Biofiltrace vzduchu

1. Úvod

Biofiltrace vzduchu je poměrně stará technologie, která však vzhledem k jejímu zdokonalování, inovacím a také nízkým provozním nákladům, se stává stále častěji používanou pro eliminaci těkavých organických látek, zápachových látek i některých anorganických polutantů. Biofiltrace je ekonomickou a účinnou metodou především pro odstraňování nízkých koncentrací škodlivých a nežádoucích látek z odpadních plynů.

2. Historie biofiltrace

Historické použití biofiltrace není přesně doloženo. Nicméně jsou v odborné literatuře citovány pokusy biologicky eliminovat sirovodík ze vzduchu z čistírny odpadních vod v Německu na biologickém filtru již v roce 1923 (Wani a kol., 1997). Praktické používání biofiltrů se rozšířilo až po 2. světové válce zejména v Německu, Nizozemí, Velké Británii a Japonsku. V USA je doložena první instalace provozního biofiltru v roce 1953 v Long Beach v Kalifornii (Ottengraf, 1986), kde byl používán pro odstranění zápachu. Na konci padesátých let minulého století již bylo instalováno v Evropě několik desítek provozních biofiltrů.

Stavba biofiltrů v České republice začala nejpravděpodobněji na konci 70. letech minulého století u kafilérií a byla inspirována Rakouskými zkušenostmi. Další rozvoj pokračoval postupně a v současné době lze odhadnout celkový počet provozovaných biofiltrů na několik desítek. Lze ovšem konstatovat, že některá zařízení jsou navržena velmi nekvalitně a svoji funkci plní jen částečně.

3. Co je biofiltr

Biofiltrace je čištění vzduchu založené na využití mikroorganismů k rozkladu nebo biotransformaci organických polutantů nebo zápachových látek. Mikroorganismy (nižší houby, bakterie, kvasinky) využívají organické látky většinou jako zdroj energie pro svůj růst a rozmnožování a běžně se vyskytují v půdě nebo v rozkládajícím se rostlinném materiálu. Biofiltry jsou zařízení, ve kterých jsou regulované podmínky a kde dochází ke styku organických polutantů nebo zápachových látek s mikroorganismy, které je mohou využívat jako zdroj energie. Konečnými produkty při úplné oxidaci organických látek jsou oxid uhličitý, voda a mikrobiální biomasa a současně se uvolňuje teplo. Někdy dochází pouze k biotransformaci molekuly polutantu, takže ztratí své negativní vlastnosti, ale není úplně mineralizována. Některé anorganické polutanty a současně zápachové látky jsou biologicky oxidovány (například sirovodík na síran, amoniak na nitrit a nitrát) na jiné anorganické látky, které však nemají nežádoucí vlastnosti. Průchod kontaminovaného vzduchu biofiltrem musí zaručovat snížení koncentrace polutantů na požadované výstupní limity.

Tradiční biofiltry byly většinou velkoplošné. Biofiltrační lože bylo tvořeno jednou vrstvou kyprého organického materiálu (rašelina, kompost, vřes, kůra) s mocností do 1 m. Na povrchu těchto materiálů jsou imobilizovány mikroorganismy. Tato zařízení měla obtíže s čištěním vyšších nebo kolísavých koncentrací polutantů a velký půdorys zařízení zvyšoval (někdy až neúnosně) investiční náklady nebo je neumožňoval umístit do průmyslových závodů s omezenou volnou plochou pro jeho stavbu.

Biofiltry nové generace využívají filtrační lože s novým složením, které nejenže zvyšuje odbourané množství polutantu v jednotce objemu náplně, ale umožňuje i regulaci pH, má lepší schopnost zadržovat vodu, umožňuje lepší distribuci živin, mají větší specifický povrch a pod. Často se používají i další podpůrná opatření: vzduch vstupující do biofiltru je upravován tak, aby měl dostatečnou vlhkost a stálou teplotu. Tato opatření vedla k několika násobnému zvýšení specifického objemového zatížení a podstatnému zmenšení objemu zařízení. Schéma biofiltru s pevným ložem je na obrázku č. 1.

Kromě biofiltrů s pevným ložem se pro některé druhy polutantů začaly konstruovat náplňové biofiltry se zkrápěním, tzv. „trickling filtry“. Náplň je tvořena inertními materiály jako je zeolit, umělohmotné prvky, aktivní uhlí, umělohmotné vestavby a podobně. Náplň se zkrápí vodou nebo roztokem živin, popřípadě střídavě. Na povrchu částic náplně nebo vestavby se v průběhu doby vytvoří biofilm, ve kterém probíhá biologický rozklad nebo transformace polutantů či zápachových látek. Tato zařízení mají větší specifickou odbourávací kapacitu než klasické biofiltry, avšak pouze pro některé polutanty. Schéma zkrápěného biofiltru je na obrázku č. 2.

4. Princip biofiltrace

Vzduch vstupující do biofiltru obsahuje molekuly organických polutantů nebo zápachových látek. Tyto molekuly se sorbují na povrchu biofilmu, který se vytváří na pevných částicích náplně. Biofilm je tvořen převážně bakteriemi, obsahuje však i nižší houby, prvoky a bezobratlé. Prvoci a bezobratlí se zpravidla živí bakteriemi a nižšími houbami. Odstraňování polutantů je několikastupňový proces. Prvním krokem je rozpouštění molekul polutantu ve vodě, následuje transport molekuly biofilmem k bakteriální buňce a transport molekuly přes buněčnou membránu do bakterie, kde dochází k samotnému metabolismu a rozkladu polutantu. Získaná energie oxidací polutantu se využívá v buňce k syntéze buněčné hmoty a rozmnožování (obrázek č. 3). Těkavé organické polutanty mají většinou velmi malé molekuly. Koncentrace polutantu jsou malé, tlak plynu je nízký, takže je možné předpokládat ideální chování. Rychlosti proudění nejsou vysoké, takže proudění je laminární. Pro přenos kontaminantu ze vzduchu do kapalné fáze se používá dvoufilmová teorie popsaná následující rovnicí.

           M_i = K_La(C_si − C_li )

kde:

Mi	rychlost přenosu hmoty látky i [g.m-3]
KL	koeficient rychlosti přenosu hmoty [m.s-1]
a	specifický povrch náplně [m2.m-3]
Csi	koncentrace látky i v kapalné fázi za rovnovážných podmínek [g.m-3]
Cli	aktuální koncentrace látky i v kapalné fázi [g.m-3]

Rovnovážná koncentrace se odvozuje z Henryho zákona.

Reakční rychlost v biofilmu se řídí Monodovou kinetikou.

Pokud je biofiltr provozován za správných podmínek, je přenos hmoty limitujícím rychlostním faktorem. Toto přestává platit, pokud je biofiltr látkově přetěžován. (Schroeder, 2002).

5. Využití biofiltrů

Biofiltry odstraňují z odpadního vzduchu těkavé organické a anorganické sloučeniny, které jsou škodlivé lidskému zdraví či životnímu prostředí svými vlastnostmi nebo látky, které svým zápachem obtěžují okolí místa vzniku. V současné době platná legislativa pro ochranu ovzduší zahrnuje zákon č. 86/2000 Sb. o ovzduší, Vyhláška Ministerstva životního prostředí 356/2002 Sb., kterou se stanoví seznam znečišťujících látek, obecné emisní limity, způsob předávání zpráv a informací, zjišťování množství vypouštěných znečišťujících látek, tmavosti kouře, přípustné míry obtěžování zápachem a intenzity pachů, podmínky autorizace osob, požadavky na vedení provozní evidence zdrojů znečišťování ovzduší a podmínky jejich uplatňování a Nařízení vlády 352/2002 Sb., kterým se stanoví emisní limity a další podmínky provozování spalovacích stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší. V této legislativě jsou obsaženy i emisní a imisní limity pro regulované látky a přípustné pachové zatížení (Vyhl. č. 356/2002 Sb.).

Biofiltry lze využít pro eliminaci organických těkavých polutantů a zápachových látek v nízkých koncentracích. Obecně se uvádí hranice do 1000 ppm objemových (Schroeder, 2002), provozně však pracují biofiltry se vstupními koncentracemi až 5000 ppm objemových. Reálná vstupní koncentrace polutantů závisí ve většině případů na druhu polutantu, jeho biologické odbouratelnosti a konkrétních ekonomických podmínkách. Při vyšších koncentracích polutantů (zhruba nad 1500 až 2000 ppm objemových) se stávají konkurenční metody (termická a katalytická oxidace, oxidace indukovaná UV světlem, skrubry) z ekonomické hlediska výhodnější.

Biofiltrace je velmi dobrou a především výhodnou alternativou konkurenčním technologiím pro čištění vzduchu z několika důvodů:

• účinnost biofiltrace dosahuje běžně 90 % a více pro běžné polutanty a zápachové látky byla prakticky prokázána. Některé z těchto látek jsou uvedeny i ve Vyhl. č. 356/2000 Sb.
• protože biofiltrace má menší investiční i provozní náklady, je výhodnější alternativou při čištění vzduchu s nižšími koncentracemi polutantů (do 1500 ppm objemových – to však závisí na kvalitě odstraňovaných látek a výstupních limitech a může proto široce kolísat) a nižšími průtokovými rychlostmi (obecně od 10 000 do 75 000 Nm³.h^-1) (Adler, 2001)
• biofiltrace nespotřebovává velká množství energie a neprodukuje další odpady
• není náročná na obsluhu a lidskou práci

Oblasti služeb a průmyslu, kde lze s výhodou biofiltraci aplikovat a polutanty, které lze biofilttrací odstraňovat, jsou uvedeny v tabulce č. 1. Tento přehled zahrnuje realizované biofiltry u nás i v zahraničí. Naše zkušenosti ukazují, že biofiltry jsou schopné velmi účinně odstraňovat i směsné kontaminace organických a anorganických polutantů, například zápachové látky z ČOV, odpadní vzduch z praní ovčí vlny a pod. Podobné zkušenosti jsou popsány i v odborné literatuře (Moe a Oi, 2004).

Tabulka č. 1: Praktické aplikace biofiltrace vzdušnin (Department of Trade and Industry, 2004, U.S. EPA, 2000, Deshusses, 1997, Viesturs a kol., 2004, Adler, 2001, Yuwono a Schulze-Lammers, 2004)

Průmysl, služby	Polutanty odstraňované biofiltrací
Tiskařský	Ethyl acetát, alkoholy, BTEX,
Výroba kabelů	Xylen
Výroba autokarů	Fenol, formaldehyd, ethanol,
Výroba nábytku	Hexan, ethanol, aceton, styren, ethyl acetát, toluen, xylen
Praní vlny	Amoniak, sirovodík, dimethylsulfid, dimethyldisulfid, diethylamin, methylmerkaptan,
Výroba kompozitů	Cyklohexanon, methylethyl keton
Výroba laminátových dílů	Styren, epichlorhydrin, aceton, BTEX
Kožedělný	Ethylacetát, butylacetát, aceton, toleun, ethanol
Kompostování	Sirovodík, amoniak, terpeny, aminy, mastné kyseliny, merkaptany
Výroba pekařského droždí	Ethanol, aldehydy, ketony
Mechanicko-biologická úprava bioodpadů	Sirovodík, amoniak, mastné kyseliny, aminy
Chov vepřů a skotu	sirovodík, amoniak, mastné kyseliny, kyselina máselná, aminy, methylsulfidy
Zpracování masa	Aldehydy (zapáchající), organické kyseliny, sirovodík, amoniak
Výroba gumových dílů	Ethylacetát, butylacetát, aceton
Kalové hospodářství ČOV	methanthiol, sirovodík, dimethylsulfid, dimethyldisulfid, triethylamin, amoniak, S-methylmethanthiosulfát, methylcyklohexan, cykloheptatrien
Výroba obuvi	Ethylacetát, butylacetát, aceton

6. Vliv na životní prostředí

Jedním z často používaných argumentů proti aplikaci biofiltrů je otázka emise mikroorganismů z biofiltru. Touto otázkou se zabýval rozsáhlý výzkum mimo jiné iniciovaný v SRN, kde biofiltrace slouží u velkého počtu zařízení pro mechanicko-biologickou úpravu bioodpadů a kompostáren. Výsledky těchto zkoušek ukázaly, že emise mikroorganismů jsou velmi malé a prakticky nemají negativní vliv na životní prostředí (Kummer, 2004).

7. Praktické zkušenosti

V současné době pro odstraňování zápachu pracuje jeden biofiltr navržený naší společností na čistírně odpadních vod v Hrboltové na Slovensku.Tato čistírna čistí průmyslové a komunální odpadní vody. Vzhledem k tomu, že na čistírnu je napojena i celuloska Neusiedler z Ružomberoku, přicházející odpadní voda obsahuje poměrně vysoké koncentrace sirných sloučenin, což přispívá k tvorbě zápachových látek.

Odsávané množství vzduchu z některých stupňů čištění odpadní vody (dosazovák, kalové hospodářství) dosahuje cca 13300 m³.h^-1. Objem biofiltru je 441 m³, zdánlivá doba zdržení v biofiltru je 119 s, plošné zatížení biofiltru 45 m³.m^-2.h^-1.

Pachové látky vstupující do biofiltru: sirovodík, amoniak, dimethylsulfid, dimethyldisulfid, methylmerkaptan. Účinnost odbourávání je 96 až 99 % pro sirovodík a amoniak, pro ostatní látky 90 až 95 %.

Výška biofiltračního lože je 1500 mm. Náplň biofiltru je směs kompostu a lignocelulosových odpadů se stabilizátorem pH. V současné době bude provedena výměna filtračního lože po 2 letech provozu.

Odstraňovaná množství jednotlivých pachových látek:

• amoniak – 150 g.h^-1
• dimethyldisulfid – 15 g.h^-1
• dimethylsulfid – 15,2 g.h^-1
• methylmerkaptan – 35,2 g.h^-1
• sirovodík – 110 g.h^-1

Účinnost biofiltru je velmi vysoká a i při náhodných přetíženích (až dvojnásobným hmotnostním tokem než předpokládal projekt) nedochází k výraznému poklesu účinnosti (Matějů, Kyclt, 2004)

8. Závěr

Zkušenosti z provozu biofiltrů ukazují, že jejich využití je technicky i ekonomicky výhodné a umožňuje producentům emisí se vyrovnat s požadavky platné legislativy. Z vlastních zkušeností víme, že často dochází při návrhu biofiltrů k jejich poddimenzování, takže třeba již zcela nové zařízení začíná pracovat přetížené. Důvodem je často podcenění úvodního monitoringu nebo jeho nesprávné provedení. Často se stává, že úvodní monitoring je zaměřen pouze na cílové polutanty (například sirovodík, merkaptany, amoniak, styren apod.), avšak neberou se v úvahu další přítomné balastní látky v odpadním vzduchu, které však biofiltr rovněž zatěžují (jsou biologicky odbouratelné). V tomto okamžiku, pokud byl biofiltr navržen jen na eliminaci cílových polutantů, bude v provozu přetěžován. Při návrhu biofiltru je třeba vzít v úvahu i biodegradační (eventuálně biotransformační) rychlosti jednotlivých polutantů a navrhnout podle rychlosti nejpomalejšího procesu. Jinak nebudou dodrženy potřebné doby zdržení a nebude dosaženo požadované účinnosti.

Biofiltrace vzdušnin je ekonomicky výhodným a technicky schůdným řešením pro eliminaci těkavých organických látek a zápachových látek z odpadního vzduchu. Při volbě této technologie je však třeba pečlivě zvážit konkrétní podmínky v místě, kde má být biofiltrace použita. Přestože je biofiltrace kontaminovaných vzdušnin ekonomicky i technologicky výhodnou technologií, není použitelná vždy a za všech okolností. Na to nelze zapomínat...

9. Použitá literatura

• Adler, S. (2001): Biofiltratiom – a primer, Chemical Engineering Progress, No. 4:33-41
• Ottengraf, S.P.P. (1986): Exhaust Gas Purification, Biotechnology, W. Schönborn, ed., VCH Publishers, 427-452, http://www.environmental-expert.com/article 1125/ article1125.htm.
• Department of Trade and Industry (2004): VOC and Odour Abatement: A review of biological abatement , technology, Government Programme BIO-WASE
• Deshusses, M. (1997): Biological waste air treatment in biofilters, Curr.Opinion Biotechnol. 8:335-339
• Kummer, V. (2004): Mikroorganismen in die Umgebung von Bioabfallbehandlunganlagen, Bundesumwleministerium, Berlin, 30. September 2004, Fachgespräch
• Matějů, V., Kyclt, R. (2004): Biologická eliminace zápachu, Odpadové fórum, č. 9:26-28
• Moe, W.M., Qi, B. (2004) Performance of a Fungal Biofilter Treating Gas-Phase Solvent Mixtures During Intermittent Loading, Water Research, 38(9): 2258-2267
• Schroeder, E.D. (2002): Trends in application of gas-phase bioreactors, Rev/Views Environ. Sci.Bio /Technol., 1:65-74
• U.S. EPA (2000): Biosolids and residuals management fact sheet, Odor control in biosolids management, Office of Water, EPA 832-F-00-067
• Viesturs, U., Zarina, D., Strikauska, S., Berzins, A. (2004): Utilization of food and woodworking by-products by composting, Bioautomation 1:83-98
• Wani, A.H., Lau, A.K., Branion, R.M.R. (1997): Biofiltration: A promising and cost effective control technology for odors, VOCs and air toxics, J.Environ.Sci.Health, A32(7):2027-2055
• Yuwono, A., Schulze Lammers, P. (2004): Odor Pollution in the Environment and the Detection Instrumentation, Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Invited Overview Paper. Vol. VI. July, 2004.

Tweet

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky