Biofiltri e biotrickling deodorizzazione dell’aria
I Biofiltri e biotrickling sfruttano le proprietà di un processo naturale di deodorizzazione che è vecchio quanto la vita. Affinché la vita si sostenga deve trovare una fonte di energia (cibo) ed acqua (umidità). L’oggetto di questa sezione è proprio il modo in cui gli inquinanti vengano rimossi da flussi di aria.
Che cosa è una reazione biologica?
La reazione biologica è semplicemente l’impiego di batteri per consumare gli inquinanti da flussi d’aria inquinati. Quasi tutte le sostanze – alle giuste condizioni ambientali e con l’aiuto di batteri specifici -verranno decomposte.
Sebbene quest’ultima affermazione valga in particolare per le sostanze organiche alcuni batteri possono anche consumare composti inorganici come l’Idrogeno Solforato e gli Ossidi di Azoto.
Perché la reazione biologica è così importante?
In una parola: il costo! Infatti il costo di biofiltri, biotrikcling e bioscrubber per la deodorizzazione è di solito inferiore al costo di installazione di un’apparecchiatura tradizionale. Anche il costo di funzionamento è considerevolmente più basso rispetto a quello delle altre tecnologie. Combustori termici (catalitici o recuperativi) consumano grandi volumi di combustibile costoso. I biofiltri usano solo una piccola quantità di elettricità per far girare motori elettrici.
Normalmente i biofiltri non richiedono la presenza di addetti a tempo pieno e gli unici prodotti consumabili sono piccole quantità di macronutrienti.
I biofiltri sono il tipo più comune di bioreattore e solitamente impiegano letti di biomassa (media organici in cui vivono i batteri) composti di materiali che si trovano normalmente in natura (sfalci, cippato di legno, torba, corteccia o erica) che poi i batteri consumano.
Il ricambio del letto di materiale organico avviene dai 2 ai 5 anni, in base al tipo di materiale impiegato.
La reazione biologica è un processo “green”, mentre gli approcci tradizionali non lo sono. Infatti bruciare qualsiasi combustibile fossile genererà NOx, materiale particolato, Biossido di Zolfo e Anidride Carbonica.
Di solito i bioreattori non generano né gli inquinanti sopra citati, né altri tipi di inquinanti. I prodotti di una bioreazione sono acqua e CO2.
I bioreattori funzionano, ma i batteri sono molto selettivi rispetto al loro cibo. Infatti oltre alla giusta concentrazione i batteri vogliono la giusta temperatura, la corretta umidità e pH.
Ci sono moltissimi aspetti che possono portare in errore nella progettazione e nella conduzione di biofiltri: bisogna tenere presente che i batteri sono esseri viventi.
Come funziona un reattore biologico (biofiltro o biotrickling di deodorizzazione)?
I batteri hanno popolato la Terra sin da quando il Pianeta si è sufficientemente raffreddato per permettere l’esistenza di una forma di vita. I batteri hanno un semplicissimo ciclo di vita: nascono, mangiano e si accrescono, si riproducono e muoiono. La loro dieta è basata principalmente su composti a base di Carbonio, Acqua, Ossigeno (nelle sole reazioni aerobiche) e macronutrienti. I reattori biologici sfruttano l’azione dei batteri per rimuovere gli inquinanti dalle emissioni, consumandoli. Il concetto è abbastanza semplice, ma l’esecuzione può essere abbastanza complicata.
I reattori biologici sono stati impiegati per centinaia di anni per trattare sfiati di fognature ed altri composti odorigeni. Circa novanta anni fa in Europa si è cominciato ad adoperare i reattori biologici per deodorizzare l’aria in particolare nelle emissioni provenienti da impianti di depurazione delle acque reflue civili e impianti di rendering delle carcasse animali.
Il biofiltro: il reattore biologico naturale più semplice
Il primo dispositivo per la deodorizzione ad essere impiegato fu il biofiltro. In particolare un biofiltro è una grande scatola rettangolare composta di un plenum di distribuzione dell’aria sul fondo ed una griglia di supporto di alcuni centimetri di media nella parte superiore.
La torba, gli sfalci, la corteccia, terra grossolana, ghiaia o corpi plastici di diverse forme sono solo alcuni dei materiali impiegati come letto di media. In alcuni casi è consigliata l’aggiunta di gusci di ostriche per la neutralizzazione di acidi e fertilizzante per aggiungere macronutrienti.
La griglia che separa il plenum dal letto di media permette il passaggio dell’aria in un senso ed il fluire delle condense in forma di percolato che deve essere smaltito nell’altro senso.
L’aria è distribuita nel biofiltro attraverso un ventilatore. Se l’aria è troppo calda, troppo fredda, troppo secca o troppo sporca di polvere potrebbe essere necessario un pre-trattamento.
Infatti il pretrattamento consente di ottenere le condizioni ottimali di funzionamento prima dell’ingresso dell’aria nel plenum del biofiltro.
Mentre l’aria passa attraverso il letto di media, gli inquinanti assorbiti dall’umidità sul letto di media sono posti a contatto con i batteri. Perciò gli enzimi nei batteri durante il processo di digestione convertono composti in energia, CO2 e Acqua. Il materiale residuo non digeribile passa attraverso il letto.
Sebbene questa breve spiegazione faccia sembrare il funzionamento di un biofiltro molto semplice nella normalità le cose sono molto più complicate.
Le variabili che possono influenzare il corretto funzionamento di un biofiltro sono: la temperatura, il pH, l’umidità, la composizione degli inquinanti, l’alimentazione di macronutrienti, il tempo di contatto, la compattazione del media ed il fenomeno di formazione di vie preferenziali attraverso il letto (channeling).
Si tratta di variabili cruciali per le quali devono essere determinate, controllate e mantenute le condizioni ottimali di funzionamento.
Un biofiltro o biotrickling di deodorizzazione è adatto nella tua situazione?
Questa è una domanda dalla risposta non facile e scontata. L’intento di questo articolo è fornirti gli strumenti per determinare se un flusso specifico di aria contaminata è candidabile al trattamento con biofiltro.
Perché preoccuparsi? I reattori biologici sono molto meno costosi rispetto a tecnologie di controllo degli inquinanti tradizionali, sia come costi di impianto che come costi di funzionamento e in molti casi i reattori biologici si possono anche avvicinare alle efficienze di altre tecnologie.
Fattori che influenzano le prestazioni di biofiltri e biotrickling di deodorizzazione
Poiché i reattori biologici impiegano colture batteriche viventi esse soffrono moltissime variabili che occorrono nel loro ambiente di sviluppo. Riportiamo variabili e limitazioni che influenzano le prestazioni di tutti i reattori biologici al di là del tipo di processo.
Temperatura
Sebbene tutte le variabili discusse siano importanti, ma la più importante è proprio la Temperatura. Un colpo di aria calda potrebbe uccidere la biomassa più rapidamente di un qualsiasi altro incidente.
La maggior parte dei batteri può sopravvivere e prosperare in un campo di temperatura dai 30 ai 40°C. Il monitoraggio giornaliero della temperatura del letto è molto importante. Anche un allarme di alta temperatura in ingresso al filtro è una buona precauzione di sicurezza.
Quando le emissioni da un processo sono troppo calde si può pretrattare l’emissione attraverso un umidificatore che raffreddi l’aria. Accanto all’effetto di raffreddamento questo processo innalza l’umidità relativa dell’aria: nella giusta misura questo potrebbe anche essere desiderabile.
Sebbene un colpo di aria veramente calda sia la più letale delle variabili per i batteri, anche l’aria fredda rallenta il loro lavoro. Infatti l’aria fredda può ridurre l’attività batterica al punto che questa sospenda il consumo di inquinanti e vada in uno stato di animazione sospesa. Perfino il congelamento non uccide i batteri: dopo lo scongelamento essi si possono riacclimatare in un periodo di tempo relativamente breve. Al fine di ottimizzare l’efficienza durante i periodi invernali potrebbe rendersi necessario il riscaldamento dell’aria in ingresso e la coibentazione del filtro.
Quindi – per ottimizzare i costi del riscaldamento dell’aria – si potrebbero impiegare cascami termici a patto che questi non contengano inquinanti che potrebbero avvelenare i batteri.
Umidità
La seconda variabile per ordine di importanza è l’umidità del letto. I batteri hanno necessità di svilupparsi in un ambiente umido e l’umidità crea il biofilm che assorbe gli inquinanti dal flusso di aria in modo che possano essere assimilati.
Perciò i problemi di bassa umidità si possono correggere attraverso l’impiego di un pre umidificatore. Infatti portare l’aria vicino alla saturazione (100% di umidità relativa) risolverà i problemi di secchezza del letto. L’umidificatore è uno scrubber verticale o orizzontale a singolo stadio.
Solitamente i biofiltri funzionano umidi senza acqua corrente stagnante. Un basso tasso di umidità per brevi periodi di tempo non ucciderà i batteri, ma ridurrà drasticamente l’efficienza del biofiltro.
L’efficienza resterà al di sotto dell’ottimale finché i batteri non si riacclimateranno.
D’altra parte inondare il biofiltro con acqua causerà un incremento di perdita di carico attraverso il letto aggiungendo un maggior carico sul ventilatore e una perdita di efficienza a causa della formazione di corsie preferenziali. Il fenomeno del channeling causa corsie di by-pass dell’aria attraverso il letto e alla lunga il collasso del media stesso. Al fine di operare un corretto utilizzo entrambe le condizioni devono essere evitate.
Bisogna sempre tenere in mente che il sottoprodotto di una reazione biologica è l’acqua. Se le emissioni sono sature di umidità all’ingresso sul media si formerà acqua condensata. Bisogna sempre prevedere spazio sufficiente nel plenum per la raccolta del percolato.
L’umidità ottimale del letto di media va dal 40 al 60% di acqua.
Cura e alimentazione del filtro biologico
Così come una giusta temperatura ed una corretta umidità permettono il corretto funzionamento di un biofiltro, allo stesso modo i batteri hanno bisogno di nutrimento bilanciato per sopravvivere e prosperare. Gli inquinanti contenuti nell’aria rappresentano la principale fonte di cibo ed energia, ma i batteri hanno bisogno anche di macronutrienti. Il degrado del letto di media biologico può fornire la maggior parte dei macronutrienti.
Se in un letto comunque dovessero mancare certi nutrienti, i batteri cesserebbero di accrescersi e prosperare e potrebbero anche cominciare a morire.
L’Azoto è un nutriente essenziale per l’accrescimento batterico. I batteri infatti usano l’Azoto per costruire le pareti cellulari (che contengono circa il 15% di Azoto) ed inoltre l’Azoto è il principale costituente di proteine e di acidi nucleici. I batteri sono in grado di usare tutte le forme solubili dell’Azoto, ma non tutto l’Azoto è disponibile al riutilizzo. Alcuni prodotti azotati della digestione sono in forma gassosa (Ammoniaca e Ossidi di Azoto) e piccole quantità usciranno dal processo di biofiltrazione con le emissioni. Ad ogni modo, la maggior parte dell’azoto contenuto nei vapori viene riassorbito nel liquido e viene consumato dai batteri. Inoltre alcuni prodotti azotati formano composti solubili in acqua e si ritrovano nel percolato da evacuare dal biofiltro.
Altri macronutrienti essenziali sono il Fosforo, il Potassio, lo Zolfo, il Magnesio, il Calcio, il Sodio ed il Ferro. L’Azoto, il Fosforo ed il Potassio (riportati nei fertilizzanti con il codice NPK) possono essere aggiunti incorporando fertilizzante da agricoltura nel letto. Mentre i macronutrienti meno solubili come il Magnesio, il Calcio, il Sodio ed il Ferro si trovano sempre come ammendanti per agricoltura. Anche il contenuto di macronutrienti dovrebbe essere controllato frequentemente.
Acidità
La maggior parte dei reattori biologici funzionano al meglio a pH neutro (vicino a 7). Poiché alcuni inquinanti formano Acidi quando si decompongono, questi potrebbero abbassare il pH del letto e – alla lunga – distruggere i batteri. Le sostanze che decomponendosi producono acidi sono l’Idrogeno Solforato, i Composti organici dello Zolfo e gli alogeni (Cloro, Fluoro, Bromo e Iodio).
Soprattutto nei processi che emettono tali inquinanti si deve prendere in considerazione la neutralizzazione degli acidi.
Esistono svariate tecniche di neutralizzazione degli acidi. Alcune tecniche possono essere incorporate per specifica nel tipo di letto scelto per il biofiltro. Una delle tecniche più semplici prevede la miscelazione di gusci di ostrica con il media filtrante. Alla fine i gusci si dissolveranno e dovranno essere sostituiti: quanto tempo durino le conchiglie dipende dalla quantità di acidi prodotta. Perciò dipende da quanti inquinanti ci siano in ingresso.
Un’altra tecnica semplice è quella di installare tubi da irrigazione da giardino nel media filtrante durante la posa in opera. Periodicamente si provvederà ad inserire una soluzione diluita di Carbonato di Sodio quando il pH del letto cominciasse a diminuire.
Oppure si può spruzzare la stessa soluzione diluita di Carbonato di Sodio sopra al letto, anche se questa ultima pratica potrebbe risultare meno performante rispetto all’umidificazione degli strati interni con tubo da irrigazione.
Popolazione batterica
Sulla base dell’esperienza e di applicazioni simili è possibile inoculare il media filtrante con cariche batteriche starter contenenti i “giusti” batteri per l’applicazione.
Più semplicemente sarà la natura a fare il proprio decorso partendo da un media filtrante che contenga il più ampio spettro di batteri come il compost, la torba o fanghi attivi. I ceppi batterici che attecchiranno sul media domineranno l’ambiente del media filtrante.
Il metodo naturale avrà bisogno di maggior tempo per acclimatarsi all’efficienza ottimale, ma proprio grazie alla diversità di ceppi batterici sarà più capace di adattarsi nel lungo periodo.
I ceppi batterici selezionati in laboratorio sono molto più suscettibili ai cambiamenti che non quelli sviluppatisi naturalmente.
I periodi di non impiego del reattore biologico possono portare a squilibri nella popolazione batterica.
