Автор: А.А. Долгов, М.Г. Беренгартен (Московский политехнический университет).

Опубликовано в журнале Химическая техника №1/2017

Одним из перспективных направлений очистки газового потока промышленных предприятий является очистка в биофильтрах. С технической точки зрения биофильтрация – это технология или одна из ступеней очистки.

Биологическая очистка предполагает деградацию органической составляющей микроорганизмами (бактериями и простейшими) [1].

Создавая оптимальные условия для роста микроорганизмов в надлежащим образом спроектированных инженерных системах, скорость процессов обработки отходов можно значительно увеличить, что облегчает решение многих проблем природоохранной биотехнологии.

Одно из наиболее перспективных направлений улучшения работоспособности и степени очистки в биофильтрах включает подбор наиболее приемлемых поверхностей для жизнедеятельности микроорганизмов, подбор микроорганизмов, а также определение характеристик работы насадок [2].

В настоящее время к насадкам для биофильтров (рис. 1) стали предъявлять определенные требования и в связи с этим осуществлять их тщательное изучение.

Рис. 1. Насадки для биофильтров: 1 – насадка из пенополиуретана; 2 – полимерные шарики с винтовыми лопастями; 3 – пластиковая миникольцевая насадка; 4 – уголь активированный; 5 – керамические шарики; 6 – сетчатая насадка из полиэстера; 7 – синтетическая насадка PRD Tech; 8 – сетчатая насадка NOMEXTM; 9 – смесь компоста и пластиковых седлообразных насадок; 10 – древесная щепа; 11 – торф; 12 – смесь веток и листьев
Рис. 1. Насадки для биофильтров:
1 – насадка из пенополиуретана; 2 – полимерные шарики
с винтовыми лопастями; 3 – пластиковая миникольцевая
насадка; 4 – уголь активированный; 5 – керамические
шарики; 6 – сетчатая насадка из полиэстера;
7 – синтетическая насадка PRD Tech; 8 – сетчатая насадка
NOMEXTM; 9 – смесь компоста и пластиковых
седлообразных насадок; 10 – древесная щепа;
11 – торф; 12 – смесь веток и листьев

В литературных источниках предлагается разделять насадки для биофильтров по очистке газа на две группы: насадки природного происхождения (натуральные) и искусственного. Более расширенная классификация предлагается на основании природы происхождения насадки и наличию в насадке собственной микрофлоры и/или питательных веществ (углерод, азот, фосфор, микроэлементы и т.п.), называемых биоактивностью насадки.

В рамках этой классификации предлагаются следующие группы:

  • природные насадки, обладающие собственной биоактивностью: стружка, щепки деревьев, почва, торф, кокосовые волокна и т.п.;
  • природные насадки с утраченной собственной биоактивностью: галька, вулканический камень и т.п.;
  • искусственные насадки, обогащенные элементами питания: полимерные насадки, инокулированные микроорганизмами и питательными веществами для них;
  • биологически инертные искусственные (синтетические) насадки: полимерные насадки без инокуляции микроорганизмов и добавления питательных веществ.

Авторами работ по биофильтрации выбросов выделяются следующие основные функции насадок для биофильтров:

  • обеспечение иммобилизации клеток активных микроорганизмов в виде биопленки;
  • равномерное распределение газовоздушного потока в пределах площади поперечного сечения слоя насадки с минимальным перепадом давления;
  • равномерное распределение растворенных питательных веществ, подаваемых на поверхность слоя насадки;
  • поддержание влажности, обеспечиваемое удерживающей способностью насадки по отношению к жидкости;
  • предотвращение накопления избыточной биомассы, приводящего к зарастанию насадки;
  • обеспечение контакта между загрязнителями, содержащимися в газовоздушном потоке, и биопленкой.

Для выполнения данных функций к насадкам для биофильтров предъявляются следующие требования:

  • высокая удельная площадь поверхности (более 500 м2/м3);
  • большая доля свободного объема (более 0,8);
  • низкое гидравлическое сопротивление (не более 600 Па/м);
  • отсутствие застойных зон;
  • низкая стоимость единицы объема насадки.
  • материал насадки не должен уплотняться и терять свою форму с увеличением количества биомассы на его поверхности [3].

Для повышения эффективности процесса иммобилизации бактериальных клеток материал поверхности насадки должен быть шероховатым; иметь поверхностный заряд, противоположный заряду клеточной стенки микроорганизмов; быть химически инертным, биологически безопасным (не выделять какие-либо токсичные соединения, мономеры, сополимеры и т.п.); быть стойким против воздействия микроорганизмов [4].

Рис. 2. Структура спроектированного переплетения из полимерных мононитей после термофиксации в разрезе: а – исходная; б – с удлиненными протяжками при сдвиге ушковой гребенки на один шаг; в – со сдвигом на три игольных шага [5]
Рис. 2. Структура спроектированного переплетения
из полимерных мононитей после термофиксации в разрезе:
а – исходная; б – с удлиненными протяжками при сдвиге
ушковой гребенки на один шаг; в – со сдвигом на три
игольных шага [5]
По литературным данным, в промышленных и полупромышленных биофильтрах в странах с мягким климатом в основном используются загрузки природного происхождения (чаще смесь: торф, компост, опилки, галька, почва) с добавлением инертных материалов (зерна силикагеля, куски поролона и т.п.) [5].

Исследователями процесса биофильтрации выделяются также искусственные насадки, состоящие из натуральных (керамика, пористое стекло, перлит и др.) или синтетических (полимеры и т.п.) структурных элементов, в которых в отличие от природных насадок активные клетки микроорганизмов исходно не присутствуют и должны быть инокулированы извне. Искусственные насадки либо вообще не содержат каких-либо минеральных или органических соединений, которые могут быть использованы микроорганизмами в качестве источника питательных веществ (биологически инертные насадки), либо включают специально введенные в них минеральные добавки и органические вытяжки [6].

В настоящее время продолжается поиск эффективных контактных устройств для процесса биофильтрации.

В большом количестве рассматриваются различные загрузки природного происхождения, что связано с их низкой стоимостью и наличием биоактивности. Данные насадки практически невозможно эффективно использовать в условиях климата России. Именно поэтому традиционные биофильтры с органической насадкой не получили распространения в нашей стране. Для внедрения биофильтров на предприятиях России целесообразно использовать компактные установки с синтетической насадкой. Отсюда следует, что актуальным является поиск новых материалов и разработка конструкций насадок, а также анализ существующих насадок из синтетических материалов, отличающихся высокой удельной площадью поверхности (более 500 м2/м3), на которых возможен рост биопленки [7].

В данной работе рассматривается насадка на основе полимерных мононитей. Основные плюсы материала: легкость, низкое гидравлическое сопротивление, высокая удельная поверхность, химическая нейтральность, низкая стоимость. Материал изучался в Санкт-Петербургском государственном университете промышленных технологий и дизайна. Первоначально материал разрабатывали в медицинских целях. Дальнейшие исследования показали, что материалы на основе полимерных мононитей можно использовать в совершенно разных отраслях жизнедеятельности. Легкость и прочность позволяет использовать этот материал в насадочных колоннах, а химическая нейтральность позволяет использовать насадки на основе данного материала в совершенно разных средах [8].

Пример материала для изготовления насадки представлен на рис. 2. Характеристики материала:

  • диаметр мононити – 0,1 мм;
  • линейная плотность мононити – 10,4;
  • петельный шаг – 2,1 мм;
  • высота петельного ряда – 0,7 мм;
  • плотность вязания по вертикали – 152 пет/100 мм;
  • плотность вязания по горизонтали – 48 пет/100 мм;
  • размер ячеек – 0,1…0,7 мм2;
  • поверхностная плотность – 62,3 г/м2;
  • толщина – 0,31 мм;
  • объемная пористость полотен – 87,5% [9].

Для исследования была создана насадка, гидродинамические характеристики которой были изучены на установке, изображенной на рис. 3.

Рис. 3. Схема лабораторной установки
Рис. 3. Схема лабораторной установки

Установка состоит из насадочной колонны 1; воздуходувки 2 (находится вне помещения); измерителя расхода воздуха 3 (диафрагменного типа); расходомера для жидкости 4 (ротаметр); системы воздушных вентилей а и б; дифференциальных манометров 5а и 5б (с электрическим выходом); обслуживающей ЭВМ с дисплеем 6. Воздух через брызгоуловитель 7 удаляется в атмосферу.

Воздух воздуходувкой 2 через измеритель расхода 3 подается в колонну 1. Вентилем регулируют подачу воздуха. При испытании неорошаемой колонны вода не поступает; при обследовании орошаемой колонны через ротаметр 4 подается определенный расход воды. Дифференциальные манометры 5а и 5б измеряют соответственно перепад давления в колонне и расход подаваемого воздуха. В ЭВМ эта информация преобразуется и выдается в цифровом и графическом виде как зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости воздуха в колонне. Диаметр колонны – 300 мм, высота слоя насадки – 300 мм. Изначально 20 полотен насадки располагались на расстоянии 15 мм друг от друга.

Рис. 4. Зависимость перепада давления на колонне от условий эксперимента: 1 – сухая колонна; 2 – расход воды – 30 кг/ч; 3 – расход воды – 70 кг/ч; 4 – расход воды – 100 кг/ч
Рис. 4. Зависимость перепада давления на колонне
от условий эксперимента:
1 – сухая колонна; 2 – расход воды – 30 кг/ч;
3 – расход воды – 70 кг/ч; 4 – расход воды – 100 кг/ч

На первом этапе работы были выполнены опыты по определению сопротивления сухой и орошаемой насадки колонны. Важность данного опыта заключается в определении гидродинамических характеристик изучаемой насадки, и возможности ее дальнейшего использования в биофильтрах.

По результатам опыта было определено,что при расположении фильтрующих полотен на расстоянии 15 мм друг от друга изменение сопротивления в колонне и в диафрагме почти не наблюдается.

После проведения данного опыта насадка из полимерных мононитей была изменена: уменьшено расстояние между слоями насадки до 10 мм и увеличенно число слоев до 30. После этого была проведена повторно вся серия опытов, которая показала (рис. 4), что сопротивление почти не изменяется, даже при изменении характеристик насадки и увеличении числа слоев материала в ней. Минимальное изменение перепада давления в колонне при различных условиях опыта говорит о низком гидравлическом сопротивлении материала, что является несомненным плюсом в вопросе использования материала в биофильтрах.

На основании изученного научного материала и проведенных опытов можно сделать вывод, что данный материал представляет интерес для дальнейшего изучения и использования в биофильтрах, но все же необходимо более полное исследование материала уже в условиях работы в биофильтре, с нанесением на насадку микроорганизмов и проверки очистительной способности опытного образца.

Список литературы

  1. Воронов Ю.В. Биологические окислители. Изд. МГСУ. 2009.
  2. Пыльник С.В. Исследование процесса, сопряженного массообмена в орошаемом биофильтре. Дис. …канд. физ-мат. наук. ТГУ. Томск, 2008.
  3. Митин А.К., Николайкина Н.Е., Пушнов А.С. Насадки для газоочистных биофильтров//Экология и промышленность. 2014. №5.
  4. Смоленская Л.М. Старостина И.В. Очистка технологических газов: учебно-практическое пособие. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005.
  5. Кузнецова Н.А. Интенсификация абсорбционной очистки газовых выбросов в аппаратах с объемной сетчатой псевдоожиженной насадкой. Дис. …канд. техн. наук. М.: МГУИЭ, 2007.
  6. Каган А.М., Лаптев А.Г. Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов. Казань: Отечество, 2013.
  7. Клюшенкова, М.И. Защита окружающей среды от промышленных газовых выбросов: учебное пособие. М.: МГУИЭ, 2012.
  8. Витковская Р.Ф. Волокнистые полимерные материалы для ресурсосбережения и охраны окружающей среды в СанктПетербурге и Ленинградской области//Региональная экология. 2010. №1–2 (28).
  9. Витковская Р.Ф. Гусаков А.В., Демидов А.В., Куличенко А.В., Перепелкин К.Е. Текстиль в технике и защите окружающей среды. СПб.: СПГУТД. 2009.