The study of the performance of the combined points for the processes of cleaning gases in biofilters

Full Text

Очистка воздуха от токсичных органических соединений и одорантов на предприятиях по пищевой и легкой промышленности, дезодорация воздуха на мусоросортировочных станций и т.п. является актуальной задачей. Одним из перспективных методов очистки таких выбросов является биофильтрация [1]. Биофильтрация – один из дешевых способов очистки воздуха от органических соединений [2]. Современные достижения микробиологии позволяют культивировать новые штаммы, способные использовать в качестве источника энергии весьма токсичные вещества, такие, как дихлорметан, ацетон и др. При использовании данного метода органические загрязняющие вещества, содержащиеся в выбросах, служат субстратом для микроорганизмов, как правило, аэробных, которые перерабатывают их до конечных продуктов – воды и двуокиси углерода [3]. Биологическая очистка газа – массообменный процесс. Интенсивность его зависит в большей степени от величины поверхности контакта фаз. Энергоемкость процесса зависит от гидравлического сопротивления аппарата. Главным рабочим звеном в биофильтрах (биореакторах) является контактное устройство – насадка, на которой находится пленка иммобилизованных микроорганизмов (биокатализатор). От свойств насадочного элемента зависит интенсивность и энергоемкость процесса биологической очистки газа. Насадка должна обладать большой удельной поверхностью и порозностью, помимо этого насадка должна быть удобной платформой для образования биопленки микроорганизмами, иметь невысокое гидравлическое сопротивление (не более 300-400 Па на погонный метр), материал насадки должен быть дешевым, а конструкция – позволять проводить регенерацию, а также быть удобной при загрузке-разгрузке в аппарат. На основе проведенного информационного поиска и существующих требований, предъявляемых к насадкам, предназначенным для биологической очистки газа от органических соединений, нами была предложена новая комбинированная насадка «Спираль» (рисунок 1). Рисунок 1 – Общий вид насадки “Спираль”: 1 – нерегулярный слой; 2 – регулярный слой Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки: 1 – колонна; 2 – насадка; 3 – воздуходувка; 4 – измеритель расхода воздуха; 8 – ротаметр; 5а, 5б – дифференциальные манометры (с электрическим выходом); 6 – ЭВМ; 7 – брызгоуловитель; а, б – система воздушных вентилей Насадка «Спираль» относится к типу комбинированных насадок. Она обладает свойствами как регулярных насадок, так и нерегулярных. В качестве регулярной части используется сетчатый материал из лавсановых мононитей, скрученный в спираль. Пустое пространство в полученной спирали заполняется нерегулярной частью – полиамидным волокном. Таким образом, получается двойной чередующийся слой из лавсана и полиамидного волокна. Лавсан служит каркасом насадки, “транспортером” жидкости, а также распределяет газ. Данный материал обладает свойством двухстороннего течения жидкости, поэтому в насадке не остается сухих зон. Полиамидное волокно служит удобной платформой для микроорганизмов, структура волокна способствует созданию биопленки, микроорганизмы не уносятся потоком воздуха. Благодаря каркасу насадки с ней удобно проводить ремонтные и профилактические работы, а также проще осуществлять загрузку. Геометрические характеристики насадки: удельная поверхность а=420 м²/м³; порозность ε=0,8 м³/м³; эквивалентный диаметр de=0,008 м. Для разработанной конструкции насадки экспериментально определены гидравлические характеристики. Исследования проводились в лаборатории кафедры «Процессы и аппараты химической технологии» (МГУИЭ). Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 2. Воздух воздуходувкой 3 через измеритель расхода 4 подается в колонну 1. Вентилем а регулируют подачу воздуха. При испытании неорошаемой колонны вода не поступает; при обследовании орошаемой колонны через ротаметр 8 подается определенный расход воды. Дифференциальные манометры 5а и 5б замеряют соответственно перепад давления в колонне и расход подаваемого воздуха. Диаметр колонны – 200 мм . Во время испытаний высота слоя насадки составляла Н1=100 мм и Н2=200 мм. Плотность орошения насадки qж = 6 м³/(м²·ч). Данная плотность орошения поддерживала 100% влажность насадочного слоя, что является необходимым условием для процесса биологической очистки газа. На рисунке 3 представлен график зависимости потери напора, отнесенного к погонному метру высоты насадки Р/Н, от скорости потока W0. Для комбинированной насадки «Спираль» с использованием данных эксперимента был проведен расчет коэффициента гидравлического сопротивления неорошаемого (сухого) слоя насадки по зависимостям, предложенным для низкоскоростных волокнистых фильтров. Рисунок 3– Зависимость потери напора от скорости в сечение аппарата в расчете на 1 погонный метр сухой и орошаемой насадки “Спираль” при qж=6 м³/(м²·ч) Коэффициент гидравлического сопротивления находился из формулы: , (1) где: – гидравлическое сопротивление сухого насадочного слоя, Па; – коэффициент гидравлического сопротивления сухой насадки; Vг – скорость газового потока в свободном сечении аппарата, м/с; – плотность газового потока, кг/м³; H – толщина насадочного слоя, м; – плотность упаковки насадочного слоя, м³/м³; – порозность насадочного слоя, м³/м³; – эквивалентный диаметр, м. Величина связана с порозностью соотношением = 1 – . Эквивалентный диаметр вычисляется по формуле: , (2) где: a – удельная поверхность насадочного тела, м²/м³ [4]. Полученные значения коэффициента гидравлического сопротивления сухой насадки «Спираль» были использованы для подбора технологического режима процесса биофильтрации. Испытания по определению эффективности биокатализатора (микроорганизмы, иммобилизованные на искусственном носителе – насадке “Спираль”) по биологической очистке воздуха от дихлорметана (ДХМ) проводились на лабораторном реакторе, разработанном в Институте биохимии им. А.Н. Баха РАН [5]. На рисунке 4 представлена схема экспериментальной установки по деструкции ДХМ. В емкость с ДХМ подавался воздух после фильтра, обогащенный дихлорметаном, затем воздушная смесь поступала на биокатализатор, представляющий собой насадку “Спираль” с иммобилизованными микроорганизмами. Прямотоком перистальтическим насосом подавалась орошающая жидкость из сборной емкости. В этой же емкости собирался дебрес и продукты жизнедеятельности микроорганизмов – CO2 и H2O, а также побочный продукт – хлор. В емкость для подщелачивания добавлялся NaOH, в результате реакции нейтрализации образовывался NaCl. Рисунок 4 – Установка в сборе по определению деструкции дихлорметана Для очистки воздуха от ДХМ в лабораторном биореакторе были использованы следующие культуры в сообществах: Methylobacterium dichloromethanicum, Albibactermethylovorans, Methylopila Helvetica. Данные штаммы микроорганизмов были предоставлены институтом биохимии им. А.Н. Баха РАН, в стенах которого проводились исследования по сравнению эффективности биокатализаторов с комбинированной насадкой “Спираль” и нерегулярной насадкой. Рисунок 5 – Сравнение степени превращения ДХМ в биореакторах с нерегулярно насадкой и насадкой типа «Спираль» На рисунке 5 в виде графической зависимости представлены результаты по степени конверсии дихлорметана в биореакторах с нерегулярной насадкой и насадкой «Спираль». Эффективность биокатализатора (насадка с иммобилизованными микроорганизмами) определялась замерами концентраций загрязнителя методом газовой хроматографии. Степень конверсии определялась по зависимости: C = [(X1-X2)/X1]*100% , (3) где: Х1 – концентрация ДХМ на входе в биореактор, Х2 – концентрация ДХМ на выходе из биореактора. Исследованная насадка “Спираль” обладает не только приемлемыми для проведения процесса биологической очистки газа гидравлическими характеристиками, но и более высокой эффективностью по сравнению с использующимися в настоящее время нерегулярными насадочными элементами.

About the authors

A. K Mitin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: smith-debryansk@mail.ru

N. A. Zagustina

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.

N. E. Nikolaikina

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: nikols_153@mail.ru
Ph.D., Prof.

A. S. Pushnov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: pushnovas@gmail.com
Ph.D.

References

Supplementary files