения оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов в емкость для очистки воды вводится биогенная подпитка, корректируется значение рН.

По сравнению с биофильтрами абсорбционно-биохимические установки более производительны (до 900 м³/(м³∙ч)), степень очистки достигает 95–99%. Вместе с тем такие установки требуют больших эксплуатационных затрат и эффективны для удаления хорошо растворимых загрязнений.

Абсорбционно-биохимические установки для очистки газовоздушных выбросов находятся в постоянной эксплуатации на ряде предприятий Республики Беларусь: ПО МТЗ, РУП МАЗ (окрасочная камера, бутанол, ксилол, толуол, этилбензол, н-алканы), ОАО «Мостовдрев» (строительство) (цех ДСП, формальдегид, метанол) и др. эффективность очистки воздуха от триэтиламина, фенола, формальдегида, фурилового спирта, фурфурола составляет 96–99%,; изоцианатов, метанола, цианидов, уайт-спирта, ксилола, толуола, бутилацетата, акролеина, аммиака – 70–96%; смолистых включений окрасочной аэрозоли и взвешенных веществ – до 99%.

Очистка газовоздушных выбросов в биореакторах с омываемым слоем. Биореактор с насадкой представляет собой промежуточное решение между биоабсорбером и биофильтром. Рабочим телом в биореакторе являются клетки микроорганизмов, иммобилизованные на искусственных (чаще полимерных) носителях. Насадка может иметь различную форму (кольца, трубочки, шарики, волокна, ерши и т. д.). Микроорганизмы расположены на поверхности насадки в виде биопленки.

Принцип действия биореактора с омываемым слоем заключается в том, что при прохождении загрязненного воздуха через слой насадки вещества, подлежащие деструкции, распределяются между газовой фазой и водной пленкой, покрывающей элементы насадки, за счет диффузии доставляются к биопленке и разрушаются в ней. Скорость процесса газоочистки в биореакторе с омываемым слоем может лимитироваться либо скоростью диффузии загрязнений из газовой фазы через водную пленку к поверхности биопленки, либо скоростью их деструкции микроорганизмами. Скорость диффузии зависит от природы индивидуальных веществ и разности концентраций на внешней и внутренней границах водной пленки, скорость деструкции определяется активностью ферментов микроорганизмов. Если происходит полное разрушение продиффундировавшего через водную пленку вещества, значит процесс протекает в диффузионном режиме. Подтверждением этого является отсутствие влияния природы носителя и концентрации биомассы на эффективность функционирования биореактора.

Продолжительность вывода на рабочий режим биореактора с омываемым слоем обычно составляет 5–10 дней, при использовании адаптированных микроорганизмов этот срок может быть сокращен в некоторых случаях до нескольких часов.

В процессе эксплуатации биореактора вследствие разрастания биопленки может увеличиваться аэродинамическое сопротивление, при этом прилегающие к насадке слои микроорганизмов участия в процессе газоочистки не принимают. Более того, внутри толстой пленки могут развиваться анаэробные процессы, приводящие к загниванию биомассы. Такие же процессы могут развиваться и в отдельных местах насадки из-за недостаточной их аэрации. Периодически, обычно один раз в несколько месяцев, насадку промывают от избытка биомассы. Сам же материал насадки выдерживает длительную эксплуатацию без замены (1,2 года и более).

В процессе газоочистки слой насадки орошается водой, содержащей минеральные соли и микроэлементы, необходимые для питания микроорганизмов, в орошающей воде корректируется значение рН. Вода циркулирует в системе, из сборника на орошение подается насосом, по мере загрязнения направляется на очистку и заменяется свежей.

Биореакторы с омываемым слоем являются наиболее перспективными аппаратами для биологической очистки газовых выбросов. Они характеризуются значительно более высокой удельной производительностью, чем остальные типы установок, что обусловлено высокой концентрацией биомассы в рабочем объеме реактора вследствие создания благоприятных условий для иммобилизации микроорганизмов на развитой поверхности применяемых носителей. При удельной производительности, которая оценивается несколькими тысячами м³ очищаемых выбросов в час, они обеспечивают эффективность очистки на уровне 90–98%, более компактны, чем биофильтры и абсорбционно-биохимические установки, по сравнению с биоскрубберами требуют меньше воды для орошения.

Следует отметить, что на биологическую очистку следует подавать газовоздушные выбросы после отделения твердых частиц (как правило, в циклоне) во избежание забивания насадки. После установок биологической очистки необходимо предусматривать удаление влаги из очищенного воздуха перед выбросом его в атмосферу. Роль каплеотделителя, например, может выполнять слой насадки без микроорганизмов в биореакторе или биоскруббере.

258