BIOFILTRACJA PRZEMYSŁOWYCH GAZÓW ODLOTOWYCH PRZY UŻYCIU NATURALNYCH ZŁÓŻ WŁÓKNISTYCH

Transkrypt

1 BIOFILTRACJA PRZEMYSŁOWYCH GAZÓW ODLOTOWYCH PRZY UŻYCIU NATURALNYCH ZŁÓŻ WŁÓKNISTYCH BIOFILTRATION OF INDUSTRIAL WASTE GASES BY USING NATURAL FIBERS BEDS. Monika Wierzbińska Instytut Ochrony i Inżynierii Środowiska, Akademia Techniczno- Humanistyczna, ul. Willowa Bielsko-Biała,, mwierzbinska@ath.bielsko.pl ABSTRACT The paper presents the results of remove Volatile Fatty Acids from waste gases have passed through the biological beds with natural materials such as: peat, bark, cotton fiber, jute and hemp. The beds were installed in the fatty industrial. The effects of odour removal were evaluated on the basis of gas chromatographic measurements. The research was led in 15 weeks period. Results of investigation are presented as chromatograms and it was studied change of biofiltration effectivity during exploitation of fibrous beds. Key words: deodorization, Volatile Fatty Acids, biofiltration, natural fibers, fibrous beds. Wstęp Biologiczny rozkład zanieczyszczeń jest procesem, który przebiega w przyrodzie niezależnie od woli ludzkiej. W ciągu wielu epok potencjał biologiczny gleby i wód wystarczał w zupełności do przyjęcia i przetworzenia odpadów. Dotyczyło to głównie odchodów ludzkich i zwierzęcych oraz odpadów powstałych w rolnictwie i rzemiośle, najczęściej również naturalnego pochodzenia. Ochrona bezpośredniego otoczenia siedlisk ludzkich przed tymi zanieczyszczeniami polegała na ich usuwaniu do wód, wykorzystywaniu przez rolnictwo lub zakopywaniu. Zakopywanie odpadów, choćby tylko pod cienką warstwą gleby, zapobiegało, między innymi, rozprzestrzenianiu się podczas ich gnicia odorotwórczych gazów. Proces gnicia mógł przebiegać nadal, jednak uwolnione odorotwórcze składniki gazowe były wchłaniane przez glebę i rozkładane biologicznie przez zasiedlające ją mikroorganizmy. Obecnie biologiczne metody usuwania substancji uciążliwych zapachowo są bardziej rozwinięte. W dużym stopniu poznano teorię dotyczącą biofiltracji gazów oraz praktyczne uwarunkowania, pozwalające na ciągłe doskonalenie technologii i zwiększanie efektywności procesów dezodoryzacji. Uciążliwości z powodu powstających odorów dotyczą nie tylko osób związanych z procesem technologicznym, ale również całego otaczającego środowiska. Ich źródłami są nieszczelne budynki, przeciekające rury, otwory wentylacyjne, zbiorniki, nie zamknięte naczynia oraz kominy. (Hunt, 1993) Jednym ze źródeł szczególnie uciążliwych pod względem emisji odorantów jest przetwórstwo odpadów zwierzęcych. Jest ono źródłem zorganizowanej i niezorganizowanej emisji amoniaku, amin, siarkowodoru, siarczków, skatoli, merkaptanów, aldehydów, kwasów organicznych i kadaweryny. Do innych bardzo uciążliwych gałęzi przemysłu należy przetwórstwo ryb i produkcja mączki rybnej z charakterystycznym odorantem: trójmetyloaminą. Na liście uciążliwych zakładów są rafinerie nafty, zwłaszcza z instalacjami oksydacji asfaltów, odlewnie żeliwa, zakłady przemysłu gumowego, celulozowego i włókienniczego, fermy hodowlane, oczyszczalnie ścieków, składowiska odpadów oraz zakłady przemysłu tłuszczowego. (Konieczyński, 1993) Prowadząc proces biologicznego oczyszczania, należy spełnić następujące warunki: (Kozłowska, 1996; Szymborska, 2001; Shoda, 1991) odoranty, które mają być usunięte z gazów odlotowych muszą być biodegradowalne, czyli podatne na rozkład biologiczny; powinny być rozpuszczalne w wodzie lub tłuszczach (lipidach znajdujących się w błonie komórkowej bakterii); nie mogą być toksyczne dla bakterii (gaz powinien być wolny od związków metali ciężkich oraz oparów kwasów).

2 264 pobór próbki rotametr pobór próbek Złoże torfowo-korowe Torf z korą Bawełna 1000 mm Konopia Juta 1500 mm 100 mm pobór próbki Zawór regulacyjny wentylator 300 mm Rys. 1. Schemat instalacji doświadczalnej złożonej ze złóż biologicznych, w których wypełnienie stanowią: mieszanina torfu i kory, juta, konopia i bawełna W pracy przedstawiono wyniki badań własnych dezodoryzacji gazów odlotowych z przemysłu tłuszczowego metodą biofiltracji z wykorzystaniem złóż torfowo-korowych i włókien konopii, juty i bawełny. (Wierzbińska, 2002; Wierzbińska, 2005) Materiał i metody badań Badania nad dezodoryzacją gazów odlotowych na złożach biologicznych prowadzone były na terenie Zakładów Tłuszczowych. Zakłady Tłuszczowe, w których pobierano próbki gazowe, prowadzą produkcję tłuszczów jadalnych. Proces technologiczny obejmuje różne operacje począwszy od magazynowania nasion rzepaku, poprzez wydobywanie oleju z nasion na prasach głębokiego tłoczenia, rafinację i utwardzanie olejów, aż do produkcji wyrobów finalnych, jakimi są: margaryny, oleje jadalne i tłuszcze 100%. Podczas kolejnych operacji technologicznych powstają odpady zarówno w postaci stałej, ciekłej, jak i gazowej. Gazy odlotowe, powstające w czasie produkcji stanowią szczególną uciążliwość, głównie ze względu na zawarte w nich lotne związki odorotwórcze. (Niewiadomski, 1979) Problem odorów na terenie Zakładu dotyczy przede wszystkim takich związków, jak: lekkie węglowodory alifatyczne, siarkowodór, merkaptany, aldehydy oraz lotne kwasy tłuszczowe (LKT). W badaniach zaproponowano wykorzystanie naturalnych włókien: bawełny, konopii i juty jako dodatku do wypełnień biofiltrów torfowo korowych, służących do dezodoryzacji uciążliwych gazów przemysłowych, w celu zwiększenia właściwości sorpcyjnych zastosowanej biomasy. Założono wykorzystanie włókien odpadowych, co wyeliminowało wzrost kosztów inwestycyjnych instalacji. Przedmiotem badań były gazy odlotowe z łapacza tłuszczu, które przepuszczano przez cztery biofiltry (Rys.1.), celem usunięcia z nich lotnych kwasów tłuszczowych (LKT), odpowiedzialnych za odorową uciążliwość tych gazów. Założono, że na materiale biologicznym w procesie naturalnej selekcji nastąpi wytworzenie zespołu mikroorganizmów, dzięki którym łatwo rozkładalne kwasy tłuszczowe zostaną przetworzone w dwutlenek węgla i wodę. Stanowisko badawcze składało się z czterech biofiltrów wykonanych z polimetakrylanu metylu (PMMA): jednego o średnicy ø 300 mm oraz wysokości 2m i trzech o średnicy φ 100 mm i wysokości 1 m. (Rys.1.) Większy z biofiltrów wypełniono warstwą materiału biologicznego, stanowiącego mieszaninę torfu i kory w stosunku obj.: 1:1 o miąższości (wysokości) 1,50 m. Objętość warstwy filtracyjnej wynosiła 0,1 m 3, natomiast powierzchnia przekroju złoża 0,07 m 2. Warstwę złoża biologicznego zawieszono na wys. 40 cm od dna rury, na siatce ze stali nierdzewnej.

3 265 Obciążenie złoża biologicznego wynosiło 15 m 3 /m 2 h. Czas zatrzymania gazu w złożu wynosił ok.360 s. W trzech kolejnych biofiltrach wykorzystano alternatywne wypełnienia. Rury wypełniono warstwami materiału biologicznego, stanowiącego mieszaninę torfu i kory w ilości po 6 warstw x 300 g każda (ok. 6 x 12 cm) oraz pięcioma przekładkami z włókien naturalnych: w jednym złożu z bawełny, w drugim z konopii i w trzecim z juty, w ilości po 5 warstw x 5 g w każdym złożu (ok. 5 x 3 cm) Włókna rozłożono równomiernie na całym przekroju biofiltra, co utworzyło warstwy o miąższości ok. 3 cm każda. Do wykonania złóż biologicznych wykorzystano włókna surowe, nie poddawane żadnej obróbce chemicznej. W przypadku juty i konopii, były to włókna techniczne. Przed włożeniem warstw włókien do biofiltrów przeprowadzono badania mające na celu oszacowanie ich grubości, powierzchni właściwej oraz porowatości warstw tych włókien. Objętość każdego biofiltra wynosiła 0,007 m 3, natomiast powierzchnie przekroju złóż wynosiły 0,008 m 2. Gaz doprowadzano do poszczególnych złóż biologicznych z łapacza tłuszczu za pomocą wentylatora. Przed złożami zainstalowano zawory regulacyjne, umożliwiające wyrównywanie przepływów przez wszystkie złoża. Za filtrami umieszczono rotametry typu RDN 15, za pomocą których dokonywano odczytu przepływów, oraz króćce do poboru próbek gazów po dezodoryzacji. Obciążenie złóż z włóknami wynosiło ok.125 m 3 /m 2 h, a czas zatrzymania gazu ok. 25s. Warunki w jakich prowadzono badania były zmienne z racji zmian warunków otoczenia oraz wahań wynikających z produkcji zakładowej. Parametry pracy instalacji wahały się w przedziałach: - temperatura gazów odlotowych: 40± 5oC - temperatura gazu w złożu: 27± 2oC - wilgotność gazu poddawanego dezodoryzacji: ok. 100 %. Przepływ zanieczyszczonego gazu przez złoże ustalono na poziomie 1m 3 /h. Do mierzenia temperatury i wilgotności, wykorzystano dwufunkcyjny miernik przenośny firmy Lutron, typu HT Po zakończeniu badań na stanowisku badawczym w Zakładach Tłuszczowych pobrano materiał włókienniczy i poddano dalszym badaniom. Wyznaczono wilgotność próbek włókien bawełny, juty i konopii oraz przeprowadzono analizę morfologiczną poszczególnych włókien. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki analiz próbek gazowych przed i po procesie dezodoryzacji oraz zmian efektywności procesu w czasie eksploatacji biofiltrów. Metodyka badań Próbki gazów pobierano przed i za złożami, po czym analizowano jakościowo i ilościowo na chromatografie gazowym. Na podstawie zmian stężeń lotnych kwasów tłuszczowych oceniano efektywność procesu dezodoryzacji. Próbki gazów pobierano, po przepuszczeniu po 50 l gazu przez płuczki zawierające po 5 ml 0,05 m KOH. Następnie po dodaniu do KOH kilku ml 1 m HCl (do uzyskania odczynu słabo kwaśnego), pobierano 2µl tak przygotowanej próbki i podawano do dozownika w chromatografie. Badania chromatograficzne próbek gazów odlotowych przeprowadzano na chromatografie gazowym firmy Hewlett Packard (GC System, HP 6890 Series), wykorzystując kolumnę kapilarną dla związków polarnych, o długości 10 m, średnicy 0,53 mm, pokrytą 1 µm warstwą poliglikolu modyfikowanego kwasem tereftalowym (FF AP 10m x 0,53 mm x 1 µm). Jako gaz nośny wykorzystywano azot. Badania przeprowadzano przy następujących parametrach: * temperatura początkowa pieca: 75 o C * temperatura końcowa pieca:150 o C * czas analizy : 10 min. * temperatura detektora FID: 250 o C * temperatura dozownika: 250 o C. Sterowanie chromatografem oraz obliczanie uzyskanych wyników realizowano przy pomocy zainstalowanego oprogramowania HP ChemStation. Kalibrację metody wykonano przy użyciu wzorca zewnętrznego. Wartości stężeń LKT przedstawione w pracy były średnią arytmetyczną z dwóch kolejno wykonanych analiz. Wyniki dezodoryzacji porównywano pomiędzy poszczególnymi złożami na etapie niestabilnej pracy złóż, tj. w okresie wpracowywania się biofiltrów oraz w czasie ich stabilnej pracy. Wyniki i dyskusja Próbki gazów pobierano przed i za biofiltrami, po czym analizowano jakościowo i ilościowo na chromatografie gazowym. Otrzymano chromatogramy zanieczyszczonych gazów, będących źródłem uciążliwości odorowej. Na Rys pokazano fragmenty chromatogramów dla próbek gazów przed i po procesie dezodoryzacji. Na podstawie zmian stężeń lotnych kwasów tłuszczowych: octowego, propionowego i masłowego, oceniano efektywność procesu dezodoryzacji.

4 266 A B C Rys. 2. Chromatogramy analizowanych gazów przed (1) i po (2) procesie dezodoryzacji po tygodniu eksploatacji biofiltrów: A - torfowo-korowego, B - torfowo-korowego z dodatkiem konopii, C - torfowokorowego z jutą, D - torfowo-korowego z bawełną. D

5 267 A B C Rys. 3. Chromatogramy analizowanych gazów przed (1) i po (2) procesie dezodoryzacji po 9 tygodniach eksploatacji biofiltrów: A - torfowo-korowego, B - torfowo-korowego z dodatkiem konopii, C - torfowokorowego z jutą, D - torfowo-korowego z bawełną. D

6 268 A B C Rys. 4. Chromatogramy analizowanych gazów przed (1) i po (2) procesie dezodoryzacji po 15 tygodniach eksploatacji biofiltrów: A - torfowo-korowego, B - torfowo-korowego z dodatkiem konopii, C - torfowo-korowego z jutą, D - torfowo-korowego z bawełną. D

7 269 Na Rys widać, że intensywności pików odpowiadających poszczególnym związkom odorotwórczym zmniejszyły się po procesie biofiltracji. W początkowym okresie eksploatacji efekt ten był najmniejszy dla złoża z włóknami konopii, a największy dla złoza bez dodatku włókien, natomiast po 15 tygodniach badań zmiany intensywności pików odpowiadają najwyższym uzyskanym w tym okresie badań skutecznościom prowadzonego procesu biofiltracji, przy czym efekt ten jest najlepszy dla złoża z dodatkiem włókien bawełny. Na podstawie otrzymanych chromatogramów wyznaczono stężenia kwasów: octowego, propionowego i masłowego w badanych próbkach gazu. Wartości średnie z trzech pomiarów dla biofiltra z wypełnieniem torfowo-korowym zestawiono w Tab.1., dla złoża z włóknami konopii w Tab.2., dla złoża z włóknami juty w Tab.3., natomiast dla złoża z włóknami bawełny przedstawiono w Tab.4. Tabela.1. Stężenie lotnych kwasów tłuszczowych przed i po procesie dezodoryzacji dla biofiltra z wypełnieniem torfowo-korowym. Stężenie lotnych kwasów tłuszczowych Czas eksploatacji złoża [µg/m 3 ] propionowy octowy masłowy Suma [tyg.] (1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) przed dezodoryzacją (2) po dezodoryzacji Tabela.2. Stężenie lotnych kwasów tłuszczowych przed i po procesie dezodoryzacji dla biofiltra z wypełnieniem torfowo-korowym z włóknami konopii. Stężenie lotnych kwasów tłuszczowych Czas eksploatacji złoża [µg/m 3 ] propionowy octowy masłowy Suma [tyg.] (1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) przed dezodoryzacją (2) po dezodoryzacji

8 270 Tabela.3. Stężenie lotnych kwasów tłuszczowych przed i po procesie dezodoryzacji dla biofiltra z wypełnieniem torfowo-korowym z włóknami juty. Stężenie lotnych kwasów tłuszczowych Czas eksploatacji złoża [µg/m 3 ] propionowy octowy masłowy Suma [tyg.] (1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) przed dezodoryzacją (2) po dezodoryzacji. Tabela.4. Stężenie lotnych kwasów tłuszczowych przed i po procesie dezodoryzacji dla biofiltra z wypełnieniem torfowo-korowym z włóknami bawełny. Stężenie lotnych kwasów tłuszczowych Czas eksploatacji [µg/m 3 ] złoża [tyg.] octowy propionowy masłowy Suma (1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2) Pon. ozn (1) przed dezodoryzacją (2) po dezodoryzacji W pierwszym tygodniu eksploatacji biofiltrów stężenie całkowite kwasów: octowego, propionowego i masłowego zmalało o 4572 µg/m 3 w przypadku złoża torfowo-korowego, o 2970 µg/m 3 po przejściu przez złoże z dodatkiem konopii, o 3795 µg/m 3 w przypadku złoża z jutą i o 4405 µg/m 3 w przypadku złoża z bawełną. Po 3 tygodniach eksploatacji złóż nieoczekiwanie zaobserwowano zwiększenie różnic w efektywności biofiltracji gazów odlotowych. Zaobserwowano spadek ich sumy stężeń dla złoża torfowo-korowego o 4494 µg/m 3, dla złóż z konopią, jutą i bawełną stężenia zmieniły się odpowiednio o 3274 µg/m 3, 3369 µg/m 3 oraz 2305 µg/m 3. Po 9 tygodniach doszło do wyrównania efektów w usuwaniu uciążliwych związków wchodzących w skład gazów odlotowych. Stężenie kwasów octowego, propionowego i masłowego spadło sumarycznie o µg/m 3 po przejściu przez złoże torfowo- korowe, 9798 µg/m 3 po dezodoryzacji na złożu z warstwami konopii, 9781 µg/m 3 za złożem z jutą i 9907 µg/m 3 za złożem z bawełną. Po 13 tygodniach eksploatacji złóż biologicznych, sprawności złóż ustaliły się na jednym poziomie ulegając jedynie nieznacząco małym wahaniom, wynikającym między innymi

9 271 ze zmienności procesów produkcyjnych, tzn. parametrów dopływającego gazu. Całkowite stężenie analizowanych lotnych kwasów tłuszczowych po przejściu przez złoże torfowokorowe zmalało o µg/m 3, przez złoże z włóknami konopii o µg/m 3, po przepuszczeniu przez złoże z jutą o µg/m 3, a z bawełną µg/m 3. Po 15 tygodniach, mimo, iż wystąpiły stosunkowo duże stężenia analizowanych zanieczyszczeń (ogółem µg/m 3 ) (wahania w produkcji zakładowej) nastąpił spadek za złożem torfowo- korowym o µg/m 3, za złożem z warstwami konopii o µg/m 3, za złożem z jutą µg/m 3 i µg/m 3 za złożem z włóknami bawełny. Wnioski 1. Metoda biofiltracji z wykorzystaniem takich materiałów filtracyjnych, jak torf, kora, włókna konopii, juty i bawełny, przy zachowaniu optymalnych warunków i parametrów procesu, zapewnia skuteczne oczyszczanie gazów odlotowych z substancji odorowych z rozpatrywanego źródła emisji. 2. Najlepsze efekty w momencie ustalenia się procesu biofiltracji na stałym poziomie osiąga złoże z torfem, korą i bawełną. Pozostałe, choć niewiele mniej sprawne, również z powodzeniem mogą być wykorzystywane jako filtry biologiczne służące do usuwania z gazów odlotowych substancji uciążliwych odorowo. 3. Jeśli tylko warunki (temperatura, wilgotność, przepływ, obciążenie złoża) drastycznie się nie zmienią, złoża takie mogą z powodzeniem pracować przez okres 3 do 5 lat, po czym zużytą masę biologiczną można wykorzystać jako nietoksyczny kompost. Po biologicznym zdegradowaniu takiego materiału nie stanowi on żadnego obciążenia dla środowiska. NIEWIADOMSKI H., Technologia tłuszczów jadalnych, WNT, 447, SHODA M.; 1991, Methods for the biological treatment of exhaust gases, Biological Degradation of Wastes. SZYMBORSKA J., SZKLARCZYK M.; 2001, Biofiltration of air polluted with ethylbenzene, Environment Protection Engineering, Vol. 27, No 1. WIERZBIŃSKA M.; 2002, Dezodoryzacja gazów odlotowych z przemysłu spożywczego, Zeszyty Naukowe, Inżynieria Włókiennicza i Ochrony Środowiska, Akademia Techniczno- Humanistyczna w Bielsku-Białej, ser. nr 2 Konferencje, z.5. WIERZBIŃSKA M., SUSCHKA J.; 2002, Efekty dezodoryzacji gazów w biofiltrze, Zeszyty Naukowe, Inżynieria Włókiennicza i Ochrony Środowiska, Akademia Techniczno- Humanistyczna w Bielsku-Białej, ser. nr 3 Konferencje, z.7. WIERZBIŃSKA M.; 2005, Biofiltracja lotnych kwasów tłuszczowych na etapie wpracowywania złóż włóknistych, Zeszyty Naukowe ATH- Inżynieria Włókiennicza i Ochrona Środowiska 19 (6); WIERZBIŃSKA M.; 2005, Dezodoryzacja lotnych kwasów tłuszczowych z zastosowaniem złóż biologicznych, Zeszyty Naukowe ATH- Inżynieria Włókiennicza i Ochrona Środowiska 19 (6); WIERZBIŃSKA M., WŁOCHOWICZ A.; 2005, Zastosowanie złóż włóknistych do dezodoryzacji gazów przemysłowych, Przegląd włókienniczy. WOS, 12. LITERATURA HUNT J. A.; 1993, VOC/ Odour Abatement A Critical Debate Regulation and Control of Industrial Emissions of VOCs and Odours. London, Great Britain. KONIECZYŃSKI J., Oczyszczanie gazów odlotowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, KOZŁOWSKA B.; 1996, Usuwanie odorów z rpocesu kompostowania odpadów metodą biofiltracji, IV Ogólnopolskie Sympozjum Ochrona Powietrza w Przemyśle, Materiały Sympozjum, Łódź, maja.