Ekoinwentyka sp. z o.o., Katedra Inżynierii Wody i Ścieków, Szkoła Doktorów, Politechnika Śląska w Gliwicach
Fot. 123rf
62 CHEMIA PRZEMYSŁOWA 1/2022
O C H R O N A Ś R O D O W I S K A
O
dory oraz lotne związki organiczne (LZO) stanowią zanieczyszczenia gazowe, charak-teryzujące się niską rozpuszczalnością w wo-dzie oraz wysoką prężnością par. Obecność odorów stanowi problem głównie na obszarach zurbanizo-wanych, których źródłem jest spalanie paliw węglo-wodorowych, przemysł wydobywczy, komunalny, przetwórstwo spożywcze oraz odpady rolnicze [1].Do najbardziej uporczywych zapachowo sektorów gospodarki należą głównie zakłady gospodarki odpadami i oczyszczalnie ścieków, a także zakłady przetwórstwa spożywczego i rolnego. Rozwój nowych inwestycji mieszkaniowych i przemysłowych powo-duje coraz większe zagęszczenie budynków w aglo-meracji miejskiej i w efekcie zbyt bliskie sąsiedztwo zabudowy mieszkaniowej z zakładami emitującymi odory, w szczególności z oczyszczalniami ścieków, które często znajdują się w centrach miast, sąsiadu-jąc z dużymi osiedlami [2].
Odory stanowią mieszaninę lotnych substancji chemicznych, nazywanych gazami złowonnymi, które są wyczuwalne przez człowieka już w bardzo niskich stężeniach. Odgrywają one istotną rolę w życiu wszyst-kich organizmów żywych, przede wszystkim ludzi, powodując problemy zdrowotne. Odory wykazują właściwości rakotwórcze, mutagenne i toksyczne.
Co więcej – wpływają również na zdrowie psychiczne i zmiany nastroju [3]. Związki te powodują podraż-nienie układu oddechowego, czego wynikiem jest kaszel, duszności, katar, ból gardła, łzawienie. W wielu przypadkach, z powodu indywidualnej nadwrażliwo-ści ludzi, dochodzi także do występowania objawów, takich jak obniżenie sprawności psychofizycznej i emocjonalnej, bezsenność, ataki paniki [4]. Najbar-dziej narażone na opisane dolegliwości zdrowotne są pracownicy zakładów emitujących odory, a także osoby mieszkające w bliskim sąsiedztwie źródeł emisji.
Lotne związki organiczne (LZO) występujące w powietrzu w znaczącym stopniu stanowią pro-dukty uboczne wielu procesów przemysłowych za-chodzących w zakładach przemysłu lakierniczego, chemicznego, farmaceutycznego, papierniczego, petrochemicznego. LZO są toksyczne i rakotwórcze, przyczyniają się także do powstawania ozonu tropos-ferycznego i smogu fotochemicznego. Szkodliwość LZO i odorów wynika z ich toksyczności oraz z faktu, że wiele z nich jest wysoce reaktywnych w powietrzu, co może powodować powstawanie jeszcze bardziej szkodliwych produktów złożonych przemian che-micznych, jak ma to miejsce w przypadku ozonu, który powstaje w atmosferze w wyniku reakcji wy-wołanych promieniowaniem słonecznym z udziałem LZO i NOx. Z uwagi na negatywny wpływ LZO i odorów bardzo ważne jest zrównoważone zarządzanie jako-ścią powietrza, na które składają się m.in. efektywne systemy kontroli i monitoringu jakości powietrza, ograniczanie jego zanieczyszczeń oraz efektywne i ekologiczne metody oczyszczania i dezodoryzacji.
Z uwagi na ciągły rozwój przemysłu i gospodarki, niezwykle ważnym narzędziem są metody oczysz-czania zanieczyszczonego powietrza, które można podzielić na cztery główne grupy: spalanie, adsorpcja, absorpcja i metody biologiczne [5]. Zastosowanie odpowiedniej technologii oczyszczania warunkuje kilka czynników: rodzaj i stężenie zanieczyszczeń, jak również intensywność emisji. Coraz większy nacisk na zrównoważony rozwój będzie jeszcze mocniej sty-mulował zastosowanie biologicznych metod oczysz-czania powietrza, z uwagi na ich ekologiczność, dużą skuteczność biodegradacji zanieczyszczeń, a także niskie koszty w porównaniu z innymi technologia-mi. Rozwój biotechnologii również przyczynił się do znacznego postępu biologicznych metod oczyszcza-nia powietrza.
Technologie usuwania LZO i odorów
Ograniczenie emisji odorów i LZO polega na za-pobieganiu emisji gazów bezpośrednio do atmosfery, m.in. poprzez hermetyzację najbardziej uciążliwych zapachowo urządzeń technologicznych oraz na oczyszczaniu gazów odlotowych. Do najczęściej sto-sowanych metod można zaliczyć: adsorpcję, spalanie oraz metody biologiczne, których ogólne porównanie przedstawiono w tabeli 1 [6,7]. W ostatnim czasie co-raz większym zainteresowaniem cieszą się biologicz-ne metody usuwania odorów, które wykorzystując naturalne reakcje zachodzące w przyrodzie, stanowią rozwiązania ekologiczne, skuteczne i niedrogie [8].
Fizykochemiczne metody oczyszczania powietrza Do fizykochemicznych metod oczyszczania gazów należą adsorpcja i spalanie. Adsorpcja jest procesem polegającym na pochłanianiu zanieczysz-czeń przez ciało stałe – adsorbent. Do dezodoryzacji najczęściej stosuje się węgiel aktywny i zeolit, które charakteryzują się dużą pojemnością adsorpcyjną w odniesieniu do związków odorowych i LZO [9].
Adsorbenty używane do dezodoryzacji emitowa-nych gazów występują w postaci proszku, granulek, wyprasek, pastylek, włókien lub tkanin. Oprócz węgla aktywnego i zeolitów stosuje się także ziemie okrzemkowe i wulkaniczne, trociny, krzemionkę, tlenki glinu i torf. Po całkowitym wysyceniu złoża, prowadzi się jego regenerację w celu usunięcia zaadsorbowanych zanieczyszczeń, np. regeneracja chemiczna, termiczna, podciśnieniowa, składowa-nie, spalenie [10].
TAB. 1
Biooczyszczanie Adsorpcja Spalanie katalityczne
Energochłonność Niska Niska Wysoka
Emisja NOx i CO2 Brak Brak Wysokie
Ryzyko eksplozji Brak Brak Wysokie
Odpady Brak Obecne Brak
Koszty operacyjne
Natomiast spalanie można podzielić na termicz-ne i katalitycztermicz-ne. Spalanie termicztermicz-ne, bez dodatku katalizatorów, wymaga uzyskania bardzo wysokich temperatur, co wiąże się z dużymi nakładami fi-nansowymi. W związku z tym szersze zastosowanie ma metoda spalania katalitycznego. Produktem spalania katalitycznego węglowodorów i związków organicznych zawierających tlen jest dwutlenek węgla i woda, przy czym w przypadku źle dobranych parametrów procesu istnieje ryzyko niecałkowitego spalenia i emisji związków toksycznych. Rolę kata-lizatorów pełnią nieorganiczne związki, takie jak:
krzemionka, tlenek glinu, zeolit, węgiel aktywny, na których znajdują się naniesione metale szla-chetne: platyna, pallad, miedź czy wanad. Spalanie odorów i LZO o niskich stężeniach zanieczyszczeń w większości przypadków jest nieopłacalne, gdyż całe ciepło potrzebne do ogrzania gazów musi zo-stać dostarczone z zewnątrz. W takich przypadkach, w celu obniżenia kosztów, stosuje się zatężanie za-nieczyszczeń gazowych [11]. Inną często stosowaną praktyką jest łączenie procesów spalania z adsorp-cją [12]. W celu regeneracji złoża adsorpcyjnego wysyconego LZO i odorami, nierzadką i skuteczną, choć kosztowną praktyką, jest ich spalanie [9,10].
Biologiczne metody oczyszczania powietrza Biologiczne metody oczyszczania gazów opierają się na naturalnych procesach rozkładu związków organicznych zachodzących w wyniku aktywności metabolicznej mikroorganizmów. Można wyróżnić trzy główne technologie stosowane do biooczyszcza-nia powietrza: biofiltry, bioskrubery i bioreaktory ze stałym złożem. Metody te różnią się między sobą typem nośników i faz ruchomych oraz umiejscowie-niem mikroorganizmów degradujących zanieczysz-czenia [2, 13, 14].
Oczyszczanie gazów metodą biofiltracji polega na przepuszczaniu nawilżonego, zanieczyszczone-go gazu przez stałe złoże, na powierzchni którezanieczyszczone-go znajdują się mikroorganizmy zdolne do degradacji odorów i LZO. Dalej zanieczyszczenia są sorbowane i pochłaniane przez bakterie, które dzięki swojej aktywności metabolicznej rozkładają LZO do wody i dwutlenku węgla [8]. Złoże stanowią zazwyczaj materiały organiczne: kora drzew, torf, słoma, spulchniona gleba, kompost, włókno kokosowe, węgiel aktywny, które są usypane od jednej do kilku warstw w taki sposób, aby zapewnić kontakt całego strumienia gazu ze złożem oraz aby było utrzymy-wane równomierne napowietrzenie złoża, w celu zapobiegania rozwojowi bakterii beztlenowych po-wodujących jego gnicie [7]. Biofiltry są powszechnie stosowaną metodą oczyszczania gazów z odorów i LZO, emitowanych przez oczyszczalnie ścieków, bo-wiem metoda ta jest skuteczna w usuwaniu zarówno zanieczyszczeń organicznych, m.in. węglowodorów aromatycznych, alkoholi, aldehydów, kwasów
orga-nicznych i amin, jak i związków nieorgaorga-nicznych, takich jak siarkowodór i amoniak. Jednak w przy-padku zanieczyszczeń nieorganicznych konieczna jest kontrola ich stężenia, z uwagi na produkty powstające w wyniku ich rozkładu, powodujące zakwaszenie środowiska biofiltra. Ponadto metoda biofiltracji ma pewne ograniczenia pod względem stężenia zanieczyszczeń w oczyszczanym gazie. Bio-filtry są zwykle stosowane do oczyszczania dużych strumieni gazów, o niskim stężeniu odorów i LZO [2].
Główną wadą biofiltracji jest utrudniona kontro-la procesu, utrzymanie odpowiedniej wilgotności i pH złoża, jak również zbijanie się wypełnienia biofiltra, stosunkowo duże rozmiary instalacji i mniejsza wydajność oczyszczania przy wysokich stężeniach zanieczyszczeń. Natomiast do zalet nale-ży zaliczyć: niskie koszty operacyjne i inwestycyjne, możliwość oczyszczania dużych strumieni gazów, przy niskich stężeniach zanieczyszczeń [2,15].
Kolejną z powszechnie używanych metod bio-oczyszczania powietrza są bioskrubery. Zasada ich działania opiera się na dwóch głównych etapach, zachodzących w odrębnych aparatach [16]. W pierw-szym zbiorniku – absorberze – zanieczyszczenia ga-zowe są absorbowane do fazy ciekłej, która następ-nie trafia do drugiego zbiornika – bioreaktora – wy-pełnionego wodną zawiesiną mikroorganizmów, gdzie zachodzi biodegradacja zanieczyszczeń. Ab-sorbery wypełnione są złożem, na którym znajdują się mikroorganizmy. Ciecz cyrkuluje przez zbiorniki, do których doprowadzane jest powietrze, pożywki dla bakterii oraz roztwory regulujące pH, z kolei nadmiar powstającego osadu zostaje odprowadzony poza układ. Niewątpliwą zaletą bioskruberów jest możliwość kontroli ich parametrów, takich jak pH, składu pożywki, napowietrzenia, co bezpośrednio wpływa na ustabilizowanie ich pracy. Ponadto apa-ratura charakteryzuje się niewielkimi rozmiarami, co w porównaniu do biofiltrów jest istotną zaletą;
nie występuje w nich także problem zbijania się materiału filtracyjnego. Bioskrubery generują duże ilości produktów ubocznych, takich jak osad nadmierny oraz zanieczyszczona, recyrkulowana ciecz, ponadto koszty operacyjne utrzymania takiej instalacji są zdecydowanie wyższe niż w przypadku biofiltrów [2, 17].
Inną wartą uwagi biologiczną metodą oczysz-czania powietrza są bioreaktory ze stałym złożem.
W bioreaktorach takich zanieczyszczony gaz zostaje wprowadzony do aparatu, w którym płynie współ-prądowo lub przeciwwspół-prądowo do fazy ciekłej, gdzie następuje absorpcja zanieczyszczeń. Ciecz przepły-wa w sposób ciągły, w postaci cienkiego filmu po po-wierzchni złoża stałego, stale zwilżając powstałą na nim warstwę biofilmu, w której zachodzi biodegra-dacja zanieczyszczeń do prostych produktów [2, 14].
Krążąca w instalacji ciecz jest stale recyrkulowana, więc nie ma odpadów w formie osadu. Złoże w tego O C H R O N A Ś R O D O W I S K A
64 CHEMIA PRZEMYSŁOWA 1/2022