Tekst źródłowy strony Uciążliwość zapachowa/Metody dezodoryzacji gazów/Biofiltry i biopłuczki

<noinclude>
{{OzdobnaNawigacja
|Podrecznik=[[Uciążliwość zapachowa]]
|PoprzStrona=  [[Uciążliwość zapachowa/Zapachowa uciążliwość emitorów – przykłady|Zapachowa uciążliwość emitorów – przykłady]]
|ObecnaStrona= Metody dezodoryzacji
|NastStrona= [[Uciążliwość zapachowa/Metody oceny skuteczności dezodoryzacji|Metody oceny skuteczności dezodoryzacji]]
}}<noinclude>
{{OzdobnaNawigacja
|Podrecznik= ***
|PoprzStrona= <small>[[Uciążliwość zapachowa/Metody dezodoryzacji gazów/Absorpcja|Absorpcja]]</small>
|ObecnaStrona= <small>Biofiltry i biopłuczki</small>
|NastStrona= <small>[[Uciążliwość zapachowa/Metody dezodoryzacji gazów/Spalanie|Spalanie]]</small>
}}
{{UnikatowaStronaStart}}
</noinclude>
== Biofiltry i biopłuczki ==
[[Plik:PioneerAlgae colonneHelfaut.jpg|thumb|200px|left|Gatunki pionierskie na ziarnach piasku]]
Dezodoryzacja gazów metodami biologicznymi polega na [[Uciążliwość zapachowa/Metody dezodoryzacji gazów/Absorpcja|absorpcji]] zanieczyszczeń  w wodzie, a następnie ich wykorzystaniu w życiowych procesach [[w:Bakterie|bakterii]] ([[w:Metabolizm|metabolizm]]). Te procesy decydują o powstawaniu ziemskich [[w:ekosystem|ekosystemów]] – są podstawą pionierskiego stadium [[w:Sukcesja ekologiczna|sukcesji ekologicznej]] (zasiedlanie podłoża mineralnego) – i odgrywają ważną rolę w obiegu materii w przyrodzie ([[w:Cykl biogeochemiczny|cykle biogeochemiczne]]).

W technice te same procesy mikrobiologiczne są stosowane od dawna. Badania możliwości oczyszczania tą metodą gazów zawierających siarkowodór i tiole prowadzono w USA w połowie XX wieku. Pierwsze urządzenie do  dezodoryzacji gazów odlotowych w skali przemysłowej zostało uruchomione w kompostowni w latach 60 (Genewa). Zastosowano biofiltrację powietrza przez warstwę spulchnionej gleby (później – kompostu lub torfu). W połowie lat 80. tylko w Niemczech, w uciążliwych zakładach, np. [[Uciążliwość zapachowa/Zapachowa_uciążliwość_emitorów_–_przykłady/Oczyszczalnie_ścieków_komunalnych|oczyszczalniach ścieków]], [[Uciążliwość_zapachowa/Zapachowa uciążliwość emitorów – przykłady/Fermy trzody chlewnej|fermach hodowlanych]], kompostowniach, przetwórniach odpadów zwierzęcych, pracowało już ponad sto instalacji. Powierzchnia większych biofiltrów osiągała 1000 m² (oczyszczanie strumieni gazów do 30 tys. m³/h)<ref name = "ODORY rozdz11.5">{{cytuj książkę | autor r= J.Kośmider, B.Mazur-Chrzanowska, B.Wyszyński| tytuł = Odory |url = http://www.ibuk.pl/fiszka.php?id=157|data dostępu = 2012-03-03 |wydawca = Wydawnictwo Naukowe PWN | miejsce = Warszawa | rok = 2002 | strony = 242–251| rozdział = Biologiczne oczyszczanie gazów| adres rozdziału = 11.5:| isbn = 978-83-01-14525-5| język = pl}}</ref>.

Współcześnie proces biologicznej dezodoryzacji gazów jest prowadzony w [[w:Biofiltracja|biofiltrach]] lub biopłuczkach – [[w:Aparat absorpcyjny|skruberach]] zraszanych cieczą zawierającą mikroorganizmy. Bakterie [[w:Cudzożywność|heterotroficzne]] lub [[w:Samożywność|autotroficzne]] występują w fazie ciekłej jako zawiesina ([[w:osad czynny|osad czynny]]) oraz w formie warstewki pokrywającej powierzchnię fazy stałej ([[w:Biofilm|biofilm]]). Uważa się, że metody biologiczne umożliwiają osiągnięcie stosunkowo wysokich skuteczności dezodoryzacji, przy czym koszty eksploatacyjne są 2–10 razy mniejsze od kosztów [[Uciążliwość zapachowa/Metody dezodoryzacji gazów/Absorpcja#Rodzaje absorberów technicznych|absorpcji]], [[Uciążliwość zapachowa/Metody dezodoryzacji gazów/Adsorpcja|adsorpcji]] lub [[Uciążliwość zapachowa/Metody dezodoryzacji gazów/Spalanie|spalania]]. Stosowanie technik biologicznych jest zalecane w przypadkach, gdy jest konieczne oczyszczenie dużych strumieni gazów o małych stężeniach związków uciążliwych zapachowo (o niskich [[Uciążliwość zapachowa/Prawa_psychofizyczne_w_olfaktometrii#Próg_wyczuwalności_zapachu|progach węchowej wyczuwalności]])<ref name="IPCC H4">{{cytuj stronę|autor=IPPC |imię=Technical Guidance Note – Integrated Pollution Prevention and Control |url=http://www.zut.edu.pl/fileadmin/pliki/odory/pdf/IPPC_H4_part_2.pdf |tytuł=Horizontal Guidance for Odour IPPC H4 part 2 – Assessment and Control (draft) |opublikowany=Environment. Agency |rok=2002 |data dostępu=2010-09-05 |język=en}}</ref>
<ref name = "ODORY rozdz11.5"/><ref name = "Fischer>{{cytuj książkę|tytuł = Characterization and control of odoriferous pollutants in process industries (materiały Symp., Louvain-Neuve (Belgia)|rozdział = Biodezodorization: the biofilter and its design| autor r = K. Fischer, D. Bardtke | wydawca = SBF|miejsce = Louvain|rok = 1984}}</ref>
<ref name = "Voorburg">{{cytuj książkę|tytuł = ODOURS – Control, Measurements, Regulations (materiały Seminarium, Świnoujście)|rozdział = Odours from livestock production. Application of biological scrubers| autor r = I.H. Voorburg| wydawca = Wyd. EKOCHEM|miejsce = Szczecin |rok = 1993}}</ref>.

=== Podstawy procesu ===
[[Plik:Polymicrobic biofilm epifluorescence.jpg|thumb|200px|[[w:Mikroskop fluorescencyjny|Epifluorescenyjne zdjęcie mikroskopowe]] biofilmu na powierzchni stali nierdzewnej w wodzie pitnej]]
Procesy życiowe bakterii heterotroficznych przebiegają dzięki energii wiązań chemicznych, występujących w cząsteczkach pożywienia – cząsteczek związków organicznych. Produktami tych procesów życiowych są związki budulcowe komórek. Wydzielane są również produkty oddychania tlenowego – dwutlenek węgla i woda. Autotroficzne bakterie chemosyntetyzujące przyswajają odoranty nieorganiczne, np. siarkowodór i amoniak. Korzystają z m.in. z energii nitryfikacji (np. bakterie ''Nitrosomonas'' i ''Nitrobacter'') lub utleniania siarkowodoru do siarki elementarnej i siarczanów (np. ''Thiobacter'', ''Thiobacillus'')<ref name = "ODORY rozdz11.5"/>:
: 2 NH<sup>4+</sup>  + 3 O<sub>2</sub> → 2 NO<sub>2</sub><sup>-</sup>  +  2 H<sub>2</sub>O  +  4 H<sup>+</sup>   
: 2 NO<sub>2</sub>- + O<sub>2</sub> → 2 NO<sub>3</sub><sup>-</sup>
: H<sub>2</sub>S  +  2 O<sub>2</sub> → H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>   

W biofiltrach i biopłuczkach mogą być wykorzystywane specjalnie wyhodowane kultury bakterii lub bakterie z osadu czynnego z oczyszczalni ścieków, które charakteryzują zdolności adaptacyjne. Jest możliwe ich samoistne przystosowanie się do przyswajania związków nie występujących w przyrodzie (np. chlorowcopochodnych organicznych).
[[Plik:Michaelis-Mentenconcentratieverloop pl.svg|thumb|200px|Zmiany stężenia substratu (A), enzymu (E), kompleksu enzym-substrat (EA) i produktu (B) w czasie]]
[[Plik:Michaelis-Menten saturation curve of an enzyme reaction pl2.svg|thumb|200px|Szybkość przemiany enzymatycznej według modelu Michaelisa i Menten (1913); warunki: [A] >> K<sub>M</sub>; czyli k<sub>1</sub>>>k<sub>2</sub> i k<sub>3</sub>>>k<sub>2</sub>; [e] ≈ [E] ]]
[[Plik:Michaelis-Menten linear approximation.svg|thumb|200 px|Model Michaelisa i Menten – zależność liniowa, wykorzystywana przy wyznaczaniu stałych empirycznych]]
Kierunek metabolicznych procesów przebiegających w komórkach zależy od rodzaju [[w:enzymy|enzymów]], którymi dysponują. Działanie enzymów – białkowych biokatalizatorów – opisuje np. równanie kinetyczne Leonora Michaelisa i Maud Menten (1913)<ref name = "ODORY rozdz11.5"/>. Równanie wyraża [[w:prawo działania mas|prawo działania mas]], odniesione do reakcji złożonej  A → B + C.
Enzym E bierze udział w procesie tworząc w [[w:reakcja odwracalna|reakcji odwracalnej]] kompleks EA (enzym–substrat)<ref name = "ODORY rozdz11.5"/>.
:<math>A + E \, \overset{k_1}\underset{k_2} \rightleftharpoons \, EA \, \overset{k_{3}} {\longrightarrow} \, E + B + C</math>

gdzie k<sub>1</sub>, k<sub>2</sub>, k<sub>3</sub> – [[w:Stała szybkości reakcji|stałe szybkości]] odpowiednich [[w:Reakcja elementarna|reakcji elementarnych]]: 
:<math>v_1 = k_1 \, [E] \, \, [A] \, </math>
:<math>v_2 = k_2 \, [EA]</math>
:<math>v_3 = k_3 \, [EA]</math>
przy czym:
: <math>v_1 = v_2  + v_3  = (k_2 \, + \, k_3) \, [EA]</math>
W stanie równowagi:
: <math>v_1 \, = \, v_2 </math>,
:<math>k_1 \, [E] \, \, [A] \, = k_2 \, [EA]</math>
co pozwala zdefiniować stałą równowagi, nazwaną stałą Michaelisa (K<sub>M</sub>):
: <math>K_M = \frac {k_2}{k_1} = \frac {[E] \, [A] }{[EA]}</math>
i wyrazić prędkość procesu (''v'') jako:
:<math>v = v_{maks} \frac{[A]}{K_M + [A]}</math>

Wykorzystaniem prawa działania mas do opisu procesów enzymatycznych budzi zastrzeżenia, m.in. z tego powodu, że oddziaływanie cząsteczek enzymów z substratem przypomina bardziej adsorpcję na powierzchni ciała stałego niż reakcję w roztworze. Mimo to wyniki obliczeń, opartych na założeniach modelu Michaelis-Menten i „modeli adsorpcyjnych” są podobne (zob. [[Uciążliwość zapachowa/Metody dezodoryzacji gazów/Adsorpcja|izoterma Langmuira i typ I]]). W obu oś odciętych określa wartości stężenia substancji adsorbowanej (z fazy gazowej – wypadku adsorpcji zanieczyszczeń powietrza, z roztworu – w wypadku procesu enzymatycznego).

Sporządzając izotermę adsorpcji typu I na osi rzędnych umieszcza się powierzchniowe stężenie substancji adsorbowanej (''a'' [kg/kg]), które  osiąga wartość maksymalną po całkowitym pokryciu powierzchni sorbentu warstwą pojedynczą. Kształt izotermy typu I ilustruje zależność szybkości reakcji enzymatycznej od stężenia, jeżeli o tej szybkości decyduje stopień przemiany E → ES (warunek zgodności obu modeli procesu)<ref name = "ODORY rozdz11.5"/>.

Rzeczywiste procesy biotechnologiczne są znacznie bardziej złożone. Modele stosowane w czasie projektowania fermentatorów uwzględniają równoczesne oddziaływanie różnych związków chemicznych (składników roztworów) na ten sam enzym oraz obecność w komórkach wielu różnych enzymów.

Projektowanie urządzeń do biologicznego oczyszczanie gazów, w tym dezodoryzacji, poprzedzają doświadczenia, wykonywana w skali laboratoryjnej lub małej skali przemysłowej. Urządzenia muszą zapewniać<ref name = "ODORY rozdz11.5"/>:
* spełnienie podstawowych warunków przenoszenia masy przez granicę gaz-ciecz (m.in. niezbędna powierzchnia i czas kontaktu faz, szybkość przepływu gazu),  
* utrzymywanie zmiennych w wąskim zakresie parametrów układu, ustalonych na poziomach które sprzyjają rozwojowi bakterii, np:
:– temperatura – dla większości enzymów poziom optymalny mieści się w zakresie 30–40°C,
:– wilgotność –  optimum – ok. 50% wilgotności względnej (co najmniej 30%; dopuszczalne wysuszenie krótkotrwałe),
:– [[w:skala pH|pH]] –  poziom optymalny dla większości enzymów: pH =5–7,
:– stężenie pierwiastków biogennych i proporcje między nimi –  dla bakterii heterotroficznych: C : N : P = 100 : 5 : 1,
:– brak trucizn (np. jonów [[w:Metale ciężkie|metali ciężkich]], [[w:Detergenty|detergentów]], [[w:Cyjanki|cyjanków]] lub [[w:Utlenianie|silnych utleniaczy]]),
:– kontrolowane oddziaływanie szkodliwego promieniowania [[w:Nadfiolet|UV]], a szczególnie 230–275 nm (zakres [[w:Nadfiolet|UV-C]], stosowanego w sterylizatorach, 100–290 [[w:nanometr|nm]]).
W przypadkach, gdy osiągnięcie stabilności poszczególnych parametrów jest niemożliwe, niezbędne jest unikanie zmian gwałtownych – adaptacja bakterii do nowych warunków jest powolna.

=== Biofiltry ===
[[Plik:CVRD5biofilter.air.exhaust.jpg|thumb|200px|Biofiltr]]
[[Plik:Przekroj biofiltru.svg|thumb|200px|Przekroje złoża biofiltru jednopoziomowego]]
W wielu biofiltrach nośnikiem biofilmu są naturalne materiały organiczne, np. kompost, torf, kora drzew, słoma, spulchniona gleba. Stosuje się liniową prędkość gazu 0,03–0,1 m/s (strumień objętościowy odniesieniu do całego przekroju złoża). W przypadku przepływu ok. 100–400 m³/m²×h gazu przez warstwę kompostu o grubości ok. 1 m opory przepływu wynoszą około 0,5–3 kPa (mogą być kilkukrotnie zmniejszone przez dodanie kory)<ref name = "ODORY rozdz11.5"/><ref name = "Szklarczyk 1991">{{cytuj książkę | autor = Mirosław Szklarczyk|tytuł = Biologiczne oczyszczanie gazów odlotowych|wydawca = Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej | miejsce = Wrocław | rok = 1991| język = pl}}</ref>.

Zależnie od sytuacji meteorologicznej złoże jest zraszane lub pozbawiane nadmiaru wody opadowej. Aby powstrzymać rozwój bakterii beztlenowych (gnilnych) zapewnia się równomierne napowietrzenie – niezbędne są odpowiednie zabiegi pielęgnacyjne, w tym okresowe spulchnianie i przekładanie co ok. 3–6 miesięcy, wprowadzanie dodatków chrustu, kory drzew (czasem również węgla aktywnego). Pielęgnacja jest niezbędna, ponieważ właściwości złoża zmieniają się w czasie pracy (biodegradacja składników złoża, zarastanie biomasą bakterii). 

Warstwy materiału filtracyjnego układa się:
* jednopoziomowo, na rusztach lub na warstwie żwiru lub tłucznia, w której instaluje się perforowane rury doprowadzające oczyszczany gaz,
* kilkuwarstwowe, np. instalowane w piętrowo ustawianych kontenerach.

W pierwszym przypadku oczyszczanie strumienia 10 tys. m³/h wymaga powierzchni 25–100 m².

=== Biopłuczki ===
[[File:Biopluczka.svg|thumb|Zasada działania biopłuczki]]
Biopłuczki są urządzeniami bardziej zwartymi, przypominającymi typowe [[Uciążliwość zapachowa/Metody dezodoryzacji gazów/Absorpcja|skrubery]] (zwłaszcza procesy absorpcji połączonej z reakcją chemiczną). Wypełnienie biopłuczki jest zraszane cieczą zawierającą osad czynny. Ciecz spływająca z kolumny jest kierowana do zbiornika cyrkulacyjnego. Do zbiornika dozowane są pożywki, odczynniki podwyższające pH) i powietrze. Stąd jest też odprowadzany nadmiar osadu czynnego (produkt procesu biodegradacji zanieczyszczeń oczyszczanych gazów)<ref name = "ODORY rozdz11.5"/><ref name = "Szklarczyk 1991"/>.

Biopłuczki wypełnia się zwykle materiałami neutralnymi, których struktura sprzyja rozwojowi bakterii, a równocześnie zapobiega zmianom oporów przepływu gazów wskutek zarastania złoża warstwą mikrobiologiczną. Niekiedy elementy złoża są nie tylko nośnikami biofilmu, ale również adsorbentami zanieczyszczań gazu. Węgiel aktywny, który bywa tu stosowany, pełni funkcję adsorbentu, gdy okresowo zmniejsza się aktywność biofilmu, i ulega regeneracji po odzyskaniu tej aktywności.
<noinclude>{{BrClear}}</noinclude>
<gallery widths=150 heights=140 perrow=5 caption=>
Plik:Porousceramic.jpg |Porowata ceramika
Plik:Rheniite-tr507d.jpg|Lava rock, Rheniite<ref>[http://www.odourmanagement.co.uk/lava-rock odour Management System Limited. Lava Rock]</ref>
Plik:Bacteriahouse.jpg| Bacteriahouse
Plik:Plasticmedia.jpg|Elementy z tworzyw sztucznych
</gallery>

== Czy znasz odpowiedzi? ==
* Jaka jest różnica między biofiltrem i biopłuczką?
<noinclude>{| class="collapsible collapsed"
! <small><small>Odpowiedź</small></small> 
|-
| W biofiltrach bakterie, które rozkładają zanieczyszczenia gazów, znajdują się na powierzchni złoża (zwykle materiały naturalne). Materiał filtracyjny jest zraszany wodą tylko w takim stopniu, aby nie doszło do wysuszenia. Produkt procesów – przystająca biomasa – pozostaje na złożu, zmieniając jego właściwości. W biopłuczkach wypełnieniem skrubera są materiały nie ulegające biodegradacji. Przez wypełnienie przepływa – w przeciwprądzie do gazu – ciecz zawierająca osad czynny.  
|}</noinclude>
----
* Jakie są optymalne parametry pracy złoża biofiltru (wilgotność, pH, temperatura)?
<noinclude>{| class="collapsible collapsed"
! <small><small>Odpowiedź</small></small> 
|-
| Wilgotność –  ok. 50% wilgotności względnej (co najmniej 30%), [[w:skala pH|pH]] 5–7, temperatura – 30–40°C.
|}</noinclude>

* Z jaką prędkością oczyszczane gazy przepływają przez biofiltry?
<noinclude>{| class="collapsible collapsed"
! <small><small>Odpowiedź</small></small> 
|-
| Liniowa prędkość gazu wynosi 0,03–0,1 m/s (strumień objętościowy odniesieniu do całego przekroju złoża). 
|}</noinclude>
----
* Co jest dodawane i odbierane ze zbiorników cyrkulacyjnych biopłuczek?
<noinclude>{| class="collapsible collapsed"
! <small><small>Odpowiedź</small></small> 
|-
|  Do zbiornika cyrkulacyjnego są dozowane są pożywki, odczynniki alkalizujące i powietrze, a ze zbiornika  odprowadza się nadmiar osadu czynnego.

|}</noinclude>
----
* Czy w biopłuczkach bywa wykorzystywany węgiel aktywny?
<noinclude>{| class="collapsible collapsed"
! <small><small>Odpowiedź</small></small> 
|-
| Tak. Pełni funkcję adsorbentu, gdy okresowo zmniejsza się aktywność bakterii, i ulega regeneracji po odzyskaniu tej aktywności.
|}</noinclude>
----



<noinclude>{{Przypisy}}</noinclude>

<noinclude>----
<center>'''[[Uciążliwość zapachowa|Powrót do spisu treści]]'''</center>{{UnikatowaStronaKoniec}}</noinclude>