МОДУЛЬНЫЙ БИОФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ

Заявляемая полезная модель относится к области охраны окружающей среды, точнее к оборудованию для очистки газовых сред с использованием микроорганизмов, и может быть использована в химической, нефтеперерабатывающей, деревоперерабатывающей, пищевой, сельскохозяйственной, биотехнологической промышленности для очистки отходящих газов от органических загрязнений, таких как фенол и его производные, спирты, альдегиды, меркаптаны, ароматические соединения.
Биологические методы очистки воздуха являются более дешевыми, чем традиционные физико-химические методы удаления загрязняющих примесей, такие как каталитический дожиг или абсорбция на активированном угле, и не оказывают вредного воздействия на окружающую среду. В их основе лежит способность некоторых микроорганизмов разрушать в аэробных условиях присутствующие в воздухе органические и неорганические вещества с образованием безвредных продуктов микробного метаболизма. Предварительный отбор специально адаптированных моно- или смешанных культур микроорганизмов обеспечивает более высокую эффективность очистки воздуха от соответствующих загрязнителей и сокращение сроков ввода установок в эксплуатацию [Уткин И.Б. Итоги науки и техники. Серия: Биологическая химия, т. 43. - М.: 1991, с. 1 - 99]
В настоящее время используются три основных базовых типа установок для биологической очистки воздуха: биоскрубберы, биофильтры и биореакторы с омываемым слоем.
Принцип действия биоскруббера отличается тем, что абсорбция примесей, подлежащих удалению из очищаемого воздуха и их разложение с участием микроорганизмов, осуществляются последовательно в различных аппаратах. Так, в абсорбере происходит переход загрязняющих примесей и кислорода из воздуха в воду. Воздух из абсорбера выходит очищенным, а загрязненная вода поступает в аэротенк, где происходит ее микробиологическая регенерация. Прошедшая стадию биологической очистки вода подвергается фильтрации для отделения основной массы клеток и вновь подается в абсорбер [Перчугов Г.Я. Бобров О.Г. Обзорная информация "Промышленная и санитарная очистка газов", серия ХМ-14, ЦИНТИХИМ-НЕФТЕМАШ, 1986, с. 1-25].
Недостатком биоскрубберов является недостаточная эффективность очистки сложных по составу газовых смесей.
Биореакторы (биофильтры с омываемым слоем), представляют собой открытые прямоугольные емкости заполненные слоем наполнителя (опилки, кора и т.п.) и имеющие сверху систему подачи (разбрызгивания) питающей жидкости, а снизу поддерживающую слой решетку, под которую вводится загрязненный воздух и выводится отработанная жидкость. Очищенный воздух выводится свободно сверху слоя или собирается в коллектор [Handbook for the design, construction, operation, monitoring and maintenance of a passive landfill gas drainage and bioflltration system. University of NSW, School of Civil and Environmental Engineering 2009]. Принцип действия биореактора с омываемым слоем заключается в том, что очистка загрязненного воздуха от примесей происходит во время прохождения воздушного потока через слой биокатализатора, представляющего собой носитель, покрытый биопленкой, образованной микроорганизмами на его поверхности, и помещенный на поддерживающие полки, установленные в специально изготовленном корпусе и орошаемые водой или минеральным раствором, содержащим необходимые для микроорганизмов элементы [Уткин И.Б. и др. Итоги науки и техники, серия Биологическая химия, т. 43, Москва, 1991, с. 1-99, Exibition of the Air and Waste Management Association, Cincinati, Jhio, June 19-24, 1994, p.p. 1-15; Патент США N 4.806.148].
Недостатком таких устройств является отсутствие в них защиты от холода и попадания осадков, что исключает возможность их применения в климатических условиях России. Кроме того они недостаточно эффективны при дезодорировании сильно загрязненных выбросов.
Основным элементом биофильтра является фильтрующий слой, обеспечивающий сорбцию компонентов очищаемой воздушной смеси и последующую деструкцию их микроорганизмами, находящимися в этом слое. В качестве материала фильтрующего слоя используют компост, торф, опилки, овощные очистки и другие материалы природного происхождения, содержащие минеральные вещества, необходимые для питания микроорганизмов. При этом оптимальное содержание влаги в фильтрующем слое составляет от 40 до 60% от веса материала носителя. Фильтрующий слой может также содержать различные добавки, улучшающие его пористость (пористые стеклянные, фарфоровые или полиэтиленовые гранулы) и сорбционные свойства (активированный уголь) и/или обеспечивающие поддержание постоянства рН в фильтрующем слое (известняк, мел). [Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки. Учебное пособие. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2006.; Проектирование аппаратов пылегазоочистки. Учебное пособие. Зиганшин М.Г. и др. 1998].
Как правило, биофильтры выполняются в виде колонн или вертикальных коробчатых конструкций, разделенных по вертикали на секции, снабженные различными насадками-наполнителями с подачей в них очищаемого газа и орошающей питающей жидкости. [RU 36263, 2004; Терещенко Ю.П., Васильев А.В., Заболотских В.В. Башкирский химический журнал 2012. Т. 19. №5. С. 33-36]. Так, известен модульный биофильтр колонного типа, который представляет собой прямоугольный корпус со штуцерами для подачи и вывода воздуха и орошающей жидкости, с размещенном в его нижней части горизонтальной дренажно-распределительным устройством, на который укладывается слой инертной загрузки с микроорганизмами, над которой установлена форсунка для подачи питательной жидкости. [Системы биоочистки для загрязненного воздуха компании «Dekonta», DEKONTA, a.s.Bio-Treat-ment-systems-A4_RUS.http://dekonta.com/wp-content/uplo-ads/2018/12/Bio-Treatment-svstems-A4 RUS.pdf].
Недостатками устройства являются большая высота, что вызывает определенные проблемы при их монтировании и объединении в комплексы, а также ограниченная единичная производительность.
Вместе с тем использование комплексов биофильтров требует минимальную площадь для их установки и позволяет устанавливать их на простом бетонном основании.
Модульный биофильтр, входящий в комплекс, состоит, как правило, из следующих основных конструктивных элементов: защитная оболочка - корпус; загрузка биофильтра; системы увлажнения; система диффузии воздуха и воздуховоды [Journal of Ecological Engineering Received: 2018.02.03 Accepted: 2018.05.15 Volume 19, Issue 4, July 2018, pages 7-15 Published: 2018.07.01 https://doi.org/10.12911/22998993/89791].
Наиболее близким к заявляемому решению является модульный биофильтр [US 6534306, 2000], состоящий из корпуса прямоугольного контейнера, в нижней части которого на дренажном устройстве размещена загрузка, содержащая культуру микроорганизмов. Корпус контейнера оснащен системой для ввода очищаемого газа с вводимой в нее питательной жидкостью в пространство под загрузкой, трубопроводом для вывода очищенного газа и системой рециркуляции жидкости, конденсирующейся на стенках корпуса (конденсата). Контейнер снабжен воротами и люками для пополнения или замены загрузки. Контейнеры объединяются в комплекс путем установки их один на другой в несколько ярусов. Распределительная система для очищаемого газа выполнена в виде трубы большого диаметра с отводами.
Недостатком биофильтра является неравномерное питание микроорганизмов загрузки за счет того, что питательная жидкость, а систему подается в виде тумана в загрузку снизу. В результате использования режима прямоточного движения газа и питательной жидкости, наиболее влажными и насыщенными микробами оказываются нижние слои загрузки, а в верхнем слое уже обедненная питательная жидкость дополнительно разбавляется конденсатом, собранным со стен контейнера. Вывода отмерших бактерий из системы не предусмотрено, что возможно только для очистки не сильно загрязненных газов. Кроме того, для конструкции характерны сложность и высокая металлоемкость, что существенно повышает ее стоимость.
Задачей, решаемой авторами являлось создание биофильтра, обеспечивающего повышение эффективности биологической очистки газа.
Технический результат достигается созданием модульного биофильтра, состоящего из прямоугольного контейнера, корпус которого имеет в нижней части дренажно-распределительную систему, которая выполняется в виде горизонтальной решетчатой плиты, на которой размещена загрузка, содержащей культуру микроорганизмов, и под которую подается очищаемый воздух через короб, высота которого меньше расстояния от дна контейнера до дренажно-распределительной системы, и система для отвода отработанной питательной жидкости, а над загрузкой размещена распределительная система для подачи питательной жидкости, снабженная распылительными форсунками, связанными общей магистралью, и система вывода очищаемого воздуха, причем трубопроводы подачи очищаемого газа
и питательной жидкости подсоединены к корпусу через его заднюю стенку, патрубок выпуска очищенного воздуха оборудован в крыше корпуса, а днище имеет скос в сторону его задней стенки.
Корпус биофильтра, как правило, оборудован распашными дверями и люками для заполнения его загрузкой материала и при необходимости крыша и стенки корпуса содержат утеплитель. При установке на месте эксплуатации контейнер биофильтра при необходимости объединяется с расположенными рядом другими модулями, с использованием общих коллекторов подвода и отвода воздуха, подачи и отвода питательной жидкости.
Основными отличиями от аналога, обеспечивающими повышение эффективности биологической очистки газа, является наличие системы подачи питательной жидкости сверху загрузки, что обеспечивает более надежное питание микроорганизмов путем пропитки загрузки жидкостью, использование короба в системе подводки очищаемого газа, обеспечивающего его равномерное распределение по площади контейнера, наличие днища со скосом в сторону задней стенки контейнера, что обеспечивает надежную эвакуацию из нижней части контейнера отработанной жидкости.
Общий вид биофильтра приведен на фиг. 1. На фиг. 2 - вид задней стенки биофильтра. При этом используются следующие обозначения: 1 - корпус; 2 - инертная загрузка с микроорганизмами; 3 - распределительная решетка; 4 - патрубок отработанного питательной жидкости; 5 - распределительный короб; 6 - штуцер воздуховода очищенного воздуха; 7 - форсунки, связанные общей магистралью; 8 - верхние люки; 9 - днище контейнера; 10 - распашные ворота.
Корпус 1, как правило, выполнен из металла и снабжен утепляющим покрытием и по размерам соответствует размерам стандартного транспортного контейнера. Выполненный в размерах стандартного железнодорожного контейнера биофильтр модульного типа производится в заводских условиях из
стальных листов и профилей и проходит антикоррозионную обработку. Это удешевляет его изготовление, упрощает его транспортировку и ускоряет ввод в эксплуатацию. Внутри корпуса 1 помещена инертная загрузка с микроорганизмами 2, расположенная на распределительной решетке из перфорированной сетки 3. Полость между дном контейнера и решеткой 3 связана с патрубком отработанного питательной жидкости и распределительным коробом системы подвода очищаемого воздуха 5. Над загрузкой 2 размещены штуцер воздуховода очищенного воздуха 6, магистраль системы подвода питательной среды 7 и верхние люки 8 для возможного пополнения загрузки. Днище контейнера 9 выполняется наклонным в сторону задней стенки для удаления отработанной питательной жидкости. Корпус 1 снабжается спереди распашными воротами 10 для смены загрузки и ремонта оборудования.
Биофильтр работает следующим образом. Очистку газа проводят, как правило, с использованием помещаемой в инертный материал загрузки ассоциации активных штаммов микроорганизмов родов, которые обеспечивают очистку отходящих газов одновременно от органических веществ и оксидов азота, оксидов серы, оксидов углерода.
2
Загрузка контейнера инертным материалом производится сначала через открытые ворота 11, а при заполнении основного объема - через верхние люки 8. Очищаемый воздух вводится через распределительный короб 5, под распределительную решетку 3 со стороны задней стенки, распределяясь по полости между решеткой 3 и днищем корпуса 9, а выводится сверху с противоположной стороны через штуцер воздуховода очищенного воздуха 6. Питающий раствор поступает в магистраль 7, распыляется через форсунки, орошает загрузку 2 и сливается через решетку 3 в нижнюю часть корпуса на днище 9. Так как днище контейнера 9 выполнено с углом наклона в сторону задней стенки, то этим обеспечивается полный слив раствора с биомассой из контейнера через патрубки 4. Поток очищаемого газа проходит через нижний слой загрузки 2, где в объеме носителя происходит биодеструкциязагрязняющего вещества консорциумом микроорганизмов до СО и паров воды (при очистке газа от органических соединений). Очищенный воздух выводится сверху контейнера через воздуховод 6.
Очищение газа происходит в перекрестном токе, при этом верхний слой загрузки 2 насыщается орошающим раствором, подаваемым через магистраль 7 и постепенно распределяет раствор в пленочном режиме по ее нижнему слою, поддерживая влажность в биофильтре, близкую к 100%. Гидравлическое сопротивление верхнего слоя загрузки выше, чем нижнего, за счет чего исключается проскок газа в обход нижнего слоя носителя, в объеме которого и происходит биодеструкция загрязняющих веществ.
Горизонтальное расположение корпуса биофильтра позволяет не только организовать эффективное для процесса биофильтрации перекрестное течение взаимодействующих газовой и жидкой фаз, но и создать благоприятную среду для жизнедеятельности микроорганизмов, находящихся в загрузке, что способствует повышению эффективности биологической очистки газа.
Необходимая производительность установки может быть достигнута параллельным соединением нескольких контейнеров.
3
Испытания фильтра-контейнера, выполненного в габаритах стандартного 40- дюймового контейнера, показали, что обеспечивается равномерное распределение, как воздуха, так и питающего раствора по сечению контейнера. Его производительность составляет несколько тысяч кубических метров в час и зависит от удаляемых химических загрязнений, их концентрации в воздухе и скорости происходящих химических реакций и биологических процессов. Так при использовании установки из 36 таких контейнеров для очистки газов, загрязненных органическими техногенными загрязнениями, производительностью 70 тыс. м/ч была достигнута степень очистки по разным загрязнениям 80-95%.