مایع و گاز

–

پخش شده

بیوفیلتر بستر چکنده

مایع و گاز

سنتزی

ثابت

بیوفیلتر

گاز

ارگانیک/ سنتزی

ثابت

شکل ۶- بیوفیلتر، طراحی و پارامترهای کنترلی ] ۱۰ [
جدول۵- تبدیلات بیولوژیک مهم در بیوفیلتراسیون ترکیبا ت بودار ] ۱۵ [
کوال[۵۵] و همکارانش نشان دادند که حذف سولفید هیدروژن در یک بیوفیلتر از طریق سه فاز مجزا، در دو مرحله انجام می شود:
۱- جذب در فاز مایع موجود در بستر[۵۶]
۲- جذب در سطح جامد[۵۷] و تخریب زیستی
مرحله ۱، از طریق تعادل ترمودینامیکی بخوبی تفسیر می شود و نسبت به مرحله ۲ بسیار سریع است، خصوصا زمانی که زمان اقامت فاز گاز در بیوفیلتر در حدود دقیقه است. لذا در یک بیوفیلتر، مقاومت انتقال جرم نسبت به جذب در سطح جامد یا واکنش تخریب زیستی می توانند قبل از رسیدن به تعادل، محدودکننده باشند [۱۵,۱۹]. تخریب زیستی معمولا با رابطه مونود[۵۸] بیان می شود که سرعت تخریب را به غلظت آلاینده وابسته می سازد:
rate= maximum rate×(Cg/K+Cg)
Cg : غلظت آلاینده در فاز گاز
K : ثابت اشباعیت
بسته به غلظت آلاینده ، سرعت می تواند از درجه صفر (در غلظت های بالا) یا از درجه ۱ ( در غلظت های پایین) باشد [۱۵].
۷- اصطلاحات مربوط به بیوفیلترها
۷-۱- زمان اقامت بستر خالی و زمان اقامت واقعی
زمان اقامت بستر خالی[۵۹] (EBRT) بصورت زیر تعریف می شود:
EBRT= V/Q
V(m3) : حجم بیوفیلتر
Q(m3/h) : دبی حجمی جریان گاز
زمان اقامت واقعی از رابطه زیر بدست می آید:
τ= V ϴ/ Q
ϴ : تخلخل (حجم خالی بستر به حجم کل آن)
معمولا با افزایش EBRT و τ عملکرد سیستم بهبود می یابد.
بار جرمی ورودی
۷-۲- بار جرمی ورودی[۶۰] از رابطه زیر بدست می آید:
IL= QC0/ V
(g/m ۳ )۰ C : غلظت آلاینده ورودی
این ترم معمولا بصورت g/m3h بیان می شود.
۷-۳- بازدهی حذف و ظرفیت حذف
بازدهی حذف[۶۱] (RE ) و ظرفیت حذف[۶۲] (EC) بصورت زیر بیان می شوند:
RE(%)={ (C0 – Ce)/C0} ×۱۰۰
EC=Q(C0 – Ce)/ V
Ce(g/m3) : غلظت آلاینده خروجی
ظرفیت حذف معمولا بصورت g/m3h بیان می شود.
این دو تعریف برای بیان میزان کارایی بیوفیلتر بکار می روند. راندمان حذف یک بیان ناقص از کارکرد بیوفیلتر است، چرا که با تغییر شدت جریان هوا، غلظت آلاینده ورودی و اندازه بیوفیلتر تغییر می کند و فقط منعکس کننده شرایطی است که اندازه گیری ها تحت آن شرایط انجام شده است. ظرفیت حذف امکان مقایسه دو بیوفیلتر مجزا را فراهم می سازد، چرا که حجم و دبی جریان گذرنده در این عبارت طبق تعریف خاصی نرمال می شوند [۶].
۸- پارامترهای مؤثر بر کارکرد بیوفیلترها
۸-۱- بستر بیوفیلتر[۶۳]
بسترهای متفاوتی ممکن است در بیوفیلتراسیون مورد استفاده قرار گیرند. برای به حداکثر رساندن کارایی بیوفیلتر، انتخاب پایه مناسب برای تثبییت میکروارگانیسم ها از اهمیت زیادی برخوردار است.
ویژگی هایی که در انتخاب یک پایه مناسب باید مدنظر قرار گیرند، عبارتد از:
i ) ظرفیت بالا در نگهداری رطوبت، ii ) سطع وسیع، iii ) تخلخل بالا، iv ) میزان گرفتگی پایین، v ) افت فشار پایین، vi ) مقاومت و استحکام بالا، vii ) قیمت پایین، viii ) بالک دانسیته پایین، ix ) قدرت جذب نسبی گازهای بودار.
از دیدگاه فعالیت میکروبی، ویژگیهای i تا iii حائز اهمیت می باشند ولی از دیدگاه ساخت و نگهداری بیوفیلتر، ویزگیهای iv تا viii مهم می باشند. ویژگی ix زمانی که غلظت گازهای بد بو در نوسان باشد، قابل توجه است. انواع گوناگونی از پایه ها اعم از طبیعی، سنتزی و مخلوط هر دو در بیوفیلترها استفاده شده است [۵]. جدول ۶ برخی از موادی که بعنوان بستر در بیوفیلتراسیون ضایعات گازی بکار می روند، نشان
می دهد [۱۰].
جدول ۶ – برخی از موادی که در بیوفیلتراسیون ضایعات گازی بعنوان بستر بکار می روند ] ۱۰ [

پیت ، خاک[۶۴] ، کمپوست یا مخلوط آنها متداول ترین مواد استفاده شده بعنوان بستر بیوفیلترها هستد. ولیکن این مواد پایه های بادوامی نیستند و پس یک دوره استفاده طولانی، مشکلات عملیاتی متعددی به علت تخلخل کم و چسبندگی مواد بستر که سبب افت فشار و کانالیزه شدن جریان می شود، رخ می دهد. این مواد در طی عملیات طولانی دستخوش مشکلاتی نظیر گرفتگی[۶۵] و از دست دادن رطوبت[۶۶] می شوند. نگهداری از مواد بستر که نیازمند تعویض آنها هر ۲-۵ سال می باشد، سبب افزایش قابل ملاحظه هزینه های عملیاتی[۶۷]
می شود. تعویض مواد و جایگزینی بستر جدید نیازمند توقف عملیات است و کارایی بیوفیلتر تا تطبیق بستر جدید و رسیدن راندمان به سطح قبلی، کاهش می یابد [۲۱,۲۳]. انواع گوناگون پایه های سنتزی نظیر سرامیک متخلخل[۶۸]، کربن فعال گرانوله[۶۹]، رشته های کربن فعال[۷۰]، کره های پلی استایرن[۷۱] و پرلیت[۷۲]مورد استفاده قرار گرفته اند. ولیکن، این پایه ها بسیار گران تر از پا یه های طبیعی می باشند. استفاده از پایه های غیر آلی بتدریج افزایش یافته است. مهم ترین اهداف استفاده از مواد معدنی در بستر بیوفیلترها، محدود کردن افت فشار و اجتناب از کانالیزه شدن جریان است. امکان استفاده از پایه طبیعی و متخاخل سنگ آذرین نیز در بیوفیلتراسیون بررسی شده و این پایه بعنوان یک گزینه مناسب برای تثبیت میکروارگانیسم ها در بیوفیلترها، پیشنهاد شده است [۱۰,۱۵].
بستر بیوفیلترها ممکن است ساده یا چند مرحله ای باشد. در بیشتر موارد ارتفاع بستر بین ۰/۵ تا ۱ متر است ولی در برخی از موارد بسترهای بلندتری هم استفاده شده اند. بر خلاف پایه های معدنی، ماتریس های آلی تمام مواد مغذی لازم برای میکروارگانیسم ها را فراهم می کنند و نیازی به تأمین مواد مغذی ندارند. ولیکن گزارش هایی مبنی بر کمبود و محدودیت مواد مغذی در این پایه ها، ارائه شده است. برای محدود کردن چنین ریسک هایی، برخی از محققان اسپری ناپیوسته مواد مغذی از بالای بستر را پیشنهاد کرده اند [۹ ].
۸-۲- میزان رطوبت[۷۳]
میزان رطوبت بستر، پارامتر کلیدی دیگری است زیرا حضور آب برای اطمینان از فعالیت میکروبی بهینه لازم است. در صورتی که میزان رطوبت بستر خیلی کم باشد، فعالیت بیولوژیکی متوقف می شود. علاوه بر این، در یک بستر خشک شکاف باز شده و کانالیزه شدن جریان اتفاق می افتد. برعکس، رطوبت بسیار زیاد سبب تشکیل نواحی بی هوازی در بستر می شود، جایی که اکسیژن لازم برای بیواکسیداسیون تمام می شود. به همین علت ظرفیت بسترهای خاکی برای حذف بو با خیس شدن زیاد بستر بشدت افت می کند. علاوه بر این، انتقال جرم ترکیبات بودار از میان یک بستر خیس به علت مقابله با یک فیلم نازک آب که ذزات بستر را احاطه کرده است، محدود کننده می باشد. پیت و کمپوست ظرفیت خوبی برای نگهداری آب دارند. در مورد پیت، اگر میزان آب به کمتر از ۷۰% برسد، فعالیت میکروبی افت کرده و در صورتی که میزان آب به بالای ۸۵% برسد، فعالیت میکروبی افزایش می یابد. رطوبت زیر ۳۰% معمولا سبب توقف فعالیت بیولوژیکی می شود. خاک در مقایسه با کمپوست به خاطر اندازه کوچکتر حفرات، بسیار رطوبت ناپذیرتر است. ولیکن خاک هیدروفیل است در حالی که کمپوست خشک هیدروفوب است و مرطوب کردن دوباره آن پس از خشک شدن به علت تخلخل زیاد، مشکل است. حرارت تولید شده به علت فعالیت بیولوژیکی در بیوفیلتر ممکن است دمای بستر را به بیش از دمای فاز گاز ورودی افزایش دهد. حتی اگر گاز ورودی به بیوفیلتر از آب اشباع شود، غیر اشباع خواهد شد زیرا دمای آن پس از تماس با بستر افزایش می یابد. خشک شدن بستر اجتناب ناپذیر است. این امر بواسطه تخریب های بیولوژیک که آب تولید می کنند (اکسیداسیون بیولوژیک ترکیبات آلی فرار) تا حدی تعدیل
می شود. بنابراین مرطوب کردن هوای ورودی به بیوفیلتر یا خیس کردن بستر برای جایگزینی رطوبت از دست رفته، حائز اهمیت می باشد [ ۱۵].
۸-۳- تخلخل[۷۴]
تخلخل به علت تأثیری که بر افت فشار گاز عبوری از بستر دارد، حائز اهمیت است. تخلخل بسترهای آلی در محدوده ۴۰-۵۰% برای خاک و ۵۰-۸۰% برای کمپوست می باشد. پیت معمولا دارای تخلخل ۹۰% است، در صورتی که یک پنجم حفرات آن قطر کمتر از ۳۰ میکرومتر داشته باشند. مواد سخت نظیر پوسته های چوب، پایه های خنثی و پرلیت می توانند برای افزایش تخلخل مواد آلی استفاده شوند [۱۵].
۸-۴- افت فشار[۷۵]
افت فشار فاز گاز در یک بیوفیلتر با افزایش دبی جریان و کاهش اندازه ذرات بستر افزایش می یابد. یانگ و الن[۷۶] ، رابطه افزایش افت فشار با افزایش سرعت گاز و محدوده ای از اندازه ذرات بستر را، خطی گزارش کردند. ولیکن بنظر می رسد افت فشار با کاهش اندازه ذرات بطور اکسپونانسیلی افزایش می یابد، خصوصا در مورد ذرات با اندازه کمتر از ۱ میلی متر. برنان[۷۷] و همکارانش دریافتند که مخلوطهای فیبری در مقایسه با پیت یا گرانول ها سبب افزایش قابل توجه افت فشار می شوند. افت فشار به طبیعت بستر بیوفیلتر و میزان رطوبت آن بستگی دارد. چسبندگی بستر در طی دوره های طولانی استفاده و بواسطه خیس کردن زیادی نیز، افت فشار را افزایش می دهد. انتخاب و طراحی مناسب پایه، سبب کاهش افت فشار می شود. ویلیامز و میلر[۷۸] در تحقیق خود بر روی بیوفیلترها، افت فشار حاصل از بسترهای گوناگون را غیر قابل پیش بینی دانسته و پیشنهاد آزمایش در مقیاس نیمه صنعتی[۷۹] برای هر نوع بستری را ارائه کردند [۱۵]. کاهش رشد بیومس نیز در کنترل افت فشار مورد توجه است. کاهش رشد بیومس یک روش عمومی برای کاهش افت فشار