Биологические основы очистки газовоздушных выбросов

Содержание

Введение_____________________________________________________3

1.Биологические основы очистки газовоздушных выбросов ___________4

2.Основные типы реакторов и  их характеристика ___________________ 5

2.1. Биофильтры ______________________________________________5

2.1.1. Капельный биофильтр или  биореактор с омываемым слоем  ______8

2.2. Биоскрубберы ____________________________________________10

2.3. Другие разновидности биореакторов __________________________12

3. Микроорганизмы, участвующие в очистке выбросов_______________13

3.1Водородные бактерии____________________________________13

3.2 Карбоксидобактерии____________________________________17

Заключение___________________________________________________22

Список литературы_____________________________________________24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна в условиях возрастающей технологической деятельности приобретает все большую остроту. В воздухе больших промышленных городов содержится огромное количество вредных веществ. При этом концентрация многих токсикантов превышает допустимые уровни. Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят предприятия нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и перерабатывающей промышленности, а также большие сельскохозяйственные комплексы, отстойники сточных вод, установки по обезвреживанию отходов.

Среди этих веществ – органические (ароматические и непредельные углеводороды, азот-, кислород-, серо- и галогенсодержащие соединения) и неорганические вещества (сернистый газ, сероуглерод, окислы углерода, аммиак, хлорводород, галогены). В воздушных бассейнах больших промышленных городов присутствуют десятки различных соединений, в том числе дурнопахнущие, способные даже в незначительных концентрациях представлять угрозу для здоровья, а также вызывать у людей чувство дискомфорта.

Для очистки воздуха применяют различные методы – физические, химические и биологические, однако уровень и масштабы их применения в настоящее время чрезвычайно далеки от требуемых. Среди применяемых физических методов – абсорбция примесей на активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостями. Наиболее распространенными химическими методами очистки воздуха являются озонирование, прокаливание, каталитическое дожигание, хлорирование. Биологические методы очистки газовоздушных выбросов начали применять сравнительно недавно, и пока в ограниченных масштабах.

Биологические методы очистки воздуха базируются на способности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов, СО2 и Н2О. Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические, ациклические и различные С1-соединения. Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами.

 

1. Биологические основы очистки газовоздушных выбросов

Биохимические методы очистки воздуха основаны на способности микроорганизмов разрушать и преобразовывать различные соединения, такие как алифатические, ароматические, гетероциклические, ациклические и различные С1-соединения, не образуя при этом опасных побочных продуктов. Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами. Есть данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями моноокиси углерода, являющейся одним из наиболее опасных воздушных загрязнителей. Представители рода Nocardia эффективно разрушают стерины и ксилол; Hyphomicrobium – дихлорэтан; Xanthobacterium – этан и дихлорэтан; Mycobacterium – винилхлорид.

Наиболее широким спектром катаболических путей характеризуются почвенные микроорганизмы. Так, только представители рода Pseudomonas способны использовать в качестве единственного источника углерода, серы или азота свыше 100 соединений – загрязнителей биосферы. Используя методы традиционной селекции и новейшие достижения клеточной и генной инженерии, создают суперштаммы – деструкторы трудноразлагаемых соединений.

Подавляющее число токсических загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал. Для разрушения трудно утилизируемых соединений в ряде случаев микроорганизмы целесообразно адаптировать к таким субстратам и только после этого вводить их в рабочее тело действующих установок.

При биологической очистке газов также стоит строго следить за температурой, влажностью, кислотностью среды. Нужно учитывать и то, что биохимические системы более всего пригодны для очистки газов постоянного состава, так как при его изменении микроорганизмы не успевают приспособиться и эффективность очистки падает

 

2.Основные типы реакторов и их характеристика

Различают две основные группы аппаратов биохимической очистки – это биофильтры и биоскрубберы.

 

2.1 Биофильтры

В биофильтрах очищаемый газ пропускают через слой насадки, периодически орошаемый водой, которая создает влажность, достаточную для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов (40 – 60%). Поверхность насадки покрыта биопленкой (БП). После очистки в биофильтре воздух используется для рециркуляции или выбрасывается в атмосферу.

Рис. 1. Биофильтр с рециркуляцией газовой эмиссии

Микроорганизмы БП в процессе своей жизнедеятельности поглощают и разрушают содержащиеся в газовой среде вещества до Н2О и СО2. Эффективность очистки в значительной мере определяется массопереносом из газовой фазы в БП и равномерным распределением газа в слое насадки. Скорость протекания биохимических реакций зависит от состава очищаемого воздуха и концентрации в нем аэрозольных частиц.

Подбор консорциумов микроорганизмов осуществляется в зависимости от состава очищаемых смесей.

В качестве носителя фильтрующего слоя используют природные органические материалы, такие как компост, торф, почва, кора деревьев и т. д. Эти материалы содержат в своем составе различные вещества, необходимые для развития микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят каких-либо минеральных добавок.

При заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления (предотвращения слёживания материала) в материал добавляют гранулы (диаметром 3–10 мм) из синтетических полимерных материалов (полиэтилена, полистирола).

Для предотвращения резкого закисления материала фильтрующего слоя в ходе трансформации органики в него добавляют известняк или карбонат кальция в количестве 2–40 % от веса носителя. С целью избежания ситуаций, когда микроорганизмы, входящие в состав рабочего тела биофильтра, могут ингибироваться токсическими веществами в результате, например, залповых выбросов, в материал вносят активированный уголь, до 250 кг/м3.

Концентрация микроорганизмов в ходе очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому периодически материал фильтрующего слоя приходится обновлять.

Входящий газовый поток, должен быть предварительно очищен при запылённости более 5-10 мг/м3 во избежание засорения биофильтра и увлажнён до относительной влажности в 95–100 %, при температуре менее 15°С производится его нагрев, при температуре более 40°С — охлаждение. Установка в целом термостатируется. Оптимальное значение температуры около 28 0С.

 

Применение:

В настоящее время биофильтры используют для очистки отходящих газов от аммиака, фенола, крезола, формальдегида, органических растворителей, сероводорода, метилмеркаптана и других сероорганических соединений, а также для дезодорации дурнопахнущих газовых потоков. Области применения в основном охватывают газовые потоки с невысокими концентрациями загрязняющих веществ со станций очистки сточных вод, химической, нефтяной, лакокрасочной, деревообрабатывающей, табачной, пищевой, парфюмерной, фармацевтической промышленности, сельского хозяйства и.т.д. 

Эффективность биофильтров примерно 90 %. Производительность невелика 5 — 400 м3/м2·ч.

Преимущества и недостатки:

«+» - Простота;

- Низкие капзатраты;

- Низкие текущие расходы;

- Малая энергоёмкость;

- Требуют незначительных расходов  воды;

- Разложение слабо растворимых  в воде веществ;

-  Подходят для устранения  запахов;

 

 «−» - Низкая объемная скорость  потока;

- Высота биофильтров из-за требований  однородности структуры и газодинамических  ограничений невелика (около 1 м), поэтому они занимают большие площади (от 10 до 1600 м2);

- Обработка потоков с низкими  концентрациями устраняемых компонентов;

- Невозможен контроль процесса;

- Каналообразование в фильтрующем  слое;

- Ограниченный срок службы  фильтрующего  слоя;

- Избыток биомассы не удаляется;

-Требуется некоторый период для созревания и адаптации микробиологического ценоза (от нескольких часов до нескольких недель).

 

2.1.1. Капельный биофильтр или  биореактор с омываемым слоем

Капельный биофильтр отличается от обычного биофильтра только тем, что биопленка образуется на поверхности синтетической загрузки, которая не способна обеспечить микроорганизмы требуемыми питательными веществами, поэтому они должны подаваться с водой, которая постоянно циркулирует через реактор при прямо- или противоточном течении относительно газового потока. При этом избыточная биомасса удаляется с поверхности загрузки, что предотвращает её засорение и увеличивает срок службы.

Рис. 2. Капельный биофильтр

Загрязняющие вещества абсорбируются водной фазой и затем диффундируют в плёнку жидкости на поверхности биокатализатора, где разлагаются микроорганизмами. Переход из газовой фазы в жидкую может легко становиться лимитирующим фактором в таких системах, особенно для соединений с высокой константой Генри. Обычно соединения считаются подходящими для биодеградации в капельном фильтре, если константа Генри ниже 0,01-0,05. Существует ряд путей для увеличения массообмена из газа в жидкость, простейший – большая скорость рециркуляции жидкой среды через реактор, но это приводит к увеличению энергозатрат. Поэтому недавно было предложено циркулировать жидкость периодически. Идея проводит к тому, что всё время только очень тонкий слой жидкости присутствует на поверхности слоя биомассы, таким образом, сокращается расстояние, которое газы должны пройти из газовой фазы к поверхности биослоя.

Преимущества и недостатки:

«+» - Простота;

- Низкие капзатраты;

- Низкие текущие расходы;

- Разложение слабо растворимых  в воде веществ;

- Избыток биомассы удаляется;

- Возможность автоматизации процесса;

- Лучшая производительность – высокая площадь поверхности и высокая доля пустот синтетической загрузки приводит к:

• Высокой скорости газа
• Минимальному времени пребывания газа в биофильтре
• Равномерному распределению газа и воды внутри слоя загрузки
• Быстрому ответу на острые отклонения в нагрузке по загрязнителям
• Способности очищать более высокие концентрации одорантов;

- Компактный размер – благодаря  высокой скорости, с которой газ  течёт через синтетическую загрузку, площадь слоя загрузки минимизируется, в следствии уменьшается и  общий размер оборудования.

- Стационарный режим биореактора  с омываемым слоем после его  запуска наступает через 5–10 дней. При использовании заранее адаптированных  к очищаемым веществам микроорганизмов  этот срок может быть сокращен  до нескольких часов;

- Нет засорения загрузки;

- Больший срок службы загрузки.

 

 «−» - Требуются более значительные расходы воды;

- Большие энегрозатраты (на рециркуляцию  воды), по сравнению с обычным  биофильтром.

Применение:

Биореакторы с омываемым слоем являются наиболее перспективными для очистки воздуха.

Такие малогабаритные установки очень эффективны для очистки воздуха предприятий интенсивного животноводства. Степень очистки воздуха в реакторе с иммобилизованными на активированном угле микроорганизмами от ацетона, бутанола, пропионового альдегида, этилацетата достигает 90 % при удельной производительности установки 10 000 ч–1.

Капельный биофильтр весьма эффективен при очистке от Н2S и других основных источников эмиссий от сточных вод, включая NH3, меркаптаны, амины и восстановленные соединения серы.

Эта система устраняет 99,9 % одорантов процесса кондиционирования ила без использования дорогостоящих химикатов или адсорбционной загрузки.

Капельный биофильтр также эффективен при очистке от одорантов при компостировании ила, которое выделяет различные эмиссии, включая соединения серы, летучие жирные кислоты, кетоны, аммиак и другие азот содержащие соединения.