Биофильтры

Насыпь для биофильтра установки для компостирования твердых биологических веществ — обратите внимание на разбрызгиватель, видимый спереди справа, для поддержания надлежащего уровня влажности для оптимального функционирования.

Биофильтрация — это метод контроля загрязнения с использованием биореактора, содержащего живой материал, для улавливания и биологического разложения загрязняющих веществ. Обычное использование включает обработку сточных вод , улавливание вредных химикатов или ила из поверхностных стоков , а также микробиологическое окисление загрязняющих веществ в воздухе. Промышленную биофильтрацию можно классифицировать как процесс использования биологического окисления для удаления летучих органических соединений, запахов и углеводородов.

Примеры биофильтрации

Примеры биофильтрации включают:

• Биополоски , биополоски , биомешки , биоскрубберы, вермифильтры и капельные фильтры.
• Искусственные и естественные водно-болотные угодья
• Медленные песочные фильтры
• Лечебные пруды
• Зеленые пояса
• Зеленые стены
• Прибрежные зоны , тугайные леса , боски
• двустворчатых моллюсков Биоаккумуляция

Контроль загрязнения воздуха

Применительно к фильтрации и очистке воздуха биофильтры используют микроорганизмы для удаления загрязнений воздуха . Воздух проходит через слой насадки, а загрязняющие вещества переносятся в тонкую биопленку на поверхности упаковочного материала. Микроорганизмы , включая бактерии и грибы, иммобилизуются в биопленке и разлагают загрязнитель. Капельные фильтры и биоскрубберы основаны на биопленке и бактериальном действии в рециркулирующей воде.

Наибольшее применение технология находит при очистке соединений с неприятным запахом и летучих органических соединений (ЛОС). Отрасли, использующие эту технологию, включают продукты питания и продукты животного происхождения, отходящие газы очистных сооружений, фармацевтику , производство изделий из древесины, нанесение и производство красок и покрытий, а также производство и применение смол и т. д. Обрабатываемые соединения обычно представляют собой смесь летучих органических соединений и различных серы соединений , в том числе сероводород . Можно обрабатывать очень большие потоки воздуха, и хотя обычно требуется большая площадь (занимаемая площадь) — большой биофильтр (> 200 000 куб. футов в минуту ) может занимать столько же или больше земли, чем футбольное поле, — это было одним из основных недостатков этой технологии. . С начала 1990-х годов инженерные биофильтры позволили значительно сократить занимаемую площадь по сравнению с традиционными плоскими органическими фильтрами.

Система воздушного цикла на заводе по компостированию твердых биологических веществ. Большой воздуховод на переднем плане направляет воздух в биофильтр, показанный на предыдущей фотографии.

Одной из основных проблем оптимальной работы биофильтра является поддержание необходимой влажности во всей системе. Воздух обычно увлажняется перед попаданием в слой с помощью системы полива (распыления), камеры увлажнения, биологического скруббера или биологического капельного фильтра. При правильном уходе натуральные органические упаковочные материалы, такие как торф, растительная мульча, кора или древесная щепа, могут прослужить несколько лет, но специально разработанные упаковочные материалы, комбинированные из натуральных органических и синтетических компонентов, обычно служат гораздо дольше, до 10 лет. Некоторые компании предлагают эти типы запатентованных упаковочных материалов и многолетние гарантии, которые обычно не предоставляются для обычного биофильтра с слоем компоста или древесной щепы.

Несмотря на широкое применение, научное сообщество все еще не уверено в физических явлениях, лежащих в основе работы биофильтров, и информация о задействованных микроорганизмах продолжает разрабатываться. Система биофильтра/биоокисления представляет собой довольно простое устройство в конструкции и эксплуатации и предлагает экономически эффективное решение при условии, что загрязняющее вещество является биоразлагаемым в течение умеренного периода времени (увеличение времени пребывания = увеличение размера и капитальных затрат), в разумных концентрациях (и скорость загрузки в фунт/час) и что температура воздушного потока является приемлемой для организма. Для больших объемов воздуха биофильтр может быть единственным экономически эффективным решением. Вторичное загрязнение отсутствует (в отличие от случая сжигания дополнительные CO ₂ и NO _x , при котором при сжигании топлива образуются ), а продукты разложения образуют дополнительную биомассу, углекислый газ и воду. Вода для орошения среды, хотя многие системы перерабатывают ее часть для снижения эксплуатационных расходов, имеет умеренно высокую биохимическую потребность в кислороде (БПК) и может потребовать очистки перед утилизацией. Однако эта «продувочная вода», необходимая для надлежащего обслуживания любой системы биоокисления, обычно принимается муниципальными государственными очистными сооружениями. без какой-либо предварительной обработки.

Биофильтры используются в Колумбии-Фолс, штат Монтана, компании Plum Creek Timber Company на заводе по производству древесноволокнистых плит . Биофильтры уменьшают загрязнение, выделяемое в результате производственного процесса, а выхлопные газы становятся чистыми на 98%. Новейшая и крупнейшая установка биофильтра в Плам-Крик обошлась в 9,5 миллионов долларов, однако, несмотря на то, что эта новая технология дорогая, в долгосрочной перспективе она будет стоить меньше сверхурочных, чем альтернативные мусоросжигательные печи с очисткой выхлопных газов, работающие на природном газе (которые не так экологически безопасны). дружелюбно).

Очистка воды

Типичная комплексная система капельного фильтра для очистки сточных вод.

Изображение 1: Схематическое поперечное сечение контактной поверхности слоя материала в капельном фильтре.

Биофильтрация была впервые представлена ​​в Англии в 1893 году как капельный фильтр для очистки сточных вод и с тех пор успешно используется для очистки различных типов воды. Биологическая очистка используется в Европе для фильтрации поверхностных вод для питьевых целей с начала 1900-х годов и в настоящее время вызывает все больший интерес во всем мире. Биофильтрация также широко распространена в очистке сточных вод , аквакультуре и вторичной переработке сточных вод как способ свести к минимуму замену воды при одновременном повышении ее качества .

Процесс биофильтрации

Биофильтр — это слой среды, на котором микроорганизмы прикрепляются и растут, образуя биологический слой, называемый биопленкой . Таким образом, биофильтрацию обычно называют процессом с фиксированной пленкой. Как правило, биопленка образована сообществом различных микроорганизмов ( бактерий , грибов , дрожжей и др.), макроорганизмов ( простейших , червей, личинок насекомых и др.) и внеклеточных полимерных веществ (ЭПС) (Флемминг и Вингендер, 2010). ). Воздух или вода проходят через слой среды, и любые взвешенные соединения переносятся в поверхностную биопленку, где удерживаются микроорганизмы, разлагающие загрязняющие вещества . Аспект биопленки обычно склизкий и мутный.

Очищаемую воду можно подавать периодически или непрерывно в среду восходящим или нисходящим потоком. Обычно биофильтр имеет две или три фазы, в зависимости от стратегии питания (перколяционный или погружной биофильтр):

• твердая фаза (носитель);
• жидкая фаза (вода);
• газообразная фаза (воздух).

Органические вещества и другие компоненты воды диффундируют в биопленку, где происходит очистка, в основном путем биоразложения . Процессы биофильтрации обычно являются аэробными , что означает, что микроорганизмам для метаболизма необходим кислород. Кислород может подаваться в биопленку одновременно или противотоком с потоком воды. Аэрация происходит пассивно за счет естественного потока воздуха через процесс (трехфазный биофильтр) или за счет принудительной подачи воздуха с помощью воздуходувок.

Активность микроорганизмов является ключевым фактором эффективности процесса. Основными влияющими факторами являются состав воды, гидравлическая нагрузка биофильтра, тип среды, стратегия подачи (фильтрационная или погружная среда), возраст биопленки, температура, аэрация и т. д.

Механизмы, с помощью которых определенные микроорганизмы могут прикрепляться и колонизировать поверхность фильтрующего материала биофильтра, могут заключаться в транспортировке, первоначальной адгезии, прочном прикреплении и колонизации [Van Loosdrecht et al., 1990]. Транспорт микроорганизмов к поверхности фильтрующего материала дополнительно контролируется четырьмя основными процессами диффузии (броуновское движение), конвекции, седиментации и активной подвижности микроорганизмов. Общий процесс фильтрации состоит из прикрепления микроорганизмов, использования субстрата, вызывающего рост биомассы, и отделения биомассы.

Виды фильтрующих материалов

В большинстве биофильтров используются такие материалы, как песок, щебень, речной гравий или пластиковый или керамический материал в форме небольших шариков и колец.

Преимущества

Хотя биологические фильтры имеют простую поверхностную структуру, их внутренняя гидродинамика, а также биология и экология микроорганизмов сложны и изменчивы. Эти характеристики придают процессу надежность. Другими словами, процесс способен сохранять свою производительность или быстро возвращаться к исходным уровням после периода отсутствия потока, интенсивного использования, токсических шоков, обратной промывки среды (высокоскоростные процессы биофильтрации) и т. д.

Структура биопленки защищает микроорганизмы от сложных условий окружающей среды и удерживает биомассу внутри процесса, даже когда условия не оптимальны для ее роста. Процессы биофильтрации имеют следующие преимущества: (Rittmann et al., 1988):

• Поскольку микроорганизмы удерживаются внутри биопленки, биофильтрация позволяет развиваться микроорганизмам с относительно низкой удельной скоростью роста;
• Биофильтры менее подвержены переменным или периодическим нагрузкам и гидравлическим ударам ;
• Эксплуатационные затраты обычно ниже, чем при использовании активного ила ;
• На конечный результат очистки меньше влияет сепарация биомассы, поскольку концентрация биомассы в сточных водах намного ниже, чем в процессах с взвешенной биомассой;
• нет Прикрепленная биомасса становится более специализированной (более высокая концентрация соответствующих организмов) в данный момент технологического процесса, поскольку возврата биомассы .

Недостатки

Поскольку фильтрация и рост биомассы приводят к накоплению веществ в фильтрующем материале, этот тип процесса с фиксированной пленкой подвержен биозасорению и канализации потока. В зависимости от типа применения и среды, используемой для роста микробов, биозасорение можно контролировать с помощью физических и/или химических методов. Этапы обратной промывки могут быть реализованы с использованием воздуха и/или воды для разрушения биомата и восстановления потока, когда это возможно. Также можно использовать такие химические вещества, как окислители ( перекись , озон ) или биоциды.

Биофильтрация может потребовать большой площади для некоторых методов очистки (приостановленный рост и процессы прикрепленного роста), а также длительного времени гидравлического удерживания (анаэробная лагуна и анаэробный реактор с перегородками).

Питьевая вода

Биологическая очистка питьевой воды предполагает использование природных микроорганизмов, содержащихся в поверхностных водах, для улучшения качества воды. При оптимальных условиях, включая относительно низкую мутность и высокое содержание кислорода, организмы расщепляют содержащиеся в воде вещества и тем самым улучшают качество воды. Медленные песочные фильтры или угольные фильтры используются для обеспечения поддержки, на которой растут эти микроорганизмы. Эти системы биологической очистки эффективно снижают передающиеся через воду заболевания, растворенный органический углерод, мутность и цветность поверхностных вод, тем самым улучшая общее качество воды.

Обычно при очистке питьевой воды; Фильтры с гранулированным активированным углем или песочные фильтры используются для предотвращения повторного роста микроорганизмов в водопроводных трубах за счет снижения уровня железа и нитратов, которые действуют как питательное вещество для микробов. GAC также снижает потребность в хлоре и накопление других побочных продуктов дезинфекции, выступая в качестве первой линии дезинфекции. Бактерии, прикрепленные к фильтрующему материалу в виде биопленки, окисляют органический материал как источник энергии и углерода, что предотвращает использование этих источников нежелательными бактериями, что может уменьшить запахи и вкус воды [Bouwer, 1998]. Эти системы биологической очистки эффективно снижают передающиеся через воду заболевания, растворенный органический углерод, мутность и цветность поверхностных вод, тем самым улучшая общее качество воды.

Биотехнологические методы можно использовать для улучшения биофильтрации питьевой воды путем изучения микробных сообществ в воде. Такие методы включают qPCR (количественную полимеразную цепную реакцию), анализ АТФ, метагеномику и проточную цитометрию.

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. Специально разработанные биофильтры были разработаны и коммерциализированы для очистки отходов животноводства . свалок фильтраты , молочные сточные воды , бытовые сточные воды .

Этот процесс универсален, поскольку его можно адаптировать к небольшим расходам (< 1 м3/сут), например, канализационным стокам на объекте. а также потоки, генерируемые муниципалитетом (> 240 000 м3/сут). Для децентрализованного производства бытовых сточных вод, например, для изолированных жилищ, было продемонстрировано, что существуют важные ежедневные, еженедельные и ежегодные колебания уровня гидравлического и органического производства, связанные с образом жизни современных семей. В этом контексте биофильтр, расположенный после септика, представляет собой надежный процесс, способный поддерживать наблюдаемую изменчивость без ущерба для эффективности очистки.

На анаэробных очистных сооружениях биогаз подается через биоскруббер и «промывается» жидкостью активного ила из аэротенка. Чаще всего при очистке сточных вод используется процесс капельной фильтрации (TF) [Chaudhary, 2003]. Капельные фильтры представляют собой аэробную очистку, при которой микроорганизмы на прикрепленной среде удаляют органические вещества из сточных вод.

При первичной очистке сточных вод биофильтрация используется для контроля уровней биохимического кислорода, потребности в кислороде, химической потребности в кислороде и взвешенных твердых частиц. В процессах третичной очистки биофильтрация используется для контроля уровня органического углерода [Carlson, 1998].

Использование в аквакультуре

Использование биофильтров распространено в закрытых системах аквакультуры , таких как рециркуляционные системы аквакультуры (УЗВ). Методы биофильтрации, используемые в аквакультуре, можно разделить на три категории: биологические, физические и химические. Основным биологическим методом является нитрификация, к физическим методам относятся механические методы и седиментация, а химические методы обычно используются в сочетании с одним из других методов. Некоторые фермы используют морские водоросли, например, из рода Ulva, для извлечения избыточных питательных веществ из воды и выделения кислорода в экосистему в «системе рециркуляции», а также служат источником дохода, когда они продают морские водоросли для безопасного потребления человеком. .

Используется множество конструкций с разными преимуществами и недостатками, однако функция одна и та же: уменьшение водообмена за счет преобразования аммиака в нитрат . Аммиак (NH ₄ ⁺ и NH ₃ ) возникает в результате выделения из жабр водных животных и в результате разложения органических веществ. Поскольку аммиак-N очень токсичен, он преобразуется в менее токсичную форму нитрита (вид Nitrosomonas ), а затем в еще менее токсичную форму нитрата (вид Nitrobacter ). Для этого процесса «нитрификации» необходим кислород (аэробные условия), без которого биофильтр может выйти из строя. Более того, поскольку в этом цикле нитрификации образуется H ⁺ рН может снизиться, что приводит к необходимости использования буферов, таких как известь .

См. также

• Биоретенция
• Биосвале
• Фолкеволл
• Медиа-фильтр
• Вермифильтр

Дальнейшее чтение

• Биофильтровальные пакеты SE-14. (2012). Справочник BMP для ливневых вод Калифорнии, 1–3. Получено с https://www.cityofventura.ca.gov/DocumentCenter/View/13163/CASQA-Guidance-SE-14-Biofilter-Bags .
• Бауэр, Эдвард Дж.; Кроу, Патрисия Б. (сентябрь 1988 г.). «Биологические процессы очистки питьевой воды». Журнал AWWA . 80 (9): 82–93. Бибкод : 1988JAWWA..80i..82B . дои : 10.1002/j.1551-8833.1988.tb03103.x . JSTOR   41292287 .
• Чаудхари, Дургананда Сингх; Виньесваран, Сараванамуту; Нго, Хуу-Хао; Шим, Ван Гын; Мун, Хи (ноябрь 2003 г.). «Биофильтр в очистке воды и сточных вод». Корейский журнал химической инженерии . 20 (6): 1054–1065. дои : 10.1007/BF02706936 . S2CID   10028364 .
• Карлсон, Кеннет Х.; Эми, Гэри Л. (декабрь 1998 г.). «Удаление спецификации при биофильтрации». Журнал AWWA . 90 (12): 42–52. Бибкод : 1998JAWWA..90l..42C . дои : 10.1002/j.1551-8833.1998.tb08550.x . JSTOR   41296445 . S2CID   91347325 .
• Язычники, Estel.la; Шрифт, Ксавье; Санчес, Антони (октябрь 2005 г.). «Биофильтрация для удаления аммиака из выхлопных газов компостирования». Химико-технологический журнал . 113 (2–3): 105–110. Бибкод : 2005ЧЭнЖ.113..105П . CiteSeerX   10.1.1.470.1234 . дои : 10.1016/j.cej.2005.03.004 .
• Нисимура, Сосуке; Йода, Мотоюки (1 января 1997 г.). «Удаление сероводорода из анаэробного биогаза с помощью биоскруббера». Водные науки и технологии . 36 (6): 349–356. дои : 10.1016/S0273-1223(97)00542-8 .
• ван Лоосдрехт, MC; Ликлема, Дж; Норде, Вт; Цендер, AJ (март 1990 г.). «Влияние интерфейсов на микробную активность» . Микробиологические обзоры . 54 (1): 75–87. дои : 10.1128/мр.54.1.75-87.1990 . ПМК   372760 . ПМИД   2181260 .

Внешние ссылки

• Биосвалы и полосы для ливневых стоков - Департамент транспорта Калифорнии (CalTrans)