Instalacje oczyszczania gazów odlotowych. Biofiltry, wytyczne projektowe.

Rozwój budownictwa mieszkaniowego na obszarach sytuowanych na obrzeżach miast i osiedli powoduje przybliżenie skupisk ludzkich do wcześniej wybudowanych obiektów, negatywnie oddziaływujących na środowisko. Sytuacja ta dotyczy również istniejących oczyszczalni ścieków, których bliskość w stosunku do nowo budowanych osiedli powoduje zmniejszenie stref ochronnych.

1. WSTĘP
Oczyszczalnie ścieków są potencjalnie źródłem emisji uciążliwych dla otoczenia zapachów. Likwidacja odorów zawartych w gazach odlotowych z obiektów oczyszczalni ścieków, powinna następować poprzez neutralizację odorantów, przed ich odprowadzeniem do atmosfery. Można to osiągnąć przez hermetyzowanie obiektów oraz odprowadzenie strumienia zanieczyszczonych gazów do instalacji, w której nastąpi ich dezodoryzacja. Wśród stosowanych metod dezodoryzacji na szczególną uwagę zasługuje technologia, w której do przetwarzania zawartych w gazach substancji chemicznych wykorzystuje się zdolności powszechnie występujących w naturalnym środowisku mikroorganizmów. W ostatnich latach technologia ta, zaliczana do najskuteczniejszych, a zarazem najtańszych metod oczyszczania gazów odlotowych, coraz częściej wykorzystywana jest do neutralizacji odorów pochodzenia ściekowego.

W oczyszczalniach ścieków najczęściej stosowane są instalacje biofiltrów i biopłuczek. W obu wymienionych instalacjach właściwie dobrane szczepy mikroorganizmów zasiedlają odpowiednio przygotowane podłoże. W praktyce oznacza to, że strumień zanieczyszczonych gazów należy doprowadzić do oczekujących na nie mikroorganizmów. W biofiltrze mikroorganizmy rozmieszczone są w złożu filtracyjnym, które najczęściej zbudowane jest z naturalnych materiałów pochodzenia roślinnego. Proces „konsumowania” zanieczyszczeń przez mikroorganizmy odbywa się w warunkach maksymalnego nasycenia wilgocią. Zawarte w strumieniu gazów odlotowych cząsteczki substancji chemicznych łączą się z cząsteczkami wody, co umożliwia ich wchłanianie przez drobnoustroje. Ponieważ związki chemiczne występujące w gazach odlotowych z oczyszczalni ścieków w większości wykazują zdolność rozpuszczania się w wodzie, możliwa jest ich biologiczna degradacja.

Skuteczność biofiltrów zależna jest od zapewnienia zasiedlonym w złożu mikroorganizmom optymalnych warunków rozwoju. Osiąga się to poprzez utrzymywanie odpowiednich parametrów przetłaczanych gazów (szczególnie dotyczy to wilgotności i temperatury) oraz dzięki właściwej budowie złoża filtracyjnego. Złoże winny cechować: duża aktywna powierzchnia do osiedlenia się mikroorganizmów oraz odpowiednia wielkość wolnych przestrzeni, którymi przepływa strumień gazów. Prędkość przepływu strumienia nasyconych wilgocią gazów oraz struktura i objętość złoża decydują o czasie przetrzymania gazu w biofiltrze, który jest niezbędny do pełnej eliminacji zanieczyszczeń. Dynamika procesów biodegradacji zawartych w gazach zanieczyszczeń jest trudno uchwytna i w dużej mierze zależna od zastosowanych materiałów złoża, w tym od ich odporności na zagniwanie. W celu określenia optymalnych parametrów przepływu gazów należy przeprowadzić badania pilotowe, bądź skorzystać z wcześniejszych doświadczeń w eksploatacji biofiltrów.

2. ŹRÓDŁA GAZÓW ODLOTOWYCH
Istotny wpływ na dobór instalacji ma rozpoznanie źródeł emisji gazów odlotowych. Znajomość źródła emisji umożliwia oszacowanie wielkości i charakteru ładunku zanieczyszczeń, rozpoznanie konieczności zainstalowania dodatkowych urządzeń (np. separatorów tłuszczu) i niezbędnej aparatury kontrolno-pomiarowej. Jeżeli skład gazów odlotowych nie jest znany, do jego określenia przeprowadza się odpowiednie badania lub wykorzystuje doświadczenia z podobnych instalacji. W przypadku oczyszczalni ścieków źródła emisji uciążliwych zapachów są powszechnie znane i łatwe do zdefiniowania.

Przykładowe stężenia odorantów w powietrzu odlotowym i w ściekach, występujące na różnych etapach ich oczyszczania w komunalnych oczyszczalniach ścieków przedstawiono w poniższej tabeli (wg ATV-DVWK_M 204).

Źródła	Stężenie odorantów w powietrzu wylotowym JZ/m3	Stężenie odorantów w ściekach JZ/m3	Potencjał tworzenia się odorantów JZ/m3
Kanał dopływowy	50 – 400	85 – 720	190 – 1.900
Przepompownia ścieków	70 – 750	75 – 4.130	650 – 9.000
Kraty ściekowe	50 – 300	65 – 480	200 – 4.300
Piaskownik podłużny	50 – 130	50 – 140	470 – 2.850
Piaskownik napowietrzany	40 – 400	50 – 3.650	210 – 6.200
Osadnik wstępny	70 – 260	50 – 3.840	250 – 5.600
Komora osadu czynnego	20 – 500	50 – 500	250 – 1.830
Osadnik pośredni	25 – 130	brak danych	brak danych
Osadnik wtórny	25 – 100	25 – 110	60 – 210

Wewnątrz hermetyzowanych obiektów obowiązują określone standardy jakości powietrza, co stanowi podstawę do określenia niezbędnej ilości wymian powietrza i tym samym ustalenia objętości strumienia gazów.

Wytyczne ATV-DVWK wyróżniają trzy kategorie obiektów i zalecają stosowanie dla nich odpowiedniej ilości wymian powietrza:

• hermetyczne obiekty nie przełazowe (np. zbiorniki osadu) – 3 do 4 razy / h,
• pomieszczenia przełazowe, nie będące miejscem pracy – 4 do 6 razy / h,
• pomieszczenia wymagające obecności pracowników obsługi – 6 do 12 razy / h.

Projekt instalacji oczyszczania powietrza musi uwzględniać maksymalne ilości gazów procesowych oraz szczytowe stężenia szkodliwych substancji.

3. DOPUSZCZALNE OBCIĄŻENIE INSTALACJI BIOFILTRA
Celem budowy instalacji jest maksymalna redukcja specyficznej mieszaniny substancji chemicznych zawartych w gazach odlotowych. Stopień wymaganej redukcji określa wskaźnik dopuszczalnej zawartości odorantów w oczyszczonym powietrzu, który wynosi < 500 JZ /m3 h.

Mając ustalone parametry gazów odlotowych:

• objętość strumienia wyrażona w m3•h,
• ładunek zanieczyszczeń określony w jednostkach masy – g/m3•h
  lub za pomocą wskaźnika ilościowego – JZ/ m3•h,

należy ustalić wielkość instalacji biofiltra oraz parametry jego pracy. Należy przy tym zwrócić uwagę, że jeśli w gazach odlotowych sumaryczny ładunek zanieczyszczeń jest zbyt duży lub zawartość jednej substancji przekracza wartości uznawane za dopuszczalne, ich redukcję należy przeprowadzić przed doprowadzeniem strumienia gazów do złoża filtracyjnego (np. w celu neutralizacji H2 S zaleca się zastosowanie płuczki chemicznej lub biopłuczki).

Dla osiągnięcia wymaganego stopnia oczyszczenia gazów w pierwszej kolejności należy zdecydować jak długo trzeba je przetrzymać w obrębie złoża, aby umożliwić mikroorganizmom neutralizację zanieczyszczeń.
Zalecane prędkości przepływu gazów przez złoże filtracyjne wynoszą od 0,01 do 0,1 m/s.

Następnie należy określić obciążenie biofiltra. Zgodnie z wytycznymi VDI 3477 zaleca się korzystanie ze wskaźników powierzchniowego lub objętościowego obciążenia złoża, które winny być zawarte w następujących granicach: OBCIĄŻENIE POWIERZCHNIOWE - od 45 do 150 m3/m2h *)
OBCIĄŻENIE OBJĘTOŚCIOWE - od 40 do 100 m3/m3h
*) Reguły ATV-DVWK w odniesieniu do emisji odorów z oczyszczalni ścieków dopuszczają obciążanie powierzchni filtra do 200 m3/m2h.

Dla każdej instalacji biofiltra określa się dopuszczalne specyficzne obciążenie, którego przekroczenie może powodować niedostateczny stopień oczyszczania gazów.

Po doborze wymienionych powyżej wskaźników można określić wielkości biofiltra, a w szczególności jego powierzchnię i objętości złoża filtracyjnego. W tym celu należy zdecydować o wyborze typu instalacji oraz odpowiednio o strukturze złoża filtracyjnego. Zgodnie z potwierdzonymi również w praktyce zaleceniami, najczęściej stosuje się następujące wysokości usypowe złoża filtracyjnego: w odniesieniu do otwartych biofiltrów powierzchniowych - 1,0 m do 2,5 m, a dla biofiltrów kontenerowych od 1,5 m do 1,7 m.

Zastosowanie się do wyżej określonych wymagań gwarantuje maksymalne graniczenie zawartości zanieczyszczeń w odprowadzanym do atmosfery oczyszczonym powietrzu.

4. UWAGI PRAKTYCZNE DO PROJEKTOWANIA

W projektowaniu biofiltrów wykorzystuje się oparte na unijnych dyrektywach opracowania stowarzyszenia niemieckich inżynierów VDI (Verein Deutscher Ingenieure) oraz przepisy i normy związane z ochroną środowiska, a w szczególności:

• wytyczne VDI 3477: "Biologiczne oczyszczanie gazów odlotowych i powietrza odlotowego. Biofiltr".
• zbiór reguł ATV-DVWK – "Materiały pomocnicze. Zmniejszenie emisji substancji zapachowych (odorantów) z oczyszczalni ścieków".
• TA Luft 2002 – "Techniczne wskazówki dla utrzymania czystości powietrza w warunkach zakładowych".

W celu zaprojektowania instalacji biofiltra należy określić:

• źródło zanieczyszczonych gazów odlotowych, występujące w nim odoranty, ich właściwości oraz stężenie,
• parametry gazów odlotowych: objętość strumienia, temperaturę, ciśnienie, wilgotność, pH itp.,
• występujące w gazie substancje, które z uwagi na ich szkodliwe oddziaływanie na mikroorganizmy, trzeba oddzielić przed wprowadzeniem do złoża – dotyczy to m.in. pyłów, żywic, kwasów, bądź siarkowodoru,
• oczekiwany stopień absorpcji zanieczyszczeń, który jest potrzebny do osiągnięcia wymaganej efektywności działania biofiltra,
• wymaganą żywotność złoża.

Przy podejmowaniu decyzji odnośnie ilości wymian powietrza wewnątrz wentylowanej przestrzeni należy wziąć pod uwagę, że:

• większa objętość strumienia gazów oznacza konieczność zastosowania wentylatorów bardziej wydajnych, o zwiększonej mocy – droższych w eksploatacji,
• zmiana ładunku zanieczyszczeń w gazach odlotowych nie pozostaje bez wpływu na obciążenie biofiltra i jego wymiarowanie: większe obciążenie biofiltra wymaga większej powierzchni czynnej lub objętości złoża, powodując wzrost kosztów inwestycji,
• zmniejszenie ładunku substratu w gazach powoduje ograniczenie ilości pożywki dla mikroorganizmów i możliwość ich obumierania oraz zmniejszenie sprawności instalacji, ale pozytywnie wpływa na żywotność złoża.

Należy podkreślić, że dobór wartości poszczególnych parametrów wymaga wnikliwej analizy i powinien uwzględniać wcześniejsze doświadczenia oraz rachunek ekonomiczny.

Dyrektor Techniczny
mgr inż. Michał Urbański
COROL Sp. z o. o.