7.3. Биоочистка газовоздушных выбросов

Проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна в условиях воз-

растающей технологической деятельности приобретает все большую ост-

роту. В воздухе больших промышленных городов содержится огромное

количество вредных веществ. При этом концентрация многих токсикантов

превышает допустимые уровни. Основной вклад в загрязнение атмосферы

вносят предприятия нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и

перерабатывающей промышленности, а также большие сельскохозяйст-

венные комплексы, отстойники сточных вод, установки по обезврежива-

нию отходов. Среди этих веществ – органические (ароматические и не-

предельные углеводороды, азот-, кислород-, серо- и галогенсодержащие

соединения) и неорганические вещества (сернистый газ, сероуглерод,

окислы углерода, аммиак, хлорводород, галогены). В воздушных бассей-

нах больших промышленных городов присутствуют десятки различных

соединений, в том числе дурнопахнущие, способные даже в незначитель-

ных концентрациях представлять угрозу для здоровья, а также вызывать у

людей чувство дискомфорта.

Для очистки воздуха применяют различные методы – физические, хи-

мические и биологические, однако уровень и масштабы их применения в

настоящее время чрезвычайно далеки от требуемых. Среди применяемых

физических методов – абсорбция примесей на активированном угле и дру-

228

гих поглотителях, абсорбция жидкостями. Наиболее распространенными

химическими методами очистки воздуха являются озонирование, прока-

ливание, каталитическое дожигание, хлорирование. Биологические мето-

ды очистки газовоздушных выбросов начали применять сравнительно

недавно, и пока в ограниченных масштабах.

Биологические методы очистки воздуха базируются на способности

микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр ве-

ществ и соединений до конечных продуктов, СО2 и Н2О. Широко известна

способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, арома-

тические, гетероциклические, ациклические и различные С1-соединения.

Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, серово-

дород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются дру-

гими микробными видами. Есть данные об эффективном окислении

аэробными карбоксидобактериями моноокиси углерода, являющейся од-

ним из наиболее опасных воздушных загрязнителей. Представители рода

Nocardia эффективно разрушают стерины и ксилол; Hyphomicrobium –

дихлорэтан; Xanthobacterium – этан и дихлорэтан; Mycobacterium – винил-

хлорид.

Наиболее широким спектром катаболических путей характеризуются

почвенные микроорганизмы. Так, только представители рода Pseudomonas

способны использовать в качестве единственного источника углерода,

серы или азота свыше 100 соединений – загрязнителей биосферы. Боль-

шие возможности для повышения биосинтетического потенциала микрор-

ганизмов-деструкторов токсичных веществ имеются на вооружении у

микробиологов и генетиков, включая методы традиционной селекции и

отбора, а также новейшие достижения клеточной и генетической инжене-

рии. Подавляющее число токсических загрязнителей атмосферы может

быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно

применение смешанных культур, имеющих больший каталитический по-

тенциал и, следовательно, деструктурирующую способность. Для разру-

шения трудно утилизируемых соединений в ряде случаев микроорганиз-

мы целесообразно адаптировать к таким субстратам и только после этого

вводить их в рабочее тело действующих установок.

Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок:

биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем (табл. 7.3).

Принципиальная схема для биологической очистки воздуха была пред-

ложена в 1940 г. Прюссом. Первый биофильтр в Европе был построен в

ФРГ совсем недавно – в 1980 г. Спустя три года, в 1984 г. только в ФРГ

функционировало и находилось в стадии запуска около 240 установок. Ос-

новным элементом биофильтра для очистки воздуха, как и водоочистного

биофильтра, является фильтрующий слой, который сорбирует токсические

вещества из воздуха. Далее эти вещества в растворенном виде диффунди-

руют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции.

229

В качестве носителя для фильтрующего слоя используют природные

материалы – компост, торф и др. Эти материалы содержат в своем составе

различные минеральные соли и вещества, необходимые для развития мик-

роорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят каких-либо минеральных

добавок. Воздух, подлежащий очистке, подается вентилятором в систему,

проходит через фильтрующий слой в любом направлении, снизу – вверх

или – наоборот. При этом воздух должен проходить через всю массу

фильтрующего слоя равномерно. Поэтому требуется однородность слоя и

определенная степень влажности. Оптимальная для очистки воздуха влаж-

ность фильтрующего слоя составляет 40–60 % от веса материала носите-

ля. При недостаточной влажности материала фильтрующего слоя в нем

образуются трещины, материал пересыхает. Это затрудняет прохождение

воздуха и снижает физиологическую активность микроорганизмов. Ув-

лажнение материала обеспечивается распылением воды на поверхности

фильтрующего слоя. При избыточной влажности в толще слоя происходит

образование анаэробных зон с высоким аэродинамическим сопротивлени-

ем. В результате снижается время контакта потока воздуха с поглотителем

и падает эффективность очистки. В толще фильтрующей массы не должно

образовываться более плотных зон или комков материала, что возможно

при использовании компоста, так как при этом снижается удельная пло-

щадь поверхности фильтрующего слоя. В материале не должно возникать

температурных градиентов, а также не должно происходить резких изме-

Т а б л и ц а 7 .3 .

Классификация установок биологической очистки воздуха

(по И. Б. Уткину и др., 1989).

Тип установки Рабочее тело Водный

режим

Основная стадия

удаления примесей из

воздуха

Источник

минеральных

солей

Биофильтр Фильтрующий слой –

иммобилизованные на

природных носителях

микробные клетки

Циркуляция

воды отсутст-

вует

1. Десорбция

материалом

фильтрующего слоя.

2. Деструкция

микробными

клетками.

Материал

фильтрующего

слоя

Биоскруббер Вода, активный ил Циркуляция

воды

1. Абсорбция в

абсорбере водой.

2. Деструкция

в аэротенке

активным илом.

Минеральные

соли вносят в

воду

Биореактор с

омываемым

слоем

Иммобилизованные

на искусственных

носителях микробные

клетки

Циркуляция

воды

1. Диффузия через

водную пленку к

микроорганизмам.

2. Деструкция в

биологическом слое.

Минеральные

соли вносят в

воду

230

нений рН среды. Поэтому температурный режим в биофильтре поддержи-

вается постоянным. Для этого воздух, подаваемый в биофильтр, подогре-

вается, установка в целом термостатируется.

Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует соблюдать

комплекс мер, важнейшими из которых являются следующие. Воздух,

подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в био-

скруббере до относительной влажности в 95–100 %. При заполнении

фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления в

материал добавляют гранулы (диаметром 3–10 мм) из синтетических по-

лимерных материалов (полиэтилена, полистирола), а также частицы авто-

покрышек, активированный уголь. Масса добавок составляет от 30 до