Các quy trình sinh học thông thường để loại bỏ các chất gây ô nhiễm pha khí

Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) là một trong những chất gây ô nhiễm không khí phổ biến nhất được thải ra từ nhiều nguồn điểm và không điểm, bao gồm các ngành công nghiệp chế biến, ô tô và bề mặt đất đô thị. VOC là tiền thân chính của sự hình thành ôzôn ở tầng mặt đất và chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng quang hóa trong khí quyển, dẫn đến những hiểm họa môi trường nghiêm trọng. Vì vậy, từ góc độ môi trường, cần hạn chế và kiểm soát các khí thải này vì chúng ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu, sự phát triển của thực vật và nói chung là sức khỏe của con người và tất cả các dạng sống. Các tác động sức khỏe đã biết ở người có thể bao gồm, kích ứng đường hô hấp, mắt và mũi, tổn thương gan, thận và hệ thần kinh trung ương, cũng như các phản ứng dị ứng trên da.

Để hạn chế việc thải VOCs vào khí quyển và ngăn ngừa sự suy giảm chất lượng không khí hơn nữa, các quy định nghiêm ngặt đã được thực hiện ở nhiều nước đang phát triển và đang phát triển. Việc đáp ứng các tiêu chuẩn quy định là một thách thức lớn đối với các ngành công nghiệp gây ô nhiễm, các chuyên gia / nhà nghiên cứu môi trường và các nhà quản lý nhà máy. Bên cạnh việc giảm lượng khí thải này tại nguồn của chúng, các kỹ thuật hóa lý và sinh học khác nhau cũng có sẵn để xử lý các dòng khí thải có chứa VOC. Trong một số trường hợp cụ thể, tùy thuộc vào tốc độ tải chất ô nhiễm (g VOC / m³.h), sự kết hợp của các kỹ thuật có thể được yêu cầu để giảm mức ô nhiễm xuống dưới giới hạn xả thải quy định. Từ quan điểm thực hành / sản xuất sạch hơn, nên thực hiện theo ” cách tiếp cận phòng ngừa ”, thay vì giảm thiểu hoặc giảm thiểu tác động của VOCs độc hại. Ví dụ, trong ngành công nghiệp dầu mỏ, việc sử dụng các chất hóa học có hại cho dung dịch khoan, chất bôi trơn, chất hoạt động bề mặt, chất khử sunfua, trong số những chất khác, có thể được thay thế bằng việc sử dụng các giải pháp thân thiện với môi trường.

Xử lý sinh học khí thải và mùi hôi đã được chứng minh là một phương án hiệu quả và kinh tế để xử lý các chất ô nhiễm pha khí ở nồng độ thấp và tốc độ dòng khí cao. Công nghệ sinh học để xử lý khí thải khai thác khả năng của một chất xúc tác sinh học thích hợp để khoáng hóa các chất gây ô nhiễm có trong không khí. Các chất ô nhiễm hữu cơ (ví dụ như metanol) được vi sinh sử dụng như một nguồn cacbon và năng lượng. Đáng chú ý là, không chỉ các hợp chất hữu cơ, mà còn các hợp chất vô cơ (ví dụ như hydro sunfua) có thể được loại bỏ một cách hiệu quả bằng cách sử dụng hệ thống xử lý khí thải sinh học. Các cấu hình lò phản ứng sinh học được sử dụng rộng rãi nhất là bộ lọc sinh học, bộ lọc sinh học và bộ lọc sinh học.

Bộ lọc sinh học trong 60-70 năm qua, đã được sử dụng để kiểm soát mùi hôi từ các nhà máy xử lý nước thải, công trình thoát nước, nhà máy sản xuất phân trộn và để loại bỏ VOCs từ không khí bị ô nhiễm. Trong cấu hình lò phản ứng sinh học này, một luồng không khí bị ô nhiễm được làm ẩm và đi theo hướng dòng lên hoặc dòng chảy xuống qua một lớp đệm có chứa các vi sinh vật đã được nuôi cấy hỗn hợp (Hình 1). Khi có oxy, chất ô nhiễm phân hủy sinh học được chuyển đổi thành các hợp chất ít độc hơn như carbon dioxide, nước và chất hữu cơ (sinh khối). Vật liệu đóng gói, độ ẩm, nhiệt độ và độ pH là những điều kiện quan trọng nhất để hoạt động hiệu quả (tức là tuổi thọ) của bộ lọc sinh học. Nếu dòng khí thải chứa VOC được khử trùng bằng clo hoặc VOC kỵ nước, tốc độ tải chất ô nhiễm và / hoặc nồng độ dòng vào ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả của bộ lọc sinh học. Trong các trường hợp cụ thể, tùy thuộc vào thành phần của khí thải, chất xúc tác sinh học có thể cho thấy sự phân hủy sinh học có chọn lọc của các chất ô nhiễm riêng lẻ. Việc thiếu pha lỏng chảy / nhỏ giọt liên tục, thường là môi trường chứa các chất dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng, làm cho bộ lọc sinh học không hiệu quả trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm ưa nước. Để khắc phục những hạn chế này, có thể sử dụng một số cấu hình cải tiến. Chúng bao gồm việc sử dụng bộ lọc sinh học lai (kết hợp quá trình hóa lý + sinh học), bộ lọc sinh học hai giai đoạn, chiến lược cho ăn chia nhỏ và sử dụng bộ lọc sinh học ưa nhiệt hoạt động trong khoảng 45-70 ° C [4-6,8]. thường là môi trường chứa các chất dinh dưỡng và các nguyên tố vi lượng, làm cho bộ lọc sinh học phần nào không hiệu quả để loại bỏ các chất ô nhiễm ưa nước. Để khắc phục những hạn chế này, có thể sử dụng một số cấu hình cải tiến. Chúng bao gồm việc sử dụng bộ lọc sinh học lai (kết hợp quá trình hóa lý + sinh học), bộ lọc sinh học hai giai đoạn, chiến lược cho ăn chia nhỏ và sử dụng bộ lọc sinh học ưa nhiệt hoạt động trong khoảng 45-70 °C. thường là môi trường chứa các chất dinh dưỡng và các nguyên tố vi lượng, làm cho bộ lọc sinh học phần nào không hiệu quả để loại bỏ các chất ô nhiễm ưa nước. Để khắc phục những hạn chế này, có thể sử dụng một số cấu hình cải tiến. Chúng bao gồm việc sử dụng bộ lọc sinh học lai (kết hợp quá trình hóa lý + sinh học), bộ lọc sinh học hai giai đoạn, chiến lược cho ăn chia nhỏ và sử dụng bộ lọc sinh học ưa nhiệt hoạt động trong khoảng 45-70 °C.

Hình 1. Sơ đồ của một bộ lọc sinh học để loại bỏ VOC.

Bộ lọc sinh học có hiệu quả để xử lý VOCs ưa nước và các chất ô nhiễm có mùi khác như hydrogen sulphide. Trong các bộ lọc sinh học, dòng khí thải được đưa qua một tổ hợp vi sinh vật được cố định trên một phương tiện hỗ trợ trơ có diện tích bề mặt riêng và độ xốp cao (Hình 2). Quá trình hấp thụ khí, khuếch tán khí vào màng sinh học, tái sinh pha lỏng và phân hủy sinh học tiếp theo xảy ra đồng thời trong một thiết bị xử lý. Dòng nước tuần hoàn liên tục chứa các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật được phân bổ đều trên lớp lọc. Dòng khí thải đi qua bể sinh học, đồng thời hoặc ngược dòng với dòng chất lỏng và cung cấp nguồn cacbon cần thiết cho các chất xúc tác sinh học.

Hình 2. Sơ đồ của một bộ lọc sinh học để loại bỏ VOC

Máy hút bụi sinh học đặc biệt hiệu quả để loại bỏ mùi hôi và VOCs ưa nước từ khí thải. Nó bao gồm một tháp hấp thụ giai đoạn một và một lò phản ứng sinh học tăng trưởng lơ lửng giai đoạn hai (Hình 3). Không khí ô nhiễm được đi qua tháp hấp thụ, trong đó các chất ô nhiễm không khí được hấp thụ và / hoặc bị loại bỏ bởi dung dịch nước liên tục rơi xuống. Quá trình oxy hóa sinh học của các chất ô nhiễm được hấp thụ xảy ra trong lò phản ứng sinh học tăng trưởng lơ lửng. Máy lọc bụi sinh học thích hợp để loại bỏ các chất ô nhiễm ưa nước và nó có thể hoạt động ở tốc độ nạp khí cao. Từ quan điểm ứng dụng, máy lọc bụi sinh học cung cấp nhiều lợi thế do tính mạnh mẽ, bền vững và khả năng chịu được nồng độ mùi cao hơn trong các điều kiện dao động khắc nghiệt. Hơn nữa, nó có thể được vận hành ở tốc độ tải chất ô nhiễm cao.

Hình 3. Sơ đồ máy lọc bụi sinh học để loại bỏ VOC

Tuy nhiên, nó có một số hạn chế như hiệu suất giảm thiểu VOCs kỵ nước thấp và chi phí đầu tư cao so với bộ lọc sinh học và bộ lọc sinh học. Ngoài ra còn có một số thách thức như tạo ra bùn dư thừa (sinh khối), tích tụ và thải bỏ nó cũng như các vấn đề về chuyển khối khí – lỏng nếu khí thải có chứa VOCs kỵ nước. Những thách thức này có thể dễ dàng vượt qua bằng cách cải tiến thiết kế lò phản ứng sinh học, thay đổi chiến lược nạp chất ô nhiễm (cho ăn chia nhỏ, không liên tục, theo chu kỳ), sử dụng các chất xúc tác sinh học thích nghi tốt hoặc hệ thống nấm-vi khuẩn và sử dụng các cảm biến để cải thiện việc giám sát lò phản ứng sinh học và kiểm soát quá trình.