Биофилтри за пречистване на отпадъчни газове

Tерминът биофилтрация се отнася до биологичното превръщане или третиране на замърсители в газова фаза, обикновено въздух. Фактът, че бактерии са способни да разлагат газообразни замърсители, е известен отдавна. Въпреки това методът започва да става икономически изгоден едва през последните няколко десетилетия.

Технологията, залегнала в основата на биофилтрите, включва пропускане на потока отпадъчен газ през пълнеж от органичен материал (например торф, компост, дървесни корени или кори, иглолистна дървесина и различни комбинации от тях) или инертен материал (глина, керамика, активен въглен, полиуретан), където той биологично се окислява от имобилизирани микроорганизми до въглероден диоксид, вода, неорганични соли и биомаса.

Конструкция и работни параметри
Биофилтрите могат да бъдат с отворена или затворена конструкция. Отворените биофилтри се състоят от слой порьозен биофилтриращ материал, положен върху мрежа от тръби, през които се изпуска замърсеният въздух. Те се използват основно за газови потоци с ниски скорости. Този тип биофилтри изискват продължително време на престой и затова обикновено са с големи размери.

Това може да бъде избегнато чрез използването на многостъпални биофилтри, при които, за да се елиминира необходимостта от голяма площ, няколко слоя пълнеж са наредени един върху друг. Приложението на отворените биофилтри в региони със студен климат е ограничено. Затворените биофилтри се състоят от слой пълнеж с подходяща микробна популация, разположен под разпределителна система, която доставя равномерно отпадъчния газ до филтъра.

Газовият поток се насочва към филтъра посредством електрически вентилатори, като той може да се движи в посока от горе надолу или обратно. Материалите, от които са изработени вентилаторите и биофилтърът, трябва да са устойчиви на корозивни отпадъчни газове, излишен кондензат и прах.

Повечето биофилтри в експлоатация са с отворена конструкция, тъй като те са по-евтини от затворените биофилтри. В същото време обаче те са по-неефективни. Затова се препоръчва употребата на затворени биофилтърни системи с контрол на входящия и изходящия поток.

Може да се допусне, че в много случаи отворените биофилтри не позволяват достатъчно пречистване на газовете и не разполагат с технологичните характеристики за елиминиране на летливите органични съединения (ЛОС). Затворените високотехнологични биофилтърни системи могат да бъдат модернизирани с цел редуциране на широк спектър от ксенобиотични съединения в отпадъчни газове.

Микроорганизмите са затворени в неподвижния пълнеж. Височината на филтърния материал трябва да е между 0,5 m и 1,5 m, като могат да се използват максимум два или три слоя. Специфичният товар на пълнежа е между 100 и 500 Nm3/h за m2 филтърна повърхност. Най-добрите практики показват, че височината на филтърния материал трябва да е поне 1 m, за да се постигне време на престой между 15 s и 60 s и специфичен товар между 100 и 150 Nm3/h за m2.

Капацитетът за премахване на лошо миришещи вещества зависи от фактори като pH на биофилтърната среда, влагосъдържанието (изисква се 95% относителна влажност на газа) и температурата на входящия поток газ. Балансът на влагата се регулира чрез инсталиран преди биофилтъра овлажнител или скрубер, като понякога се прилага и навлажняване на самия филтърен материал.

Относителната влажност на пълнежа трябва да е под 60%, за да се избегне запушване. Овлажняващото устройство трябва да е защитено от замръзване в региони, където температурите падат значително под 0 °C. Когато се пречистват отпадъчни газове с температура над 35 °C, е необходимо охлаждане чрез разреждане с въздух, използване на скрубер или топлообменник.

С цел намаляване съдържанието на прахови частици и замърсители, които не са подходящи за биофилтрация, може да се осъществи предварително пречистване на отпадъчните газове в скрубер. Времето на престой за постигане на ефективно пречистване зависи от концентрацията на замърсителите. Минималното време на престой трябва да е в границите 30-45 s.

Ефективност
Ефективността на биофилтрите зависи до голяма степен от състава на отпадъчния газов поток. Освен това влияние могат да окажат и промени в условията на средата (например температура). Ако параметрите се променят бавно във времето, микроорганизмите се адаптират и ефективността се запазва висока.

Тя варира за различните замърсители: 75-95% за ЛОС, 80-95% за толуен, 80-90% за стирен, 77-89% за естери на карбоксилната киселина, >90% за етанол и 70-99% за лошо миришещи вещества. За някои миришещи съединения (меркаптани, сероводород) минималната ефективност на пречистване е 75%, като този процент може да се увеличи, ако биофилтърът се използва в комбинация със скрубер. Сравнителният анализ на ефективността на пречистване на лошо миришещи вещества показва, че биофилтрите са по-ефективни от скруберите.

Поддръжка
Отпадъчните води от биофилтрите са замърсени с продукти на разлагането (например нитрати, сулфати) и органични вещества. Тези отпадъчни води трябва да бъдат третирани, като при отворените биофилтърни системи те могат да бъдат върнати обратно в цикъла.

Периодично (на всеки 0,5-5 години в зависимост от материала и състава на газа) се налага подмяна на пълнежа и обезвреждане на стария филтърен материал чрез компостиране или изгаряне. Тъй като не всички ЛОС, преминаващи през биофилтъра, са биоразградими, филтърният материал може да се замърси с опасни вещества и следва да се третира като опасен отпадък.

Когато не се пречистват отпадъчни газове, през биофилтъра трябва да се пропуска свеж въздух, за да се поддържат микроорганизмите живи. Данните от практиката сочат, че за пречистването на 1000 Nm3 отпадъчен газ в биофилтър са необходими около 5 l вода за овлажняващото устройство и 1 kWh енергия за захранване на вентилаторите.

Продължителността на живот на органичните филтърни материали се определя предимно от повишаването на киселинността (повишаване концентрациите на N, S и Cl), изчерпването или отравянето на микроорганизмите и спадането на налягането. Понякога за повишаване скоростта на разлагане се налага добавянето на допълнително количество хранителни вещества към пълнежа. При полагане на пълнежа трябва да се внимава за равномерното му разпределение, тъй като това спомага за запазването на размера на ефективната филтрираща повърхност.

Разходите за експлоатация и поддръжка на биофилтрите обикновено са ниски, тъй като при пречистването не се използват други химикали и гориво. Цената на съоръженията за улавяне и транспортиране на отпадъчния газ от източника до биофилтъра често е по-висока от цената за конструиране на самия биофилтър.

Мониторинг
Въпреки че биофилтрите изискват минимална механична поддръжка, опитът показва, че са необходими редовни проверки и мониторинг. Ефективността на пречистване може да бъде отлична през първите няколко години, но да намалее драстично за кратък период от време поради липса на хранителни вещества, проблеми с баланса на флуида и/или влошаване качеството на филтърния материал.

Балансът на влагата трябва да се следи внимателно, защото този показател е от критично значение за нормалното функциониране на биофилтрите. Ефективността може да бъде определена чрез оценяване на състава на входящия и изходящия поток газове посредством подходящ за пречистваните замърсители аналитичен метод. Изисква се и редовен мониторинг на pH на отпадъчните води от биофилтъра.

Предимства и недостатъци
Основните предимства на биофилтрите включват: ниски инвестиционни и експлоатационни разходи; проста конструкция; в комбинация с процеси на адсорбция и абсорбция са подходящи за пречистване на почти неразтворими компоненти; висока ефективност на пречистване на биоразградими съединения; отделят малки количества отпадъчни води и отпадъчни материали.

Сред недостатъците на биофилтърните системи са: затруднено омокряне на пресъхналия пълнеж от торф и компост; имат относително обемиста конструкция; трябва да се предотвратява подкисляването на пълнежа и отравянето на микроорганизмите; променливите параметри на отпадъчния газов поток оказват съществено влияние върху ефективността.

Приложимост
Биофилтрите са подходящи за пречистване на отпадъчни газове с ниски концентрации на замърсители, които са лесно разтворими във вода. Не са приложими за отпадъчни газови потоци, съдържащи различни и сменящи се във времето замърсители. Използването на биофилтърни системи за премахване на метан от отпадъчни газове не е целесъобразно, тъй като необходимото време на престой е прекалено дълго за обичайните размери на филтрите.

Когато концентрациите на азотни, серни или хлорни органични или неорганични съединения е прекалено висока, формирането на азотна, сярна или солна киселина подкислява филтърния материал, което го прави безполезен. Това драстично увеличава честотата на изискваната подмяна на пълнежа. При прилагане на биофилтрация е важно стойността на pH на филтърния материал да е между 7 и 8.

При pH 6,5 скоростта на разлагане намалява.
Биофилтрите намират приложение в сектора на химическата промишленост, както и в пречиствателни станции за отпадъчни води, компостиращи инсталации, хранително-вкусовата промишленост, месопреработвателната индустрия, животновъдството, производството и преработката на тютюн, производството на целулоза и хартия и инсталации за повърхностна обработка на метали и пластмаси.

Разновидности
Разновидности на биофилтрите са биоскруберите, капещите биофилтри и капещите биофилтри с подвижен пълнеж. Биоскруберите комбинират процесите на абсорбция и биологично разлагане. Водата, през която се пропускат отпадъчните газове, съдържа популация от микроорганизми, способни да окислят замърсяващите компоненти.

Биоскруберите се използват в химическата, нефтопреработвателната и каучуковата промишленост, както и в пречиствателни станции за отпадъчни води и депа за опасни отпадъци за пречистване на газови потоци от лесно биоразградими компоненти като амоняк, амини, въглеводороди, сероводород и лошо миришещи вещества. За разлика от биоскруберите, при капещите биофилтри микроорганизмите са фиксирани върху пълнеж от инертен материал, през който непрекъснато циркулира водната фаза.

Приложимостта на капещите биофилтри е съпоставима с тази на биоскруберите. Капещите биофилтри с подвижен пълнеж се използват за съвместно или разделно пречистване на отпадъчни води и отпадъчни газове. Състоят се от резервоар, който се запълва със синтетични топчета със специфична форма, в и върху които се развиват микроорганизмите, разлагащи замърсителите.

Непречистените води се изпомпват към горната част на филтъра и се разпределят върху пълнежа чрез разпръскваща система. Отпадъчните газове се вкарват във филтъра заедно с отпадъчните води с помощта на външен вентилатор. Тези съоръжения са компактни и са подходящи за пречистване на потоци отпадъчни газове с бързи и големи вариации на замърсителите.