Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Насыпь биофильтра завода по производству биологических твердых веществ - обратите внимание на спринклер, видимый спереди справа, чтобы поддерживать надлежащий уровень влажности для оптимального функционирования

Биофильтрация - это метод борьбы с загрязнением с использованием биореактора, содержащего живой материал, для улавливания и биологического разложения загрязнителей. Обычно используются для обработки сточных вод , улавливания вредных химикатов или ила с поверхностных стоков и микробиотического окисления загрязняющих веществ в воздухе.

Примеры биофильтрации [ править ]

Примеры биофильтрации включают:

Контроль загрязнения воздуха [ править ]

Применительно к фильтрации и очистке воздуха биофильтры используют микроорганизмы для удаления загрязнений воздуха . [1] Воздух проходит через уплотненный слой, и загрязнитель превращается в тонкую биопленку на поверхности упаковочного материала. Микроорганизмы , в том числе бактерии и грибки , иммобилизуются в биопленке и разлагают загрязнитель. Капельные фильтры и биоскрубберы полагаются на биопленку и действие бактерий в рециркуляционной воде.

Эта технология находит наибольшее применение при обработке соединений с неприятным запахом и водорастворимых летучих органических соединений (ЛОС). Отрасли, использующие эту технологию, включают продукты питания и продукты животного происхождения, отходящие газы с очистных сооружений, фармацевтику , производство изделий из дерева, нанесение и производство красок и покрытий, производство и применение смол и т. Д. Обрабатываемые соединения обычно представляют собой смешанные ЛОС и различные соединения серы , включая сероводород . Можно обрабатывать очень большие воздушные потоки, и хотя обычно требуется большая площадь (площадь основания) - большой биофильтр (> 200 000 акфутов в минуту) может занимать столько же или больше земли, чем футбольное поле - это один из основных недостатков технологии. Спроектированные биофильтры, спроектированные и изготовленные с начала 1990-х годов, обеспечили значительное сокращение занимаемой площади по сравнению с обычными плоскими органическими средами.

Система воздушного цикла на установке компостирования твердых биологических веществ. Большой канал на переднем плане - это выход воздуха в биофильтр, показанный на предыдущем фото.

Одной из основных проблем для оптимальной работы биофильтра является поддержание надлежащей влажности во всей системе. Воздух обычно увлажняется перед попаданием в слой с помощью системы полива (орошения), камеры увлажнения, биоскруббера или биотермического фильтра. При надлежащем уходе натуральные органические упаковочные материалы, такие как торф, овощная мульча, кора или древесная щепа, могут служить несколько лет, но сконструированные, комбинированные натуральные органические и синтетические упаковочные материалы, как правило, служат намного дольше, до 10 лет. Ряд компаний предлагают эти типы или запатентованные упаковочные материалы и многолетние гарантии, которые обычно не предоставляются с обычными биофильтрами для компоста или древесной стружки.

Несмотря на широкое применение, научное сообщество все еще не уверено в физических явлениях, лежащих в основе работы биофильтров, и информация о задействованных микроорганизмах продолжает собираться. Система биофильтра / биоокисления представляет собой довольно простое устройство для создания и эксплуатации и предлагает рентабельное решение при условии, что загрязнитель является биоразлагаемым в умеренные сроки (увеличение времени пребывания = увеличенный размер и капитальные затраты) при разумных концентрациях (и фунт / час) и что воздушный поток имеет приемлемую для организма температуру. При больших объемах воздуха биофильтр может быть единственным рентабельным решением. Вторичного загрязнения не происходит (в отличие от сжигания, когда дополнительные CO 2 и NO xобразуются при сжигании топлива), а продукты разложения образуют дополнительную биомассу, двуокись углерода и воду. Вода для орошения сред, хотя многие системы рециркулируют ее часть для снижения эксплуатационных расходов, имеет умеренно высокую биохимическую потребность в кислороде (БПК) и может потребовать обработки 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 Колумбийском водопаде, штат Монтана, на заводе по производству древесноволокнистых плит Plum Creek Timber Company . [2] Биофильтры уменьшают загрязнение, выбрасываемое в процессе производства, а выхлопные газы чисты на 98%. Самый новый и самый крупный биофильтр для Plum Creek стоил 9,5 миллионов долларов, но, несмотря на то, что эта новая технология стоит дорого, в долгосрочной перспективе она будет стоить меньше сверхурочных, чем альтернативные мусоросжигательные установки с очисткой выхлопных газов, работающие на природном газе (которые не так экологически безопасны). дружелюбный).

Очистка воды [ править ]

Типичная полная система капельного фильтра для очистки сточных вод. [3]
Изображение 1: схематический поперечный разрез контактной поверхности слоя среды в капельном фильтре.

Биофильтрация была впервые применена в Англии в 1893 году как капельный фильтр для очистки сточных вод и с тех пор успешно используется для очистки различных типов воды. [4] Биологическая очистка использовалась в Европе для фильтрации поверхностных вод в питьевых целях 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 серой воду рециркуляции, как способ минимизации замены воды при одновременном повышении качества воды .

Процесс биофильтрации [ править ]

Биофильтр - это слой среды, на котором микроорганизмы прикрепляются и растут, образуя биологический слой, называемый биопленкой . Поэтому биофильтрацию обычно называют процессом с фиксированной пленкой. Как правило, биопленка образована сообществом различных микроорганизмов ( бактерий , грибов , дрожжей и т. Д.), Макроорганизмов ( простейшие , черви, личинки насекомых и т. Д.) И внеклеточных полимерных веществ (EPS) (Flemming and Wingender, 2010 ). Внешний вид биопленки [5] обычно слизистый и мутный.

Обрабатываемая вода может подаваться периодически или непрерывно через среду восходящим или нисходящим потоком. Как правило, биофильтр имеет две или три фазы, в зависимости от стратегии кормления (перколяционный или погружной биофильтр):

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

Органические вещества и другие компоненты воды диффундируют в биопленку, где происходит обработка, в основном за счет биодеградации . Процессы биофильтрации обычно носят аэробный характер , что означает, что микроорганизмы нуждаются в кислороде для своего метаболизма. Кислород может подаваться в биопленку одновременно или противотоком с потоком воды. Аэрация происходит пассивно за счет естественного потока воздуха через технологический процесс (трехфазный биофильтр) или за счет принудительной подачи воздуха вентиляторами.

Активность микроорганизмов - ключевой фактор эффективности процесса. Основными влияющими факторами являются состав воды, гидравлическая нагрузка на биофильтр, тип среды, стратегия подачи (перколяционная или погруженная среда), возраст биопленки, температура, аэрация и т. Д.

Типы фильтрующих материалов [ править ]

В большинстве биофильтров используются такие среды, как песок, щебень, речной гравий или какой-либо пластик или керамический материал в форме маленьких шариков и колец. [6]

Преимущества [ править ]

Хотя биологические фильтры имеют простые поверхностные структуры, их внутренняя гидродинамика, а также биология и экология микроорганизмов сложны и изменчивы. [7] Эти характеристики придают процессу надежность. Другими словами, процесс может поддерживать свою производительность или быстро возвращаться к исходным уровням после периода отсутствия потока, интенсивного использования, токсичных шоков, обратной промывки среды (процессы высокоскоростной биофильтрации) и т. Д.

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

  • Поскольку микроорганизмы задерживаются в биопленке, биофильтрация позволяет развиваться микроорганизмам с относительно низкими удельными темпами роста;
  • Биофильтры меньше подвержены переменной или периодической нагрузке и гидравлическим ударам ; [8]
  • Эксплуатационные расходы обычно ниже, чем при использовании активного ила ;
  • На результат окончательной обработки меньше влияет разделение биомассы, поскольку концентрация биомассы в сточных водах намного ниже, чем в процессах с взвешенной биомассой;
  • Присоединенная биомасса становится более специализированной (более высокая концентрация соответствующих организмов) в данной точке технологической цепочки, поскольку нет возврата биомассы . [9]


Недостатки [ править ]

Поскольку фильтрация и рост биомассы приводит к накоплению вещества в фильтрующей среде, этот тип процесса с фиксированной пленкой подвержен биоблокированию и формированию каналов. В зависимости от типа применения и среды, используемой для роста микробов, биоблокировку можно контролировать с помощью физических и / или химических методов. По возможности, можно проводить операции обратной промывки с использованием воздуха и / или воды, чтобы разрушить биомат и восстановить поток. Также можно использовать такие химические вещества, как окислители ( перекись , озон ) или биоцидные агенты.

Питьевая вода [ править ]

Что касается питьевой воды, то биологическая очистка воды предполагает использование естественных микроорганизмов в поверхностных водах для улучшения качества воды. В оптимальных условиях, включая относительно низкую мутность и высокое содержание кислорода, организмы расщепляют материал в воде и, таким образом, улучшают качество воды. Медленные песочные фильтры или угольные фильтры используются для поддержки роста этих микроорганизмов. Эти системы биологической очистки эффективно снижают количество передаваемых через воду заболеваний, растворенного органического углерода, мутности и цвета поверхностных вод, тем самым улучшая общее качество воды.

Сточные воды [ править ]

Биофильтрация используется для очистки сточных вод из широкого спектра источников с различным органическим составом и концентрацией. Многие примеры применения биофильтрации описаны в литературе. Беспоке биофильтров были разработаны и коммерциализации для обработки отходов животных , [10] мусорных щелочами , [11] молочных сточных вод , [12] бытовые сточные воды . [13]

Этот процесс универсален, так как его можно адаптировать к небольшим потокам (<1 м3 / сут), таким как сточные воды на объекте [14], а также к потокам, создаваемым муниципалитетом (> 240 000 м3 / сут). [15] Для децентрализованного производства бытовых сточных вод, например, для изолированных жилищ, было продемонстрировано, что существуют важные ежедневные, еженедельные и годовые колебания скорости гидравлического и органического производства, связанные с образом жизни современных семей. [16] В этом контексте биофильтр, расположенный после септика, представляет собой надежный процесс, способный поддерживать наблюдаемую изменчивость без ущерба для эффективности очистки.

Использование в аквакультуре [ править ]

Использование биофильтров распространено в закрытых системах аквакультуры , таких как системы рециркуляции аквакультуры (RAS). Используются многие конструкции с различными преимуществами и недостатками, однако функция остается той же: уменьшение водообмена путем преобразования аммиака в нитрат . Аммиак (NH 4 + и NH 3 ) образуется в результате выделения через плечо из жабр водных животных и при разложении органических веществ. Поскольку аммиак-N очень токсичен, он превращается в менее токсичную форму нитрита ( Nitrosomonassp.), а затем к еще менее токсичной форме нитрата ( Nitrobacter sp.). Для этого процесса «нитрификации» требуется кислород (аэробные условия), без которого биофильтр может выйти из строя. Кроме того, поскольку этот цикл нитрификации производит H + , pH может снижаться, что требует использования буферов, таких как известь .

См. Также [ править ]

  • Биоудержание
  • Народная стена
  • Медиа фильтр
  • Вермифильтр

Ссылки [ править ]

  1. ^ Джозеф С. Devinny, Марк А. Deshusses и Тодд С. Уэбстер (1999). Биофильтрация для контроля загрязнения воздуха . Lewis Publishers. ISBN 978-1-56670-289-8.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  2. ^ Линч, Керианн (2008-10-26). « „ Ошибка ферма“глоток свежего воздуха» . Обзор пресс-секретаря .
  3. ^ Бейчок, Милтон Р. (1967). Водные отходы нефтяных и нефтехимических заводов (1-е изд.). Компания John Wiley & Sons Ltd. LCCN 67019834 . 
  4. ^ DS Чаудхари, С. Vigneswara, Х.-Х. Нго, В. Г. Шим и Х. Мун (2003). Биофильтр для очистки воды и сточных вод (PDF) . Корейский журнал химического машиностроения, том 20, №6. Архивировано из оригинального (PDF) 13 мая 2014 года . Проверено 18 июня 2013 . CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  5. ^ HC Флемминг & J. Wingender (2010). «Матрица биопленки». Обзоры природы микробиологии . 8 (9): 623–633. DOI : 10.1038 / nrmicro2415 . PMID 20676145 . 
  6. ^ Эбелинг, Джеймс. «Обзор проекта биофильтрации-нитрификации» (PDF) . Проверено 25 ноября 2018 года .
  7. ^ CR Творог & HA Hawkes (1983). Экологические аспекты очистки отработанной воды . Процессы и их экология Том 3. ISBN 9780121995027.
  8. ^ PW Вестерман; Дж. Р. Бикудо и А. Кантарджиев (1998). Обработка смыва свиного навоза аэробным биофильтром с фиксированной средой . Ежегодное международное собрание ASAE - Флорида.
  9. ^ H. Odegaard (2006). Инновации в очистке сточных вод: процесс создания биопленки с подвижным слоем . Технологии науки о воде. Архивировано из оригинала на 2013-10-18 . Проверено 19 июня 2013 .
  10. ^ Г. Buelna, Р. Dubé и Н. Turgeon (2008). «Обработка свиного навоза органической биофильтрацией». Опреснение . 231 (1–3): 297–304. DOI : 10.1016 / j.desal.2007.11.049 .
  11. ^ М. Heavey (2003). «Недорогая очистка фильтрата свалок торфом». Управление отходами . 23 (5): 447–454. DOI : 10.1016 / S0956-053X (03) 00064-3 . PMID 12893018 . 
  12. ^ MG Хили; М. Роджерс и Дж. Малкуин (2007). «Очистка сточных вод молочных предприятий с использованием построенных заболоченных территорий и периодических песочных фильтров». Биоресурсные технологии . 98 (12): 2268–2281. DOI : 10.1016 / j.biortech.2006.07.036 . hdl : 10379/2567 . PMID 16973357 . 
  13. ^ EC Jowett & ML МакМастер (1995). Очистка сточных вод на объекте с использованием биофильтров с ненасыщенными абсорбентами . Журнал качества окружающей среды.
  14. ↑ П. Талбот, Г. Беланже, М. Пеллетье, Г. Лалиберте и Я. Аркан (1996). «Разработка биофильтра с использованием органической среды для очистки сточных вод на месте». Водные науки и технологии . 34 (3–4). DOI : 10.1016 / 0273-1223 (96) 00609-9 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  15. ^ Y. Bihan & P. Lessard (2000). «Использование ферментных тестов для контроля активности биомассы капельного биофильтра для очистки бытовых сточных вод». Журнал химической технологии и биотехнологии . 75 (11): 1031–1039. DOI : 10.1002 / 1097-4660 (200011) 75:11 <1031 :: АИД-JCTB312> 3.0.CO; 2-А .
  16. ^ Р. Лакасс (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 по техническому образованию в Милуоки.

Внешние ссылки [ править ]

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