1. Indledning, Miljøstyrelsen

Forsøg med biofiltre til rensning af poreluft forurenet med chlorerede opløsningsmidler

1. Indledning

1.1	Biofilterteknologi
1.2	Biologisk nedbrydning af chloreredeopløsningsmidler

Anvendelse af biofiltre til rensning af biologisk nedbrydelige stoffer i både vand og luft er kendt teknologi, men udnyttelse af biofiltre til rensning af ekstraheret poreluft har hidtil ikke været anvendt i Danmark. Amerikanske og canadiske undersøgelser viser imidlertid, at biofiltre er konkurrencedygtige i forhold til traditionelt anvendte metoder, når det gælder fjernelse af chlorerede alifatiske kulbrinter, CAC, fordi biofiltre kan opbygges af billige materialer, og total mineralisering af de miljøskadelige stoffer er mulig. Metoden vurderes at være meget udbredt specielt i Holland og Tyskland samt i Nordamerika (Sørensen og Christensen, 2000).

Rensning af ekstraheret poreluft for CAC foretages traditionelt ved anvendelse af aktivt kul. De traditionelle aktive kulfiltre har adsorptions-kapaciteter for PCE og TCE på mellem 7-70%(w/w), hvor den dårligste adsorptionskapacitet opnås ved lave indløbskoncentrationer. For VC er adsorptionskapaciteten meget dårlig mellem 0,02-5% (w/w). De lave adsorptionskapaciteter for lave koncentrationer af PCE, TCE og specielt for VC, gør det attraktivt at afprøve andre metoder, der kan fjerne eller reducere indholdet af forurenende stoffer i den ekstraherede poreluft. I biofiltre nedbrydes de chlorerede opløsningsmidler til CO₂ , vand og chloridioner.

Formålet med denne del af projektet er at udføre forsøg med – og tilvejebringe et videngrundlag for anvendelse af biofiltre til fjernelse af CAC (chlorerede opløsningsmidler) i ekstraheret poreluft, samt redegøre for om biofiltre er konkurrencedygtige i forhold til kulfiltre både økonomisk og miljømæssigt.

1.1 Biofilterteknologi

Biofiltre er opbygget af et porøst materiale, med stor overflade. Det porøse materiale består af en gas-, partikel- og vandfase, hvor mikroorganismer vokser i en vandfilm i tilknytning til partiklerne. Fra den mobile gasfase opløses gasser i vandfilmen og diffunderer videre til mikroorganismerne, hvor de kan optages og omsættes.

Filtermatricen kan bestå af organisk materiale, hvorfra der frigives næringsstoffer til kulturen eller af inert materiale som f.eks. glasuld, der tilføres vandopløste næringsstoffer. Efterhånden som mikroorganismerne vokser, dannes en biofilm om matricens faste partikler (se figur 1).

Biofiltre har vist sig at være anvendelige til omsætning af miljøfremmede stoffer, hvoraf nogle forekommer på gasfase. Tilgængeligheden af et stof, der tilføres biofiltret som en gas, er afhængig af masseoverførslen fra gas- til væskefase samt diffusion af den opløste gas gennem filtrets vandfase til mikroorganismerne. Både masseoverførsel og diffusion drives af koncentrationsgradienter.

Ved anvendelse af organiske materialer, vil der initierende forventes en adsorption af stof til partikeloverfladen.

Figur 1.
rincipskitse af et biofilter. ’C_G’: Forurenet luft (Contaminated Gas) (Devinny, 1998)

A.	Reaktor hvori filtermaterialet er pakket. Bæregas indeholdende PCE og TCE tilledes i bunden og passeret gennem en perforeret plade, som dels løfter filtermaterialet væk fra kolonnens bund, og dels sørger for, at gas-flowet bliver fordelt over hele filtermaterialets tværsnit. Undervejs gennem kolonnen foregår der en mikrobiel omsætning af PCE og TCE, hvorved der fraspaltes chlorid-ioner, som forbliver i filtermaterialet medens resten af nedbrydningsprodukterne er på gasform og forlader kolonnen gennem toppen som CO2 og vand, såfremt der er sket en fuldstændig omsætning.

B.	Transporten af gas gennem filtermaterialet foregår især ved konvektiv transport i porer mellem filterpartiklerne drevet af trykforskelle mellem reaktorens bund og top.

C.	Filterpartiklerne er fugtige og belagt med en vandfilm. På partiklerne og i denne vandfilm findes de mikroorganismer, som omsætter bl.a. PCE og TCE. Transport fra gassen i porerne og ind i vandfilmen omkring partiklerne foregår ved diffusion dels gennem filmens overflade og dels gennem selve filmen. Diffusionen er drevet af forskelle i aktivitet af PCE og TCE mellem gasfasen og vandfilmen.

1.2 Biologisk nedbrydning af chlorerede opløsningsmidler

Biologisk nedbrydning af CAC afhænger af redoxforholdene og foregår forskelligt under aerobe og anaerobe forhold.

Aerob oxidation kan foregå direkte med CAC som primær kulstofkilde og elektrondonor eller co-metabolistisk, hvor den primære kulstofkilde f.eks. kan være methan, propan eller toluen. I dette tilfælde katalyseres nedbrydningen af CAC af de samme enzymsystemer, som den primære kulstofkilde.

Der er rapporteret 3 enzymsystemer som kan medvirke ved aerob nedbrydning af TCE, hvor de centrale enzymer er hhv. methan-monooxygenase, toluen-monooxygenase og toluen-dioxygenase (se figur 2). Af enzymet methan-monooxygenase kendes mindst to forskellige typer, som reguleres forskelligt (Nguyen et al, 1998). Der synes derfor mange muligheder for at etablere gunstige betingelser for en effektiv biologisk CAC-nedbrydning. Slutprodukterne er chlorid, CO₂ og organiske syrer, som videre kan nedbrydes til CO₂ og vand af heterotrofe bakterier.

Anaerob reduktiv dechlorering kan ligeledes foregå direkte med CAC som substrat eller co-metabolistisk, der er betinget af tilstedeværelsen af et primært substrat, som f.eks. kan være molekylært brint, simple organiske syrer eller alkoholer. Den direkte reduktive dechlorering katalyseres af en række specifikke enzymer, kaldet dehalogenaser, som i hvert trin fraspalter chlorid og optager en proton indtil slutproduktet ethylen (se figur 3).

Nedbrydning af PCE til TCE er indtil videre kun påvist under anaerobe forhold og ofte vil nedbrydningsprodukterne DCE og VC forefindes som resultat af den anaerobe omsætning. TCE, DCE og VC kan nedbrydes aerobt (Broholm, 1991).

Se her!

Figur 2.
Aerob co-metabolistisk nedbrydning af trichlorethylen (UMBBD, 2001)

Figur 3.
Anaerob, reduktiv nedbrydning af tetrachlorethylen (UMBBD, 2001)