Биологические основы очистки газовоздушных выбросов

 

2.2. Биоскрубберы

Биоскрубберы отличаются от биофильтров тем, что представляют собой систему из двух аппаратов. Первый аппарат представляет собой скруббер (абсорбционную колонну), где загрязняющие вещества абсорбируется в водной фазе и второй – это биореактор, обычно блок очистки с активным илом, где соединения деградируют. Для повышения эффективности улавливания в воду могут вводиться специальные абсорбционные добавки.

Для обеспечения активной жизнедеятельности микроорганизмов в растворе поддерживается определенная минимальная концентрация биогенных веществ: азота и фосфора. Очищенный абсорбент вновь подается на орошение в абсорбер. Установка имеет замкнутый цикл циркуляции абсорбента и не имеет стоков.

 

Рис. 3. Биоскруббер .

1 – вентилятор; 2 – абсорбер (скруббер); 3 – массообменная  решетка; 4 – биореактор; 5 – насос; А – абсорбент; В– вентиляционный воздух; АД – абсорбционные добавки; БД – биогенные добавки; СВ – сжатый воздух.

Биоскрубберы особенно хорошо подходят для очистки отходящих потоков с высокой концентрацией загрязняющих веществ, так как массообмен и деградация происходят в разных местах. Таким образом, промывная колонна и биореактор могут быть оптимизированы отдельно. Биоскрубберы особенно хорошо подходят для удаления соединений с относительно низким коэффициентом разделения (Н<0,01-0,05).

Применение:

Биоскрубберы предназначены для мокрой очистки вентиляционного воздуха от вредных органических веществ в литейных, покрасочных, деревообрабатывающих, мебельных, химических и других производствах.

Производительность биоскрубберов существенно выше по сравнению с биофильтрами, при этом эффективность очистки также довольно высока. Например, применение биоскрубберов для очистки отходящих газов металлургических предприятий дает следующие показатели: производительность 120 000 м3/ч, снижение интенсивности запаха воздуха от 75 до 85 %, степень конверсии органических примесей – 50 %.

Преимущества и недостатки:

«+» - Возможность контроля и моделирования процесса;

- Высокий коэффициент массопередачи;

- Обработка потоков с высокими  концентрациями  загрязнителей;

- Высокая стабильность в работе;

- Занимают меньшую по сравнению  с биофильтрами площадь;

- Производительность существенно  выше;

- Не образуют стоков.

 

 «−» - Высокие капзатраты;

- Высокие текущие расходы;

- Образование избыточной биомассы;

- Эффективны только для удаления  хорошо растворимых токсических  веществ.

 

2.3. Другие разновидности  биореакторов

Загрязнители с относительно низкой растворимостью в воде  могут также быть эффективно удалены при помощи мембранного реактора. В  нём газовый поток отделяется от жидкости с питательными элементами микропористой мембраной, которая избирательно проницаема для загрязняющих веществ.

Рис. 4. Мембранный биореактор.

 

Богатая питанием жидкая среда инокулируется микроорганизмами, способными разрушать токсиканты. Органические соединения так же как кислород переносятся из газовой фазы к мембране. После прохождения через неё, соединения разлагаются микроорганизмами, которые либо иммобилизованы на мембране, либо присутствуют в массе жидкости. Жидкая фаза поддерживается в резервуаре, куда постоянно доставляются кислород и питательные элементы, поддерживаются постоянные температура и рН. Мембраны могут быть как гидрофобными, так и гидрофильными .

 

3. Микроорганизмы, участвующие  в очистке выбросов

3.1 Водородные бактерии

Водорода в атмосфере очень мало, хотя он является постоянным продуктом реакций анаэробного разложения органического вещества и довольно устойчив фотохимически. Малое количество Н2, поступающего в атмосферу, обусловлено A) его потреблением анаэробными гидрогенотрофными организмами и B) эффективным бактериальным фильтром, в котором участвуют аэробные гидрогенотрофы, способные снижать концентрацию Н2 до уровня, на котором он и наблюдается в атмосфере.

Источником Н2 служат газы, образуемые первичными анаэробами в кислотогенной (иначе - водородной) фазе анаэробного разложения органических веществ и диффундирующие из анаэробной зоны в аэробную, где оптимальные условия для газотрофов создаются в области хемоклина и оксиклина. Это местообитание обычно коррелирует с микроаэробными условиями. Другим источником Н2 могут служить фототрофные организмы, в том числе и цианобактерии; здесь содержание О2 высоко. Выделение Н2 цианобактериями может служить причиной того, что среди водородных бактерий много организмов, происхождение которых связано, скорее всего, с цианобактериальными сообществами.

Под водородными бактериями понимают организмы, способные использовать реакцию 2Н2 + О2 = Н2О в качестве энергодающей. Водородные бактерии были открыты в начале XX в., вскоре вслед за открытием хемосинтеза, и подробное описание их газообмена было дано в 1910 г. А.Ф. Лебедевым, который сформулировал вывод о том, что "энергетический процесс идет независимо от ассимиляции углекислоты". Почти все водородные бактерии способны использовать помимо водорода разнообразные органические вещества, и первый описанный организм не случайно был назван "Bacillus рап- totrophus" - "всеядный", что резко отличало его от строго специализированных хемосинтетиков, описанных С.Н. Виноградским. Водородные бактерии получили таксономическое название "Hydrogenomonas", и в качестве тривиального термин "гидрогеномонады" вполне употребим и сейчас. С начала 1960-х годов Х.Г. Шлегель избрал один штамм водородных бактерий, Alcaligenes ("Hydrogenomonas") eutrophus H-16, в качестве универсальной модели для исследования биохимии хемосинтетиков, своего рода Е. coli, в этой физиологической группе. В результате этой работы, проведенной с участием многих студентов Института микробиологии в Гёттингене, водородные бактерии стали одними из наиболее полно и всесторонне изученных. В СССР для аналогичной цели был использован штамм A. eutrophus Z-1 как модель возможного производства белка на водороде за счет электролиза. Широкому изучению водородных бактерий предшествовала разработка методов культивирования микроорганизмов в определенной газовой среде, потребовавшая изменения многих навыков микробиологов. Водород-кислородная смесь очень взрывоопасна и недаром заслужила название "гремучего газа". Работа даже с немногими литрами ее требует специальных мер предосторожности. При обеспечении газообмена газ-жидкость водородные бактерии растут исключительно быстро и достигают высоких плотностей, что сделало их интересными биотехнологическими объектами. Угроза взрыва газовой смеси может быть сильно сокращена применением электролиза 2Н2О = 2Н2 + О2 вплоть до культивирования в электролизере. Технология культивирования водородных бактерий в массовом масштабе была разработана в Институте биофизики АН СССР в Красноярске.

В общих чертах обмен гидрогеномонад включает реакцию гидрогеназы,сопряженную с мембранной электрон-транспортной цепью и синтезом АТФ с О2 как терминальным акцептором, и в анаболизме - автотрофную ассимиляцию СО2 через цикл Кальвина как у фотоавтотрофов. Таким образом, это самый простой тип обмена, поскольку газы не требуют транспортных механизмов и продукт реакции нетоксичен. Все гидрогеномонады способны расти органотрофно, причем излюбленными веществами служат органические кислоты и другие продукты первичных анаэробов. Впоследствии оказалось, что такой тип обмена, как у гидрогеномонад, довольно широко распространен среди аэробных микроорганизмов, принадлежащих к разным родам. Необходимым условием служит наличие "потребляющей" гидрогеназы, которая есть у многих азотфиксирующих организмов, например у ризобиев. Большинство водородных бактерий относится к грамотрицательным псевдомонадам, часть из которых была переклассифицирована, один из родов носит характерное название Acidovorax. Относительно мало водородных бактерий среди грамположительных организмов, хотя они есть среди нокардий, артробактеров и термофильных бацилл, как Bacillus schlegelii. Сейчас проверка на способность к автотрофному росту с Н2 должна входить в список тестов, используемых для характеристики каждого организма. Органотрофный рост большинства водородных бактерий не дает ясной картины, в какой мере Н2 может быть использован как дополнительный источник энергии организмами, не обладающими автотрофной ассимиляцией СО2.

Водородные бактерии способны существовать в широком диапазоне физико-химических условий, но внимание привлекали мезофильные нейтрофилы, к которым относится большинство описанных организмов. Был найден ряд термофильных форм, от умеренно термофильных до бацилл, растущих при 70 °С. Открытые совсем недавно психроактивные водородные бактерии, которые важны для биоценозов тундры России, принадлежат к артробактерам и Acidovorax.

Самостоятельную группу составили экстремально термофильные водородные бактерии, обнаруженные в гидротермах. Одна из бактерий, выделенная из термофильного циано-бактериального мата на Камчатке, получила название Calderobacterium. Это длинная палочка, растущая при 80 °С, масса которой окрашена в красный цвет цитохромом с. При высокой температуре растворимость кислорода резко падает и организм вынужден иметь эффективный механизм его использования. Организм оказался строгим литоавтотрофом и, в отличие от всех других водородных бактерий, не использует органические вещества. Одновременно в Японии был выделен исходный организм, получивший название Hydrogenobacter. Необычным оказался у него способ ассимиляции СО2 посредством восстановительного цикла трикарбоновых кислот. Третий организм, относящийся к той же группе экстремально термофильных водородных бактерий, получил название Aquifex и оказался принадлежащим к самой глубокой ветви эубактерий на 16S рДНК филогенетическом дереве.

Способность к окислению № имеется у ацидофильных термофильных архей из Sulfolobaceae. О способности к окислению Н2 у ацидофильных протеобактерий группы Acidiphilium пока не сообщалось.

Алкалофильные водородные протеобактерий недавно выделены из содовых озер с рНЮ и высокой минерализацией. Таким образом, водородные бактерии по своим экофизиологическим характеристикам способны покрыть почти все поле физико-химических условий.

 

3.2 Карбоксидобактерии

Содержание СО в атмосфере имеет зимний максимум и летний, минимум, объясняемые фотохимическими процессами. Содержание СО колеблется в пределах 0,1-0,3 ppmv. При концентрации 1000 ррт СО летален для человека, а при 100 ppmv вызывает отравление. Допустимой считается концентрация ниже 9 ppmv. CO - в высокой степени токсичный бесцветный газ без запаха, имеющий порог воспламенения 15-71% в воздухе и 16-93% в кислороде. В зависимости от температуры его растворимость составляет:

Температура, °С 0 24 30 60

Растворимость, мкл/мл; 35,37 21,42 19,98 14,88

Важнейшие реакции СО и изменение их свободной энергии Гиббса AG/0 (кДж) следующие:

2СО + О2 = 2СО2 -514,21

2СО + О2 + 2Н2О = 2Н2СО3 -497,42

СО + Н2О = НСООН +2,08

СО + NOJ = СО2 + NO2 -183,0

4СО + SO2." = S2- + 4СО2 -198,3

СО + Fe3+ + H2O = СО2 + 2Fe2+ + 2Н+ -168,46

НСООН + NOJ = СО2 + NO2 + Н2О -185,10

СО + Н2О = СО2 + Н2 -19,93

СО + 2NO = СО2 + N2O -326,06

4НСООН = 4СО2 + 4Н2 -88,03

Почвы обычно представляют сток для атмосферной СО, причем в них идут одновременно процессы поглощения и выделения газа. Наблюдаемая концентрация СО - равновесная для этих процессов. Выделение СО зависит от содержания органического вещества, и считается, что оно обусловлено абиогенной химической реакцией, в то время как поглощение идет за счет биологических процессов.

Выделению СО способствуют повышенная температура и сухость почвы. Содержание СО в почвенном воздухе коррелирует с суточным ходом температуры, увеличиваясь днем и уменьшаясь ночью. В плохо аэрируемых горизонтах происходит образование СО, и содержание ее возрастает до 3-6 ppmv. Известно, далее, образование СО растениями при освещении, которое, однако, имеет очень небольшую величину. Рассматривая проблему СО, нужно признать, что естественные концентрированные источники этого газа неизвестны. Часто СО рассматривают как чисто антропогенную примесь в атмосфере. Основным источником служит сжигание топлив, ответственное за 3/4 эмиссии, пожары. Организмы, окисляющие СО, называют карбоксидобактериями, или карбоксидотрофами. Они представлены хемолитоавтотрофами, способными катализировать окисление СО в СО2, использовать энергию этой реакции, ассимилировать углекислоту, быть устойчивыми к высокой концентрации СО.

Предположение, что СО служит источником энергии для микроорганизмов, было высказано в начале XX в. в лаборатории Бейеринка в связи с изучением воздушного питания и олигокарбофилии.

Карбоксидобактерии были описаны Кистнером в 1953 г. под названием Hydrogenomonas carboxydovorans, но их культура утеряна.

Потом карбоксидобактерии были изолированы и описаны Г.А. Заварзиным, Э.У. Санжиевой и А.Н. Ножевниковой как Seliberia carboxydohydrogena, Pseudomoans carboxydoflava, Pseudomonas gazotropha, Comamonas compransoris, Achromobacter carboxydus, позднее к ним добавили Arthrobacter sp.ll/х, термофильный Bacillus schlegeliP. За тем последовало новое уточнение родовой принадлежности, и они получили новые родовые названия. Вследствие сходной процедуры выделения все они более или менее одинаковы физиологически, хотя принадлежат к разным родам. Все выделенные штаммы подавлялись 2,5% NaCl, что указывает на их принадлежность к наземным организмам. Но попытки выделения из моря, насколько автору известно, и не делались.

Все известные карбоксидобактерии были выделены в культуру в атмосфере, содержащей десятки процентов СО. Такая концентрация создается в исключительных случаях. В атмосфере СО относительно мало, и эти организмы не обладают достаточным сродством к ней, чтобы обеспечить биологический сток из атмосферы, в отличие, например, от метанотрофов или водородных бактерий. Более того, метанол служит сильным ингибитором реакции фермента карбоксидобактерии, реагируя с пятивалентным молибденом реакционного центра. Аэробные карбоксидобактерии могут расти и как водородные бактерии, это факультативные автотрофы, способные использовать широкий круг органических соединений. Можно сказать, что это водородные бактерии, обладающие дополнительной способностью к использованию СО. Эта способность обусловлена ферментом СО-дегидрогеназой, сейчас подробно исследованной В. Светличным и О. Мейером. Он определяет возможность использования СО в энергетическом обмене аэробных карбоксидобактерии. Этот фермент совершенно отличен от анаболической СО-дегидрогеназы анаэробов. У большинства аэробов СО является мощным ингибитором терминального участка дыхательной цепи. Устойчивость к СО карбоксидобактерии определяется разветвленной цепью переноса электронов. Свободные водород или формиат не являются промежуточными продуктами окисления СО как можно было бы думать по реакциями

СО + Н2О = СО2 + Н2 или СО + Н2О = НСООН.

Аэробные организмы, окисляющие СО, характеризуются очень медленным ростом, обычно инкубация требует 1 месяц. Часто они угнетаются высокой концентрацией фосфата, но тем не менее среда, рекомендованная для их культивирования, содержала 10 г/л фосфатных солей!