روش‌هاي كنترل و تصفيه آلودگي هوا در صنعت
با افزايش دانش در مورد اثرات زيان بار آلاينده‌هاي محيطي، صنايع با مقررات سخت‌گيرانه‌تري براي تخليه هواي آلوده ناشي از فعاليت‌هاي مختلف به محيط مواجه مي‌شوند. اين مقررات به طور فزاينده‌اي سخت‌گيرانه هستند و حدود قانوني انتشارا مدام در حال كاهش هستند.
براي تصفيه‌ي هواي آلوده و بوزا، فن‌آوري‌هاي مختلفي وجود دارد كه به سه دسته تقسيم مي‌شوند:
الف) روش‌هاي فيزيكي مثل متراكم‌سازي، جذب روي كربن فعال، جذب در مايع (اسكرابر آب تميز)
ب) روش‌هاي شيميايي مثل اسكرابر شيميايي (قليايي، اكسيد كننده، يا كاتاليزوري)، اكسيداسيون كاتاليزوري، اكسيداسيون كاتاليتيكي، ازن زني.
ج) روش‌هاي بيولوژيكي مثل بيوفيلتر، بيواسكرابر، صنايع چكنده، لجن فعال
تا كنون متداولترين روش‌هاي تصفيه هوا روش‌هاي فيزيكوشيميايي مثل اسكرابر، جذب متراكم‌سازي و اكسيداسيون بوده است اگرچه در سال‌هاي اخير مشخص شده است كه روش‌هاي بيولوژيكي مي‌توانند به عنوان يك گزينه مؤثر و اقتصادي براي تصفيه‌ي آلودگي هوا استفاده شوند.
مشخصه‌هاي اصلي در انتخاب روش تصفيه عبارتند از:
- مشخصات محل از جمله قابليت‌هاي بهره‌برداري و نگهداري
- استانداردهاي تخليه و اهداف تصفيه
- ميزان جريان هوا
- آلاينده‌هاي مورد نظر و غلظت هركدام در هواي مورد نظر
- ميزان تغييرات غلظت آلاينده‌هاي مورد نظر
- قابليت اعتماد سيستم كنترل
اسكرابرها بسته به نوع راكتور و نوع روش بهره‌برداري به انواع اسكرابر بستر آكنده، اسكرابر پاششي، اسكرابر جريان تقاطعي تقسيم مي‌شوند.
- سيستم اسكرابر، كنترل، بهره‌برداري و پايش آن:
الف) اجزاي سيستم اسكرابر
اسكرابر ظرفي است كه يا به صورت برج استوانه‌اي عمودي با جريان گاز و مايع مخالف يا به صورت بستر افقي با جريان تقاطعي گاز و مايع طراحي مي‌شود. در داخل ظرف صفحه محافظ بستر، نازل‌هاي پخشان مديا و وسيله‌ي حذف كننده ميست قرار مي‌گيرد. صفحه محافظ مواد بستر، مديا را نگه مي‌دارد و در شكل عمودي گاز را در داخل بستر توزيع مي‌كند. بالاي اين صفحه مواد بستر ساخته شده از سراميك، فلز يا مواد پلاستيكي قرار مي‌گيرد. متداولترين مواد مورد استفاده به عنوان بستر به اشكال Saddle ، كره، Aellerttes يا حلقه هستند. هدف از اين مديا ايجاد تماس بين مايع شوينده و گاز است. بنابراين هرچه سطح ويژه مدياي مورد استفاده بيشتر باشد، تماس بيشتر و سرعت انتقال جرم آلاينده از فاز گاز به فاز مايع بيشتر و در نتيجه راندمان بيشتر مي‌شود. نازل‌هاي پخششان در قسمت بالاي مديا نصب مي‌شود و مايع شوينده را به سيستم تزريق مي‌كنند. نازل‌هاي مورد استفاده معمولاً الگوي پخش مخروطي كامل را ايجاد مي‌كنند. وسليه‌ي حذف كننده ميست در بالاي نازل‌ها و قسمت خروجي اسكرابر و به منظور حذف قطرات مايع از جريان هواي خروجي نصب مي‌شود.
ب) كنترل سيستم
در اسكرابر بستر آكنده بايد حجم مشخص از مايع شوينده در داخل چاهك زير مديا وجود داشته باشد. اين كار توسط سيستم كنترل ارتفاع آب در چاهك، انجام مي‌شود. هرگونه نقص اين سيستم منجر به ناكارآمد شدن سيستم مي‌شود. سيستم بايد مجهز به سيستم كنترل خودكار pH مايع شوينده باشد. pHمتر در داخل چاهك اسكرابر قرار داده مي‌شود. در اسكرابرهاي اكسيد كننده، يك سيستم كنترلي براي اطمينان از كفايت درجه اكسيداسيوني مايع شوينده بايد نصب شود. براي اين كار معولاً از پتانسيل اكسيداسيون – احيا (ORP) استفاده مي‌شود. زيرا ORP به راحتي در مايع شوينده قابل پايش و اندازه‌گيري است.
ج) بهره‌برداري و نگهداري:
بهره‌برداري مداوم از يك اسكرابر ممكن است منجر به تجمع مواد در داخل سيستم شود. بنابراين تميز كردن دوره‌اي اسكرابر ضروري است. اين كار بويژه وقتي از پرمنگنات پتاسيم به عنوان اكسيد كننده استفاده مي‌شود، ضرورت دارد زيرا در اين صورت رسوب دي‌اكسيد منگنز MnO2 قهوه‌اي رنگ شكل مي‌گيرد.
د) پايش و كنترل فرآيندها معمولاً شامل كنترل pH و اكسيد كننده‌هاست. پايش تكميلي معمولاً شامل كنترل مكرر مقدار اكسيژن در محلول شوينده براي اطمينان از اكسيد شدن آنها بلافاصله بعد از جذب در مايع مي‌باشد.
1- اسكرابر قليايي: متداولترين سيستم براي حذف آلاينده استفاده از اسكرابر نوع برج آكنده و بازچرخش مايع شوينده كه pH آن با افزودن قلياها بالا برده مي‌شود كه به اين اسكرابرها قليايي گفته مي‌شود. اين اسكرابرها آلاينده را از هواي عبوري گرفته و به مايع شوينده انتقال مي‌كنند و سپس آن را از مايع به صورت سرريز يا جريان تخليه حذف مي‌كنند. مقدار آلاينده حذف شده در اين اسكرابرها به pH محلول و رابطه حلاليت بستگي دارد. اين اسكرابرها در pH بالاي 10 مؤثر بوده و هرچه pH بالاتر باشد مقدار آب اضافه شده كمتر است. اگرچه در pH بالاي 11 عمل پوسته گذاري ناشي از رسوب كربنات كلسيم ايجاد مي‌شود و ممكن است باعث گرفتگي تأسيسات شود. مقاومت و سختي پوسته‌گذاري و كربنات كلسيم تابع سختي آب و مقدار دي‌اكسيد كربن موجود در گاز عبوري است. بنابراين انتخاب pH و ميزان جريان آب جبراني به هزينه آب جبراني و شدت مشكل پوسته‌گذاري بستگي دارد. تقريباً در اغلب موارد در pH بالاتر از 5/12 پوسته‌گذاري بسيار شديد و مشكل‌ساز مي‌شود.
معيارهاي طراحي اسكرابر قليايي
معيارهاي طراحي اسكرابر قليايي برج آكنده عبارتند از:
- زمان ماند هواي آلوده: 6/1 – 3/1 ثانيه
- ارتفاع بستر 3- 8/1 متر
- ميزان جريان مايع شوينده air flow l/s per m3/s 3-2
- pH : 5/12 – 11
- ميزان جريان آب جبراني
- ميزان قلياي مورد نياز
2- اسكرابر اكسيد كننده:
در اسكرابر شيميايي اكسيد كننده از يك ماده اكسيدان براي اكسيد كردن آلاينده جذب شده در مايع شوينده به تركيبات پايدار استفاده مي‌شود. اين روش امكان انتشار مجدد آلاينده جذب شده در مايع به محيط را برطرف مي‌سازد.
بين تركيبات اكسيد كننده مصرفي هيپوكلريت پركاربردترين اكسيد كننده شيميايي براي اسكرابرهاي شيميايي بالاخص براي حذف VOC ها است. تركيبات خاصي مثل آمونياك و ساير تركيبات آمونياكي در صورت وجود در گاز ورودي به اسكرابر شيميايي اكسيد كننده، اكسيد شده و توليد تركيبات سمي‌تر و بودارتري مثل كلرآمين‌ها را مي‌نمايد. بنابراين اين تركيبات نيتروژنه بايد قبل از ورود به اسكرابر حاوي محلول كلرينه، توسط جذب در اسيد (pH 2 تا 6) حذف شود.
شايعترين مشكل برج‌هاي آكنده، گرفتگي نازل‌هاست. كه ممكن است ناشي از طراحي نامناسب آنها يا بهره‌برداري نامطلوب از اسكرابر باشد. معمول‌ترين مواد شيميايي مورد استفاده از اسكرابرهاي شيميايي و اكسيد كننده براي حذف S2H بوسيله‌ي اين اسكرابرها عبارتند از:
- هيپوكلريت سديم NaOCl
- گاز كلر 2Cl
- پراكسيد هيدروژن 2O2H
- پرمنگنات پتاسيم 4MnO2K
3- اسكرابر پاششي:
سيستم اسكرابر پاششي نوع ديگر اسكرابر است كه براي جذب گازها در فاز مايع و احتمالاً اكسيد كردن آنها استفاده مي‌شود. در اين سيستم برخلاف اسكرابر بستر آكنده، بستر وجود ندارد. اين سيستم به دليل آنكه بستري در آن نيست، سطح تماس كمتري نسبت به اسكرابر برج آكنده دارد.
در اسكرابر پاششي تماس گاز با مايع شوينده از طريق اسپري كردن مايع و تبديل آن به قطرات ريز انجام مي‌شود. براي برقراري تماس كافي بايد قطرات مساحت كافي داشته باشند. و زمان تماس كافي بين سطح گاز و قطرات مايع برقرار شود. به محض جذب شدن آلاينده در داخل قطره مايع عمل اكسيداسيون آن انجام مي‌شود.
شايد مهمترين عامل طراحي و بهره‌برداري در اسكرابر پاششي، اندازه قطرات مايع شوينده باشد. گستره متداول اندازه ذرات در اسكرابر پاششي براي كنترل بوي S2H و بوهاي ديگر تقريباً mµ 20-1 است. اين ذرات بايد سرعت ته نشيني مناسب را داشته باشند تا تماس كافي بين گاز و مايع برقرار شود. سرعت ته‌نشيني يك قطره mµ10 حدود cm/s 3/0 است. هرچه اندازه ذرات كوچكتر باشد، تعداد ذرات افزايش و سطح تماس نيز بيشتر مي‌شود. يك روش كاهش اندازه ذرات بدون افزايش مصرف انرژي استفاده از سورفاكتانت‌ها است، چون كشش سطحي مايع را كاهش مي‌دهد. يكي از مشكلات اين نوع اسكرابرها، گرفتگي نازل‌ها به دليل كوچك بودن منافذ آن‌هاست.
مزايا و معايب اسكرابرهاي پاششي
مزايا:
- افت فشار كم در سيستم
- قابليت پذيرش جريان بالاي گاز
- قابليت بالاي انتقال جرم
معايب:
- نياز به انرژي زياد
- نياز به نگهداري زياد نازل‌ها
- خروج ميست به همراه هواي خروجي
- زمان ماند بالا
- مشكل زيبايي شناختي طرح به خاطر ظرف افقي بزرگ
- نامطلوب براي آلاينده‌هاي بوزاي آلي با حلاليت كم.
معيارهاي طراحي و بهره‌برداري اسكرابرهاي پاششي
- اندازه ميست (mµ 20-1)
- زمان ماند گاز-ميست در راكتور s60-3
- افت فشار سيستم O2in H 5 -5/0
- ميزان جريان هوا /min3ft 40000- 500
بيواسكرابرهاي رشد چسبيده (صافي چكنده بيولوژيكي)
بيواسكرابرها راكتورهايي هستند كه در آنها جريان هواي حاوي آلاينده با يك محلول شوينده تماس داده مي‌شود. تفاوت اصلي بين بيوفيلترها و بيواسكرابرها اين است كه در بيواسكرابرها هواي آلوده با يك فاز مايع در حال حركت تماس داده مي‌شود در حاليكه فاز مايع در بيوفيلترها روي بيوفيلم ثابت است.
بسته به محيط رشد ميكروارگانيزم‌ها، بيواسكرابرها به دو نوع بيواسكرابرهاي رشد چسبيده و بيواسكرابرهاي رشد معلق تقسيم‌بندي مي‌شوند. بيواسكرابرهاي رشد چسبيده توسط برخي محققين صافي چكنده بيولوژيكي ناميده شده است. معمول‌ترين نوع بيواسكرابرها، بيواسكرابرهاي رشد چسبيده يا صافي‌هاي چكنده بيولوژيكي هستند كه در آن آلاينده در مايع شوينده، كه به طور مداوم روي بستر حركت مي‌كند، جذب و تجزيه‌ي بيولوژيكي آن در راكتور بستر آكنده انجام مي‌شود. بيواسكرابرهاي رشد چسبيده مثل بيوفيلترها كار مي‌كنند به جز اينكه يك مايع شوينده روي بستر آكنده از مواد سنتتيك مثل حلقه‌هاي پلاستيكي، فوم‌هاي داراي منافذ باز و غيره پاشيده مي‌شود.
در اين سيستم هواي حاوي آلاينده از ميان يك بستر حاوي مواد بي‌اثر كه يك لايه جرم سلولي روي آن وجود دارد عبور داده مي‌شود. بازچرخش مايع شوينده و پاشيدن روي مواد بستر رطوبت لازم نوترينت‌هاي مورد نياز ميكروارگانيزم‌ها را تأمين مي‌كند. آلاينده‌ها در لايه مايع حركت در بستر حل شده سپس به داخل بيوفيلم منتشر مي‌شوند كه در آنجا توسط ميكروارگانيزم‌ها اكسيد مي‌گردند. جريان هوا مي‌تواند به صورت رو به بالا يا رو به پايين باشد.
محلول شوينده حاوي نوترينت‌هاي ضروري براي ميكروارگانيزم‌ها مثل نيتروژن، فسفرها، پتاسيم و غيره بوده و معمولاً بازچرخش مي‌شود. اين سيستم پيچيده‌تر از بيوفيلترهاست اما بويژه براي تصفيه كردن تركيباتي مثل H2S كه محصولات نهايي اسيدي توليد مي‌كنند يا تركيباتي كه نسبت به تجزيه مقاومند، مؤثرتر است. صافي‌هاي چكنده بيولوژيكي مي‌توانند با ارتفاع بيشتري نسبت به بيوفيلترها ساخته شوند. بنابراين مساحت كمتري لازم دارند. به علت وجود فاز مايع آزاد، كنترل شرايط راحت‌تر است. اين راكتور جديدتر از بيوفيلترها بوده و هنوز در مقياس صنعتي به كار گرفته نشده است.
در بيواسكرابرها به دليل وجود يك لايه مايع در حال حركت، كنترل pH و نوترينت‌ها در سيستم نسبت به بيوفيلترها راحت‌تر است. بنابراين مشكل تجمع فراورده‌هاي صافي روي بيوفيلم كه اثر بازدارنده بر فعاليت ميكروارگانيزم‌ها دارند، وجود ندارد. زيرا محصولات واكنش مدام از روي بستر شسته مي‌شوند. مهمترين نقص اين سيستم مسأله انتقال گاز به خاطر ضرورت انحلال آلاينده در يك فاز مايع است. روش‌هاي بهبود سرعت انتقال جرم در اين راكتور شامل انتخاب بستر مناسب با سطح ويژه بالا و پاشيدن متناوب مايع روي بستر براي كاهش لايه آب روي بيوفيلم است. اين سيستم مي‌تواند به طور مؤثر براي تصفيه هواي حاوي آلاينده‌هاي با ضريب تفكيك هوا/آب كمتر از 1/0 به كار گرفته شود. سطح تر شده (سطح مؤثر) صافي چكنده بيولوژيكي معمولاً كمتر از 50 درصد كل مساحت سطح بستر است كه اين مقدار با افزايش ميزان جريان مايع افزايش مي‌يابد. افزايش ميزان جريان باعث افزايش كارايي مي‌شود. اگرچه اين كار هزينه بهره‌برداري را افزايش مي‌دهد. بعنوان يك قانون، در يك راكتور بستر آكنده مساحت ترشده كمتر از نصف كل مساحت سطح ويژه در دسترس است . كاهش ميزان جريان مايع شوينده تا حداقل لازم براي رشد ميكروبي مي‌تواند منجر به تصفيه‌ي مؤثرتر هواي آلوده شود و از تجمع جرم سلولي مازاد روي بستر كه يكي ديگر از مشكلات اين نوع راكتورها مي‌باشد جلوگيري كند. همانطور كه اشاره شد يكي ديگر از مشكلات و محدوديت‌هاي صافي‌هاي چكنده بيولوژيكي مورد استفاده در تصفيه‌ي هوا رشد بيش از حد بيوفيلم روي بستر بوده كه باعث افزايش افت فشار و نهايتاً گرفتگي بستر مي‌گردد. مهمترين روش‌هاي كاهش و جلوگيري از اين پديده شامل محدود كردن نوترينت‌ها و يا شستشوي بستر است. محدود كردن نوترينت‌ها ممكن است منجر به كاهش كارايي راكتور به دليل كاهش فعاليت ميكروارگانيزم‌ها مي‌شود. مزايا و معايب صافي چكنده بيولوژيكي را بعنوان يك فن‌آوري تصفيه‌ي هواي آلوده در جدول 3 خلاصه شده است.
اصول عملكرد:
مبناي كار راكتور بيواسكرابر رشد چسبيده حذف آلاينده‌ها در نتيجه تلفيق پديده‌هاي فيزويكوشيميايي و بيولوژيكي است. شناخت اين پديده‌ها كليد توسعه موفقيت‌آميز اين فن‌آوري است. در اين سيستم هواي آلوده به صورت رو به بالا يا رو به پايين به داخل يك بستر آكنده رانده مي‌شود. از لحاظ عملكردي جهت جريان هوا اهميتي ندارد. بستر آكنده معمولاً از مواد بي‌اثري مثل مواد پلاستيكي، فوم مصنوعي، با منافذ باز يا سنگ‌هاي آتشفشاني است. طي فرايند تصفيه يك فاز مايع روي بستر بازچرخش مي‌شود. اين فاز مايع رطوبت، نوترينت‌هاي لازم براي ميكروارگانيزم‌ها را فراهم آورده و براي كنترل pH يا ساير پارامترهاي عملكردي استفاده مي‌شود.
به طور مداوم آب به همراه نوترينت‌هاي لازم براي جبران آب تبخير، شده ما تأمين نوترينت‌ها و دفع محسولات واكنش به سيستم اضافه مي‌شود. در هنگام استفاده از اين سيستم براي حذف H2S در تصفيه‌خانه‌هاي فاضلاب مي‌توان از پساب ثانويه به عنوان مايع جبراني و تأمين نوترينت‌ها استفاده كرد.
به طور كلي بيشتر آلاينده در بيوفيلم تجزيه مي‌شود اما ممكن است بخشي از آن نيز به وسيله‌ي ميكروارگانيزم‌هاي معلق در مايع برگشتي حذف شوند. متابوليت‌هاي حاصل از تجزيه بيولوژيكي سيستم را ار طريق دفع بخشي از مايع ترك مي‌كنند. معمولاً كمتر از 10 درصد كربن-آلاينده ورودي به سيستم از اين طريق دفع مي‌شوند. ميكروارگانيزم‌هاي موجود در سيستم‌هاي هوازي بوده و نوع غالب آنها بسته به نوع آلاينده تصفيه شونده دارند. در تصفيه VOC ها هتروتروف، H2S اتوتروف‌ها و تركيباتي مثل دي متيل و دي اتيل سولفيد هم اتوتروف‌ها و هم هتروتروف‌ها وجود دارند.
با رشد جرم سلولي بخشي از بيوفيلم غير فعال مي‌شود و تجزيه كننده‌هاي اصلي مثل باكتر‌ها و قارچ‌ها تنها بخش كمي از كل جمعيت بيوفيلم را تشكيل مي‌دهند. تجزيه كننده‌هاي ثانويه از متابوليت‌ها و بيوپليمرها تغذيه كرده يا از باكتري‌ها و قارچ‌ها بعنوان غذا استفاه مي‌كنند. موجودات عالي‌تر مثل پروتوزئرها و روتيفرها نقش مهمي در كاهش تجمع جرم سلولي و بازيابي نوترينت‌هاي معدني اساسي بازي مي‌كنند. شرايط واكنش در صافي‌هاي چكنده بيولوژيكي مي‌تواند با كنترل pH، غلظت نوترينت‌ها و محصولات نهايي متابوليز در مايع برگشتي كنترل شود. تصفيه تركيبات گوگرددار و كلردار در اين سيستم منجر به تجمع غلظت بالايي از سولفات يا كلريد در مايع برگشتي مي‌شود. اگر غلظت اين نمك‌ها بالا رود، روي تجزيه بيولوژيكي اثر بازدارنده داشته و بنابراين با تزريق آب تازه بايد از سيستم دفع شوند. ميزان افزودن آب تازه يا رقيق‌سازي با اندازه‌گيري مداوم هدايت الكتريكي مايع برگشتي يا با استفاده از الكترودهاي يون انتخابي كنترل مي‌شود.
عوامل مؤثر بر عملكرد
مزايا و معايب صافي چكنده بيولوژيكي
مزايا
- طراحي ساده و انعطاف پذير
- هزينه سرمايه گذاري و بهره‌برداري نگهداري كم
- قابليت تصفيه H2S تا ppm500
- سهولت حذف محصولات واكنش
- سهولت كنترل فرايند بيولوژيكي
- ظرفيت خوگيري خوب جرم سلولي فعال
- امكان حذف ذرات معلق از هواي ورودي
معايب
- معيارهاي طراحي و در حال تكميل
- انحلال آلاينده از گاز به لايه محدود كننده سرعت است لذا زمان ماند زياد نياز دارد
- ضرورت تعويض مكرر مديا
- افزايش نگهداري سازه (خوردگي تأسيسات)
- تنها تقريباً 60 درصد حذف H2S
- تجمع جرم سلولي در بستر، سطح ويژه را كاهش و افت فشار را افزايش مي‌دهد كه منجر به كاهش كارايي سيستم مي‌شود
چون عملكرد بيواسكرابرها به فعاليت ميكروارگانيزم‌ها به عنوان اكسيد كننده‌هاي آلاينده‌هاي ورودي بستگي دارد، عوامل مختلفي مي‌تواند بر آن تأثير بگذارد. مهمترين عوامل مؤثر بر كارايي بيواسكرابرهاي رشد چسبيده دما، اكسيژن، نوع بستر، اكولوژي ميكروبي، نوترينت‌ها و بازچرخش مايع است.
الف) دما
به طور كلي بيواسكرابرها در دماي بين C˚40-10 بهره‌برداري مي‌شود كه معمولاً گسترده‌ي دماي رشد ميكروارگانيزم‌ها مزوفيليك است. عملكرد اين سيستم‌ها بوسيله‌ي سرعت واكنش بيولوژيكي يا سرعت انتقال جرم محدود مي‌شود. چون دما اثر متفاوتي روي هركدام از اين دو حالت دارد بنابراين تأثير آن روي عملكرد صافي چكنده بيولوژيكي متغير بوده و به نوع كاربرد آن بستگي دارد. افزايش دما باعث كاهش ثابت هنري كه سرعت انتقال جرم به آن بستگي دارد مي‌شود و بنابراين باعث افزايش ضريب انتشار جرم و نهايتاً سرعت انتقال جرم آلاينده بر بيوفيلم مي‌گردد. اثر دما روي فعاليت ميكروارگانيزم‌ها كاملاً مشخص است بطوريكه تا حدود دماي بهينه، افزايش دما فعاليت ميكروبي را افزايش مي‌دهد. دماي بالاي حد بهينه باعث كاهش عملكرد سيستم مي‌شود. بسياري از گازهاي صنعتي دمايي بالاي حد مزوفيليك دارند. سرد كردن قبل از ورود به راكتور يك راهكار بوده كه پرهزينه است. راهكار ديگر استفاده از ميكروارگانيزم‌هاي ترموفيليك است كه مطالعاتي نيز روي آن انجام شده است.
ب) اكسيژن
غلظت اكسيژن در بيشتر گازهاي آلوده چندين برابر غلظت آلاينده است. اگرچه، به علت حلاليت كم اكسيژن در آب، عملكرد صافي چكنده بيولوژيكي ممكن است به وسيله‌ي انتقال جرم اكسيژن به بيوفيلم محدود شود. محدوديت اكسيژن زماني رخ مي‌دهد كه عمق نفوذ اكسيژن در بيوفيلم كمتر از آلاينده است كه باعث ايجاد يك لايه بي‌هوازي در قسمت‌هاي عميق‌تر بيوفيلم نزديك به سطح مديا مي‌شود. اين حالت زماني ايجاد مي‌شود كه غلظت آلاينده در هواي ورودي زياد باشد. وقوع محدوديت اكسيژن به سرعت مصرف اكسيژن آلاينده از يك طرف و سرعت انتشار در بيوفيلم از طرف ديگر بستگي دارد. اين حالت با استفاده از رابطه زير محاسبه مي‌شود:
A = (DO2 . VP . CO2,i) / DP . VO2 . CP,i
كه در آن:
DO2,i و DP : ترتيب ضريب انتشار اكسيژن و آلاينده در بيوفيلم
CP , CO2 : به ترتيب غلظت اكسيژن و آلاينده در سطح بيوفيلم
VP , VO2 : مقدار اكسيژن و آلاينده در سطح بيوفيلم
وقتي A<1 باشد، محدوديت اكسيژن رخ مي‌دهد، در صورتي كه A>1 نشان دهنده‌ي وجود محدوديت انتقال جرم آلاينده است.
ج) مواد بستر
تا كنون مواد مختلفي بعنوان بستر در صافي‌هاي چكنده بيولوژيكي استفاده شده كه مهمترين آنها عبارتند از : مواد پلاستيكي، فوم پلي‌اورتان با منافذ باز، مواد فيبري، مواد سراميكي، كربن فعال و سنگ آتشفشاني. مهمترين خصوصيت يك بستر مناسب براي اين نوع راكتورها سطح ويژه زياد، تخلخل بالا، پايداري شيميايي، مقاومت فيزيكي، وزن كم، سطح مناسب براي چسبيدن ميكروارگانيزم‌ها و تشكيل بيوفيلم و هزينه كم است. انتخاب يك بستر مناسب در عملكرد يك بيوراكتور اهميت بسياري دارد.
ه) تلقيح و اكولوژي ميكروبي
برخلاف بيوفيلترها كه ميكروارگانيزم‌ها در بستر آنها وجود دارند، صافي‌هاي چكنده بيولوژيكي نياز به تلقيح ميكروارگانيزم‌هاي مناسب دارند. براي اين كار معمولاً از منابع زير مي‌توان استفاده كرد:
· لجن فعال تصفيه خانه فاضلاب
· خاك با نمونه آب حاصل از محل‌هاي آلوده به آلاينده مورد نظر
· مخلوط ميكروبي غني‌سازي شده در آزمايشگاه
· ميكروارگانيزم‌هاي خالص شده در آزمايشگاه
· جرم سلولي از سيستم‌هاي تصفيه‌كننده‌ي آلاينده‌ي مشابه
انتخاب منبع تلقيح زماني كه آلاينده نسبت به تجزيه مقاوم باشد اهميت بيشتري دارد. براي آلاينده‌هاي آسان تجزيه‌پذير يا براي گازهاي مخلوط مثل بوزاها، اغلب لجن فعال كفايت مي‌كند. وقتي آلاينده نسبت به تجزيه مقاوم است مثل MTBE، استفاده از مخلوط ميكروبي خو گرفته ترجيح داده مي‌شود. همانطور كه قبلاً اشاره شدف در صافي‌هاي چكنده بيولوژيكي جمعيت مخلوطي از انواع ارگانيزم‌ها مثل باكتري‌ها، قارچ‌ها، پروتوزئرها، جلبك‌ها و ساير ارگانيزم‌هاي عالي‌تر يافت مي‌شوند.
و) نوترينت‌ها
براي به حداكثر رساندن ظرفيت حذف آلاينده بايد نوترينت به اندازه‌اي باشد كه بتواند يك جرم بيولوژيكي فعال و در حال رشد را تأمين كند. در مورد تجزيه آلاينده‌هايي كه بعنوان منبع كربن و انرژي مصرف مي‌شود مثل VOC ها عناصر معدني بايد به آن اضافه شود. وقتي غلظت نوترينت‌ها بيش از حد نياز ميكروارگانيزم‌ها باشد، عملكرد سيستم حداكثر بوده و آلاينده‌ي مورد نظر سوبستره‌ي محدود كننده است. نوترينت‌هاي مورد نياز معمولاً نيتروژن، فسفر، پتاسيم و عناصر جزئي هستند. مقدار نوترينتي كه بايد به سيستم اضافه شود مي‌تواند از روي ضرايب بازدهي جرم سلولي محاسبه شود.
ز) بازچرخش مايع
يك شاخصه صافي‌هاي چكنده بيولوژيكي بازچرخش فاز مايع روي بستر است. مايع برگشتي، آب و نوترينت‌ها را براي بيوفيلم تأمين كرده و محصولات متابوليز كه در غير اين صورت روي بيوفيلم تجمع يافته و روي ان اثر سمي دارند را حذف مي‌كند. پايش مداوم و تنظيم پارامترهاي شيميايي در مايع برگشتي كنترل بهتر فعاليت ميكروبي در بيوفيلم را امكان‌پذير مي‌سازد. وجود لايه مايع و امكان شسته شدن محصولات از روي بيوفيلم، اين سيستم را براي تصفيه H2S متناسب مي‌كند.
همان طور كه عنوان شد، صافي‌هاي چكنده بيولوژيكي مي‌توانند يا به صورت هم جريان (جهت حركت مايع و گاز رو به پايين) و يا با جريان مخالف (مايع رو به پايين و گاز رو به بالا حركت مي‌كند) بهره‌برداري شوند. از لحاظ تئوري روش هم‌جرياني بهتر است زيرا مانع دفع آلاينده از فاز مايع در قسمت خروجي گاز مي‌شود. اما نتايج عملي نشان داده است كه هيچ تفاوتي بين اين دو روش وجود ندارد.
ميزان جريان مايع برگشتي اغلب به صورت صرعت سطحي مايع بيان مي‌شود. سرعت مايع برگشتي معولاً بين m/h 10-01/0 است. معمولا با افزايش سرعت مايع برگشتي، ظرفيت حذف بيشتر مي‌شود. اين افزايش يا به افزايش سطح تر شده بيوفيلم و يا به كاهش مقاومت انتقال جرم در فاز مايع نسبت داده مي‌شود. در تصفيه گازهاي حاوي تركيبات هيدروفوب، كاهش سرعت مايع شتسشو يا تزريق متناوب آن انتقال آلاينده را تسريع كرده و كارايي حذف سيستم را بالا مي‌برد.
بيواسكرابرهاي رشد معلق
يكي ديگر از بيواسكرابرهاي مورد استفاده در تصفيه بيولوژيكي هوا، بيواسكرابرهاي رشد معلق است. داده شده است، مشابه بيواسكرابرهاي رشد چسبيده يا صافي‌هاي چكنده بيولوژيكي علاوه بر فاز گاز، داراي يك فاز مايع متحرك است. بيواسكرابر رشد معلق متشكل از يك برج شوينده بدون بستر بوده كه در آن گاز آلوده با فاز آب در تماس قرار داده شده و آلاينده‌ها جذب فاز مايع (آب) مي‌شوند و اين مايع در يك راكتور بيولوژيكي جداگانه مثل لجن فعال به صورت بيولوژيكي تصفيه مي‌شود. پساب خروجي از راكتور بيولوژيكي سپس به ستون جذب برگردانده مي‌شود.. بنابراين آلاينده در ستون جذب، جذب مايع شده و در راكتور بيولوژيكي جداگانه توسط ميكروارگانيزم‌ها اكسيد مي‌شود. راكتور بيولوژيكي محل مناسبي براي كنترل pH افزودن نوترينت‌ها و حذف جرم سلولي اضافي است. اين سيستم براي تركيبات بسيار محلول، كارايي بسيار بالايي دارد، ولي براي تركيبات با حلاليت كم، عملكرد مناسبي ندارد.
بنابراين بيواسكرابر رشد معلق براي آلاينده‌هاي گازي شكل با ثابت هنري يا ضريب تفكيك كمتر از 01/0 مناسب است. اين نكته بسيار مهم است زيرا اغلب آلاينده‌ها فرار بوده و حلاليت كمي در آب دارند. يكي از دلايلي كه اسكرابرها شهرت كمتري نسبت به بيوفيلترها دارند همين مسأله است. اگرچه چند مورد از كاربرد موفقيت‌آميز آنها گزارش شده است. لذا نقص اصلي اين فن‌آوري نياز به حل كردن آلاينده در يك فاز مايع بوده كه در آن مشكلات انتقال جرم آلاينده وجود دارد. زيرا زمان تماس در ستون جذب كوتاه بوده و فاز مايع حاوي ناخالصي‌هاي مختلفي است كه ميزان انتقال جرم را محدود مي‌كند. همچنين رشد جرم سلولي براي كاهش خروجي جامدات و افزايش كارايي حذف گاز بايد كنترل شود.
مزايا و معايب بيواسكرابرهاي رشد معلق
مزايا
- كنترل آسان و مؤثر فرايند به دليل وجود فاز مايع
- حذف فراورده‌هاي حاصل از اكسيد شدن آلاينده به وسيله شستشو و دفع از سيستم
- كنترل آسان تركيب فاز مايع
- ظرفيت خوگيري جرم سلولي تجزيه مؤثر آلاينده را فراهم مي‌آورد
معايب
- متكي به انحلال خوب گاز است بنابراين براي تصفيه گازهاي با ثابت هنر كمتر از 1/0 مناسب است
- رشد جرم سلولي براي كاهش خروجي جامدات معلق و افزايش كارايي بايد كنترل شود
- كنترل نوترينت‌هاي ورودي براي عملكرد مؤثر فرايند ضرور است
با اين وجود، پيشرفت‌هاي اخير نشان مي‌دهد كه اين فن‌آوري براي سولفورزدايي بيولوژيكي ميزان جريان‌هاي بسيار زياد مناسب بوده و نيز بيواسكرابر يكي از چند نمونه سيستم‌هاي بيولوژيكي تصفيه هوا است كه مي‌تواند به صورت بي‌هوازي نيز بهره‌برداري شود.
بيواسكرابر رشد معلق چندين برتري نسبت به سيستم‌هاي داراي بستر دارد. كنترل فرايند بسيار آسانتر است زيرا موازنه pH، دما، نوترينت و حذف محصولات ناشي از تجزيه آلاينده مي‌تواند در آب راكتور تغيير داده شود.
چنانچه اين سيستم در تصفيه‌خانه فاضلاب بكار برده شود مي‌توان از پساب تصفيه شده بعنوان مايع شوينده استفاده نمود. اين كار بويژه در تصفيه هواي حاوي H2S كه ميزان نوترينت مورد نياز كمتر است، افزودن نوترينت به مايع را برطرف مي‌كند.