استفاده از فناوری بیوفیلتراسیون برای کنترل و حذف بو در واحدهای صنعتی

یکی از مشکلات واحدهای صنعتی در فرایند تولید و به ویژه در واحدهای تصفیه پساب، ایجاد بوی نامطبوع ناشی از ترکیبات سولفیدی نظیر H₂S است. از فرایندهای زیستی برای تصفیه بوی ایجاد شده در واحدهای صنعتی استفاده می‌گردد. باکتری‌ها با مصرف گاز H₂S و یا ترکیبات آلی فرار (VOCs) موجب حذف بو می‌گردند.

انواع فرآیند بیوفیلتراسیون بر اساس طراحی بیوراکتور که شامل بیوفیلتر، فیلتر چکنده زیستی (biotrickling filter) و بیو اسکرابر است طبقه بندی می‌شود. اگرچه در تمام بیوراکتورها مکانیسم‌های حذف آلاینده اصلی تقریبا مشابه هم است، اما از نظر ساختار میکروارگانیسمی (معلق در مایع یا بی حرکت به صورت بیوفیلم)، نوع بستر پکینگ و غلظت آلاینده ورودی متفاوت هستند. این فرآیندها دارای مزایای منحصر به فردی هستند که آنها را به تکنیک‌های مناسب برای حذف بیولوژیکی انواع ترکیبات تبدیل می‌کند. گاهی اوقات ترکیبی از این فرآیند‌ها ممکن است برحسب ماهیت ورودی آلاینده‌ها استفاده شود.

1. بیوفیلترها

بیوفیلترها ساده‌ترین و قدیمی‌ترین سیستم راکتور در بین سه بیوراکتور فاز بخار برای تصفیه گاز H2S و VOCها است. گازهای زائد مملو از VOC از یک بستر ساپورت بی حرکت بیوفیلم عبور داده می‌شود. این گازها توسط میکروارگانیسم‌ها به دی اکسید کربن، آب و زیست‌توده تبدیل می‌شود. گاز زائد قبل از هدایت به بیوراکتور برای تصفیه، لازم است مرطوب شود. به طور کلی بسترمدیا دارای مواد پکینگ آلی مانند کمپوست، ذغال سنگ، چوب یا خرده‌های پوسته درخت و غیره یا مواد مصنوعی مانند پلاستیک، سرامیک و غیره است، میکروارگانیسم‌ها به صورت بیوفیلم روی این ساپورت بستر پکینگ ایجاد می‌شوند. بستر آلی همچنین می‌تواند منبع مواد مغذی اضافی برای تقویت رشد میکروبی باشد. هنگامی که از بستر مصنوعی استفاده می‌شود، مواد مغذی باید برای رشد میکروبی اضافه شود. برای پکینگ آلی نیز مواد مغذی مورد نیاز است که پس از مدتی بایستی تامین شود زیرا مواد مغذی در بستر شروع به کم شدن می‌کند. معمولا مواد مغذی به طور متناوب روی مواد پکینگ اسپری می‌شود. پاشیدن آب بر روی بستر فیلتر نیز به صورت متناوب اعمال می‌شود تا از رطوبت مناسب در داخل مدیای پکینگ اطمینان حاصل شود و امکان شستشوی محصولات جانبی تجزیه شده فراهم شود. در بیوفیلتر، میزان بار گذاری ورودی VOC یا بو معمولا کمتر از 1 گرم بر متر مکعب است. اگرچه بیوفیلتر‌ها راندمان کاهش بو را همیشه بیشتر از 80 درصد نشان می‌دهند، راندمان حذف VOC، 20 تا 90 درصد است. بنابراین پارامتر‌های عملیاتی باید به طور ایمن حفظ شوند تا از حذف موثر VOC‌ها اطمینان حاصل شود.

2. صافی‌های چکنده زیستی (بیوفیلتر‌های چکنده)

صافی‌های چکنده زیستی (Bio trickling filters) از نظر ساختار شبیه به بیوفیلترها هستند با این تفاوت که به جای مرطوب کردن هوا (پیش‌مرطوب‌سازی)، یک بستر مایع همیشه در گردش (در جهت جریان یا خلاف جهت جریان)وجود دارد و از پکینگ‌های مصنوعی استفاده می‌شود. صافی‌های چکنده زیستی می‌توانند غلظت بالایی از آلودگی را کنترل کنند. معمولا از پلاستیک‌ها، سرامیک‌ها‌، رزین‌ها، کربن فعال گرانولی، سنگ‌ها و... به عنوان بستر استفاده می‌شود. به دلیل خاصیت خنثی بودن مواد پکینگ، در صافی‌های چکنده زیستی بایستی تلقیح با میکروارگانیسم‌ها انجام شود زیرا پکینگ ماهیت غیر آلی داشته و برای حفظ فعالیت میکروبی، افزودن محلول غذایی لازم است. میکروارگانیسم‌ها عمدتا در بستر مصنوعی به صورت یک لایه ثابت رشد می‌یابند.

آلاینده‌ها از فاز گاز به فاز مایع انتقال یافته و بیوفیلم برای تجزیه آن شکل می‌گیرد. از آنجایی که یک فاز جریان دائمی مایع در فیلتر چکنده زیستی وجود دارد، مزایایی برای امکان تنطیم pH، غلظت مواد مغذی و حذف فراورده‌های جانبی تخریب فراهم می‌سازد.

اگر چه این فیلترها چکنده زیستی برای تصفیه آلاینده‌هایی که به آسانی در آب حل می‌شوند مناسب است، اما برای آلاینده‌های کم محلول مناسب نیست (Francisco, 2014). در فیلترهای چکنده زیستی، به طور کلی میزان بارگذاری VOC ورودی یا بو کمتر از 0.5 گرم بر متر مکعب (<0.5 g m-3) است (Frederickson et al.).

سامانه فیلتر چکنده زیستی

3. بیواسکرابرها(Bio scrubbers)

در بیواسکرابر، گاز آلوده از دو طریق تصفیه می‌شود. در مرحله اول، جریان هوای آلوده با آب در یک راکتور پرشده از مدیا برخورد می‌کند و منجر به جذب آلودگی به فاز مایع می‌شود. سپس مایع به یک راکتور لجن فعال یا هر واحد بیولوژیکی که در آن آلاینده‌ها از نظر بیولوژیکی تصفیه می‌شوند هدایت می‌شود. پساب مایع تصفیه شده از بیوراکتور دوم (پس از زلال سازی) مجددا به راکتور اول منتقل می‌شود. از این رو، راکتوردوم به بیواسکرابر اجازه می‌دهد تا غلظت بالایی از VOCs را نسبت به بیوفیلتر‌ها تصفیه کند. از آنجا که جذب و تجزیه زیستی در دو راکتور مختلف اتفاق می‌افتد، بهینه سازی این راکتورها را می‌توان انجام داد. فیلتر‌های چکنده زیستی و بیواسکرابرها به دلیل وجود فاز مایع، امکان کنترل بیشتری بر روی pH، مواد مغذی و حذف محصولات جانبی تجزیه شده وجود دارد. 

عیب اصلی بیو اسکرابر نسبت به بیوفیلتر، خروج پساب اضافی است. از آنجایی که این سیستم متکی به جذب است، فقط میتوان آلاینده‌های بسیار محلول در آب را به طور موثر تصفیه کرد. از آنجایی که بخش بزرگی از VOCهای منتشر شده، ماهیت نسبتا آبگریزی دارند، ازاینرو اجرای فرایند بیو اسکرابر محبوبیت کمتری پیدا می‌کند. در بیواسکرابر، بارگذاری VOC یا بوی ورودی معمولا کمتر از 5 گرم بر متر مکعب (<5 g m^-3) است (Frederickson et al.).

سامانه بیواسکرابر

در صنایع آبکاری به ویژه آبکاری کروم سخت مقادیر زیادی از ترکیبات کروم به ویژه اسید کرومیک در هوا انتشار می‌یابد. استفاده از اسکرابرهای اسید کرومیک برای واحدهای آبکاری ضروری هست. این اسکرابرها نه تنها با جلوگیری از استنشاق دودهای سمی از سلامت نیروهای بهره بردار محافظت می‌کند، بلکه اطمینان از رعایت مقررات زیست محیطی نیز حاصل می شود. لازم است با استفاده از یک اگزاست فن و یک اسکرابر شیمیایی نسبت به جذب این ترکیبات موجود در هوا اقدام نمود. برای این منظور می‌توان از یک اسکرابر شیمیایی مرطوب استفاده نمود. در این نوع اسکرابر شبیه بیواسکرابر از یک مدیای پلیمری استفاده می‌گردد و با گردش جریان آب برخلاف جریان عبور هوا، ترکیبات کروم پس از محلول شدن در مایع در حال گردش از هوا حذف می‌گردد. در برخی از واحدها به صورت سنتی از ضایعات تراش قطعات پلی اتیلنی بعنوان بستر ضداسید برای این گونه اسکرابرها استفاده می‌نمایند. پس از مدتی میزان ترکیبات محلول کروم در مایع در حال گردش افزایش یافته و pH آن کاملا اسیدی می‌گردد. در این مرحله بایستی نسبت به تخلیه این پساب حاوی کروم که به رنگ زرد ناشی از ترکیبات کروم شش ظرفیتی است، اقدام نمود. 

نمونه یک اسکرابر مرطوب تصفیه هوای حاوی اسید کرومیک در واحد آبکاری کروم سخت

در بیواسکرابر ترکیبات آلاینده در یک راکتور دوم تصفیه بیولوژیکی می‌شود. اما در مورد پساب حاوی کروم تخلیه شده از اسکرابر شیمیایی واحد آبکاری بایستی فرایند تصفیه شیمیایی به روش احیاء کروم صورت پذیرد. برای این منظور از متابی سولفیت سدیم برای تبدیل کروم شش ظرفیتی به کروم سه ظرفیتی استفاده می‌گردد. این فرایند در محیط اسیدی (pH کمتر از 3) صورت می‌پذیرد و رنگ محلول از حالت زرد خارج می‌گردد. در ادامه لازم است کروم سه ظرفیتی احیاء شده با افزودن یک ماده قلیایی نظیر سود و یا آهک ترسیب گردد. مقدار مورد نیاز از آهک یا سود را می‌توان با استفاده از یک کاغذ pH کنترل نمود. بهترین pH مناسب برای ترسیب کروم در محدوده 7 تا 8.5 می‌باشد. رسوبات هیدروکسید کروم با متوقف کردن عملیات همزدن ته نشین گردیده و به راحتی می‌توان آب تصفیه شده را در محیط تخلیه نمود. لازم است رسوبات با استفاده از یک بستر شنی یا دستگاه فیلترپرس جداسازی و به صورت بهداشتی جهت تحویل به واحدهای مجاز دفع کننده پسماندهای ویژه (دارای مجوز از سازمان حفاظت محیط زیست) آماده می‌گردد. در برخی مواقع به دلیل غلظت زیاد محلول کروم شش ظرفیتی ممکن است در مشاهده تغییر رنگ ناشی از احیاء کروم اشکال ایجاد شود، در این حالت لازم است با رقیق کردن محلول نسبت به اطمینان از انجام واکنش اقدام نمود. در این حالت به راحتی می‌توان پایان واکنش را مشاهده نمود.

مراحل احیای کروم شش ظرفیتی:

3NaHSO₃ + 2H₂CrO₄ + 3H₂SO₄ è Cr₂ (SO₄)₃ + 5H₂O + 3NaHSO₄

Na₂Cr₂O₇ + 3NaHSO₃ + 4H₂SO₄ è Cr₂ (SO₄)₃ + 3NaHSO₄ + Na₂SO₄ + 4H₂O

Cr³⁺ +3NaOH è Cr (OH)₃

 منابع و مراجع

[1] Serge Vigneron (2019), Biofiltration for VOCs and odours reduction: the green way for a friendly environment. My story with openTOP and container biofilters. https://www.linkedin.com/pulse/biofiltration-vocs-odours-reduction-green-way-my- story-serge-vigneron

[2] Renee Groskreutz, P.E. CH2M HILL. SCAP Biosolids Workshop. September 28, 2004. Page 2.

 [3] Renee Groskreutz, P.E. CH2M HILL. BIOFILTERS for Emission and Odor Control. SCAP Biosolids Workshop September 28, 2004.

[4] Tim O'Neill & Aimee Manderlink, (2022), Biofilter Theory, Design, and Operation. White Papers ECS Staff, .https://compostsystems.com/biofilter-theory-design-operation

[5] Piotr Rybarczyk, (2022), Removal of Volatile Organic Compounds (VOCs) from Air: Focus on Biotrickling Filtration and Process Modeling ,Processes 2022, 10, 2531. https://doi.org/10.3390/pr10122531

لینک مقاله:

https://irancoat.ir/wp-content/uploads/2024/12/%D9%81%D8%B5%D9%84-%D9%86%D8%A7%D9%85%D9%87-%D9%BE%DB%8C%D8%A7%D9%85-%D8%A2%D8%A8%DA%A9%D8%A7%D8%B1-%D9%BE%D8%A7%DB%8C%DB%8C%D8%B2-1403.pdf