stringtranslate.com

Биофильтр

Биофильтрационная насыпь завода по компостированию твердых биоотходов - обратите внимание, что разбрызгиватель виден спереди справа для поддержания необходимого уровня влажности для оптимального функционирования

Биофильтрация — это метод контроля загрязнения , использующий биореактор, содержащий живой материал, для захвата и биологического разложения загрязняющих веществ. Распространенные области применения включают обработку сточных вод , захват вредных химикатов или ила из поверхностного стока и микробиотическое 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 в себя:

Контроль загрязнения воздуха

При применении для фильтрации и очистки воздуха биофильтры используют микроорганизмы для удаления загрязнений из воздуха . [1] Воздух проходит через уплотненный слой, и загрязняющее вещество переходит в тонкую биопленку на поверхности упаковочного материала. Микроорганизмы , включая бактерии и грибки, иммобилизуются в биопленке и разлагают загрязняющее вещество. Капельные фильтры и биоскрубберы полагаются на биопленку и бактериальное действие в их рециркуляционных водах.

Технология находит наибольшее применение в обработке зловонных соединений и летучих органических соединений (ЛОС). Отрасли, использующие эту технологию, включают пищевые и животноводческие продукты, отходящие газы от 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 смешанные ЛОС и различные соединения серы , включая сероводород . Можно обрабатывать очень большие потоки воздуха, и хотя обычно требуется большая площадь (занимаемая площадь) — большой биофильтр (>200 000 акров в минуту ) может занимать столько же или больше земли, чем футбольное поле — это было одним из главных недостатков технологии. С начала 1990-х годов спроектированные биофильтры обеспечили значительное сокращение занимаемой площади по сравнению с обычными плоскими органическими фильтрами.

Система циркуляции воздуха на заводе по компостированию биоотходов. Большой воздуховод на переднем плане — это отработанный воздух в биофильтр, показанный на предыдущей фотографии

Одной из основных проблем оптимальной работы биофильтра является поддержание надлежащей влажности во всей системе. Воздух обычно увлажняется перед тем, как поступает в слой с помощью системы полива (распыления), камеры увлажнения, биоскруббера или биокапельного фильтра. При правильном обслуживании натуральная органическая упаковочная среда, такая как торф, растительная мульча, кора или древесная щепа, может прослужить несколько лет, но разработанные, комбинированные натуральные органические и синтетические компоненты упаковочных материалов, как правило, прослужат гораздо дольше, до 10 лет. Несколько компаний предлагают эти типы фирменных упаковочных материалов и многолетние гарантии, которые обычно не предоставляются для обычного компоста или биофильтра с древесной щепой.

Несмотря на широкое применение, научное сообщество все еще не уверено в физических явлениях, лежащих в основе работы биофильтра, и информация о задействованных микроорганизмах продолжает разрабатываться. [2] Система биофильтра/биоокисления является довольно простым в изготовлении и эксплуатации устройством 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), при разумных концентрациях (и скорости загрузки фунт/час) и что воздушный поток имеет жизнеспособную для организма температуру. Для больших объемов воздуха биофильтр может быть единственным экономически эффективным решением. Вторичного загрязнения не происходит (в отличие от случая сжигания, когда при сжигании топлива образуются дополнительные CO 2 и NO x ), а продукты распада образуют дополнительную биомассу, углекислый газ и воду. Вода для орошения среды, хотя многие системы перерабатывают часть ее 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 биологического окисления, обычно принимается муниципальными очистными сооружениями без какой-либо предварительной очистки.

Биофильтры используются в Колумбия-Фолс, штат Монтана, на заводе по производству древесноволокнистых плит компании Plum Creek Timber Company . [3] Биофильтры уменьшают загрязнение, выделяемое в процессе производства, а выхлопные газы на 98% чистые. Новейшее и самое большое дополнение к биофильтру в Plum Creek обошлось в 9,5 миллионов долларов, но, несмотря на то, что эта новая технология является дорогостоящей, в долгосрочной перспективе она обойдется дешевле, чем альтернативные мусоросжигательные заводы с очисткой выхлопных газов, работающие на природном газе (которые не так экологичны).

Очистка воды

Типичная полная система капельного фильтра для очистки сточных вод. [4]
Рисунок 1: Схематическое поперечное сечение контактной поверхности фильтрующего 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 применяется для очистки различных типов воды. [5] Биологическая очистка использовалась 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 распространена в очистке сточных вод , аквакультуре и переработке серых вод как способ минимизировать замену воды при одновременном повышении качества воды .

Процесс биофильтрации

Биофильтр представляет собой 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 образуется сообществом различных микроорганизмов ( бактерий , грибков , дрожжей и т. д.), макроорганизмов ( простейших , червей, личинок насекомых и т. д.) и внеклеточных полимерных веществ (ВПС) (Флемминг и Вингендер, 2010). Воздух или вода протекают через слой среды, и любые взвешенные соединения переносятся в поверхностную биопленку, где микроорганизмы удерживаются для разложения загрязняющих веществ . Внешний вид биопленки [6] обычно слизистый и грязный.

Вода, подлежащая очистке, может подаваться через среду периодически или непрерывно, через восходящий или нисходящий поток. Обычно биофильтр имеет две или три фазы в зависимости от стратегии подачи (фильтрующий или погруженный биофильтр):

Органические вещества и другие компоненты воды диффундируют в биопленку, где происходит обработка, в основном путем биодеградации . Процессы биофильтрации обычно являются аэробными , что означает, что микроорганизмам для их метаболизма требуется кислород. Кислород может подаваться в биопленку, как одновременно, так и противоточно с потоком воды. Аэрация происходит пассивно за счет естественного потока воздуха через процесс (трехфазный биофильтр) или принудительного воздуха, подаваемого воздуходувками.

Активность микроорганизмов является ключевым фактором производительности процесса. Основными влияющими факторами являются состав воды, гидравлическая нагрузка биофильтра, тип наполнителя, стратегия подачи (фильтрация или погружение), возраст биопленки, температура, аэрация и т. д.

Механизмы, посредством которых определенные микроорганизмы могут прикрепляться и колонизировать поверхность фильтрующего материала биофильтра, могут быть через транспортировку, начальную адгезию, прочное прикрепление и колонизацию [Van Loosdrecht et al., 1990]. Транспортировка микроорганизмов к поверхности фильтрующего материала далее контролируется четырьмя основными процессами: диффузией (броуновское движение), конвекцией, седиментацией и активной подвижностью микроорганизмов. Общий процесс фильтрации состоит из прикрепления микроорганизмов, использования субстрата, которое вызывает рост биомассы, и отсоединения биомассы. [5]

Типы фильтрующих материалов

В большинстве биофильтров в качестве наполнителя используются песок, щебень, речной гравий или какой-либо вид пластикового или керамического материала в форме небольших шариков и колец. [7]

Преимущества

Хотя биологические фильтры имеют простые поверхностные структуры, их внутренняя гидродинамика, а также биология и экология микроорганизмов сложны и изменчивы. [8] Эти характеристики придают процессу надежность. Другими словами, процесс способен поддерживать 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 являются оптимальными для ее роста. Процессы биофильтрации предлагают следующие преимущества: (Rittmann et al., 1988):

Недостатки

Поскольку фильтрация и рост биомассы приводят к накоплению вещества в фильтрующей среде, этот тип процесса с фиксированной пленкой подвержен биозасорению и канализации потока. В зависимости от типа применения и среды, используемой для роста микроорганизмов, 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 могут использоваться такие химикаты, как окислители ( перекись , озон ) или биоцидные агенты.

Биофильтрация может потребовать большой площади для некоторых методов очистки (процессы с приостановкой роста и прикрепленным ростом), а также длительного времени гидравлического удержания (анаэробная лагуна и анаэробный реактор с перегородками). [11]

Питьевая вода

Для питьевой воды биологическая очистка воды подразумевает использование естественных микроорганизмов в поверхностных водах для улучшения качества воды. При оптимальных условиях, включая относительно низкую мутность и высокое содержание кислорода, организмы расщепляют материал в воде и, таким образом, улучшают качество воды. Медленные песчаные фильтры или угольные фильтры используются для обеспечения поддержки, на которой растут эти микроорганизмы. Эти системы биологической очистки эффективно снижают заболевания, передающиеся через воду, растворенный органический углерод, мутность и цветность в поверхностных водах, тем самым улучшая общее качество воды.

Обычно при очистке питьевой воды; гранулированный активированный уголь или песчаные фильтры используются для предотвращения повторного роста микроорганизмов в водопроводных трубах за счет снижения уровней железа и нитрата, которые действуют как микробное питательное вещество. 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, это предотвращает использование этих источников нежелательными бактериями, что может уменьшить запахи и привкусы воды [Bouwer, 1998]. Эти системы биологической очистки эффективно снижают заболевания, передающиеся через воду, растворенный органический углерод, мутность и цветность поверхностных вод, тем самым улучшая общее качество воды.

Биотехнологические методы могут быть использованы для улучшения биофильтрации питьевой воды путем изучения микробных сообществ в воде. Такие методы включают в себя qPCR (количественная полимеразная цепная реакция), анализ АТФ, метагеномику и проточную цитометрию. [12]

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. Были разработаны и запущены в коммерческое производство заказные биофильтры для очистки отходов животных , [13] сточных вод свалок , [14] молочных сточных вод, [15] бытовых сточных вод . [16]

Этот процесс универсален, поскольку его можно адаптировать к небольшим потокам (< 1 м3/день), таким как локальные сточные воды [17] , а также к потокам, генерируемым муниципалитетом (> 240 000 м3/день). [18] Для децентрализованного производства бытовых сточных вод, например, для изолированных жилищ, было продемонстрировано, что существуют важные суточные, еженедельные и годовые колебания гидравлических и органических показателей производства, связанные с образом жизни современных семей. [19] В этом контексте биофильтр, расположенный после септика, представляет собой надежный процесс, способный поддерживать наблюдаемую изменчивость без ущерба для эффективности очистки.

В анаэробных очистных сооружениях биогаз подается через биоскруббер и «очищается» жидким активированным илом из аэротенка. [20] Наиболее часто при очистке сточных вод встречается процесс капельной фильтрации (TF) [Chaudhary, 2003]. Капельные фильтры представляют собой аэробную очистку, которая использует микроорганизмы на прикрепленной среде для удаления органических веществ из сточных вод.

В первичной очистке сточных вод биофильтрация используется для контроля уровня биохимического кислорода, потребности, химической потребности в кислороде и взвешенных твердых частиц. В третичных процессах 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 (RAS). Методы биофильтрации, используемые в аквакультуре, можно разделить на три категории: биологические, физические и химические. Основным биологическим методом является нитрификация, физические методы включают механические методы и седиментацию, а химические методы обычно используются в тандеме с одним из других методов. [21] Некоторые фермы используют морские водоросли, например, из рода Ulva, для извлечения из воды избытка питательных веществ и высвобождения кислорода в экосистему в «рециркуляционной системе», а также служат источником дохода, когда они продают морские водоросли для безопасного потребления человеком. [22]

Используется множество конструкций с различными преимуществами и недостатками, однако функция одна и та же: сокращение водообмена путем преобразования аммиака в нитрат . Аммиак (NH 4 + и NH 3 ) образуется в результате брахиальных выделений из жабр водных животных и при разложении органических веществ. Поскольку аммиак-N очень токсичен, он преобразуется в менее токсичную форму нитрита ( Nitrosomonas sp.), а затем в еще менее токсичную форму нитрата ( Nitrobacter sp.). Этот процесс «нитрификации» требует кислорода (аэробные условия), без которого биофильтр может выйти из строя. Кроме того, поскольку этот цикл нитрификации производит H + , pH может снизиться, что требует использования буферов, таких как известь .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Джозеф С. Девинни; Марк А. Дешуссес и Тодд С. Вебстер (1999). Биофильтрация для контроля загрязнения воздуха . Lewis Publishers. ISBN 978-1-56670-289-8.
  2. ^ Cruz-García, Blanca; Geronimo-Meza, Andrea Selene; Martínez-Lievana, Concepción; Arriaga, Sonia ; Huante-González, Yolanda; Aizpuru, Aitor (2019). «Биофильтрация паров метанола высокой концентрации: эффективность удаления, баланс углерода и популяции микроорганизмов и мух». Journal of Chemical Technology & Biotechnology . 94 (6): 1925–1936. Bibcode : 2019JCTB...94.1925C. doi : 10.1002/jctb.5974. ISSN  0268-2575. S2CID  104375950.
  3. ^ Линч, Керианн (2008-10-26). «Ферма насекомых» — глоток свежего воздуха». Обзор пресс-секретаря .
  4. ^ Бейчок, Милтон Р. (1967). Водные отходы нефтяных и нефтехимических заводов (1-е изд.). John Wiley & Sons Ltd. LCCN  67019834.
  5. ^ аб Чаудхари, Дургананда Сингх; Винешваран, 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.
  6. ^ HC Flemming & J. Wingender (2010). «Биопленочная матрица». Nature Reviews Microbiology . 8 (9): 623–633. doi :10.1038/nrmicro2415. PMID  20676145. S2CID  28850938.
  7. ^ Эбелинг, Джеймс. "Обзор конструкции биофильтрации-нитрификации" (PDF) . Получено 25 ноября 2018 г.
  8. ^ CR Curds & HA Hawkes (1983). Экологические аспекты очистки использованной воды. Процессы и их экология, том 3. ISBN 9780121995027.
  9. ^ PW Westerman; JR Bicudo & A. Kantardjieff (1998). Аэробная очистка биофильтром с фиксированной средой смытого свиного навоза. Ежегодная международная встреча ASAE — Флорида. Архивировано из оригинала 2013-10-17 . Получено 2013-06-19 .
  10. ^ H. Odegaard (2006). «Инновации в очистке сточных вод: процесс биопленки с подвижным слоем». Water Science and Technology . 53 (9): 17–33. doi :10.2166/wst.2006.284. PMID  16841724. Архивировано из оригинала 2013-10-18 . Получено 2013-06-19 .
  11. ^ Али Муса, Мохаммед; Идрус, Сиазвани (2021). «Физические и биологические технологии очистки сточных вод скотобоен: обзор». Устойчивость . 13 (9): 4656. doi : 10.3390/su13094656 .
  12. ^ Кириситс, Мэри Джо; Эмелько, Моника Б.; Пинто, Амит Дж. (июнь 2019 г.). «Применение биотехнологии для биофильтрации питьевой воды: развитие науки и практики». Current Opinion in Biotechnology . 57 : 197–204. doi : 10.1016/j.copbio.2019.05.009 . PMID  31207464.
  13. ^ G. Buelna, R. Dubé & N. Turgeon (2008). «Обработка свиного навоза биофильтрацией в органическом слое». Опреснение . 231 (1–3): 297–304. Bibcode : 2008Desal.231..297B. doi : 10.1016/j.desal.2007.11.049.
  14. ^ M. Heavey (2003). «Малозатратная очистка фильтрата свалок с использованием торфа». Waste Management . 23 (5): 447–454. Bibcode : 2003WaMan..23..447H. doi : 10.1016/S0956-053X(03)00064-3. PMID  12893018.
  15. ^ MG Healy; M. Rodgers & J. Mulqueen (2007). «Очистка сточных вод молочных предприятий с использованием сконструированных водно-болотных угодий и прерывистых песчаных фильтров». Bioresource Technology . 98 (12): 2268–2281. Bibcode : 2007BiTec..98.2268H. doi : 10.1016/j.biortech.2006.07.036. hdl : 10379/2567 . PMID  16973357.
  16. ^ Jowett, E. Craig; McMaster, Michaye L. (январь 1995 г.). «Очистка сточных вод на месте с использованием ненасыщенных абсорбирующих биофильтров». Журнал качества окружающей среды . 24 (1): 86–95. Bibcode : 1995JEnvQ..24...86J. doi : 10.2134/jeq1995.00472425002400010012x.
  17. ^ Talbot P, Bélanger G, Pelletier M, Laliberté G, Arcand Y (1996). «Разработка биофильтра с использованием органической среды для очистки сточных вод на месте». Water Science and Technology . 34 (3–4). doi :10.1016/0273-1223(96)00609-9.
  18. ^ Y. Bihan & P. ​​Lessard (2000). «Использование ферментных тестов для мониторинга активности биомассы капельного биофильтра, очищающего бытовые сточные воды». Журнал химической технологии и биотехнологии . 75 (11): 1031–1039. Bibcode :2000JCTB...75.1031B. doi :10.1002/1097-4660(200011)75:11<1031::AID-JCTB312>3.0.CO;2-A.
  19. ^ R. Lacasse (2009). Эффективность технологий очистки бытовых сточных вод в контексте новых ограничений, налагаемых изменениями образа жизни в североамериканских семьях (PDF) . NOWRA - 18-я ежегодная конференция и выставка технического образования в Милуоки. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-10-18 . Получено 2013-06-19 .
  20. ^ «Удаление сероводорода из анаэробного биогаза с использованием биоскруббера». Water Science and Technology . 36 (6–7). 1997. doi :10.1016/S0273-1223(97)00542-8.
  21. ^ Краб, Розелин; Авнимелех, Йорам; Дефойрдт, Том; Боссьер, Питер; Верстраете, Вилли (сентябрь 2007 г.). «Методы удаления азота в аквакультуре для устойчивого производства» (PDF) . Аквакультура . 270 (1–4): 1–14. Bibcode : 2007Aquac.270....1C. doi : 10.1016/j.aquaculture.2007.05.006.
  22. ^ Neori, Amir; Chopin, Thierry; Troell, Max; Buschmann, Alejandro H.; Kraemer, George P.; Halling, Christina; Shpigel, Muki; Yarish, Charles (март 2004 г.). «Интегрированная аквакультура: обоснование, эволюция и современное состояние с упором на биофильтрацию морских водорослей в современной марикультуре». Aquaculture . 231 (1–4): 361–391. Bibcode :2004Aquac.231..361N. doi :10.1016/j.aquaculture.2003.11.015.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки