بخشی از مقاله
ستاد محيط زيست و توسعه پايدار سازمان حفاظت محيط زيست
چکيده
افزايش جمعيت و به موازات آن گسترش روز افزون فعاليت هاي صنعتي، غلظت آلاينده هاي گازي مختلف در اتمسفر را افزايش داده است . از اين رو حفظ بشر و محيط زيست از خطرات اين آلاينده ها همواره به عنوان يکي از دغدغه هاي دولت ها به شمار رفته است . طي چند سال اخير استفاده از روشهاي نوين تصفيه و کنترل آلاينده هاي گازي خروجي از دودکش صنايع کاربرد فراواني يافته است . يکي از اين روشهاي نوين استفاده از بيوفيلتر ها مي باشد که مي تواند براي تصفيه و کنترل اين آلاينده ها به کار رود. با توجه به اينکه آلاينده هاي گازي يکي از معضلات شهرهاي بزرگ دنيا بوده و جلوگيري از توليد آنها به دليل افزايش فعاليت هاي صنعتي غير قابل اجتناب مي باشد، اين مطالعه بصورت مروري با هدف ارزيابي بيوفيلترها به عنوان يکي از روشهاي نوين تصفيه و کنترل آلاينده هاي گازي توليدي در صنايع صورت پذيرفت . بيو فيلترها متداول ترين نوع بيوراکتورها هستند که شامل بستري حاوي مواد آلي يا معدني سازگار هستند که هم به عنوان نگهدارنده توده زنده فعال و هم به عنوان منبع مغذي براي رشد ميکروب ها مورد استفاده قرار مي گيرند. آلاينده هاي هواي آلوده با عبور از ميان بستر، جذب بيوفيلم شده و مورد تجزيه ميکروبي قرار مي گيرند. مواد مختلفي مانند خاک اره ،کمپوست شهري و زغال سنگ به عنوان بستر مورد استفاده قرار مي گيرند. در اين ميان استفاده از کمپوست شهري به دليل داشتن رطوبت و pH مناسب توصيه مي گردد. همچنين بيوفيلترها با هزينه هاي سرمايه گذاري پايين و راهبري آسان نسبت به بيشتر روش هاي تصفيه کنوني قادرند حجم زيادي از آلاينده ها با غلظت پايين را حذف کنند.
کلمات کليدي:
بيوفيلتر، تصفيه آلاينده هاي گازي، هواي آلوده ، دودکش صنايع
مقدمه :
افزايش تصاعدي جمعيت و توسعه فعاليت هاي صنعتي براي پاسخگويي به نيازهاي گوناگون اين جمعيت در حال رشد آلودگي منابع تجديد ناپذير حيات – يعني آب ، خاک و هوا – را به دنبال داشته است فهرست آلاينده هاي اخير منتشر شده در جو که به وسيله دولت هاي مختلف وسازمان هاي محيط زيستي به چاپ رسيده نشان مي دهد که از آغاز قرن بيستم نشر آلاينده هاي اتمسفري در شمال آمريکا به طور پيوسته در حال افزايش است . بنابراين گزارش در سال ٢٠٠٠ ميلادي تنها در کانادا حدود ٤١ ميليون تن از آلاينده ها(شامل : ذرات ،اکسيدهاي گوگرد،اکسيدهاي نيتروژن ،اکسيدهاي کربن ومواد آلي فرار) به اتمسفر منتشر شده است که اين برابر با ١.٣ تن آلاينده به ازاي هر نفر ساکن کانادا در سال است .در آماري ديگر در سال ٢٠٠٢ در ايالات متحده آمريکا حدود ١٥٠ ميليون تن آلاينده به هوا منتشر شده که برابر با ٠.٥ تن به ازاي هر نفر ساکن در ايالات متحده در سال مي باشد[١].
اين موضوع سبب شده تا در طي نيم قرن اخير ، استاندارد هاي مختلفي جهت کنترل انتشار اين آلاينده ها به وجود آيد و هر سال نيز بازه ي اين استاندارد ها تنگ تر و تنگ تر شود . از طرفي ،نظر به هزينه هاي سنگين اوليه و نيز هزينه هاي عملياتي روش هاي مختلف تصفيه اي و عدم بازگشت سرمايه در اين بخش از واحد هاي صنعتي ،قسمت بازيافت و کنترل آلاينده ها و خصوصاً بخش کنترل آلودگي هوا به بخشي زائد و با بار اقتصادي بي بازگشت تبديل شده است . از اين روست که تلاش عمده ي محققان زمينه هاي زيست محيطي در سال هاي اخير ،نه تنها متوجه ابداع روش هاي جديد در تصفيه ، بلکه متوجه يافتن روش هاي کم هزينه تر در اين زمينه شده است .با افزايش دانش در مورد اثرات زيان بار آلاينده هاي محيطي، صنايع با مقررات سخت گيرانه تري براي تخليه هواي آلوده ناشي از فعاليت هاي مختلف به محيط مواجه ميشوند. اين مقررات به طور فزاينده اي سخت گيرانه هستند و حدود قانوني انتشار مدام در حال کاهش هستند.در اواخر قرن بيستم ، فرآيندهاي تصفيه ي بيولوژيکي (تصفيه به روش هاي زيستي) کاربرد وسيعي در کنتري آلودگي فاضلاب ها و پساب ها ي مايع و جامد پيدا کرد..در اين ميان روش هاي بيولوژيکي مشابهي براي کنترل آلودگي هوا مورد استفاده قرار گرفتند[٢].درفرآيندهاي بيولوژيکي يا بيوراکتورها از ميکروارگانيسم به منظور مصرف آلاينده و در نتيجه تصفيه جريان هواي آلوده استفاده مي شود. اکثر مواد به ويژه ترکيبات آلي مي توانند توسط ميکروارگانيسم ها تجزيه شوند .اما برخي ميکروارگانيسم ها مي توانند ترکيبات غير آلي مانند دي اکسيد گوگرد و اکسيدهاي نيتروژن را مصرف کنند.هزينه نصب و بهره برداري بيوراکتورها به طور قابل توجهي کمتر از هزينه تکنولوژي هاي سنتي است . واحدهاي تبديل حرارتي و کاتاليستي مقدار زيادي سوخت گران قيمت مصرف مي کنند در حالي که بيوراکتورها تنها مقادير کمي انرژي الکتريکي براي راه اندازي دو يا سه موتور کوچک مصرف مي کنند .بيوراکتورها معمولا کارگر تمام وقت نياز ندارند و تنها مقدار کمي مواد مغذي نياز دارند [١٤]. بيو فيلترها متداول ترين نوع بيوراکتورها هستند که شامل بستري حاوي مواد آلي( ذغال سنگ ، کمپوست ، خاک اره و...) يا مواد معدني سازگار هستند که هم به عنوان نگهدارنده توده زنده فعال و هم به عنوان منبع مغذي براي رشد ميکروب ها مورد استفاده قرار مي گيرند . ميکروارگانيسم ها در يک بيوفيلم روي سطح بستر يا در لايه آب اطراف ذرات بستر رشد مي کنند . هواي آلوده ضمن عبور از بستر بيوفيلتر، آلاينده هاي خود را به بيوفيلم تشکيل شده يعني جائيکه تجزيه بيولوژيکي توسط توده زنده انجام مي شود، انتقا ل مي دهند .در فيلترهاي چکنده ، فاز متحرک آبي وجود دارد، اما سيستم بيو فيلتر بايد مرطوب نگه داشته شود، زيرا فازمتحرک آبي در آن وجود ندارد . استفاده از اين روش ها، در مقايسه با روش هاي متداول کنترل آلاينده هاي هوا بسيار اقتصادي بوده و در صورتيکه عمليات به نحو مطلوب انجام شود، کاهش آلاينده ها در بيشتر مواقع بيش از٩٥ درصد خواهد بود . در مورد کاربردهاي بالقوه بيوفيلترها در صنايع مي توان به استفاده از آن در صنايع توليد کننده مواد شيميايي، مواد دارويي، پلي مر و پلاستيک ، صنايع رنگ ، فرايندهاي پوشش دهي سطح ، صنايع پتروشيمي و صنايع توليد و پالايش نفت اشاره نمود [٢,١٤].
انواع فرآيندها و راکتورهاي بيولوژيکي مورد استفاده در تصفيه آلاينده هاي گازي
براي تصفيه بيولوژيکي گازهاي آلاينده سه بيوراکتور عمده طراحي شده اند.بيوفيلترها ، بيوفيلترچکنده بيواسکرابرها. اختلاف اين سه روش بر سر وجود يا عدم وجود مواد حمل کننده و فاز متحرک است (جدول ١).در بيوفيلتراسيون ،ميکروارگانيسمها يا روي بيوفيلم تشکيل شده در بستر رشد مي کنند يا در فاز مايع اطراف ذرات بستر به حالت تعليق در مي آيند.ضمن حرکت هوا از ميان بستر آلاينده هاي موجود در آن جذب بيوفيلم شده و مورد تجزيه ميکروبي قرار مي گيرند.در يک بيوفيلتر مي تواند مجموعه اي از فرآيندهاي مختلف نظير جذب ،واجذبي،جذب سطحي وتجزيه انجام شود[٣].
در مقايسه با روش هاي فيزيکي -شيميايي يعني روش هايي که گاهاً آلاينده ها به آساني از يک فاز به فازديگر انتقال مي يابند، در روش هاي بيولوژيکي، گازها به ترکيبات بي ضرر يا کمتر آلوده تجزيه مي شوند .به همين دليل در موارديکه گازهاي آلوده حاوي غلظت هاي بالايي از ترکيبات فرار، پرارزش و قابل بازيافت هستند، روشهاي بيولوژيکي مناسب نخواهند بود. در جدول ١ خصوصيات مختلف فرآيندهاي بيولوژيکي مورد استفاده در پاکسازي هواي آلوده آورده شده است [٤].
بيوفيلتر وبيوفيلتراسيون
بيوفيلتر،بيوراکتوري است که در آن با استفاده از ميکروارگانيسم هاي خو داده شده با گاز آلاينده اقدام به کاهش يا تصفيه ترکيبات آلاينده در هواي خروجي از دودکش هاي صنايع آلوده کننده مي کنند. به اين فرآيند بيوفيلتراسيون گويند.ماده آلاينده جذب فاز مايع مي گردد که حاوي ميکروارگانيسم هاي فعال مي باشد. اين گروه از ميکروارگانيسم هاي سازگار شده و تخصص يافته ، ماده آلاينده را تجزيه و از انرژي ناشي از شکست اين ترکيبات براي تکثير و فعل و انفعالات متابوليک خود استفاده مي نمايند. محصول واکنش ميکروبي عمدتاً CO٢ آب و بيومس مي باشد . در اين روش ماده آلاينده ميتواند آلي يا غير آلي باشد[٥].
ساختمان ومکانيسم بيوفيلترها
يک بيوفيلتر ساده معمولا شامل جعبه اي مستطيلي با محفظه اي آب بندي شده در پايين ، يک شبکه تکيه گاه بالاي محفظه
و چند سانتيمتر مواد بستر روي تکيه گاه مي باشد.شکل ١ ساختار عمومي يک بيوفيلتر را نشان مي دهد.
شکل ١: ساختارعمومي يک بيوفيلتر
مواد مختلفي براي ساخت بستر استفاده مي شود مانند ذغال سنگ ، کمپوست ، پوست درخت ، خاک درشت دانه ، شن و سنگريزه يا قالب هاي پلاستيکي . برخي مواقع پوست صدف خوراکي براي خنثي کردن اسيد وکود( براي تامين مواد مغذي) با مواد بستر مخلوط مي شوند. شبکه تکيه گاه اجازه مي دهد هوا از پايين بيوفيلتر به سمت محيط بستر حرکت کند تا با ميکروارگانيسم هايي که در بستر زندگي مي کنند تماس پيدا کند . همچنين سوراخ ها اجازه مي دهند رطوبت اضافي بستر به محفظه پايين بيوفيلتر زهکش شود.براي جمع آوري هواي آلوده يک بادبزن نياز است . اگر هوا خيلي داغ ، خيلي سرد ، خيلي خشک يا خيلي کثيف باشد لازم است قبل از فرستادن آن به بيوفيلتر پيش تصفيه شود.هنگامي که جريان هوا به سمت بستر جريان مي يابد ، آلاينده ها توسط رطوبت بستر جذب شده و در تماس با باکتري ها قرار گرفته و توسط آنها مصرف و غلظت آنها کاهش مي يابد. در طي فرايند هضم ، آنزيم هاي موجود در باکتري ها ترکيبات آلي را به انرژي ، دي اکسيد کربن و آب تبديل مي کند و مواد غيرقابل هضم به عنوان پسماند باقي مي مانند[١٤].
در شکل ٢ تعدادي از مکانيسم هايي که در يک بيوفيلتر با گذشت زمان اتفاق مي افتد آورده شده است :
شکل ٢:مکانيسم هاي انجام گرفته در بيوفيلتردر بازه زماني مختلف
همانطور که در شکل ٢ ملاحظه مي شود به طور کلي مکانيسم هاي واکنش ،تماس ،پخش وانتشار و نهايتا رشد ميکروبي و مرگ ميکروب يکي پس از ديگري انجا م شده وباعث انجام فرآيند بيوفيلتراسيون مي شود[١].
مواد بستر(آکنه يا پرکن ) در بيوفيلترها
بيوفيلتر با استفاده از يک ماده ي جامد متخلخل ، به عنوان ماده ي واسطه اي (آکنه يا پرکن ) که به عنوان پايه ي ميکروارگانيسم ها عمل مي کند و دسترسي آنها را به آلاينده هاي موجود در جريان هوا امکان پذير مي سازد ، فعاليت خود را انجام ميدهند . تنوع اين پرکن هاي مصرفي فوق العاده زياد است .پرکن ها ممکن است متشکل از مواد آلي ، مواد معدني جامد و يا مواد کاملاً سنتزي باشند . اندازه ي ذرات اين مواد نيز متفاوت است و اين اختلاف در اندازه و توزيع آنها در برابر جريان هوا و سطح تماس کلي لايه اي زيستي تأثير گذار باشد . اين ذرات گاهي سطح صافي دارند که نسبتاً از حجم آن کوچک تر است و يا سطحي فوق العاده ناهموار و داراي حفره هاي ميکروسکوپي داخلي هستند که در نهايت سطح ويژه ي بسيار بزرگي را براي جذب سطحي به وجود مي آورند .طبيعت مواد واسطه يا آکنه ه اي بيو فيلتر ،عامل اصلي در کارکرد موفقيت آميز بيوفيلتر است
