Биофильтрация: технология очистки от загрязнений

Введение

Техника контроля загрязнения

Биофильтрация – это техника контроля загрязнения, использующая биореактор с живым материалом для улавливания и биологического разложения загрязняющих веществ. Широко применяется для очистки сточных вод, улавливания вредных химических веществ или ила с поверхностного стока, а также для микробиотического окисления загрязнителей в воздухе. Промышленная биофильтрация классифицируется как процесс, использующий биологическое окисление для удаления летучих органических соединений, запахов и углеводородов.

Контроль за загрязнением воздуха

При применении для фильтрации и очистки воздуха биофильтры используют микроорганизмы для удаления загрязнений воздуха. Воздух проходит через загруженное ложе, а загрязняющее вещество переходит в тонкую биопленку на поверхности загрузочного материала. Микроорганизмы, включая бактерии и грибы, иммобилизуются в биопленке и разлагают загрязняющее вещество. Капельные фильтры и биоскрубберы основаны на биопленке и бактериальной активности в циркулирующей воде. Технология находит наибольшее применение в очистке зловонных соединений и летучих органических соединений (ЛОС). Отрасли, использующие эту технологию, включают пищевую и животноводческую промышленность, отходящие газы с очистных сооружений сточных вод, фармацевтику, производство изделий из дерева, нанесение и производство лакокрасочных материалов, производство и применение смол и т.д. Обычно обрабатываются смешанные ЛОС и различные соединения серы, включая сероводород. Можно очищать очень большие потоки воздуха, и хотя обычно требуется большая площадь – крупный биофильтр (>200 000 acfm) может занимать столько же или больше земли, чем футбольное поле – это был один из основных недостатков технологии. С начала 1990-х годов разработанные биофильтры обеспечивают значительное сокращение площади по сравнению с традиционными плоскими биофильтрами с органическим загрузочным материалом. Одной из основных задач для оптимальной работы биофильтра является поддержание надлежащей влажности во всей системе. Воздух обычно увлажняется перед поступлением в ложе с помощью системы полива (распыления), камеры увлажнения, биоскруббера или капельного биофильтра. При должном уходе натуральный органический загрузочный материал, такой как торф, растительный мульч, кора или древесная щепа, может служить несколько лет, но разработанные, комбинированные натуральные органические и синтетические загрузочные материалы обычно служат гораздо дольше, до 10 лет. Несколько компаний предлагают такие запатентованные загрузочные материалы и многолетние гарантии, которые обычно не предоставляются для традиционных биофильтров на основе компоста или древесной щепы. Несмотря на широкое применение, научное сообщество до сих пор не полностью понимает физические явления, лежащие в основе работы биофильтра, и информация о вовлеченных микроорганизмах продолжает пополняться. Система биофильтрации/биоокисления – довольно простое в строительстве и эксплуатации устройство, предлагающее экономически эффективное решение, при условии, что загрязняющее вещество биоразлагается в разумные сроки (увеличение времени контакта = увеличение размера и капитальных затрат), при разумных концентрациях (и нагрузках в фунтах в час) и при температуре, подходящей для жизнедеятельности организмов. Для больших объемов воздуха биофильтр может быть единственным экономически эффективным решением. Вторичного загрязнения не происходит (в отличие от сжигания, где при сжигании топлива образуются дополнительные CO2 и NOx), а продукты разложения образуют дополнительную биомассу, углекислый газ и воду. Вода для орошения, хотя многие системы перерабатывают ее часть для снижения эксплуатационных расходов, имеет умеренно высокое биохимическое потребление кислорода (БПК) и может потребовать очистки перед сбросом. Однако эта "смывная вода", необходимая для надлежащего обслуживания любой системы биоокисления, обычно принимается муниципальными очистными сооружениями без предварительной обработки. Биофильтры используются в городе Колумбия-Фолс, штат Монтана, на заводе по производству древесно-стружечных плит компании Plum Creek Timber Company. Биофильтры снижают загрязнение, выделяемое в процессе производства, и очищенные выбросы на 98% соответствуют нормам. Новейшее и самое большое дополнение к биофильтрам Plum Creek обошлось в 9,5 миллиона долларов, но, несмотря на то, что эта новая технология дорогая, в долгосрочной перспективе она обойдется дешевле, чем альтернативные мусоросжигательные установки для очистки выбросов, работающие на природном газе (которые менее экологичны).

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).

Обработка воды

Биофильтрация была впервые применена в Англии в 1893 году в виде капельного фильтра для очистки сточных вод и с тех пор успешно используется для обработки различных типов воды. Биологическая очистка применяется в Европе для фильтрации поверхностных вод в целях питьевого водоснабжения с начала 1900-х годов и в настоящее время привлекает все больше внимания во всем мире. Биофильтрация также широко используется в очистке сточных вод, аквакультуре и рециркуляции серой воды, как способ минимизировать потребность в замене воды и повысить ее качество.

Недостатки

Поскольку фильтрация и рост биомассы приводят к накоплению вещества в фильтрующих средах, этот тип процесса с неподвижной биопленкой подвержен биозагрязнению и образованию каналов потока. В зависимости от области применения и используемого носителя для роста микроорганизмов, биозагрязнение можно контролировать физическими и/или химическими методами. Для разрушения биомассы и восстановления пропускной способности, по возможности, могут применяться обратные промывки воздухом и/или водой. Также могут использоваться химические вещества, такие как окислители (пероксид, озон) или биоциды. Для некоторых технологий очистки (методы с суспендированным ростом и прикрепленным ростом) биофильтрация может требовать значительной площади, а также длительного гидравлического времени удержания (анаэробные лагуны и анаэробные реакторы с перегородками).

Питьевая вода

Для питьевой воды биологическая очистка включает использование естественных микроорганизмов, присутствующих в поверхностных водах, для улучшения качества воды. В оптимальных условиях, таких как относительно низкая мутность и высокое содержание кислорода, эти организмы разлагают органические вещества в воде, тем самым повышая её качество. Медленные песчаные фильтры или угольные фильтры используются в качестве субстрата для роста этих микроорганизмов. Эти системы биологической очистки эффективно снижают распространение заболеваний, передающихся через воду, содержание растворенного органического углерода, мутность и цветность поверхностных вод, улучшая общее качество воды. Как правило, при очистке питьевой воды гранулированный активированный уголь или песчаные фильтры используются для предотвращения повторного роста микроорганизмов в водопроводных сетях за счет снижения концентрации железа и нитратов, которые служат питательными веществами для микроорганизмов. GAC также снижает потребность в хлоре и образование побочных продуктов дезинфекции, выступая в качестве первичного барьера для дезинфекции. Бактерии, прикрепленные к фильтрующей среде в виде биопленки, окисляют органические вещества, используя их как источник энергии и углерода, что препятствует развитию нежелательных бактерий, которые могут вызывать неприятный запах и привкус воды [Bouwer, 1998]. Эти системы биологической очистки эффективно снижают распространение заболеваний, передающихся через воду, содержание растворенного органического углерода, мутность и цветность поверхностных вод, улучшая общее качество воды. Биотехнологические методы могут быть использованы для повышения эффективности биофильтрации питьевой воды путем изучения микробных сообществ в воде. К таким методам относятся qPCR (количественная полимеразная цепная реакция), анализ АТФ, метагеномика и проточная цитометрия.

Сточные воды

Биофильтрация используется для очистки сточных вод из широкого спектра источников с различным органическим составом и концентрацией. В литературе описано множество примеров применения биофильтрации. Специальные биофильтры были разработаны и коммерциализированы для очистки отходов животноводства, фильтрата полигонов, сточных вод молочного производства и бытовых сточных вод. Этот процесс универсален, поскольку его можно адаптировать как к небольшим потокам (< 1 м³/день), например, для локальной канализации, так и к потокам, создаваемым муниципалитетами (> 240 000 м³/день). При децентрализованном производстве бытовых сточных вод, например, для отдельно стоящих домов, было показано, что наблюдаются значительные суточные, недельные и годовые колебания гидравлических и органических нагрузок, связанные с образом жизни современных семей. В этом контексте биофильтр, расположенный после септика, представляет собой надежный процесс, способный выдерживать наблюдаемую изменчивость без снижения эффективности очистки. На анаэробных очистных сооружениях биогаз подается через биоскруббер и очищается жидкостью из аэрационного резервуара, содержащей активный ил. Наиболее распространенным методом очистки сточных вод является процесс капельного фильтра (TFs) [Chaudhary, 2003]. Капельные фильтры – это аэробный метод очистки, использующий микроорганизмы на закрепленном носителе для удаления органических веществ из сточных вод. При первичной очистке сточных вод биофильтрация используется для контроля уровня биохимического потребления кислорода (БПК), химического потребления кислорода (ХПК) и взвешенных веществ. В процессах третичной очистки биофильтрация используется для контроля уровня органического углерода [Carlson, 1998].

Использование в аквакультуре

Использование биофильтров широко распространено в замкнутых системах аквакультуры, таких как системы рециркуляции воды (RAS). Методы биофильтрации, применяемые в аквакультуре, можно разделить на три категории: биологические, физические и химические. Основным биологическим методом является нитрификация, физические методы включают механические методы очистки и осаждение, а химические методы обычно используются в сочетании с одним из других методов. Некоторые фермы используют морские водоросли, например, рода Ulva, для удаления избыточных питательных веществ из воды и высвобождения кислорода в экосистему в "системе рециркуляции", а также для получения дохода от продажи водорослей в пищу. Существует множество различных конструкций, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки, однако их функция одинакова: снижение потребности в замене воды за счет преобразования аммиака в нитрат. Аммиак (NH4+ и NH3) образуется в результате жаберной экскреции у водных животных и при разложении органических веществ. Поскольку аммиак N высокотоксичен, он преобразуется в менее токсичный нитрит (под действием Nitrosomonas sp.), а затем в еще менее токсичный нитрат (под действием Nitrobacter sp.). Этот процесс "нитрификации" требует кислорода (аэробные условия), без которого биофильтр может выйти из строя. Кроме того, поскольку в ходе цикла нитрификации образуются ионы H+, pH может снижаться, что требует использования буферных веществ, таких как известь.