生物法凈化VOCs

　　目前凈化處理VOCs 有吸收法、吸附法、冷凝法、催化燃燒法、等離子體氧化法、光催化氧化法、生物法等方法。其中，生物法相對(duì)于其他凈化方法而言，具有投資低、去除效率高、能耗低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，已成為大氣污染控制技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。生物法包括生物過濾、生物洗滌和生物滴濾法三種工藝。

　　一：生物法凈化VOCs原理

　　生物法凈化VOCs廢氣的機(jī)理如圖1.1所示。VOCs廢氣的生物凈化是微生物通過代謝活動(dòng)，將廢氣中的VOCs轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無機(jī)物(CO2，水等)及細(xì)胞組成物質(zhì)的過程。廢氣的生物凈化過程與廢水的生物凈化過程有很大的區(qū)別：對(duì)于前者，由于氣、液相(或固體表面液膜)之間的有機(jī)物濃度梯度和水溶性的作用，廢氣中的污染物首先要經(jīng)過氣、液相間的傳質(zhì)過程，然后在液相中被微生物降解，產(chǎn)生的代謝物一部分溶于液相，一部分作為細(xì)胞物質(zhì)或細(xì)胞代謝能源，還有一部分(如CO2)則從液相轉(zhuǎn)移到氣相。廢氣中的污染物通過上述過程不斷減少，從而被凈化。

　　圖1.1 生物法凈化VOCs機(jī)理

　　用于降解氣相污染物的微生物種類很多，根據(jù)能源利用情況可以分為自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌：自養(yǎng)菌利用無機(jī)碳作為能源，因此一般存在于生物除臭塔中;異養(yǎng)菌則是通過氧化有機(jī)物來獲得能量，在適宜的溫度、pH值和有氧的條件下，能較快地完成降解過程。在生物濾塔運(yùn)行初期，微生物對(duì)污染物有一個(gè)適應(yīng)過程，其種群和數(shù)量分布逐步向適宜于處理目標(biāo)污染物的情況轉(zhuǎn)變。在通常情況下，對(duì)易降解的有機(jī)物，大約需10天時(shí)間，而對(duì)于難降解的有機(jī)物，所需時(shí)間則更長(zhǎng)。

　　二：的工藝

　　2.1 生物洗滌法(Bioscrubbing)

　　生物洗滌法的工藝流程見圖2.1。生物洗滌塔由一個(gè)吸收塔和一個(gè)再生池構(gòu)成，洗滌液(循環(huán)液)自吸收室頂部噴淋而下，廢氣中的VOCs和O2在這個(gè)過程中傳入液相。吸收了VOCs的洗滌液再進(jìn)入再生池(活性污泥池)中，洗滌液中的VOCs被再生池中的活性污泥降解，再生后的洗滌液循環(huán)使用。目前，常用的洗滌設(shè)備為噴淋塔，也可以采用多孔板式塔和鼓泡塔。一般地，若氣相傳質(zhì)阻力較大，可用多孔板式塔;反之，液相傳質(zhì)阻力較大時(shí)則用鼓泡法。

　　由于生物洗滌器的循環(huán)洗滌液需采用活性污泥法來再生，所以在通常情況下，循環(huán)洗滌液主要是水，因此，該方法只適用于水溶性較好的VOCs，如乙醇、yi醚等，而對(duì)于難溶的VOCs，該方法則不適用。

　　圖2.1 生物洗滌法工藝流程

　　2.2生物過濾法(Biofilitration)

　　生物過濾法處理VOCs廢氣的工藝流程如圖2.2所示。VOCs廢氣通過增濕塔增濕后進(jìn)入生物濾塔，流經(jīng)約0.5~1 m厚的生物活性填料層，在這過程中，污染物從氣相傳入生物相，進(jìn)而被氧化分解。生物過濾法工藝簡(jiǎn)單，易于操作，而且濾料具有比表面積大、吸附性能好的特性，可大大減緩入口負(fù)荷變化引起的凈化效率的波動(dòng)。

　　生物過濾反應(yīng)器的性能參數(shù)主要有空床停留時(shí)間、表面負(fù)荷、質(zhì)量負(fù)荷和去除率，各參數(shù)的基本含義及典型范圍見表2.1。這些參數(shù)及其范圍實(shí)際上也是生物過濾反應(yīng)器的設(shè)計(jì)依據(jù)。其中空床接觸時(shí)間表示的是廢氣經(jīng)過反應(yīng)器的相對(duì)時(shí)間，由于床內(nèi)充滿填料，而氣體只能在填料空隙間通過或停留，因此氣體的實(shí)際停留時(shí)間，應(yīng)該是氣體流量除以反應(yīng)器的空隙體積。

　　圖2.2 生物過濾法工藝流程

　　生物滴濾是介于生物過濾與生物洗滌的一種生物法廢氣凈化方法。滴濾塔中填充一定體積的惰性填料，為微生物提供一定的附著面。在生物滴濾塔中，液相是連續(xù)流動(dòng)的，且進(jìn)行一定的循環(huán)，如圖2.3所示，循環(huán)液由滴濾塔的頂部向下噴淋，并沿著填料滴流而下同時(shí)控制著床層的濕度。循環(huán)液為微生物提供分解有機(jī)物所必需的水分和營(yíng)養(yǎng)液。VOCs由滴濾塔的底部至上運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)表面附有微生物的填料，與微生物接觸后被降解。

　　2.3 生物滴濾法(Trickling Biofiltration)

　　生物滴濾塔填料的選擇原則與生物過濾塔基本相同，通常采用粗碎石、塑料、陶瓷等無機(jī)材料，比表面積一般為100~300 m2/m3。采用這類填料，一方面為氣流通過提供了的空間;另一方面，也可降低填料壓實(shí)程度，避免由于微生物生長(zhǎng)和生物膜脫落引起的填料堵塞。

　　與生物過濾塔相比，生物滴濾塔的反應(yīng)條件(pH值、濕度)易于控制(通過調(diào)節(jié)循環(huán)液的pH值、濕度)，故在處理鹵代烴、含硫、含氮等微生物降解過程中會(huì)產(chǎn)生酸性代謝產(chǎn)物的污染物時(shí)，生物滴濾塔較生物過濾塔更有效。另外，由于生物滴濾塔的反應(yīng)條件由人為控制，所以濾塔中的環(huán)境更適于微生物的生長(zhǎng)和繁殖，單位體積填料的生物量較生物過濾塔多，也更適于凈化負(fù)荷較高的廢氣。

　　圖2.3 生物滴濾塔工藝流程示意圖

　　2.4 生物法工藝比較

　　對(duì)不同成分、濃度、氣量的VOCs各有其適宜的生物凈化系統(tǒng)。凈化氣量小、濃度大且生物代謝速度較低的氣體污染物時(shí)，可采用以穿孔板式塔、鼓泡塔為吸收設(shè)備的生物洗滌器，以增加氣液接觸時(shí)間和接觸面積，但系統(tǒng)的壓降較大;對(duì)易溶氣體則可采用生物噴淋塔;對(duì)于大氣量、低濃度的VOCs可采用生物過濾系統(tǒng)，該系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)單、操作方便。對(duì)于負(fù)荷較高，降解過程易產(chǎn)酸的VOCs則宜采用生物滴濾法。

　　三：國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及研究方向

　　3.1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

　　目前，生物法處理有機(jī)廢氣在德國(guó)、荷蘭、美國(guó)和日本等國(guó)已得到廣泛的應(yīng)用，其中生物濾池和生物滴濾塔技術(shù)已經(jīng)十分成熟。Bayer AG，Braintech Gmbh，Roth，Bioteg，HHAS，Monsanto，Comprimo B V 等公司提供的成套裝置已經(jīng)成功地運(yùn)用于處理在釀酒廠、食品加工廠、化工廠、紙加工廠和煙草生產(chǎn)廠等地方中產(chǎn)生的有機(jī)廢氣，它們對(duì)VOCs 的去除率在50 %～99 %之間。R.S. Singh等采用木豆秸稈作濾料，研究生物濾池處理甲苯的效率，經(jīng)過7天的運(yùn)行系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。Esa Pagans等選用城市固體廢棄物中的有機(jī)部分和動(dòng)物副產(chǎn)品堆肥做濾料，研究了生物濾池同時(shí)去除NH3和揮發(fā)性有機(jī)化合(VOCs)的效率，當(dāng)NH3的負(fù)荷在846～67100 mg/(m3·h)，其平均去除率為94.7 %。

　　我國(guó)從20 世紀(jì)90 年代起，各高校和研究機(jī)構(gòu)也開展了生物處理VOCs 廢氣的研究。汪群慧等采用裝有ZX02 型特制填料的生物滴濾塔，對(duì)某藥廠青霉素生產(chǎn)車間精餾殘液揮發(fā)出的含醋酸丁酯、正丁醇和苯乙酸等復(fù)雜多組分的混合有機(jī)廢氣，進(jìn)行中試規(guī)模的動(dòng)態(tài)連續(xù)處理。當(dāng)醋酸丁酯、正丁醇和苯乙酸的大進(jìn)氣質(zhì)量濃度分別<20000 mg/m3、24000 mg/m3 和370 mg/m3 時(shí)，其去除率分別>95 %、92 %和接近100 %。俞敏等報(bào)道的某制藥廠生物滴濾處理兼氧池高濃度惡臭廢氣工程裝置。兼氧池惡臭成分主要是H2S，當(dāng)進(jìn)氣量為8000 m3/h，有效平均空床停留時(shí)間為12.0 s，H2S 進(jìn)氣質(zhì)量濃度為394.26～776.52mg/ m3、平均為524.36 mg/ m3 時(shí)，H2S 去除率保持在86.53 %～94.79 %，平均去除率為90.60 %;去除負(fù)荷為59.14～122.63 g/(m3·h)，平均去除負(fù)荷為81.47 g/(m3·h)。楊虹等利用生物滴濾器處理味精廠揮發(fā)性惡臭廢氣，試驗(yàn)表明以沸石為填料的生物滴濾器能較好地處理成分復(fù)雜的揮發(fā)性惡臭氣體，在進(jìn)氣量<3.0 m3/h、pH 為7.0～8.0、噴淋水量為2.0 L/h、溫度為20～25 oC 的條件下，系統(tǒng)除臭效果較好，能將臭氣強(qiáng)度從4～5 級(jí)降至0 級(jí)。

　　3.2 存在問題及研究方向

　　(1)目前，生物法用于處理低濃度有機(jī)廢氣，如何將這些技術(shù)和方法用于高濃度有機(jī)廢氣的治理有待于研究。

　　(2)影響污染物去除率的關(guān)鍵過程是將污染物從氣相轉(zhuǎn)移到液相中，目前的大部分研究是對(duì)于易溶物和易降解污染物進(jìn)行處理，在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)受到一定的限制，開發(fā)出適合于難降解和疏水性污染物處理工藝就顯得尤為迫切。利用基因工程技術(shù)開發(fā)出的降解菌種;添加一定的有機(jī)溶劑提高疏水性污染物的溶解性，會(huì)提高污染物的凈化率。

　　(3)生物法所用填料的比表面積、孔隙率等直接影響反應(yīng)器的生物量以及整個(gè)填充床的壓降及填充床是否易堵塞問題，污染物完成從氣相到液、固相傳質(zhì)過程，在兩相中的分配系數(shù)是處理工藝可行性的決定因素。因此，改善生物濾料、填料的物理性能和使用壽命，以節(jié)省投資和能耗。

　　(4)在原有菌種的基礎(chǔ)上通過選擇佳生長(zhǎng)條件，篩選出能降解VOCs的優(yōu)勢(shì)菌種，從而縮短反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間，加快生物反應(yīng)進(jìn)程，提高處理效率。