Biofilter s pevným lôžkom

   Princíp

Biofiltrácia je čistenie vzduchu založené na využití mikroorganizmov na rozklad alebo biotransformáciu organických znečisťujúcich látok alebo zápachových látok. Mikroorganizmy (nižšie huby, baktérie, kvasinky) využívajú organické látky väčšinou ako zdroj energie na svoj rast a rozmnožovanie a bežne sa vyskytujú v pôde alebo v rozkladajúcom sa rastlinnom materiáli. Princíp biologického rozkladu plynných látok spočíva v tom, že molekuly znečisťujúcich látok alebo zápachových látok sa sorbujú na povrchu biofilmu, ktorý sa vytvára na pevných časticiach náplne. Biofilm tvoria prevažne baktérie, obsahuje však aj nižšie huby, prvoky a bezstavovce. Prvoky a bezstavovce sa spravidla živia baktériami a nižšími hubami. Odstraňovanie znečisťujúcich látok je niekoľkostupňový proces. Prvým krokom je rozpustenie molekúl znečisťujúcich látok vo vode, nasleduje transport molekuly biofilmom k bakteriálnej bunke a transport molekuly cez bunkovú membránu do baktérie. Tam prebieha samotný metabolizmus a rozklad znečisťujúcich látok (obr. 4.3.1). Prenos kontaminantu zo vzduchu do kvapalnej fázy je založený na teórii dvoch filmov vyjadrenej nasledujúcou rovnicou (Matějů, 2006):

 

M_i = K_L . a . (C_si – C_li),

 

kde     M_i       je rýchlosť prenosu hmoty látky i (g . m^–3 . s^-1),

K_L       koeficient rýchlosti prenosu hmoty (m . s^–1),

a        špecifický povrch náplne (m². m^–3),

C_si      koncentrácia látky i v kvapalnej fáze za rovnovážnych podmienok (g . m^–3),

C_li       aktuálna koncentrácia látky i v kvapalnej fáze (g . m^–3).

 

Obr. 4.3.1. Vnútorný mechanizmus biofiltra (Devinny et al., 1999).

Vysvetlivky: 1 – znečistený vzduch, 2 – CO2 + vodná para, 3 – plynná fáza, 4 – biofilm, 5 – pevná fáza.

 

Rovnovážna koncentrácia sa odvodzuje z Henryho zákona. Reakčná rýchlosť v biofilme sa riadi Monodovou kinetikou. Ak sa biofilter prevádzkuje v správnych podmienkach, limitujúcim rýchlostným faktorom je prenos hmoty. Prestáva to platiť vtedy, ak sa biofilter preťažuje (Schroeder, 2002).

   Použiteľnosť

Možnosti využitia biofiltrov sú široké, najmä v poľnohospodárstve, v spracovateľskom, potravinárskom, chemickom a agrotechnickom priemysle, v kafilériách, čistiarňach odpadových vôd a inde (Galajda et al., 2000). Je to metóda, ktorou sa odstraňujú biodegradovateľné komponenty, ako napr. amíny, uhľovodíky, sírovodík, toluén, styrén a zapáchajúce kontaminanty. Je veľmi vhodná pri nízkej koncentrácii znečisťujúcich látok ľahko rozpustných vo vode. Obyčajne sa nepoužíva pri odpadových plynoch s veľkým množstvom rozličných látok. Metóda sa nepoužíva v prípade metánu, pretože pri bežne používaných biofiltroch a ich rozmeroch čas čistenia nie je dostatočne dlhý na jeho elimináciu (BREF, 2002). Na elimináciu znečisťujúcich látok biologicky rozložiteľných len za anaeróbnych podmienok sa biofiltrácia nedá použiť bez zložitých a finančne náročných úprav. V biofiltri býva menšia vlhkosť (40 – 60 %), a preto transfer hmoty z plynnej fázy do kvapalnej prebieha s menším medzifázovým odporom ako pri použití kropeného biofiltra alebo bioskrubra. Biofilter je vhodnejší na odstraňovanie znečisťujúcich látok s vysokými hodnotami Henryho konštanty (Jördening a Winter, 2005). Použitie biofiltrov pri sanačných prácach nie je veľmi rozšírené. Hlavnou príčinou, prečo biologická technológia nie je príliš rozšírená pri eliminácii znečisťujúcich látok z pôdneho vzduchu, je meniaca sa koncentrácia znečisťujúcich látok v čase. Na začiatku odsávania pôdneho vzduchu alebo stripingu je koncentrácie prchavých znečisťujúcich látok vo väčšine prípadov taká vysoká, že eliminácia biofiltrom nie je z ekonomických a technických dôvodov možná. Biofiltráciu je možné využiť až po znížení koncentrácie znečisťujúcich látok v pôdnom vzduchu alebo v plyne odchádzajúcom zo stripovacej kolóny. Zvyčajne sa uvádza hranica do 1 000 objemových ppm (Schroeder, 2002), v praxi však biofiltre pracujú so vstupnou koncentráciou až 5 000 objemových ppm. Reálna vstupná koncentrácia znečisťujúcich látok vo väčšine prípadov závisí od ich druhu, ich biologickej odbúrateľnosti a konkrétnych ekonomických podmienok. Pri vyššej koncentrácii znečisťujúcich látok (približne 1 500 až 2 000 objemových ppm) sa konkurenčné metódy (termická a katalytická oxidácia, oxidácia indukovaná UV svetlom, vypieranie) stávajú z ekonomického hľadiska výhodnejšími.

   Základná charakteristika

Prúd znečisteného vzduchu prechádza cez lôžko s organickým materiálom, napr. rašelinou, vresom, kompostom, schránkami ustríc (Sellers, 1999), alebo inertným materiálom ako íl, drevené uhlie alebo polyuretán. Tam sa biologicky oxiduje prirodzene sa vyskytujúcimi mikroorganizmami na oxid uhličitý, vodu a biomasu. Príklad biofiltra je na obr. 4.3.2 (BREF, 2002).

 

Obr. 4.3.2. Schéma biofiltra (BREF, 2002).

Vysvetlivky: 1 – znečistený vzduch, 2 – štrková vrstva, 3 – drenáž, 4 – filtračný materiál, 5 – vyčistený vzduch.

 

Používajú sa dva druhy biofiltrov:

•          otvorený biofilter,

•          uzavretý biofilter.

Otvorený biofilter sa skladá z vrstvy pórovitého biofiltračného materiálu, pod ktorým je sieť potrubí. Ňou sa kontaminovaný vzduch vháňa do filtra. Čistenie pomocou tohto typu filtra trvá relatívne dlhý čas, a preto rozmery filtrov sú pomerne veľké. Môže sa používať pri nízkej rýchlosti prúdenia plynu. Náhradou môžu byť viacvrstvové biofiltre. Niekoľko vrstiev sa umiestni nad sebou a tým sa zmenšia rozmery. V oblastiach s chladnou klímou je použitie otvorených biofiltrov obmedzené. Lôžko otvoreného biofiltra býva väčšinou pod úrovňou terénu.

Uzavretý biofilter tvorí vrstva materiálu, ktorá podporuje vhodnú mikrobiálnu populáciu. Je uložená pod privádzacím systémom, ktorým sa rovnomerne dopravuje do filtra kontaminovaný plyn. Prúd plynu sa vháňa do filtra elektrickými ventilátormi. Prúdenie môže byť buď zospodu smerom hore, alebo naopak. Ventilačný systém a konštrukcia biofiltra by mali minimalizovať výskyt ničivých/leptavých odpadových plynov, prebytočného kondenzátu a prachu/nečistôt. Uzavreté biofiltre sa budujú ako nadzemné (Devinny et al., 1999).

Mikroorganizmy sú uzavreté v pevnom lôžku. Výška filtračného materiálu sa pohybuje od 0,5 do 1,5 m, s maximálne dvomi až tromi vrstvami. Špecifické zaťaženie filtračného lôžka je od 100 do 500 m³ za hodinu na 1 m² filtračného povrchu. Veľmi dôležité je udržiavanie rovnováhy vlhkosti (zvyčajne je potrebné dosiahnuť relatívnu vlhkosť plynu asi 95 % a viac). Vlhkosť sa udržuje pripojeným zvlhčovačom alebo vypieraním plynu v kombinácii so zvlhčovaním filtračného materiálu. Relatívna vlhkosť filtračného materiálu by mala byť nižšia ako 60 %, aby sa neupchával. V oblastiach, kde teplota výrazne klesá pod 0 ºC, zariadenie na zvlhčovanie vyžaduje ochranu pred zamŕzaním. Súčasťou je aj zariadenie na mokré vypieranie, ktoré sa používa na počiatočnú úpravu (BREF, 2002).

Pri spracúvaní odpadových plynov so zlúčeninami síry, ako napr. sírovodík alebo sírouhlík, vzniká odpadový produkt s vysokým obsahom kyseliny sírovej. Vysoká acidita neprospieva mikroorganizmom. Podobné problémy je možné vyriešiť použitím mikroorganizmov skupiny acidophiles, ktoré dokážu prežiť v extrémne kyslom prostredí pri pH nižšom ako 3 a sú schopné degradovať zlúčeniny síry v takýchto podmienkach (Kraakman et al., 2009).

   Výhody a limitácie

Výhodou biofiltra je jeho jednoduchá konštrukcia. V kombinácii s adsorpciou a absorpciou je vhodný aj na filtráciu slabo rozpustných látok. Biofiltrácia má vysokú efektivitu pri biodegradovateľných zlúčeninách, napr. zapáchajúcich látkach.

Pri použití metódy na prúd teplého plynu (viac ako 35 ºC) je potrebné chladenie, a to buď miešaním so vzduchom, alebo použitím plynovej práčky alebo výmenníka tepla. Mokré vypieranie sa môže použiť s cieľom znížiť nadmerný obsah pevných častíc, zaťaženie znečisťujúcimi látkami a množstvo znečisťujúcich látok nevhodných na biofiltráciu. Kvalita materiálu a prevádzka zariadenia biofiltra musí poskytovať ochranu proti korózii. Musí sa zabezpečiť odstránenie kondenzovanej vody z prívodných potrubí (Jördening a Winter, 2005).

Nevýhodou biofiltrácie je možnosť vysušenia lôžka rašeliny alebo kompostového filtra, ktorého opätovné zvlhčenie býva náročné. Biofiltre majú relatívne masívnu konštrukciu, a preto zaberajú pomerne veľký priestor. Je potrebné zabrániť intoxikácii alebo prekysleniu biomasy. Kolísanie prúdenia vzduchu má vplyv na prevádzku zariadenia. Filtračná náplň je v prašnom prostredí chúlostivá na upchávanie. Teplota v biofiltri by nemala na dlhší čas klesnúť nižšie ako 8 ºC, pričom optimum by malo byť medzi 18 až 32 ºC (Galajda et al., 2000).

Obmedzené sú aj možnosti rýchlej úpravy hodnoty pH filtračného lôžka a možnosti dodávky minerálnych živín. Filtračné lôžka z prírodných materiálov (kôra, rašelina, kompost a pod.) je potrebné meniť približne každých 2 až 5 rokov. Maximálna koncentrácia uhľovodíkov je 200 – 2 000 objemových ppm (Schroeder, 2002). Prítomnosť amoniaku môže znižovať efektivitu rozkladu uhľovodíkov – môže sa rozkladať na N₂O. Prúd vzduchu môže dosahovať maximálnu rýchlosť 100 – 400 m³ za hodinu na m² filtračného povrchu. Relatívna vlhkosť by mala dosahovať takmer úplné nasýtenie vodou, viac ako 95 % (BREF, 2002).

   Trvanie čistenia a účinnosť

Na dosiahnutie dostatočnej eliminačnej kapacity biofiltra je potrebná dostatočná dĺžka čistenia ošetrovaného plynu v biofiltri. Potrebný čas čistenia závisí najmä od typu a koncentrácie znečistenia, ktoré sa v biofiltri eliminuje, od vlastností biofiltračnej náplne a biochemickej aktivity prítomných mikroorganizmov. Hlavné faktory určujúce potrebný čas čistenia sú rýchlosť prestupu znečistenia k degradujúcim mikroorganizmom a rýchlosť degradácie či transformácie znečisťujúcich látok mikroorganizmami. Obvykle sa čas čistenia plynu v biofiltri s pevným lôžkom pohybuje v rozmedzí desiatok až stoviek sekúnd. Pokles tlaku je 0,5 – 2 kPa.

Efektivita biofiltrácie výrazne závisí od zloženia prúdu odpadového plynu. Pri správne zvolenom a použitom biofiltri je možné dosiahnuť účinnosť 70 – 90 %. Pri predĺženom čase kontaktu je možné dosiahnuť aj vyššiu účinnosť (Schifftner, 2002). V prípade uhľovodíkov je možné dosiahnuť účinnosť 75 – 95 %, s emisným limitom vyšším ako 5 mg . m^–3, pri toluéne je účinnosť 80 – 95 %, s emisným limitom vyšším ako 5 mg . m^–3, pri styréne 80 – 90 %, s emisným limitom viac ako 10 mg . m ^–3 a v prípade zápachu 75 –95 %, s emisnými limitmi 5 000 zápachových jednotiek na m³ (BREF, 2002).

Efektivita sa stanovuje hodnotením plynu pri vstupe a výstupe. Dôsledne sa musí sledovať rovnováha vlhkosti, pretože je kľúčovou podmienkou správnej prevádzky biofiltrov. Monitorovať treba aj pH, teplotu a niektoré vlastnosti filtra. Zanášanie a upchávanie filtra ako výsledok hromadenia biomasy vyžaduje pravidelné mechanické čistenie. Vyžaduje sa aj pravidelné sledovanie pH vody presakujúcej z filtra (FRTR, 2008).

Medzi parametre, ktoré ovplyvňujú náklady na sanáciu s využitím tejto metódy, patria rýchlosť prúdenia odpadového plynu, koncentrácia znečisťujúcich látok v plyne, typy zložiek v plyne, požadovaná efektivita a charakter filtračného materiálu.

Väčšina používaných biofiltrov sú otvorené lôžkové filtre, ktoré sú na jednej strane lacnejšie ako uzavreté, ale na druhej strane sú aj menej efektívne. Preto by sa mala dávať prednosť uzavretým filtračným systémom s riadeným dodávaním plynu. Otvorené filtračné systémy v mnohých prípadoch neumožňujú dostatočné odstránenie znečisťujúcich látok a často chýbajú technologické funkcie na dosiahnutie úplného/komplexného odstránenia prchavých organických látok. Pri uzavretých high-tech biofiltroch sa môže zvýšiť výkonnosť a tým zredukovať široké spektrum biologicky škodlivých látok.

Eliminácia prchavých znečisťujúcich látok z pôdneho vzduchu touto metódou je najlacnejšia a technicky aj technologicky je veľmi jednoduchá a ekonomicky nenáročná. Náklady na filtračný materiál sú zhruba 200 € na m³. Prevádzková životnosť filtračného materiálu závisí od zaťaženia spôsobeného kyslosťou, jedmi alebo vyčerpaním a zvyčajne nepresiahne 1 rok (BREF, 2002). Pri otvorených biofiltroch sa filtračný materiál musí pravidelne spracúvať a časom zneškodňovať. V lôžku filtra sa môžu vytvárať kanály, ktorými prúdi upravovaný plyn. Tým sa znižuje efektivita filtrácie. Keďže nie všetky prchavé organické látky prechádzajúce biofiltrom je možné biologicky degradovať, môže byť filtračný materiál zanesený nebezpečnými kontaminantmi. Preto sa musí zneškodniť (spaľovaním). Filtračná voda, ktorá sa uvoľní z filtračného materiálu, môže obsahovať organické rezíduá a tak isto sa musí zneškodniť. Uzavreté biofiltre zvyčajne presakujúce kvapaliny recirkulujú. Kapitálové náklady predstavujú približne 5 000 – 20 000 € na 1 000 m³ . h^–1. Náklady na prevádzku a údržbu sú nízke, pretože nie sú potrebné žiadne palivá ani chemikálie (FRTR, 2008).

 

© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží

Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,

Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová

Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,

ISBN    978-80-89343-39-3