Биоремедиация
Биофильтрация воздуха
Закон Генри, массоперенос в биоплёнку и закисление загрузки — физика и химия, решающие, какие газовые выбросы поддаются биологической очистке, а какие нет.
Биофильтр — это насыпной слой с влажной микробной биоплёнкой, через который медленно продавливают отходящий газ. Микроорганизмы окисляют загрязнитель до диоксида углерода, воды и минеральных солей при температуре окружающей среды. Именно поэтому метод применяют там, где термическое дожигание термодинамически бессмысленно: очень большие расходы газа с очень малым содержанием примеси, когда топливо уходило бы на нагрев воздуха.
Ограничивает перенос, а не реакция
Бактерии потребляют растворённый субстрат. Загрязнитель находится в газовой фазе. Между ними — равновесие распределения, описываемое законом Генри, и именно этот шаг, а не ферментология, определяет работу фильтра для большинства веществ. Безразмерная константа Генри около 0,01 и ниже — спирты, альдегиды, органические кислоты, сероводород, аммиак — означает, что газ легко отдаёт нагрузку водной плёнке, и полнота очистки достигается при времени пребывания в пустом слое в несколько десятков секунд. Константа на один-два порядка выше — алканы вроде гексана, терпены вроде α-пинена, большинство хлорированных растворителей — означает, что вещество остаётся в газе. Биоплёнка при этом голодает, её деградационная способность ограничением не является, и средства остаются те же: увеличить время пребывания, нарастить удельную поверхность контакта или ввести носитель-переносчик, например силиконовое масло, растворяющее вещество и подающее его к клеткам.
Это видно на стандартной характеристике. Ниже критической входной нагрузки очистка почти полная, слой ограничен реакцией. Выше — элиминационная способность выходит на плато, заданное переносом, и добавочная нагрузка проходит насквозь. Публикуемые максимумы для хорошо растворимых веществ лежат в диапазоне от десятков до полутора-двух сотен граммов на кубометр загрузки в час; для плохо растворимых они в несколько раз ниже.
Загрузка разрушает сама себя
Первой отказывает влажность. Компост, торф и щепа работают в узкой полосе — примерно 40–60 % по массе. Входящий газ обычно суше слоя, поэтому слой непрерывно теряет воду и требует увлажнения на входе. Пересыхание необратимо лишь отчасти: органическая загрузка усаживается, растрескивается, образует каналы, и дальше газ проскакивает по трещинам, а масса слоя простаивает. Переувлажнение — противоположный отказ: анаэробные карманы, проскок запаха и рост перепада давления.
Химия тоже разрушает слой. Окисление сероводорода даёт серную кислоту, окисление хлорорганики — соляную. Буферная ёмкость органической загрузки конечна; когда она исчерпана, pH падает, и гетеротрофы, разлагающие органическую нагрузку, гибнут, тогда как кислотоустойчивые сероокисляющие бактерии продолжают работать. По этой причине сероводород и летучую органику часто разводят по разным ступеням, и по этой же причине существуют биоскрубберы с орошением: рециркуляция жидкости по инертной насадке позволяет дозировать щёлочность и питание и выводить кислые продукты — ценой того, что азот приходится подавать намеренно, а не получать из минерализации самой загрузки.
Два ограничения остаются нерешёнными. Избыток биомассы заиливает насадку и требует удаления. И прерывистый режим переносится плохо: биоплёнке нужен постоянный субстрат, поэтому после долгих остановок активность восстанавливается днями и неделями.