ZANIECZYSZCZENIA POWIETRZA, gazy, ciecze i ciała stałe obecne w powietrzu, nie będące jego naturalnymi składnikami, lub też substancje występujące w ilościach wyraźnie zwiększonych w porównaniu z naturalnym składem powietrza; do zanieczyszczeń powietrza należą:
1) gazy i pary związków chemiczne;
2) cząstki stałe nieorganiczne. i org. ;
3) mikroorganizmy — wirusy, bakterie i grzyby;
4) kropelki cieczy.
NATURALNE
- WYBUCHY WULKANÓW (ok. 450 czynnych)
- BAGNA WYDZIELAJĄCE m.in. METAN
- EROZJA WIETRZNA SKAŁ I GLEB
- POWIERZCHNIE MÓRZ I OCEANÓW (wydzielają sól),
- PYŁ KOSMICZNY
- POŻARY LASÓW
- BURZE PIASKOWE
- TERENY ZIELONE (z których pochodzą pyłki roślinne)
2. ŹRÓDŁA ANTROPOGENICZNE (wywołane przez człowieka)
ENERGIA (spalanie paliw)
UPRZEMYSŁOWIENIE (procesy technol. w zakładach chem., rafineriach, hutach, kopalniach, cementowniach i wszystkich innych zakładach przemysłowych;
KOMUNIKACJA (gł. transport samochodowy, ale także kol., wodny i lotn.);
WZROST LICZBY LUDNOŚCI (ścieki i odpady komunalne oraz ich gromadzenie i utylizacja, wysypiska, oczyszczalnie ścieków).
Źródła emisji zanieczyszczeń mogą być punktowe (np. komin), liniowe (np. szlak komunikacyjne) i powierzchniowe (np. otwarty zbiornik z lotną substancją).
Zanieczyszczenia powietrza można podzielić na:
zanieczyszczenia pierwotne, które występują w powietrzu w takiej postaci, w jakiej zostały uwolnione do atmosfery,
zanieczyszczenia wtórne, będące produktami przemian zachodzących między składnikami atmosfery i jej zanieczyszczeniem oraz pyłami uniesionymi ponownie do atmosfery po wcześniejszym osadzeniu na powierzchni ziemi.
Zanieczyszczenia powietrza ulegają rozprzestrzenianiu, którego intensywność zależy m.in. od warunków terenowych.
Następnie zachodzi proces samooczyszczania w wyniku osadzania się zanieczyszczeń (sorpcja) lub ich wymywania przez wody atmosferyczne.
Cząstki zanieczyszczeń, których średnica nie przekracza 200 µm, utrzymują się w powietrzu dość długo w postaci aerozoli, po czym cząstki o średnicach mniejszych niż 20 µm są usuwane gł. wskutek wymywania, większe opadają na powierzchnię ziemi pod wpływem siły ciężkości.
Skład powietrza w pomieszczeniach zamkniętych zależy gł. od: jakości powietrza atmosf. w rejonie, w którym stoi budynek, rodzaju i ilości zanieczyszczeń emitowanych w procesach zachodzących w pomieszczeniu oraz rodzaju i efektywności systemu wentylacji pomieszczenia.
Źródłami zanieczyszczeń są:
procesy utleniania: bezpośrednie spalanie paliw (gotowanie posiłków, ogrzewanie wody), palenie tytoniu, procesy oddychania,
2) materiały bud. lub wykończeniowe,
3) procesy technologiczne.
Najbardziej szkodliwe związki chem. stosowane w budownictwie to: aldehyd mrówkowy (formaldehyd), fenole, toluen, ksylen i styren, znajdujące się gł. w lepikach, klejach, lakierach i materiałach impregnacyjnych; toksyczny formaldehyd (szczególnie niebezpieczny dla dzieci i młodzieży) jest emitowany z wełny miner. oraz płyt paździerzowych, do produkcji których są stosowane kleje i lakiery zawierające ten składnik.
Nad ponad 20% pow. Polski, gł. nad terenami dużych ośr. miejskich., występuje nadmierne zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego.
Dopuszczalne stężenia zanieczyszczenia powietrza są ustalane odrębnie dla obszarów specjalnie chronionych (tereny uzdrowisk, parków nar., rezerwatów przyrody i parków krajobrazowych) oraz pozostałych obszarów. Dodatkowe przepisy prawne regulują dopuszczalny stopień zanieczyszczenia powietrza na stanowiskach pracy.
Szacuje się, że w Polsce ogólna emisja zanieczyszczeń gazowych 1993 wynosiła co najmniej 10,0 mln t, w tym CO — 4,4 mln t, SO2 — 2,7 mln t (1991 — 3,0 mln t, 1989 — 3,9 mln t), lotnych substancji org. — 1,7 mln t, NOx — 1,1 mln t (1991 — 1,2 mln t, 1989 — 1,5 mln t), CS2 — 20 tys. t, H2S — 9 tys. t, związków fluoru — 4 tys. t, emisję CO2 szacuje się na ok. 400 mln t. Emisja pyłów 1989-93 zmniejszyła się z 2,4 mln t do 1,5 mln t rocznie. Obserwuje się ogromne zniszczenia lasów, np. w G. Izerskich, okolicach Puław, Rybnika.
SKUTKI WYWOŁYWANE PRZEZ ZANIECZYSZCZENIA
1. U LUDZI
-SCHORZENIA UKŁADU ODDECHOWEGO
-ZABURZENIA REPRODUKCJI
-ALERGIE
2. W ŚRODOWISKU KULTUROWYM CZŁOWIEKA
-KOROZJE METALI
-KOROZJE MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH
Hermetyzacja
Jednym z największych źródeł emisji lotnych substancji oraz gazów odlotowych, są otwarte powierzchnie zbiorników przeznaczonych do magazynowania związków chemicznych, fazy procesu oczyszczania ścieków i inne procesy produkcyjne.
Hermetyzacja, czyli uszczelnienie procesów technologicznych oraz neutralizacja gazów odlotowych, to spójny system ochrony powietrza przed emisją szkodliwych gazów, aerozoli bakteryjnych oraz grzybów, a więc trujących związków i odorów.
Decydując się na zastosowanie hermetyzacji inwestor może być pewien oszczędności inwestycyjnych i eksploatacyjnych polegających na:
- ograniczeniu do minimum wielkości terenów niezbędnych do realizacji inwestycji (maleją koszty zakupu gruntów i podatki),
- przybliżeniu lokalizacji oczyszczalni do zabudowy miejskiej (maleją koszty budowy kolektora doprowadzającego ścieki, dróg dojazdowych do oczyszczalni itp.)
- likwidacji strefy ochronnej,
- poprawie funkcjonalności i efektywności oczyszczalni,
- poprawie warunków i bezpieczeństwa pracy.
Elementem składowym każdego systemu hermetyzacji i neutralizacji gazów odlotowych są przekrycia dachowe (np. laminat poliestrowo-szklany) dla różnego rodzaju zbiorników. Duże wymiary oraz korozyjne działanie zgromadzonych związków na tradycyjne materiały konstrukcyjne (stal lub beton) oraz konieczność dostępu do zamontowanych w zbiorniku urządzeń sprawiają, że przekrycia to największy problem w hermetyzacji obiektu. W trakcie projektowania najważniejszy jest dobór odpowiedniego materiału, który winien gwarantować długotrwałą, bezremontową eksploatację jak również zapewnić wymaganą wytrzymałość i statykę konstrukcji. Ewentualne remonty i konserwacje są kłopotliwe i kosztowne. Materiałem, który spełnia wszelkie funkcje stawiane przykryciom pod względem technicznym i ekonomicznym jest laminat poliestrowo-szklany.
Przekrycie przeznaczone jest do hermetyzacji zbiorników okrągłych np. bez podparcia w centralnym punkcie zbiornika. Może być stosowane do zbiorników betonowych lub stalowych w oczyszczalniach ścieków i zakładach przemysłowych, bez względu na medium zgromadzone w zbiorniku. Przekrycie stanowi niezbędny element systemu biologicznego oczyszczania powietrza (dezodoryzacji).
Przekrycie wykonane jest z laminatu poliestrowo-szklanego o właściwościach wymaganych dla konstrukcji samonośnych i środowiska, w którym będzie eksploatowane. Dobór materiałów jest konsekwencją wymagań norm DIN. Laminat poliestrowo-szklany ma zdecydowaną przewagę nad konstrukcjami betonowymi lub stalowymi. Podstawowe zalety to lekkość konstrukcji, trwałość i łatwość montażu, nie wymagająca żadnych dodatkowych wzmocnień lub konstrukcji wsporczych.
Podstawy biologicznego oczyszczania gazów
Procesy biologicznego oczyszczania gazów opierają się na dwóch podstawowych procesach, którymi są: sorpcja zanieczyszczeń oraz biologiczny rozkład zaabsorbowanych zanieczyszczeń.
W wymiarze molekularnym występuje następstwo procesów z zachowaniem przedstawionej kolejności. Rozpatrując natomiast zagadnienie od strony technicznej można powiedzieć, że oba procesy biegną równolegle.
Rezultatem rozkładu biologicznego pochłoniętych (zaabsorbowanych) zanieczyszczeń jest oczyszczenie sorbentu.
Jest to zatem układ, w którym zachodzi samoregeneracja sprawiająca, że technologia oczyszczania jest praktycznie bezodpadowa
Sorpcja
W biologicznym oczyszczaniu gazów odlotowych sorpcja zanieczyszczeń sprowadza się w zasadzie do ich pochłaniania (absorpcji) w wodzie.
Absorpcję definiuje się jako proces, w którym jeden lub więcej składników mieszaniny gazowej zostaje pochłoniętych przez ciecz kontaktującą się z gazami. Ciecz pochłaniająca gaz nazywa się absorbentem. W trakcie absorpcji zachodzi wymiana masy przez warstwę graniczną rozdzielająca fazę gazową i ciekłą, w związku z czym procesowi temu sprzyja rozwinięcie powierzchni kontaktu faz.
Warunkiem niezbędnym do zajścia procesu absorpcji jest rozpuszczalność, choćby niewielka, usuwanego z gazów składnika w wodzie. Stan równowagi procesu rozpuszczania składnika fazy gazowej w cieczy można opisać prawem Henry'ego.
Mikroorganizmy mają także zdolność przyswajania związków praktycznie nierozpuszczalnych w wodzie, mających powinowactwo fizykochemiczne z tłuszczami (jak np. węglowodory).
Takie związki mogą wnikać do komórek na zasadzie ich wybiórczej rozpuszczalności w błonie cytoplazmatycznej, zawierającej lipidy. Ten proces ma jednak dla biologicznego oczyszczania gazów odlotowych znacznie mniejsze znaczenie.
Biologiczny rozkład zanieczyszczeń
Biodegradacja czyli biologiczny rozkład, ma ten sam charakter zarówno w naturze, jak i w warunkach sztucznych. Biorą w nim bowiem udział mikroorganizmy będące składnikiem środowiska naturalnego, zaś stwarzane przez człowieka sztuczne warunki procesu mają na celu jedynie jego zintensyfikowanie, poprzez zapewnienie im warunków wzrostu i rozmnażania oraz spowodowanie pożądanych reakcji mikrobiologicznych, zapewniających degradację szkodliwych substancji chemicznych
W procesach rozkładu zanieczyszczeń gazów biorą udział głównie bakterie tlenowe. Związki organiczne przyswajane są przez bakterie heterotroficzne - czyli cudzożywne, a związki nieorganiczne - przez bakterie autotroficzne, czyli samożywne.
W największym uproszczeniu proces biologicznego rozkładu związków organicznych można opisać równaniem:
Powyższe równanie jest zapisem sumarycznym i nie oddaje bardzo skomplikowanego cyklu przemian, którym podlegają substancje zanieczyszczające przekształcane najpierw do postaci biorących udział w cyklach oddychania tlenowego.
Mogą to być np. takie związki jak: kwas pirogronowy, kwas bursztynowy, kwas fumarowy, acetylo-CoA, które występują w cyklu kwasów trójkarboksylowych (cykl Krebsa).
Głównymi zanieczyszczeniami nieorganicznymi usuwanymi z gazów odlotowych na drodze biologicznej są amoniak i siarkowodór. Proces zachodzi dzięki pracy autotroficznych bakterii chemosyntetyzujących.
Amoniak, który po absorpcji w wodzie przechodzi w postać częściowo zdysocjowanej zasady amonowej, jest utleniany dwustopniowo.
Siarkowodór, a także wolna siarka i siarczyny, mogą być utleniane przez wiele rodzajów bakterii. Należą do nich: Thiobacter, Thiobacillus, Begiotoa, Thiotrix, Thioplaca i inne. Podczas utleniania może powstać w pierwszym etapie wolna siarka, którą bakterie gromadzą w plazmie komórkowej w postaci drobnych kuleczek. Jeśli występuje niedobór siarkowodoru, to zachodzi dalsze utlenianie siarki do kwasu siarkowego, w wyniku czego dochodzi do silnego zakwaszenia środowiska. Nie ma to jednak ujemnego wpływu na przebieg utleniania. Procesy biologicznego utleniania związków nieorganicznych są dla autotroficznych bakterii chemosyntetyzujących źródłem energii niezbędnej do podtrzymania procesów życiowych. Oprócz tego, bakterie muszą prowadzić syntezy składników komórkowych (białka, węglowodany, tłuszcze, enzymy i inne). Źródłem pierwiastków niezbędnych do procesu asymilacji, łącznie z węglem, są w tym wypadku związki nieorganiczne rozpuszczone w wodzie.
Wpływ czynników środowiska na efektywność procesów biodegradacji
Mikroorganizmy rozkładające zanieczyszczenia - jako żywe struktury białkowe - są wrażliwe na działanie wielu czynników środowiska.
Do czynników tych można zaliczyć:
Dostępność pokarmu (C, N, P, S mikro i makro elementy)
Promieniowanie (bakteriobójcze w zakresie długości fali 230 - 275 nm)
Ciśnienie osmotyczne
Temperatura
Odczyn pH
Szkodliwe substancje chemiczne (substancje utleniające, sole metali ciężkich, cyjanki, pestycydy, detergenty i inne).
Warunki i ograniczenia prowadzenia procesu
Biologiczne oczyszczanie gazów może mieć szeroki, choć jednak ograniczony kilkoma parametrami, zakres zastosowań.
usuwane z gazów zanieczyszczenia muszą być podatne na rozkład biologiczny,
usuwane z gazów zanieczyszczenia muszą być rozpuszczalne, choćby tylko słabo, w wodzie lub w tłuszczach (lipidach wchodzących w skład błony komórkowej bakterii),
temperatura oczyszczania gazów musi się mieścić w zakresie, który gwarantuje biologiczną aktywność mikroorganizmów biorących udział w tym procesie,
oczyszczane gazy nie mogą zawierać substancji trujących dla mikroorganizmów, jak np. związków metali ciężkich czy oparów kwasów.
Spełnienie dwu ostatnich warunków jest niekiedy możliwe dopiero dzięki wstępnej obróbce gazów odlotowych.
Instalacje do biologicznego oczyszczania gazów
W praktyce biologiczne oczyszczanie gazów realizowane jest głównie w dwóch typach instalacji, którymi są:
Płuczki biologiczne (biopłuczki), zwane też bioskruberami;
Filtry biologiczne (biofiltry).
Znacznie rzadziej wykorzystywane są w tym celu złoża biologiczne (stosowane powszechnie do oczyszczania ścieków) oraz instalacje, w których korzysta się w procesie sorpcji z błon półprzepuszczalnych
Płuczki biologiczne (biopłuczki), bioskrubery
Można je podzielić na dwa podstawowe rodzaje:
Z warstwą stałego, nieruchomego wypełnienia;
Z warstwą rozproszonych cząsteczek biomasy w postaci szlamu, podobnie jak w biologicznym oczyszczaniu ścieków.
Płuczki biologiczne (biopłuczki), bioskrubery
Zastosowanie do oczyszczania odgazów w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, chemicznym, w wytwórniach lakierów, płyt wiórowych, odlewniach, ładach przemysłu drzewnego, komunalnych oczyszczalniach ścieków, przetwórniach odpadów zwierzęcych i innych miejscach, będących źródłem odorotwórczych gazów.
Zalety
Wysoki stopień oczyszczania gazów dobrze rozpuszczalnych w wodzie (również przy dużych stężeniach).
Wady
Wysokie koszty ogólne realizacji procesu
Kłopoty eksploatacyjne charakterystyczne dla układów trójfazowych
Niekontrolowany rozwój i wzrost mikroorganizmów, prowadzący do blokowania przestrzeni aparatury oraz nadmiar przyrostu biomasy w stanie wilgotnym.
Filtry biologiczne - Biofiltry
Pomysł zbudowania filtra biologicznego nasunęło znane od stuleci oczyszczanie z odorów gazów rozkładowych, towarzyszących gniciu zakopanych w ziemi materiałów biologicznych. W filtrach biologicznych - inaczej niż w biopłuczkach - sorpcja i rozkład zanieczyszczeń zachodzą w tym samym miejscu urządzenia.
W biofiltrach masa biologiczna jest osadzona stacjonarnie na materiale filtrującym pochodzenia organicznego, a faza ciekła znajduje się w materiale nośnym. Mikroorganizmy zasiedlające porowaty materiał filtracyjny wykorzystywane są do biodegradacji zanieczyszczeń gazowych, znajdujących się w gazach przetłaczanych przez tę warstwę. Podobnie jak w przypadku płuczek biologicznych, zanieczyszczenia rozpuszczają się najpierw w wodzie znajdującej się w zwilżonym złożu, a potem przenikają do komórek mikroorganizmów.
W niektórych przypadkach zanieczyszczeń nierozpuszczalnych w wodzie a rozpuszczalnych w tłuszczach, substancje zanieczyszczające przenikają do bakterii dzięki powinowactwu do lipidów zawartych w błonie komórkowej. Wilgotność jest jednak zasadniczym warunkiem użycia biofiltra.
Do typowych rozwiązań praktycznych zaliczyć można:
biofiltry z warstwą żwiru,
biofiltry z komorą buforową,
biofiltry według systemu SIEBO.
Biofiltr z warstwą żwiru
Do rozprowadzania gazów stosowane są tu perforowane rury (1), ułożone w osłaniającej je warstwie żwiru (2), nad którą umieszczona jest warstwa materiału filtracyjnego (3). Do odwadniania filtrów (np. po ulewnych deszczach lub nadmiernym, sztucznym zraszaniu) służą rowki drenujące (4). Warstwa żwiru zapobiega w tym wypadku wymywaniu materiału filtracyjnego wraz z nadmiarem wody.
Biofiltr z komorą buforową (kondycjonującą)
Komory buforowe (1) służą do łagodzenia ewentualnych wahań wartości ciśnienia, stężenia czy temperatury gazów. Materiał filtracyjny (3) spoczywa najczęściej na ruszcie (2). Ze względów konstrukcyjnych filtry biologiczne z komorą buforową są budowane jako małe obiekty do oczyszczania niewielkich ilości gazów odlotowych.
Schemat ideowy biofiltru ze złożem buforującym
1 - złoże buforujące (węgiel aktywny),
2 - wentylator,
3 - komora kondycjonująca,
4 - złoże biofiltracyjne.
Biofiltry według systemu SIEBO
Wśród filtrów biologicznych jednopoziomowych nowe rozwiązania konstrukcyjne stanowią filtry budowane według systemu SIEBO. Są one odmianą filtrów rusztowych, lecz bez komory buforowej.
Powierzchnia takiego filtra jest zbudowana ze specjalnych elementów (betonowych kształtek). Bezpośrednio na niej usypywana jest warstwa materiału filtracyjnego.
Ze względu na małe robocze prędkości przepływu gazów przez warstwę wypełnienia, filtry biologiczne zajmują dość duże powierzchnie. Uniemożliwiało to niekiedy ich budowanie, pomimo takiej potrzeby. Problem ten rozwiązano przez instalowanie filtrów wielopoziomowych z elementów modułowych, którymi mogą być np. metalowe, otwarte pojemniki w kształcie wanien. Sposób napowietrzania i odwadniania rozwiązać można w tym wypadku tak, jak w filtrach z komorą buforową. Wanny wypełnione masą filtracyjną są zawieszane na konstrukcjach stalowych. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie pojemników zamkniętych (kontenerów), które mogą być ustawiane jeden na drugim, bez potrzeby stosowania konstrukcji podtrzymujących
Biofiltr jednopoziomowy.
Podobne rozwiązania są zalecane jako urządzenia do dezodoryzacji gazów wentylacyjnych z budynków ferm hodowlanych, małych zakładów rzemieślniczych, oczyszczalni ścieków itp.
Strumień oczyszczanego powietrza ma temperaturę i wilgotność sprzyjającą rozwojowi bakterii. Pielęgnacja materiału filtracyjnego jest mało kłopotliwa.
Zasady projektowania filtrów biologicznych
Do najistotniejszych założeń w projektowaniu filtrów biologicznych należą:
wybór materiału filtracyjnego,
określenie parametrów pracy biofiltra,
wybór konstrukcji biofiltra.
Wybór materiału filtracyjnego zależy w dużej mierze od tego, jakie materiały są lokalnie dostępne. Jest zrozumiałe, że np. do budowy filtra biologicznego w kompostowni odpadów, za materiał filtracyjny posłuży kompost tam właśnie wytwarzany. W warunkach naszego kraju w charakterze materiału filtracyjnego może zostać użyty torf lub naturalne materiały odpadowe, sztucznie zasiedlone przez mikroorganizmy. W biofiltrach przemysłowych wysokość materiału filtracyjnego mieści się zazwyczaj w przedziale 90-150 cm.
Parametry pracy biofiltra związane są z założonym stopniem oczyszczania gazów oraz z właściwościami zastosowanego materiału filtracyjnego. Do charakteryzowania materiałów filtracyjnych przyjęto stosowanie takich wskaźników, jak objętościowe i masowe obciążenie.
Objętościowe obciążenie powierzchni (m3/m2h) jest to dopuszczalna objętość gazu przepływająca przez jednostkową powierzchnię filtra w jednostce czasu. Dla warstwy optymalnej obciążenie może dochodzić do 500 m3/m2h.Inaczej można to wyrazić jako prędkość przepływu gazów przez warstwę materiału filtracyjnego (w m/s), przy której można uzyskać założony stopień oczyszczania gazów. Stosowane prędkości przepływu gazów mieszczą się w granicach 0,0056 - 0,14 m/s.
Masowe obciążenie biofiltra, wyrażane w g/m3s, stanowi masę zanieczyszczeń, jaka może być pochłonięta w jednostkowej objętości materiału filtracyjnego w jednostce czasu.
Czas przebywania gazu w biofiltrze (czas kontaktu), wyrażany najczęściej w s, jest to czas, w którym zanieczyszczenie wprowadzone do biofiltra przez strumień gazu, kontaktuje się z materiałem filtracyjnym. Typowy zakres czasu przebywania zanieczyszczeń w wypełnieniu biofiltra wynosi od 15 do 60 s. Poprzez wydłużenie czasu kontaktu można zwiększyć wydajność procesu oczyszczania, w przypadku dużych stężeń wprowadzanych substancji.
Wymienione wielkości charakteryzujące materiały służące za wypełnienia filtrów biologicznych są ze sobą powiązane i muszą być wyznaczane doświadczalnie. Ich znajomość umożliwia w prosty sposób nie tyle obliczać, co wręcz dobierać rozmiary złoża filtracyjnego. Przy objętości strumienia gazu oczyszczanego 0,2 - 45 m3/s powierzchnia stosowanych filtrów wynosi 10-200 m2. Szybkość biodegradacji typowych zanieczyszczeń organicznych waha się w granicach 10 - 100 g/m3h, przy czym stężenie ich na wlocie nie powinno przekraczać 3-5 g/m3.
Wybór konstrukcji biofiltra będzie zawsze zależny od warunków terenowych oraz od
możliwości wykonawczych.
Sam wybór konstrukcji, jeśli tylko zapewnia ona dobry rozdział gazów w warstwie wypełnienia, jest mniej istotny dla osiąganych wyników oczyszczania gazów.
Właściwości materiałów filtracyjnych
Materiał służący do budowania warstwy filtracyjnej w biofiltrach musi być przede wszystkim zasiedlony przez mikroorganizmy zdolne do rozkładu pochłanianych z gazów zanieczyszczeń.
Materiał filtracyjny powinien spełniać następujące wymagania:
Stwarzać jak najkorzystniejsze warunki środowiskowe dla populacji mikroorganizmów w celu uzyskania dużej szybkości biodegradacji,
Rozkład rozmiarów ziaren i struktura porów muszą zapewnić dużą aktywność powierzchniową, przy niskim spadku ciśnienia gazu,
Zagęszczenie filtra z czasem powinno być minimalne.
Utrzymanie wymienionych warunków wymaga wyposażenia biofiltra w aparaturę kontrolno-pomiarową takich wielkości, jak: pH roztworu, objętość strumienia gazu, stężenie zanieczyszczeń gazowych, tlenu, CO2 i substancji rozpuszczalnych w wodzie.
Wybierając materiały filtracyjne należy więc uwzględnić następujące cechy:
charakterystyka uziarnienia,
porowatość,
powierzchnia właściwa nośnika,
opory przepływu,
zdolność zatrzymywania wody,
trwałość,
zapach własny,
gęstość zasiedlenia przez mikroorganizmy o odpowiednio dużej aktywności,
koszty i niezbędne zabiegi pielęgnacyjne.
Ilość i aktywność biologiczna mikroorganizmów zasiedlających dane wypełnienie decyduje w dużej mierze o skuteczności rozkładu niepożądanych związków.
Duża porowatość może wpływać korzystnie na zdolność zatrzymywania wody.
Istotne znaczenie ma także powierzchnia właściwa nośnika, która jest związana z wielkością uziarnienia oraz porowatością.
Odpowiednio luźna struktura materiału gwarantuje niskie opory przepływu gazu, co pociąga za sobą obniżenie kosztów ruchowych.
Niska cena materiału, jego dostępność oraz trwałość, obniżają natomiast koszty inwestycyjne.
Dobrymi wypełnieniami filtrów biologicznych okazały się następujące materiały organiczne:
żyzna gleba o spulchnionej strukturze,
torf oraz odpady torfowe,
komposty z odpadów komunalnych (śmieci),
komposty z kory drzew i odpadów drzewnych.
Stosuje się również:
aktywne szlamy z oczyszczalni ścieków komunalnych,
torf w mieszaninie ze żwirem lub korą,
liście drzew oraz kształtki z tworzyw sztucznych, sita molekularne, żele kwasu krzemowego, tlenek glinu i materiały ceramiczne.
Świeży (surowy) materiał typowej warstwy biofiltracyjnej powinien mieć:
pH = 7-8,
Objętość porów powyżej 90%,
Średnicę d50 ziarna większą niż 4 mm,
Zawartość materiału organicznego powyżej 55%.
Optymalna temperatura warstwy wynosi 37-40°C i wynika przede wszystkim z temperatury oczyszczanego gazu, która powinna być dokładnie kontrolowana.
Górna graniczna temperatura wynosi 55°C, a powyżej 65°C aktywność biologiczna warstwy drastycznie spada. Jak dotąd nie określono dolnej granicy temperatur, jednak wiadomo, że niskie temperatury obniżają aktywność mikroorganizmów, jednak wzrasta przy tym zdolność sorpcji.
Optymalna wilgotność warstwy odpowiada 40-60% masy filtra, a nasycenie wilgocią - do 95%. Zużycie wody zależy od temperatury i wilgotności gazu i wynosi 0,01-0,025 dm3/m3h.
Ze względów eksploatacyjnych konieczny jest również drenaż filtra, skąd roztwór jest zawracany do zraszania warstwy lub neutralizowany .
Wybór wypełnienia
Najmniejszy opór przy przepływie gazu, w zależności od obciążenia objętościowego, stawia filtr torfowy, nieco większy kora, natomiast opory przepływu dla filtra kompostowego gwałtownie rosną wraz ze wzrostem obciążenia objętościowego.
Wymienione materiały mają naturę organiczną i również one same są rozkładane przez mikroorganizmy, w wyniku czego podczas pracy biofiltra, ulega zmianom zarówno ich struktura, jak i własności. Jednocześnie zmiany w strukturze warstwy filtracyjnej wywołuje sam przepływ mediów: gazu oraz strumieni wody. Wskutek tych procesów mogą powstawać z jednej strony kanaliki zmniejszające kontakt gazów z materiałem filtracyjnym, z drugiej zaś odizolowane strefy, bez dostępu tlenu, będące źródłem odorotwórczych gazów gnilnych niweczących efekty oczyszczania.
Środkiem zaradczym w takiej sytuacji może być spulchnianie lub przekładanie (przesypywanie) materiału filtracyjnego. Korzystne wyniki można uzyskać np. przez dodanie do torfu lub kompostu takich materiałów odpadowych, jak kora z drzew czy chrust. Dodatek niedużych ilości węgla aktywnego do materiału filtracyjnego także powoduje zauważalne zwiększenie skuteczności oczyszczania. Odpowiedni dobór składu masy filtracyjnej ma również wpływ na zmniejszenie oporów przepływu gazu.
Torf, zawierający w biomasie ok. 90% substancji organicznych, jest doskonałym podłożem używanym do biodegradacji szerokiego zestawu związków organicznych przy czym wymaga często tzw. okresu adaptacyjnego, podczas którego flora mikrobiologiczna dostosowuje się do określonych warunków pracy.
Torf ma także zdolność wymiany kationów w ilości 140 meq/100g. Podobne własności posiadają żywice jonowymienne.
Stosuje się też mieszaniny:
kompostu, torfu lub zużytego złoża z pieczarkarni z rozdrobnioną korą sosnową,
torfu zmieszanego z: wrzosem, z chrustem, z aktywnym szlamem z oczyszczalni ścieków, z kompostem i korą, z kompostem i szlamem aktywnym z oczyszczalni ścieków,
jak również mieszaniny kompost - wrzos, kompost - substancje inertne z dodatkiem CaCO3, kompost - kulki polistyrenowe (jako inertny nośnik).
Niezbędne do rozwoju mikroorganizmów składniki mineralne są z natury zawarte w materiale filtracyjnym. Okazało się jednak, że dodatkowe, sztuczne zasilanie nimi masy filtracyjnej wydłuża ich żywotność.
Należy jednak pamiętać, że wszelkie stosowane zabiegi pielęgnacyjne są skuteczne tylko do pewnego czasu, po upływie którego materiał filtracyjny wyraźnie zmniejsza swoją aktywność i musi być wymieniony na nowy.
Według danych literaturowych trwałość materiałów filtracyjnych wynosi zwykle 1- 5 lat.
Stosowany materiał jest modyfikowanym drewnem pochodzącym z korzeni drzew. Pocięte korzenie rwane są wzdłuż włókien i wielokrotnie sortowane w sitach bębnowych. Tak przygotowane drewno poddawane jest obróbce biochemicznej i termicznej. Poprzez obróbkę biochemiczną i termiczną powiększana jest powierzchnia aktywna drewna (powierzchnia możliwa do zasiedlenia przez mikroorganizmy jest podwajana)
Drewno korzeni ma wybitne właściwości w porównaniu z innymi stosowanymi materiałami. Wyróżnia się przede wszystkim poprzez swoją stabilność (odporność na gnicie) jest to naturalna właściwość drewna korzeni które posiada naturalnie podwyższoną ilość substancji ochronnych (garbników). Substancja ta pomaga rośliną chronić się przed rozkładem poprzez mikroorganizmy znajdujące się w ziemi.
Wiele mikroorganizmów zdolnych jest do biodegradacji substancji organicznych w gazach odlotowych lub do utlenienia zredukowanych związków siarki, azotu, węgla. Wśród drobnoustrojów zasiedlających urządzenia do biologicznego oczyszczania gazów występują bakterie z rodzaju:
Pseudomonas, Micrococcus, Corynebacterium, Hyphomicrobium, Rhodococcus, Xanthobacter, Arthrobacter, Methylosinus, Methylomonas, Thiobacillus oraz grzyby (drożdże i pleśnie).
Filtry biologiczne - Biofiltry
Wzrastające zainteresowanie filtrami biologicznymi w świecie wynika z tego, że posiadają wiele cennych zalet, które wyróżniają je korzystnie na tle innych urządzeń do oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń organicznych. Niewątpliwie są to urządzenia o wyjątkowo prostej konstrukcji. Ponadto, cechują się dużą niezawodnością działania oraz dużą tolerancją na wahania parametrów pracy, z zastrzeżeniem jednak, że muszą być zachowane warunki odpowiednie dla życia mikroorganizmów. Instalacja może pracować przez długi okres czasu bez obsługi i dozoru.
O atrakcyjności biofiltrów świadczą również koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, które w porównaniu z innymi metodami oczyszczania gazów kształtują się na stosunkowo niskim poziomie, co podkreślają autorzy wielu prac
Zalety biofiltrów
• Zwarta i modularna budowa urządzeń
• Mikrobiologiczne procesy rozkładu zanieczyszczeń
•Organiczny materiał filtrujący
•Jednorodna dystrybucja powietrza przepływającego przez materiał filtrujący
•Zintegrowany system wstępnego przygotowania powietrza
•Wysoka wydajność usuwania zanieczyszczeń
•Elastyczność procesu niezależnie od składu zanieczyszczonego powietrza
•Niskie straty ciśnienia
•Odporność na korozję
•Odporność na warunki pogodowe
•Niskie koszty obsługi i utrzymania instalacji
•Łatwy dostęp i kontrola obsługi
•Krótki czas montażu
•Łatwość rozbudowy
Najważniejszy, dla uzyskania wysokiej skuteczności oczyszczania, jest dobór odpowiedniego złoża biologicznego.
Okres adaptacji mikroorganizmów do pracy wyniósł tydzień. Po tym czasie uzyskano skuteczność usuwania ksylenu równą 100%, nawet przy wysokim (powyżej 300 mg/m3) stężeniu zanieczyszczenia w gazie surowym.
Po każdym, dwudniowym, wyłączeniu instalacji zdolność mikroorganizmów do rozkładu ksylenu wracała do stanu sprzed wyłączenia w czasie kilku godzin. Najwyższą notowaną wartością było 98%, co uznano za również bardzo dobry wynik.
Zastosowanie złoża buforującego przed filtrem biologicznym spowodowało, że wartości stężeń po przejściu gazów przez to złoże były praktycznie niezależne od tego czy w danym momencie prowadzono proces malowania czy też nie.
Z przeprowadzonych badań wynika, że biofiltracja jest właściwą metodą usuwania ksylenu z chłodnych i wilgotnych gazów odlotowych.
Zasadniczą kwestią okazał się dobór złoża zasiedlonego odpowiednią ilością kolonii mikroorganizmów, a także zapewnienie złożu optymalnych i stabilnych warunków pracy.
Urządzenia stosowane do oczyszczania gazów odlotowych
Zanieczyszczone powietrze jest poddane wstępnemu oczyszczaniu w zintegrowanym z biofiltrem wstępnym skruberze gdzie zanieczyszczony gaz zostaje ochłodzony do odpowiedniej temperatury, nawilżony, pozbawiony stałych cząsteczek. Wstępny skruber pełni również rolę buforu dla pojawiających się w powietrzu wysokich stężeń zanieczyszczeń. Wstępnie przygotowane powietrze rozprowadzane jest w kanale dystrybucyjnym a następnie przepływa z małą prędkością przez biologiczne złoże organiczne. Jako materiał filtrujący najczęściej stosuje się mieszaniny surowców pochodzenia organicznego, zawierające duży ładunek biomasy. Sposób ułożenia materiału filtrującego powinien zapewniać jego równomierne napowietrzenie i gwarantować kontakt całego strumienia gazu ze złożem.
Przykłady aplikacji
•Oczyszczalnie ścieków
•Kompostownie
•Składowiska odpadów
•Przemysł spożywczy i przetwórczy
•Garbarnie
•Usuwanie lotnych związków aromatycznych
•Przemysł tytoniowy
•Procesy fermentacji
•Browary
•Gospodarka odpadami
ZALETY SYSTEMU
- niskie koszty inwestycyjne (kontenery) i eksploatacyjne,
- nie wymaga stałej obsługi,
- automatyczne sterowanie parametrami procesu,
- niezawodność w działaniu w każdej porze roku,
- niewrażliwość na zmiany temperatury i korozję,
- system modularny pozwalający na powiększenie złoża w trakcie eksploatacji,
- niewielka powierzchnia zajmowana przez urządzenia,
- instalacja alarmowa informująca o nieprawidłowościach zaistniałych w trakcie eksploatacji.
Wybrane przykłady zastosowania
Oczyszczanie gazu z formaldehydu w przemyśle drzewnym - od połowy 1993 r. działa zaprojektowana i uruchomiona przez ENVICON instalacja do oczyszczania 33.000 Bm3/h gazu zawierającego formaldehyd.
Oczyszczanie gazu z związków aromatycznych w przemyśle meblarskim - w trzystopniowym biofiltrze, który pracował w fabryce mebli przez rok (1990/1991) były usuwane różne rozpuszczalniki jak związki BTX, alkohol, aldehyd i estry z gazów. Stopień redukcji blisko 20 składników wyniósł do 95% przy bardzo dużej nieregularności dopływu. W tej instalacji stwierdzono zmniejszenie ilości aromatów o 96%.
Neutralizacja odorów i usuwanie H2S w oczyszczalni ścieków - wiele instalacji do redukcji H2S z gazu o ilości 200 - 2000 m3/h zostało zainstalowanych w połączeniu z wstępnym chemicznym płukaniem. Do oczyszczania powietrza z kratowni, pomieszczeń prasowania osadu, pompowni lub oczyszczania powietrza z oczyszczalni przemysłowych np. w przemyśle spożywczym. W tego typu instalacji redukowane są odory, a także stężenie siarkowodoru z 1200 - 1600 ppm do 1 - 5 ppm. Biologiczno-chemiczne instalacje ENVICON biofiltrujące cechują się niskimi kosztami eksploatacyjnymi, ponieważ pracują przy niskich wartościach pH. Są one sterowane automatycznie.
Oczyszczanie gazu przy oczyszczaniu wód gruntowych i gruntu zanieczyszczonych frakcją BTK.