بسياري از صنايع فرايندهاي خود مواد آلاينده زيست محيطي توليد مي كنند كه اين مواد آلاينده ممكن است آلي و يا غيرآلي بوده و منشاء سنتزي يا طبيعي داشته باشد.
مواد آلاينده سنتزي بيشتر از صنايع تولدي مواد طعم دهنده، رنگ، توليد حظره كش ها، داروسازي، چاپ، پالايشگاهها، پتروشيمي و برخي صنايع ديگر منتشر مي شود.
مواد آلاينده اي كه منشاء طبيعي دارند از مكانهايي نظير كشتارگاهها، كارخانه هاي توليد قند، كاكائو، خوراك دام، صنايه نساجي و … منتشر مي شود.
در سالهاي اخير استفاده از بيوفيلترها جهت حذف آلاينده ها توسعه يافته است كه اين آلاينده ها ممكن است گازي و يا مايع باشند و بيوفيلتر را مي توان براي هر دو حالت استفاده كرد.
بيوفيلترها بيش از بيست سال است كه به عنوان وسايلي براي تصفيه تراكم هاي نسبتاً پايين آلاينده هاي بالقوه هوا (همانند VOC3) در جريانهاي گازي ناشي از واحدها و تصفيه خانه ها، فاضلاب واحدهاي درگير موارد زائد جامد، كارخانه هاي صنايع شيميلايي، كشتارگاهها و واحدهاي عمل آوري كمپوست بكار گرفته مي شوند.
به دنبال افزايش سريع تعداد كارخانه ها و به دنبال آن افزتيش شكايات رسيده از نارضايان محلي روز به روز تلاش دست اندركاران دريافتن و بكارگيري روشهاي مؤثر كنترل و حذف آلاينده ها بيشتر مي گردد و در اين بين بيوفيلتراسيون گازهاي آلاينده خروجي يكي از روشهاي حذف اين گونه آلاينده ها مي باشد. محققين زيادي به نتايج خروجي يكي از روشهاي حذف اين گونه آلاينده ها مي باشد. محققين زيادي به نتايج موفقيت آميز استفاده از بيوفيلترها اشاره كرده اند. از جمله: ارنست واينتر )1987(، ون در هوك (1989) استوژيك (1991) و سويتين (1991)
بيشتر متخصصين استفاده از اين تكنولوژي را به خاطر سهولت به كارگيري آن، قدرت اجرا و عمل زياد، قيمت ارزان و كارايي حذف بالا (بيش از 90 درصد) در كارخانجات توجه مي كنند. البته با وجود گسترش روزافزون اين روش نياز به انجام تحقيقات گسترده در خصوص اصول مهندسي و طراحي بيوفيلترها كماكان احساس مي شود. [6]
3-2-مروري بر روند تكامل بيوفيلتراسيون
مي توان به جرأت گفت كه نقش طبيعت و مواد طبيعي با دخالت ميكروارگانيسمهاي موجود در آن در پاكسازي اكوسيستم و محيط زيست به بدو حيات برمي گردد و قدمتي طولاني دارد ميكروبها و گياهان دائماً بيوفيلتراسيون در تصفيه هوا نقش دارند. علاوه بر آن مي‌توان به خودپالايي آبها و رودخانه ها اشاره داشت كه در آنها باكتري ها و قارچ ها با مصرف مواد غذايي آلي آب هاي آلوده، به نوبه خود نقش مهمي در پاكسازي دارند.
اولين پيشنهاد براي استفاده از روشهاي بيولوژيكي در سال 1993 ميلادي توسط باخ ارائه شد. طرح باخ استفاده از فيلترهاي با ميكروارگانيسم هاي فعال (بيوفيلتر) براي حذف سولفيد هيدروژن از هوا بود اما عملاً در اواسط دهه 1950 ميلادي بود كه از بيوفيلترها براي تصفيه هواي آلوده با غلظت هاي كم استفاده شد. [21,11]
استفاده از پوشش ها يا فيلترهاي متشكل از خاك به منظور كاهش گازهاي آلاينده نيز تاريخي طولاني دارد و اين گونه فيلترها امروزه به وفور در سيستمهاي دفن بهداشتي و مخازن فاضلاب به كار مي روند. اولين فيلتر خاكي مورد استفاده به عنوان بيوفيلتر توسط پومروي در سال 1957 در آمريكا به ثبت رشيد و بعد از آن در سال 1959 يك بستر خاكي در يك كارخانه تصفيه فاضلاب در نورنبرگ آلمان جهت كنترل بوي فاضلاب نصب گرديد و از آن پس با تفاوتهايي روي طراحي پايه اين تكنيك در سراسر دنيا با كاربرد روي گازهاي تركيبات آلي و معدني فرار قلمداد گرديد. از كشورهاي صاحب نظر در بكارگيري اين روش مي توان به آمريكا، هلند، سوئيس و ساير كشورهاي اروپايي اشاره كرد [21,13].
در سال 1983 اتنگراف توانايي بيوفيلترها را براي حذف مواد آلي آلاينده از هوا نشان داد. وي همچنين براي اولين بار مدلي رياضي براي فرايند بيوفيلتراسيون ارائه داد [27] پس از آن پژوهشهاي گسترده‌اي براي استفاده از بيوفيلتراسيون براي حذف مواد آلاينده مختلف انجام گرفته است.
3-3-مواد شيميايي قابل حذف توسط بيوفيلتراسيون
موا شيميايي قابل حذف توسط بيوفيلتراسيون عمدتاً شامل تركيبات آلي فرار (COC3) تركيبات احيا شده نيتروژن و گوگرد هستند. موادي كه توسط بيوفيلتر حذف مي شوند بايد به درون بيوفيلم روي ذرات بستر انتقال پيدا كنند. ضريب توزيع ماده شيميايي بين فاز گاز و مايع و مايع و مايع بر ميزان اين انتقال تأثير مي گذارد.
از نظر تئوري غلظت مواد شيميايي با فراريت بالا در بيوفيلم نسبتاً كم بوده و در نتيجه شدت تخريب آن نيز پايين است. شواهدي در دست است كه نشان مي دهد موادي با فراريت بالا نظير پنتان و هگزان را نيز مي توان به طور مؤثر با فرايند بيوفيلتراسيون حذف كرد.
3-3-مواد شيميايي قابل حذف توسط بيوفيلتراسيون
مواد شيميايي قابل حذف توسط بيوفيلتراسيون عمدتاً شامل تركيبات آلي فرار (VOC3) تركيبات احيا شده نيتروژن و گوگرد هستند. موادي كه توسط بيوفيلتر حذف مي شدند بايد به درون بيوفيلم روي ذرات بستر انتقال پيدا كنند. ضريب توزيع ماده شيميايي بين فاز گاز و مايع و يا مايع و مايع بر ميزان اين انتقال تأثير مي گذارد.
از نظر تئوري، غلظت مواد شيميايي با فراريت بالا در بيوفيلم نسبتاً كم بوده و در نتيجه شدت تخريب آن نيز پايين است. شواهدي در دست است كه نشان مي دهد موادي با فراريت بالا نظير پنتان و هگزان را نيز مي توان به طور مؤثر با فرايند بيوفيلتراسيون حذف كرد.
تركيبات مورد نظر براي حذف توسط بيوفيلتر بايد به اساني در محيط زيست تخريب پذير بوده و براي ميكروارگانيسم غير سمي باشد. بنابراين تركيباتي نظير اترها، آلدئيدها، كتونها، آروماتيك هاي تك حلقه اي و سولفيدها در غلظت هاي مناسب قابل حذف هستند. غلظت بالاي برخي از مواد اثركنندگي بر متابوليسم ميكروارگانيسم ها دارد. اتافل مثالي از يك ماده شيميايي است كه حلاليت آن در آب بالا بوده و به اساني تخريب پذير و توسط بيوفيلتر حذف مي گردد. تركيبات مقاومي نظير تركيبات آلي كلردار نيز قابل حذف هستند اما سرعت حذف آنها پايين بوده به عنوان مثالي از حذف مواد مقاوم توسط بيوفيلتر مي توان به حذف دي كلرومتان از هواي آلوده با بازده %98 در حضور تولوئن اشاره كرد. امكان حذف مخلوطي از مواد آلاينده نيز وجود دارد اما وجود يك آلاينده ممكن است بر ميزان حذف ماده ديگر تأثير داشته باشد. اثر كندكنندگي اتيل استات بر ميزان حذف استايرن در يك بيوفيلتر توسط مك گراث گزارش شده است. [16]. معمولاً وجود تركيباتي كه قابليت تجزيه بيولوژيكي بالايي دارند بر ميزان حذف تركيبات با قابليت تجزيه بيولوژيكي توسط اثر منفي دارند. اثرات كندكنندگي تركيبات 1-پروپانول، استون و متيل ايزوبوتيل كتون بر ميزان حذف متيل اتيل كتون نيز توسط دشوس گزارش شده است [28] در صورتيكه وجود تركيبات مختلف در هواي ورودي به بيوفيلتر اثر منفي بر ظرفيت حذف يكديگر داشته باشند مي توان از بيوفيلترهاي سريع براي رفع مشكل استفاده كرد.
فهرستي از مواد قابل حذف در بيوفيلتر در جدول 3-1 آمده است [20,7].
جدول 3-1: قابليت حذف در بيوفيلتر (تجزيه بيولوژيكي در سيستمهاي بيولوژي هوا)
| آلاينده | قابليت تجزيه بيولوژيكي | آلاينده | قابليت تجزيه بيولوژيكي |
| هيدوكربنهاي آليفاتيك: | تركيبات آلي گوگرددار: | ||
| متان | 1 | كربن دي متيل سولفيد | 2 |
| پروپان | ؟ | دي متيل سولفيد | 2 |
| بوتان | ؟ | دي اتيل دي سولفيد | 2 |
| پنتان | 1 | متيل مركاپتان | 1 |
| ايزوپنتان | 1 | تيوسيانات | 1 |
| هگزان | 2 | تركيبات آلي اكسيژن‌دار: | |
| سيكلو هگزان | 1 | متانول | 3 |
| استيلن | 1 | اتانول | 3 |
| هيدروكربنهاي آروماتيك: | بوتانول | 3 | |
| بنزن | 2 | 2-بوتانول | 3 |
| فنل | 3 | 1-پروپانول | 3 |
| اتولوئن | 3 | 2-پروپانول | 3 |
| استايرن | 2 | فرمالدئيد | 3 |
| اتيل بنزن | 2 | بوتريك اسيد | 3 |
| هيدروكربنهاي كلردار: | 3 | وينيل استات | 2 |
| كربن تتراكلريد | 1 | اتيل استات | 3 |
| كلروفرلم | 1 | بوتيل استات | 3 |
| دي كلرومتان | 3 | ايزوبوتيل استات | 3 |
| برمودي كلرومتان | ؟ | دي اتيل اتر | 1 |
| 1 و 1 و 1 تري كلرو اتان | ؟ | دي اگزان | 1 |
| 1 و 1 دي كلرو اتان | ؟ | متيل ترت – بوتيل اتر | 1 |
| تتراكلرواتن | 1 | تتراهيدروفوران | 3 |
| تري كلرو اتن | 1 | استون | 3 |
| 2 و 1 دي كلرواتان | ؟ | متيل اتيل كتون | 3 |
| 1 و 1 دي كلرو اتن | ؟ | متيل ايزوبوتيل كتون | 3 |
| وينيل كلرايد | 1 | تركيبات غير آلي: | |
| 2 و 1 دي كلرو بنزن | ؟ | آمونياك | 3 |
| كلرو تولوئن | 1 | سولفيد هيدروژن | 3 |
| تركيبات آلي نيتروژن دار: | اكسيد نيتروژن | 1 | |
| آنيلين | 3 | ||
| آكريلو نيتريل | ؟ | ||
| پيريدين | 1 |
عدد 3 بيانگر قابليت تجزيه بيولوژيكي بسيار خوب – عدد 2 بيانگر قابليت تجزيه بيولوژيكي متوسط و عدد 1 بيانگر قابليت تجزيه بيولوژيكي كم و علامت ؟ بيانگر نبودن اطلاعات در مورد قابليت تجزيه ببولوژيكي ماده در سيستم هاي بيولوژيكي هوا است.
3-4-تعريف بيوفيلتراسيون
مطابق نظر هاگ (1993) بيوفيلتراسيون يك روش كنترل آلودگي هواست كه در آن يك بستر جامد و فعال بيولوژيكي جهت جذب سطحي تركيبات آلاينده از جريان هوا و هدايت آنها به سمت فرايند اكسيداسيون بيولوژيكي در مرحله بعد به كار گرفته مي شود. بوهن (1992) بيوفيلتراسيون را جابجايي و اكسيداسيون گازهاي آلي و يا تركيبات آلي فرار (VOCs) از هواي آلوده از طريق بسترهايي از خاك يا كمپوست معرفي مي كند. بيوفيلترها بستذرهايي از خاك، كمپوست، پيت و يا ديگر بسترهايي متخلخل طبيعي مي باشند كه داراي ظرفيت سطحي زيادي جهت جذب آلاينده ها هستند. هواي آلوده از كف بيوفيلتر از طريق يك شبكه توزيع هوا (متشكل از لوله هاي سوراخدار) در داخل بستر و رو به بالا جريان مي يابد و نهايتاً تركيبات آلي فرار (VOCs) در سطوح آلي ذرات خاك يا كمپوست جذب مي گردند. گازهاي جذب شده در مرحله بعد در محيطي مرطوب و غني از اكسيژن توسط ميكروارگانيسم ها به دي اكسيد كربن و آب اكسيده مي شوند. تركيبات معدني فرار عمدتاً به صورت نمكهاي كلسيم جذب و اكسيد مي گردند. يك بيوفيلتر در عمل مخلوطي از كربن فعال، سيليس، آلومينا و آهك در تركيب با جمعيت ميكروبي است كه از طريق آنزيمي، اكسيداسيون گازهاي جذب شده را كاتاليز مي كنند و اين اكسيداسيون نيازي به سوخت يا مواد شيميايي ندارد. سرعت حذف آلاينده و اكسيداسيون آن به قابليت تجزيه بيولوژيكي و واكنش پذيري گازها وابسته است. محدوده نيمه عمر آلاينده در درون بستر از دقيقه براي اغلب گازهاي فعال و واكنش دهنده تا ماهها براي آلاينده هايي كه قابليت تجزيه پذيري كمتري دارند متغير است.
جدول 3-2 رده بندي عمومي چند آلاينده را از نظر ميزان تجزيه پذيري نشان مي دهد. اين طبقه بندي براي تمام فرايندهاي تصفيه بيولوژيكي از قبيل: Biorecalmation، Bioremediation و نهايتاً Biofilturation يكسان است، چون همگي بر مكانيسم مشابهي تكيه دارند.
گازها ذاتاً به دليل انتشار مولكولي شان نسبت به جامدات و مايعات قابليت تجزيه بيولوژيكي بيشنري دارند.
جدول 3-2: طبقه بندي آلاينده ها بر اساس ميزان تجزيه پذيري آنها ]بوهن (1992)[
| تركيبات آلي فرار VOCs با سرعت تجزيه زياد | تركيبات‌معدني‌فرار VICs با سرعت واكنش زياد | تركيبات آلي فرار VOCs با سرعت تجزيه كم | تركيبات آلي فرار VOCs با سرعت تجزيه بسيار كم |
| الكل‌ها | سولفيد هيدروژن | هيدروكربن هاa | هيدوكربنهاي هالوژن دارb |
| آلدئيدها | اكسيدهاي نيتروژن به جز N2O | فنل ها | هيدروكربنهاي چندحلقه اي (معطر) |
| كتونها | دي اكسيد گوگرد | متيل كلرايد | دي سولفيد كرين (CS2) |
| اترها | كلريد هيدروژن | ||
| استرها | آمونياك | ||
| اسيدهاي آلي | فلوئوريد هيدروژن | ||
| آمين ها | SIH4 | ||
| تيول ها | PH3 | ||
| مولكولهاي شامل اكسيژن و نيتروژن و يا گوگرد |
a- هيدروكربن هاي آليفاتيك نسبت به هيدروكربن هاي آروماتيك (معطر) همانند: گزيلن، تولوئن، بنزن، استيرن سريعتر تجزيه مي شوند
b- هيدروكربن هاي هالوژن دار همانند: تري كلرو اتيلن، تري كلرو اتان، تتراكلريد كربن و پنتا كلرو فنل.
3-5-تئوري بيوفيلتراسيون
مقالات، تفسيرهاي گوناگوني از تئوري عمل بيوفيلترها ارائه مي دهند كه همگي اساس مشترك دارند. اصولاً به دنبال گازهيا آلاينده و بو از ميان بستر بيوفيلتر، دو مكانيسم حذف اصلي به طور همزمان روي مي دهد كه شامل فرايندهاي جذب يا جذب سطحي و بيواكسيداسيون مي باشند ](هلمز (1974)، نيلر و همكاران (1988)[.
همانگونه كه گازهاي آلاينده، آئروسل‌ها و ذرات از خلال جسم جامد بستر بيوفيلتر مي گذرند، به روي سطح ذرات بستر، جذب سطحي مي شوند، و يا به داخل لايه سطحي مرطوب (بيوفيلم) احاطه كننده اين ذرات، جذب مي گردند. ميكروارگانيسم ها و اساساً باكتري ها، اكتونوميسيت ها و قارچ ها به بستر فيلتر اتصال دارند و اين بستر وظيفه تأمين مواد غذايي معدني و يا آلي را براي ميكروارگانيسم هاي فوق به عهده دارند. خصوصاً در شرايطي كه مواد غذايي مورد نياز جمعيت ميكروبي در جريان گاز آلاينده مورد تصفيه هوا موجود نباشد، نقش بستر حياتي تر مي گردد ](اتنگراف (1968)[.
اين ميكروارگانيسم ها برروي لايه بيولوژيكي روي سطح ذرات بستر، يعني در جايي كه اجزاي معدني و آلي قابل تجزيه بيولوژيك اكسيده مي شوند، وجود دارند. وقتي كه يك سيستم بيوفيلتر به درستي عمل نمايد، دي اكسيد كربن، آب و نمكهاي معدني تشكيل مي شوند.
به دنبال اكسيده شدن پياپي تركيبات آلاينده، مكان هاي جذب سطحي در بيوفيلتر در دسترس تركيبات آلاينده ديگر موجود در فاز گازي قرار مي گيرند و بدين ترتيب عمل حذف آلودگي به طور خودبه خودي ادامه مي يابد. در شرايط عمل پايدار ، سرعت تجزيه ميكروبي اجزاي آلاينده جذب شده. بايد معادل يا فراتر از سرعت جذب يا جذب سطحي باشد تا سرعت و ميزان حذف آلودگي، افزايش يابد. اگر فيلتر به حالت اشباع (Over Loaded) برشد، اين بار مكان هاي جذب سطحي ذرات بستر بدن آنكه با فرايند بيواكسيداسيون بازيابي شوند، سريعاً پر گشته و در نتيجه اجزاي آلاينده جريان گاز وارد اتمسفر مي گردند، بدون آنكه مورد تجزيه ميكروبي قرار گيرند. ]بوهن(1988) و كاتر
(1990)[.
حذف مواد در داخل بيوفيلترها مي تواند به صورت يك خط سير عبوري كه به اصلاح يا تخريب تركيبات آلي ناخواسته منجر مي شود، درنظر گرفته شود. اين خط سير ممكن است شامل چندين مرحله باشد و از ساده تا بسيار پيچيده تغيير كند، پيچيده تر شدن اين راه ها تابع اجتماع و هماهنگي ارگانيسم هاست. عدم توجه به خط سير جابه جايي و حذف مواد آلاينده مي تواند به كاهش نتايج بهينه در طراحي و ساخت بيوفيلتر منجر شود.
طبق ديگر سيستم هاي تصفيه بيولوژيكي مواد زائد، اكوسيستم هاي بيوفيلتري به حد زياد نسبت به مازاد و يا فقدان مواد غذايي حساسند و از طرفي تجمع محصولات سمي ناشي از متابوليسم ميكروبي نيز به طور قابل توجهي شرايط اكوسيستم را تغيير يم دهد و نيز برخي مواد غذايي معدني در طول زمان در نتيجه تبخير از ميان مي روند كه نهايتاً به تغييرات نامطلوب در شرايط فيلتر منجر مي گردد. تجمع اضافي گوگرد و يا نيتروژن در شرايطي كه H2S يا آمونياك از خلال بيوفيلتر تصفيه شود، قابل پيش بيني است.
درنظرگرفتن فاكتورهايي كه به نوعي به سود و يا به ضرر استقرار و عمل جمعيت ميكروبي هستند مهم تلقي مي شود. از فاكتروهيا فوق مي توان به بستر، جريان گاز، خصوصيات جريان گاز مورد تصفيه، درجه حرارت و ساير عوامل فيزيكي شيميايي كه مستقيماً روي توانايي اجتماع ميكروبي در اكسيداسيون مواد و سازماندهي اوليه آنها اثر مي گذارد، اشاره نمود. عوامل فوق به طور معمنول از طريق تست هاي فيزيكي و شيميايي اندازه گيري مي شوند و مي توانند در پيش بيني و تعيين عملكرد اوليه بيوفيلتر مناسب باشند. تغييرات ناشي از فعاليت بيولوژيكي و شيميايي درون بيوفيلتر برروي نگهداري و عمل اجتماعي ميكروبي، تأثير مي گذارد. يك نمونه از آن اسيديفيكاسيون فيلتر تصفيه كننده سولفيد هيدروژن در طول زمان مي باشد. جهت مديريت و كنترل فاكتورهاي فوق شناخت خط سيرهاي عبوري متابوليكي اجزاي آلاينده فاز گازي ضروري است. [8]
مكانيسم عمل در بيوفيلتراسيون
بيوفيلتراسيون اصولاً يك فرايند سه مرحله است. ابتدا ماده يا مواد شيميايي مورد نظر از فصل مشترك بين بيوفيلم و فاز گاز عبور كرده دو وارد بيوفيلم مي شوند سپس ماده شيميايي درون بيوفيلم به طرف جمعيت ميكروبي موجود نفوذ مي كند و در نهايت ميكروارگانيسم ها ماده موجود را جذب و آن را اكسيد مي كنند.
مكانيسم عمليات بيوفيلترها به اين صورت است كه يك لايه نازك از بيوكاتاليست روي حامل هايي قرار داده شده است و هوا يا گاز آلوده از روي آن عبور داده مي شود عبور هوا موجب جذب مورد نظر توسط ميكروارگانيسم هاي ثبت شده مي شود در اين عمليات ميكروارگانيسمها در واقع مانند كاتاليستهاي شيميايي عمل مي كنند و پس از جذب مواد مورد نظر توسط آنها و انجام واكنش آب و CO2 از فيلتر خارج مي شود جذب مواد آلاينده از هوا در رطوبت موجود در بستر بيوفيلتر در حالت تعادل توسط قانون هنري بيان مي شود. تركيبات آب دوست كه داراي قابت هنري كم هستند به راحتي جذب بستر مي شوند. تركيبات آب گريز كه داراي ثابت هنري بالاتري هستند به ميزان كمتري جذب بستر شده و بنابراين ظرفيت حذف بيوفيلتر براي آنها به ميزان قابل توجهي كمتر از تركيبات آب دوست است. (قانون هنري غلظت يك ماده در فاز مايع را توسط يك ثابت به غلظت آن در فاز گاز در حالت تعادل مرتبط مي سازد. اين قانون براي غلظتهاي پايين معتبر است) معمولاً براي پيش بيني ظرفيت جذب يك بيوفيلتر با توجه به درصد بالاي رطوبت موجود در بستر ثابت هنري تركيب را همان ثابت هنري در سيستم هوا / آب خالص درنظر مي گيرند.
اما عملاً ظرفيت حذف بيوفيلترها براي تركيبات آب گريز بيش از مقدار محاسبه شده، با درنظر گرفتن ثابت هنري در سيستم هوا / آب خالص است.
گرچه اين موضوع از همان ابتداي استفاده از بيوفيلترها براي حذف آلاينده هاي آلي شناخته شده بود اما اخيراً پژوهشگران با آزمايشهاي دقيق نشان داده اند كه ثابت هنري در يك سيستم هوا / بيو فيلم مي تواند به ميزان قابل توجهي نسبت به يك سيستم آبي مملو از بيوپليمرها قابل توجيه است [5]
در دسترس بودن مولكولهايي كه جذب سطح ذرات مي شوند براي ميكروارگانيسم ها مورد ترديد است. مولكولهاي آلاينده ممكن است درون حفرات خيلي ريز جذب شوند كه گنجايش رشد ميكروارگانيسم را نداشته باشد و يا ممكن است ماده آلاينده به صورت برگشت ناپذير جذب ذرات شود. به طور كلي ظرفيت جذب سطحي ذرات يك بيوفيلتر در صورتي مي توان مفيد واقع شود كه تركيب آلاينده جذب شده بتواند در اختيار ميكروارگانيسم قرار گيرد.
بحت تأثير جذب سطحي ذرات بر عملكرد بيوفيلتر موضوعي است كه نيازمند پژوهشهاي بيشتر است. مرحله بعد در فرايند، مصرف ماده آلاينده توسط جمعيت ميكروبي موجود بر سطح ذرات است. نفوذ آلاينده به درون بيوفيلم و مصرف آن توسط ميكروارگانيسم گراديان لازم براي انتقال ماده آلاينده از سطح مشترك هوا / بيوفيلم به درون بيوفيلم را فراهم مي آورد.
سرعت حذف ماده آلاينده در بيوفيلم معمولاً با رابطه ميكلاويليس – منتل مدل مي‌شود.
اين رابطه به صورت
نوشته مي شود كه در آن غلظت آلاينده در بيوفيلم، سرعت حذف بيشينه و ثابت رابطه ميكائيليس – منتن است. بر اساس رابط فوق اگر . خيلي بزرگتر از باشد واكنش مرتبه صفر خواهد بود و در حالت عكس آن، واكنش از مرتبه يك خواهد بود. براي مواد الاآينده اي كه غلظت هاي بالاي آنها براي فعاليت ميكروارگانيسم حالت بازدارندگي دارد از رابطه هالداين استفاده مي شود.
رابطه هالداين
ثابت بازدارندگي است.
البته در استفاده از رابط فوق (كه براي آنزيمها توسعه يافته است) براي سلول فرض مي شود كه جمعيت ميكروبي ثابت استن. اين موضوع معمولاً در يك بيوفيلتر صادق است در مواردي كه افزايش جمعيت ميكروبي قابل توجه است (مثلاً در موقع شروع فرايند) سرعت حذف ماده آلاينده وابسته به رشد بوده و با استفاده از رابطه مونود و ضريب بازده توليد بيومس به مصرف ماده آلاينده بيان مي شود.
در شكل 3-1 شمايي از بيوفيلم و پروفيل انتقال جرم از فاز گاز به بيوفيلم نشان داده شده است.
تركيبات آلي تأمين كننده كربن و انرژي براي ميكروارگانيسم بوده و حاصل اكسيداسيون آنها در سلول توليد آب و دي اكسيد كربن و بيومس است. در شرايطي خاص (مثلاً در صورتي كه اكسيژن به اندازه كافي در اختيار ميكروارگانيسم نباشد) محصولات حد واسط واكنشهاي متابوليسمي نيز ممكن است توليد شود.
مولكولهاي آب و دي اكسيد كربن (و تركيبات حد واسط اگر فرار باشند) به هوا منتقل مي شوند. بيومس در بستر بيوفيلتر انباشته مي شود.
انتخاب بستر فيلتر
بيوفيلترها به صورت موفقيت آميزي با كاربرد مواد آلي همانند خاكها، انواع كمپوست، ماسه، پوسته درختان، پيت و خاك برگ، كيهاني چون علف جاروب، خاكستر آتشفشاني و يا تركيب اينگونه مواد به عنوان بستر عمل كرده اند.
هاگ معتقد است يستر بيوفيلتر ميتواند از كمپوست هاي در دسترس محلي تا مخلوط هاي اختصاصي از اجزاي همانند كمپوست، خاك، پيت، پوسته هاي درخت، چوب، آهك، كربن فعال و گوي هاي پلي استيرن تغيير كند.
در پاره اي از مقالات علاوه بر موادا فوق به استفاده از زباله هاي شهري و بقاياي هرس برگها و درختان نيز اشاره شده است. در ضمن، رس متخلخل و گوي هاي استيرفي را جزو مواد افزودني مي دانند كه جهت بالا بردن سطح واكنش و پايداري سيستم و پايين نگه داشتن فشار اضافه مي گردند.
آلن و يانگ حذف بالاي H2S را با تعدادي بسترهاي بيوفيلتري مركب اتز پوسته درخت لجن و زباله هاي خانگي كمپوست شده مشاهده كردند.
انتخاب يك بستر مناسب نقش بسيار مهمي در موفقيت فرايند بيوفيلتراسيون دارد. خواص مطلوب براي بستر به قرار زير است.
1.دارا بودن شرايط بهينه محيطي از نظر مواد غذايي، رطوبت و PH
2.سطح ويژه بالا
3.پايدار بودن از لحاظ ساختماني
4.توانايي نگهداري رطوبت
5.تخلخل زياد
6.دانسيته پايين
3-7-1-انتخاب خاك به عنوان بستر
خاك به طور وسيع در سراسر دنيا براي سيستمهاي بيوفيلتري بكارگرفته مي شود. بر طبق گزارشات موجود در كشور ژاپن بيش از 110 بيوفيلتر خاكي در حال عمل مي باشند [RASAWA, 1986].
اصلي ترين دليل براي به كارگيري اين نوع دبستر در دسترس بودن آن است. علاوه بر آن اكثر خاكها شامل مواد آلي مورد نياز، تخلخل مناسب، توزيع بهينه ذرات جهت فراهم نمودن عبور جريان هوا و نگهداري از يك جمعيت ميكروبي متنوع مي باشد. خاك از مهمترين واحدهاي تصفيه آلاينده هوا برروي سطح زمين مي باشد و قادر به جذب سطحي و اكسيداسيون گازهاي آلي مي باشد. اجزاي گازهاي آلاينده در جريان هواي عبوري بعد از گذشتن از ميان مناتفذ خاك جذب مي گردند همانند روش ستون گاز كروماتوگرافي برروي سطح منافذ بين ذرات تفكيك مي شوند.
ضرايب تفكيك خاك / گاز نيروي نگهدارنده نسبي ذرات را نشان مي دهد و اين ضرايب به سرعت به وزن مولكولي تركيبات آلي فرار (VOC6) و با تعداد گروه هاي گوگرد، نيتروژن اكسيژن در مولكولهاي اين گونه تركيبات افزايش مي يابد.
ضرايب مورد نظر براي هيدروكربن ها در خاكهاي خشك اندازه گيري و از 1 براي متان تا 10000 براي اكتان متغير بوده است.
از معايب استفاده از خاك به عنوان بستر دارا بودن سطح ويژه كم و ايجاد و افت فشار بالا در بيوفيلتر است [2]. در گزارشي به استفاده از خاك براي حذف مواد آروماتيك از هوا توسط ميلر اشاره شده است. خاك براي بيوفيلترها بستر باز (با فناوري پايين و براي مناطقي كه مشكل كمبود فضا وجود ندارد مناسب است) [15]
3-7-2-استفاده از كمپوست به عنوان بستر
كمپوست به طور قابل ملاحظه اي در سالهاي اخير به خصوص بعد از شروع وسيع فعاليت كارخانه هاي كمپوست سازي به كار گرفته شده است.
كمپوست مشتق شده از لجن، مواد زايد شهري و زباله هاي خانگي، داراي تراكم و تنوع زياد اجتماعات ميكروبي نسبت به خاك ها مي باشد.
در واقع از آنجايي كه فعاليت بيولوژيكي خاك از ديگر سوبستراها همانند بسترهاي خزه و كودهاي گياهي و كمپوستي كمتر است، اين عامل دانشمندان را در جهت استفاده از ساير تركيبات آلي براي افزايش سرعت حذف مواد آلاينده و هدفمون ساخت بدين ترتيب استفاده از سئوبستراهاي كمپوستي به عنوان بستر بيوفيلتر مورد توجه بسيار قرار گرفت. كمپوست شامل ميكروارگانيسم هاي با ثابت سرعت تجزيه بيولوژيكي بسيار بالا مي باشد. كل جمعيت شمارش شده قارچجها، باكتريها و اكتينوميست ها به طور قابل ملاحظه اي ذدر بستر بيوفيلترهاي كمپوستي نسبت به خاكهاي طبيعي و يا خاكبرگهاي گياهي بالاتر است.
علاوه بر آن ذرات كمپوست داراي ظرفيت سطحي بالا قابليت نفوذپذيري زياد نسبت به آب و هوا، شرايط بافري مناسب و ظرفيت مبادله كاتيوني مي باشند در اثر اين فاكتورها نسبت به ساير مواد در فيلترهاي با اندازه كوچك نيز برسيم.
معايبي كه استفاده از كمپوست دارد اين است كه كمپوست افت فشار بالايي در سيستم ايجاد مي كند و از نظر فيزيكي و شيميايي پايدار نيست و در صورت خشك شدن مرطوب سازي مجدد آن به راحتي صورت نمي گيرد. [9]
3-7-3-استفاده از پيت به عنوان بستر
پيت ئو خاك برگهاي گياهي از عوامل آلاينده زداي مؤثر مي باشند چندين محقق اين نوع را بروي منابع آلاينده مختلف آزمايش كردند.
در پيت ميزان رطوبت بالا به وفور در دسترس است و افت فشار در درون اين نوع بسترها به خاطر ساختمان فيبريشان بسيار كمتر از خاك و يا بسترهاي كمپوستي است.
در حقيقت پيت بقاياي طبيعي فرآورده هاي جنگي است كه تحت شرايط لسيدي به طور جزئي تخريب شده است.
فروزاوا و همكارانش توانستند گاز سولفيد هيدروژن را با پيت هاي گياهي حذف كننده در مطالعه ديگري در يك مزرعه پرورش خوك در ايتاليا از بيوفيلتر نوع پيت استفاده شد و بازده مستقيم 1/86 درصد برآورد گرديد. در اين تحقيق با جريان هواي ورودي به طور متوسط 544 گرم آمونياك در روز از طريق بيوفيلتر جذب شد و غلظت آمونياك از تا كاهش يافت.
3-7-4-استفاده از كربن فعال به عنوان بستر
از كربن فعال با اندازه ذرات حدود 5/0 سانتيمتر به تنهايي يا مخلوط با ديگر مواد به عنوان بستر بيوفيلتر استفاده مي شود. كربن فعال داراي ساختار بسيار مناسب با اندازه ذرات يكنواخت و مقاومت مكانيكي نسبتاً بالايي است. توانايي نگهداري آب آن بالا و سطح زيادي را براي تثبيت ميكروارگانيسم ها فراهم نمي كند. هرچند توانايي جذب آن به خاطر رطوبت بالا در بيوفيلتر كاهش مي يابد اما با اين وجود ظرفيت جذب آن در مقايسه با مواديكه كه بعنوان بستر استفاده مي شوند بيشتر است. در استفاده از كربن فعال به عنوان بستر، اضافه كردن تلقيح ميكروبي و تأمين مواد غذايي مورد نياز ميكروارگانيسم ها ضروري است. اضافه كردن كربن فعال به بسترهايي نظير كمپوست باعث بازده، حذف و پاسخ متعادل به تغييرات ناگهاني در غلظت ورودي به بيوفيلتر مي شود [26]
3-7-5- استفاده از پرليت به عنوان بستر
پرليت ماده اي بسيار سبك و متخلخل است اين ماده ارزان بوده و داراي سطح ويژگيهاي بالايي است. از پرليت به عنوان ماده حجيم كننده همراه با بسترهاي ديگر و يا به تنهايي به عنوان بستر بيوفيلتر استفاده شده است اين ماده فاقد جمعيت ميكروبي مناسب و مواد غذايي است و بايد براي آن تأمين شود [18.4]
بعضي از مواد سنتزش به عنوان بيوفيلتر مود آزمايش قرار گرفته اند. دي فيلپي از اسفنج هاي پلي لوره تان به عنوان بستر بيوفيلتر استفاده كرده و جذب خوب و پاسخ متعادل به نوسان در غلظت ورودي را گزارش كرده است.
استفاده از مواد اليافي نيز به عنوان بستر بيوفيلتر گزارش شده است. افت فشار كم و توانايي نگه داشتن دانسيته بالاتر ميكروبي در مقايسه با بسترها معمولي از مزاياي بسترهاي اليافي گزارش شده است [25,12]
3-8-سيستمهاي بيوفيلراسيون
بعضي از انواع مهم سيستمهاي بيوفيلتراسيون كه ئمورد استفاده قرار مي گيرند به شرح زير است.
1-سيستم باز تك لايه
2-سيستم بسته تك لايه
3-سيستم بسته چند لايه
4-سيستم چند مرحله اي
5-سيستم مدولار
6-سيستم step feed
3-8-1-سيستم بازتك لايه
شامل يك بستر روباز با عمقي در حدود يك متر است. اين سيستم را معمولاً با حفر كانالي در زمين و نصب يك شبكه توزيع هو.ا و پركردن كانال با كمپوست يا خاك يا خاك متخلخل به وجود مي آورند. هواي آلوده از شبكه توزيع هوا به بستر وارد مي شود و از طرف ديگر مستقيماً به فضاي آزاد وارد مي گردد.
از مزاياي اين سيستم سادگي طراحي و هزينه نگهداري پايين است و همچنين نسبت به سيستمها سرمايه كمتري لازم دارد. از معايب آن سخت بودن كنترل سيستم و فضاي زياد مرد نياز است. براي كنترل بو و حذف VOC3 استفاده شده است.
3-8-2-سيستم بسته تكه لايه
شامل بستري به عمق حدود يك متر است كه اغلب از مواد طبيعي به اضافه مواد حجيم كننده تشكيل شده است. اين بستر درون يك محفظه (معمولاً به صورت استوانه اي) قرار دارد. در اين سيستمها امكان مرطوب سازي هواي ورودي، اضافه كردن آب و مواد غذايي و مواد كنترل كننده PH از بالاي بستر درنظر گرفته شده است. به علاوه گاز خروجي از بستر در يك نقطه از سيستم خارج مي شود كه اين امر كنترل آن را آسان مي سازد.
از مزاياي اين سيستم سادگي طراحي، امكان كنترل سيستم و هزينه نسبتاً پايين آن و از معايب آن فضاي زياد مورد نياز است.
3-8-3-سيستم بسته چندلايه
شامل لايه هاي جداگانه اي از بستر در يك محفظه است. اين سيستم اتمكان استفاده از بسترهاي عميق لجون به وجود آمدن مسئله فشردگي را امكان پذير مي سازد. به طور كلي اين سيستم داراي مزايايي نظير فضاي كم مورد نياز، انمعطاف پذير بودن فرايند، امكان تصفيه مؤثر مخلوطي از مواد آلاينده و امكان كنترل شرايط بستر است. از معايب اين سيستم پيچيدگي طراحي و عمليات آن نسبت به سيستمهاي قبلي و سرمايه بالاتر مورد نياز به ازاي واحد حجم بستر است. از اين سيستم در مقياس كامل تاكنون كم استفاده شده است و در مقياس Pilot و bench براي تحقيقات در مورد حذف بو و VOC3 استفاده شده است.
3-8-4-سيستم چندمرحله اي
شامل چند سيستم بسته تك لايه است كه به طور سري به هم وصل شده اند. اين مراحل جداگانه امكان نگهداشتن كل سيستم در دما و رطوبت بهينه و حذف مخلوطي از مواد به طور خيلي مؤثر را امكان پذير مي سازند. عيب اين سيستم نياز به سرمايه خيلي بالا و مشكل بودن عمليات آن است.
3-8-5-سيستم مدولار
اين سيستم ها به طور تجاري در دسترس هستند. سيستم آنها شبيه به سيستم چندلايه است. با اين تفاوت كه ئهر لايه ددرون يك سيني قابل تعويض قرار گرفته است. به اين ترتيب امكان تعويض و جابه جا كردن لايه هاي مختلف بستر وجود داشته و همچنين مي توان خوراك ورودي به سيستم را به صورت چند جريان موازي وارد سيستم كرد.
3-8-6-سيستم Step feed:
شبيه سيستم چندلايه است با اين تفاوت كه امكان وارد كردن خوراك در تعمقهاي مختلف بستر وجود دارد. اين عملد تصفيه خوراك ورودي كه غلظت ماده آلاينده آن متغير است را به طور خيلي مؤثر امكان پذير مي سازد. وقتي كه غلظت آلاينده در هواي ورودي كم است مقداري از هوا در عمقهاي بالاتر به بستر وارد مي شود تا ميكروارگانيسم هاي موجود در آن قسمت فعال باقي بمانند. اين كار باعث مي شود كه ميكرو ارگانيسم هاي فعال همواره در سراسر بستر وجود باشند. و به اين ترتيب هنگامي كه غلظت به طور ناگهاني افزايش يابد بيوفيلتر قادر به تصفيه مؤثر آن خواهد بود.
