Биофильтрация: Ластануды басқару техникасы

Кіріспе

Ластануды бақылау техникасы

Биофильтрация – ластаушы заттарды ұстап алып, биологиялық түрде ыдырату үшін тірі материалды қамтитын биореакторды қолданатын ластануды бақылау техникасы. Көбінесе қалдық суды тазалау, жер бетінен ағып келетін зиянды химиялық заттарды немесе лайды ұстау, сондай-ақ ауадағы ластаушы заттарды микробиологиялық окистеу үшін қолданылады. Өнеркәсіптік биофильтрация – ұшқыш органикалық қосылыстарды, иістерді және көмірсутектерді жою мақсатында биологиялық тотығуды пайдалану процесі болып табылады.

Ауаның ластануын бақылау

Әуе сүзгілеу және тазарту жүйелерінде биофильтрлер ауаның ластануын жою үшін микроорганизмдерді пайдаланады. Ауа қаптамалы төсек арқылы өтеді, ал ластағыш зат қаптама материалдарының бетіндегі жұқа биофильмге сіңеді. Бактериялар мен саңырауқұлақтарды қоса алғанда, микроорганизмдер биофильмде бекітіліп, ластағыш затты ыдыратады. Триклингтік сүзгілер мен биоскрубберлер биофильмге және олардың айналым суларындағы бактериялық әрекетке сүйенеді. Бұл технология иіс шығаратын қосылыстарды және ұшпалы органикалық қосылыстарды (ҰОҚ) өңдеуде ең көп қолданылады. Технологияны қолданатын салалар: азық-түлік және мал өнімдері, сарқынды суларды тазарту қондырғыларынан шығатын газдар, фармацевтика, ағаш өнімдерін өндіру, бояулар мен жабындарды қолдану және өндіру, шайыр өндіру және қолдану және т.б. Өңделетін қосылыстар әдетте аралас ҰОҚ және әртүрлі күкірт қосылыстары, соның ішінде күкірттегі сутек. Өте үлкен ауа ағындарын өңдеуге болады, және әдетте үлкен аумақ қажет болса да – үлкен биофильтр (>200,000 acfm) футбол алаңынан кем емес жерді алады – бұл технологияның басты кемшілігі болып табылады. 1990 жылдардың басынан бері инженерлік биофильтрлер дәстүрлі жазық төсектің, органикалық ортаның қарапайым түріне қарағанда аумақтың көлемін айтарлықтай қысқартуға мүмкіндік берді. Биофильтрдің тиімді жұмыс істеуі үшін жүйеде дұрыс ылғалдылықты сақтау – басты міндеттердің бірі. Әдетте, ауа төсекке кірмес бұрын суару (шашырату) жүйесімен, ылғалдандыру камерасымен, биоскруббермен немесе био-триклингтік сүзгімен ылғалдандырылады. Дұрыс күтім көрсетілген жағдайда, торф, көкөніс шөбі, қабық немесе ағаш ұнтағы сияқты табиғи, органикалық қаптамалар бірнеше жыл бойы сақталуы мүмкін, бірақ инженерлік, табиғи органикалық және синтетикалық компоненттерді біріктіретін қаптама материалдары әдетте 10 жылға дейін ұзақ қызмет етеді. Бірнеше компания осы типтегі эксклюзивті қаптама материалдарын және көп жылдық кепілдіктерді ұсынады, бұл әдетте компост немесе ағаш ұнтағы төсегі бар биофильтрлерге берілмейді. Бұл әдіс кеңінен қолданылса да, ғылыми қауымдастық биофильтрдің жұмыс істеуіне жатқызылған физикалық процестерді толыққанды түсінбеді, және бұл процеске қатысатын микроорганизмдер туралы ақпаратты дамыту жалғастыруда. Биофильтр/биоокистеу жүйесін құрастыру және пайдалану оңай, және ластағыш зат белгілі бір уақыт ішінде ыдыраса (тұру уақытының ұзартылуы = көлемінің және капиталдық шығындардың артуы), қолайлы концентрацияда (және сағаттық жүктеме деңгейлерінде) және ауа ағыны организмге қолайлы температурада болса, тиімді шешім ұсынады. Ауаның үлкен көлемі үшін биофильтр ғана тиімді шешім болуы мүмкін. Қосымша ластану болмайды (күйдіру сияқты, онда отынды жағудан қосымша CO2 және NOx пайда болады), ал ыдырау өнімдері қосымша биомасса, көмірқышқыл газы және су түзеді. Суару суы, көптеген жүйелер оның бір бөлігін пайдалану шығындарын азайту үшін қайта өңдейді, биохимиялық оттегіге қатысты жоғары сұранысқа ие және оны жою алдында өңдеуді қажет етеді. Алайда, кез келген биоокистеу жүйесін дұрыс ұстау үшін қажетті осы "ауыру суы" коммуналдық мемлекеттік тазарту қызметтерімен кез келген алдын ала өңдеусіз қабылданады. Биофильтрлер Монтана штатының Колумбия-Фоллс қаласындағы Плам-Крик ағаш компаниясының талшықты пластмасса зауытында қолданылуда. Биофильтрлер өндіріс процесінен шығатын ластануды азайтады, ал шығатын ауа 98% таза. Плам-Крикке қосылған ең жаңа және ең үлкен биофильтр 9,5 миллион долларға бағаланды, бірақ бұл жаңа технологияның құны жоғары болса да, ұзақ мерзімді перспективада ол табиғи газбен жұмыс істейтін, қалдықтарды тазартатын басқа өрт сөндіру қондырғыларына қарағанда аз шығынға түседі (олар экологиялық тұрғыдан тиімді емес).

When applied to air filtration and purification, biofilters use microorganisms to remove air pollution. The air flows through a packed bed and the pollutant transfers into a thin biofilm on the surface of the packing material. Microorganisms, including bacteria and fungi are immobilized in the biofilm and degrade the pollutant. Trickling filters and bioscrubbers rely on a biofilm and the bacterial action in their recirculating waters. The technology finds the greatest application in treating malodorous compounds and volatile organic compounds (VOCs). Industries employing the technology include food and animal products, off gas from wastewater treatment facilities, pharmaceuticals, wood products manufacturing, paint and coatings application and manufacturing and resin manufacturing and application, etc. Compounds treated are typically mixed VOCs and various sulfur compounds, including hydrogen sulfide. Very large airflows may be treated and although a large area (footprint) has typically been required—a large biofilter (>200,000 acfm) may occupy as much or more land than a football field—this has been one of the principal drawbacks of the technology. Since the early 1990s, engineered biofilters have provided significant footprint reductions over the conventional flat bed, organic media type. One of the main challenges to optimum biofilter operation is maintaining proper moisture throughout the system. The air is normally humidified before it enters the bed with a watering (spray) system, humidification chamber, bio scrubber, or bio trickling filter. Properly maintained, a natural, organic packing media like peat, vegetable mulch, bark or wood chips may last for several years but engineered, combined natural organic, and synthetic component packing materials will generally last much longer, up to 10 years. Several companies offer these types of proprietary packing materials and multi year guarantees, not usually provided with a conventional compost or wood chip bed biofilter. Although widely employed, the scientific community is still unsure of the physical phenomena underpinning biofilter operation, and information about the microorganisms involved continues to be developed. A biofilter/bio oxidation system is a fairly simple device to construct and operate and offers a cost effective solution provided the pollutant is biodegradable within a moderate time frame (increasing residence time = increased size and capital costs), at reasonable concentrations (and lb/hr loading rates) and that the airstream is at an organism viable temperature. For large volumes of air, a biofilter may be the only cost effective solution. There is no secondary pollution (unlike the case of incineration where additional CO2 and NOx are produced from burning fuels) and degradation products form additional biomass, carbon dioxide and water. Media irrigation water, although many systems recycle part of it to reduce operating costs, has a moderately high biochemical oxygen demand (BOD) and may require treatment before disposal. However, this "blowdown water", necessary for proper maintenance of any bio oxidation system, is generally accepted by municipal publicly owned treatment works without any pretreatment. Biofilters are being utilized in Columbia Falls, Montana at Plum Creek Timber Company's fiberboard plant. The biofilters decrease the pollution emitted by the manufacturing process and the exhaust emitted is 98% clean. The newest, and largest, biofilter addition to Plum Creek cost $9.5 million, yet even though this new technology is expensive, in the long run it will cost less overtime than the alternative exhaust cleaning incinerators fueled by natural gas (which are not as environmentally friendly).

Суды тазарту

Биофильтрация алғаш рет 1893 жылы Англияда сарқынды суларды тазарту үшін ағып тұратын сүзгі ретінде қолданылды және одан бері әртүрлі типтегі суларды тазартуда сәтті пайдаланылып келеді. Еуропада биологиялық тазарту 1900 жылдардың басынан бері ішуге жарамды су алу үшін беттік суды сүзгілеуге қолданылып келеді және қазір әлемдік деңгейде үлкен қызығушылық тудырып отыр. Биофильтрация сонымен қатар сарқынды суларды тазарту, балық шаруашылығы және сұр суды қайта пайдалануда суды ауыстыруды азайту және су сапасын жақсарту жолы ретінде кеңінен қолданылады.

Кемшіліктері

Фильтрация және биомассаның өсуі сүзгі материалдарында заттың жиналуына себеп болғандықтан, осы типтегі бекітілген қабықша процесі биожабынуға және ағынның бұрмалануына ұшырайды. Биожабынуды қолданылу түріне және микробтық өсімге арналған материалдарға байланысты физикалық және/немесе химиялық әдістермен бақылауға болады. Биоқабықты бұзу және мүмкіндігінше ағынды қалпына келтіру үшін ауа және/немесе суды пайдаланып кері шаю шараларын жүзеге асыруға болады. Окистану (пероксид, озон) немесе биоцидтік заттар сияқты химиялық заттарды да қолдануға болады. Биофильтрация кейбір тазалау технологиялары үшін (суспензиялық өсім және бекітілген өсім процестері) үлкен аумақ пен ұзақ гидравликалық тұрақтандыру уақытын (анаэробтық лагуна және анаэробтық бөлігіш реактор) қажет етуі мүмкін.

Ауыз су

Ауыз суды биологиялық тазарту – су сапасын жақсарту үшін жер бетіндегі суда табиғи түрде кездесетін микроорганизмдерді пайдалануды қамтиды. Оңтайлы жағдайларда, оның ішінде салыстырмалы түрде төмен бұлыңғырлық және жоғары оттегі мөлшері болғанда, организмдер судағы заттарды ыдыратады, осылайша су сапасын жақсартады. Баяу құм немесе көмір сүзгілері осы микроорганизмдердің өсуіне тірек ретінде қолданылады. Бұл биологиялық тазарту жүйелері су арқылы таралатын ауруларды, еріген органикалық көміртекті, жер бетіндегі судың мөлдірлігін және түсін тиімді түрде азайтады, осылайша жалпы су сапасын жақсартады. Әдетте ауыз суды тазарту кезінде гранулярлы белсенді көмір немесе құм сүзгілері микроорганизмдердің су тарату құбырларында қайта өсуін болдырмау үшін, темір мен нитраттың деңгейін азайту арқылы қолданылады, олар микробиологиялық қоректік заттар ретінде әрекет етеді. GAC сондай-ақ хлор қажеттілігін және басқа дезинфекция өнімдерінің жинақталуын азайтады, өйткені ол бірінші дезинфекциялау құралы ретінде әрекет етеді. Фильтр ортасына биофильм ретінде бекітілген бактериялар органикалық материалды энергия және көміртек көзі ретінде тотықтайды, бұл судың иісі мен дәмін нашарлатуға ұшырауы мүмкін қажетсіз бактериялардың осы көздерді пайдалануына жол бермейді [Bouwer, 1998]. Бұл биологиялық тазарту жүйелері су арқылы таралатын ауруларды, еріген органикалық көміртекті, жер бетіндегі судың мөлдірлігін және түсін тиімді түрде азайтады, осылайша жалпы су сапасын жақсартады. Биотехнологиялық әдістерді судың микробиологиялық қауымдастықтарын зерттеу арқылы ауыз судың биофильтрациясын жақсарту үшін қолдануға болады. Мұндай әдістерге qPCR (сандық полимераза тізбектік реакциясы), АТФ талдауы, метагеномика және ағын цитометриясы жатады.

Қалдық су

Биофильтрация әртүрлі органикалық құрамы мен концентрациясы бар сарқынды суларды тазарту үшін қолданылады. Биофильтрация қолданылымдарының көптеген мысалдары әдебиетте сипатталған. Жануарлар қалдықтарын, полигондық сіңдірме суларын, сүт өнімдерінің сарқынды суларын, тұрмыстық сарқынды суларды өңдеу үшін арнайы биофильтрлер әзірленді және коммерцияланды. Бұл процесс әмбебап, өйткені оны кішкентай ағынға (< 1 м3/күн), мысалы, жеке үйлердегі сарқынды суға, сондай-ақ муниципалитеттер өндіретін ағынға (> 240 000 м3/күн) бейімдеуге болады. Шашыраңқы орналасқан тұрғын үйлер сияқты орталықтандырылмаған тұрмыстық сарқынды су өндірісі үшін гидравликалық және органикалық өнімділіктің маңызды тәуліктік, апталық және жылдық ауытқулары бар екендігі көрсетілген, бұл қазіргі отбасылардың өмір салтымен байланысты. Осы контексте, септик бактан кейін орналасқан биофильтр – өңдеу тиімділігіне зиян келтірмей, байқалатын өзгерісті сақтай алатын сенімді процесс болып табылады. Анаэробты сарқынды суларды тазарту қондырғыларында биогаз биоскруббер арқылы беріледі және аэрациялық резервуардан алынған белсенді лай сұйықтығымен "тазартылады". Қалдық суларды тазартуда ең көп кездесетін процесс – ағып жатқан сүзгілер (ТФ) [Чаудхари, 2003]. Ағып жатқан сүзгілер – бұл ағынды судан органикалық заттарды жою үшін бекітілген ортада микроорганизмдерді пайдаланатын аэробты тазарту. Алғашқы сарқынды суларды тазарту кезінде биофильтрация биохимиялық оттегі қажеттілігін, химиялық оттегі қажеттілігін және еріген қатты заттардың деңгейін бақылау үшін қолданылады. Үшінші деңгейдегі тазарту процестерінде биофильтрация органикалық көміртек деңгейін бақылау үшін қолданылады [Carlson, 1998].

Аквакультурада пайдалану

Биофильтрлерді пайдалану жабық аквакультура жүйелерінде, мысалы, қайта айналымды аквакультура жүйелерінде (RAS) кең таралған. Аквакультурада қолданылатын биофильтрация техникаларын үш санатқа бөлуге болады: биологиялық, физикалық және химиялық. Негізгі биологиялық әдіс – нитрификация, физикалық әдістерге механикалық техникалар мен тұндыру кіреді, ал химиялық әдістер көбінесе басқа әдістердің біреуімен бірге қолданылады. Кейбір шаруашылықтар, мысалы, Ulva туысына жататын теңіз шөптерін пайдаланып, судағы артық қоректік заттарды сіңіріп алып, "қайта айналым жүйесі" арқылы оттегін экожүйеге бөліп, сонымен қатар, оларды қауіпсіз пайдалану үшін сату арқылы табыс көзіне айналдырады. Әртүрлі пайдалары мен кемшіліктері бар көптеген конструкциялар қолданылады, алайда, олардың функциясы бірдей: аммиакты нитратқа түрлендіру арқылы су алмасуды азайту. Аммиак (NH4+ және NH3) су жануарларының жаңағылдарынан бөлінетін және органикалық заттардың ыдырауынан пайда болады. Аммиак N өте улы болғандықтан, ол Nitrosomonas sp. арқылы аз улы нитритке, ал одан кейін Nitrobacter sp. арқылы тіпті аз улы нитратқа түрлендіріледі. Бұл "нитрификация" процесіне оттегі (аэробтық жағдайлар) қажет, әйтпесе биофильтр тоқтап қалуы мүмкін. Сонымен қатар, бұл нитрификация циклі H+ иондарын өндіргендіктен, pH төмендеуі мүмкін, сондықтан әк сияқты буферлерді қолдану қажет.