0引言
隨著國內(nèi)各領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多工業(yè)制造的廢氣、有害場所、地下水治理設(shè)施等均含有揮發(fā)性有機化合物(VOCs)，可引起光化學(xué)煙霧，破壞生態(tài)環(huán)境，并且具有致癌性，嚴(yán)重威脅著人們的健康。由于生物工程領(lǐng)域的進(jìn)步，相應(yīng)的技術(shù)也逐步應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代各國競相開始研究生物法處理揮發(fā)性有機廢氣，主要研究凈化設(shè)備及優(yōu)化條件，優(yōu)勢菌群的馴化與培養(yǎng)，代謝原理及降解過程，動力學(xué)模型分析等。相比于傳統(tǒng)方法，生物法處理低濃度有機廢氣具有易操作、維護(hù)方便、凈化效率高、運行費用低、安全性高、二次污染小等優(yōu)點。本研究針對VOCs處理技術(shù)的3種生物凈化工藝原理及研究進(jìn)展進(jìn)行了較詳細(xì)的探討，并提出該領(lǐng)域存在的問題及發(fā)展趨勢。
1生物法處理VOCs廢氣的基本理論
生物法處理VOCs廢氣機理前人已做許多研究，世界較為流行的是荷蘭學(xué)者提出的“吸收-生物膜”理論:VOCs廢氣經(jīng)水吸收，在溶入濃度梯度的作用下擴(kuò)散至生物膜上，進(jìn)而與微生物接觸被降解吸收，將污染物經(jīng)代謝分解成簡單小分子物質(zhì)、CO2和H2O。之后孫珮石等人在前人基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，針對低濃度VOCs廢氣的處理提出新型“吸附-生物膜”理論，強調(diào)污染物經(jīng)擴(kuò)散被直接吸附在生物膜表面，而與微生物接觸被降解吸收，污染物作為能源和營養(yǎng)物質(zhì)被微生物分解，最終轉(zhuǎn)化為簡單小分子物質(zhì)、CO2和H2O。其核心重在吸附降解過程，完善修正了國外的理論，詮釋了國外學(xué)者對液膜存在與否的質(zhì)疑。
2VOCs廢氣的生物法處理技術(shù)
生物法處理油煙廢氣主要是將廢氣由氣態(tài)轉(zhuǎn)移到液態(tài)或固態(tài)表面的液膜上，利用微生物的新陳代謝作用對其進(jìn)行降解轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的無機物(CO2、H2O)、有機小分子以及自身細(xì)胞組成物質(zhì)，進(jìn)而使油煙廢氣得以凈化，其過程如圖1所示。與傳統(tǒng)的物理化學(xué)廢氣處理技術(shù)比較，生物法凈化技術(shù)具有操作簡單、易維護(hù)、投資運行費用低、安全性好、處理效率高、無二次污染等特點，特別在凈化低濃度、生物可降解性好的廢氣中更為突出。
目前用于廢氣生物凈化的主要工藝設(shè)備有:生物濾池、生物滴濾塔和生物洗滌器裝置等。其設(shè)備性能如表1所示。
2.1生物濾池
生物濾池處理廢氣是通過過濾器去除廢氣中的顆粒物，再經(jīng)調(diào)濕調(diào)溫后進(jìn)入填充的具有吸附性濾料的生物濾池中，通過生物填料層時，廢氣污染物和氧氣從氣相擴(kuò)散至載體外層的水膜，有機物被微生物作為碳源、能量，氧化分解為無害簡單的有機物、H2O和CO2等?？梢娢⑸锪吭谔幚鞻OCs廢氣過程中起著至關(guān)重要的地位，生物濾池能較好地處理單環(huán)芳烴、醇、羧酸、醛、酮、酯類等VOCs廢氣，其工藝流程如圖2所示，生物濾池適用于質(zhì)量濃度低于1000mg/m3的VOCs廢氣處理，具有無水相，設(shè)備簡單易操作，生物膜固定比表面積大，二次污染小等優(yōu)點。但濾池面積大，基質(zhì)濃度增大會直接引起微生物快速繁殖而堵塞濾料，影響其傳質(zhì)效果。
目前生物濾池已被廣泛應(yīng)用于有機廢氣處理，并取得一定的研究成果。鄭連英等人篩選出以甲苯作唯一碳源的高效降解菌并，設(shè)計了生物濾池裝置，結(jié)果表明:在溫度為30℃、相對濕度80%、進(jìn)口濃度1500mg/m3的最佳操作條件下，甲苯的最高降解率可達(dá)89.7%。曹旭等人進(jìn)行了生物過濾塔凈化工業(yè)有機氣體的實驗研究，結(jié)果表明:有機廢氣入口濃度小于25mg/m3時，其凈化效率在97%以上，當(dāng)濃度大于25mg/m3時，凈化效率隨著進(jìn)口氣體流量的增加
而逐漸下降，由入口流量為0.2m3/h增至0.8m3/h時，其對應(yīng)的凈化效率也由97.2%下降到73.0%，濕度對凈化效率的影響較大，當(dāng)濕度大于40%時，反應(yīng)器有良好的去除效果;Cao等人利用預(yù)反硝化生物濾池去除鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯和氮，結(jié)果表明，當(dāng)水力負(fù)荷為1.1m3/(m2˙h)時，DEHP的去除率穩(wěn)定在48%，將水力負(fù)荷提高到2.2m3/(m2˙h)時，DEHP的去除率可達(dá)82%。無論是反硝化生物濾池和硝化生物濾池均表現(xiàn)出了相似的DEHP去除性能，整體DEHP去除率為83.8%，其中生物降解占72.3%，在系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵作用。
2.2生物滴濾塔
生物滴濾塔主體部分為一層或多層填料的填充塔，填料表面附有馴化培養(yǎng)的生物膜?？扇苄詿o機鹽營養(yǎng)液于塔上自上而下均勻的噴灑在填料層之上，后由塔底排出循環(huán)利用。生物滴濾處理VOCs工藝流程如圖3所示，VOCs廢氣經(jīng)塔底進(jìn)入塔內(nèi)與濕潤的生物膜接觸而被微生物分解凈化，處理后的氣體由塔頂釋放，代謝產(chǎn)物隨廢液排出。據(jù)文獻(xiàn)[報道，生物滴濾塔易處理碳?xì)浠衔?、鹵代烴、醇、酮類等VOCs廢氣，具有操作簡單，易控制反應(yīng)條件，能耗低，生物相與液相循環(huán)流動，壓降小，凈化效率高等優(yōu)點，但填料定期更換，生物量堵塞難以控制，設(shè)備易腐蝕。
國外生物滴濾池已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)還處于研究階段。任愛玲等人利用菌絲體熱解炭為填料，生物滴濾塔中分別填裝熱解炭-木屑和木屑單一填料，并聯(lián)進(jìn)行微生物凈化苯乙烯氣體實驗，結(jié)果表明:混合填料比單一的掛膜速度快，當(dāng)入口濃度為50～450mg/m3，停留時間為21.6～43.2s，氣液比為110.7～55.3時，凈化效率可達(dá)92%以上。何覺聰?shù)萚25]人采用生物滴濾塔處理苯酚氣體，結(jié)果表明:生物滴濾塔對苯酚氣體的去除率達(dá)99.5%，最佳條件為停留時間20.6s，循環(huán)液pH值中性，噴淋密度為1.67m3/(m2˙h)。
2.3生物洗滌器
生物洗滌器是由傳質(zhì)洗滌器及生物降解反應(yīng)器組成，洗滌器內(nèi)存在呈懸浮狀態(tài)的微生物群，生物相和水相均以循環(huán)方式流動。常用的洗滌懸浮液是活性污泥，處理廢氣后再生需要一定的時間。生物洗滌處理VOCs工藝流程如圖4所示，該反應(yīng)器操作條件易控制，生物填料不易堵塞;但處理氣量小，因其亨利系數(shù)小于0.01，處理化合物濃度小于5000mg/m3，不適于處理難溶性廢氣。
國內(nèi)研究生物洗滌處理油煙廢氣方面起步較晚，依然處于研發(fā)階段。李國文等人利用活性污泥為介質(zhì)，研究了氯苯廢氣經(jīng)過洗滌塔的生物降解性能，結(jié)果表明:當(dāng)負(fù)荷F<1mg/(g3˙h)時，比降解速率隨F的增加而增大，F(xiàn)=1.0～2.0mg/(g3˙h)時比降解速率達(dá)到最大值0.9mg/(g3˙h)，當(dāng)F<0.8mg/(g3˙h)時，氯苯降解速率在90%左右。劉玉紅等人[28]采用生物洗滌處理含苯酚有機廢氣，結(jié)果表明:當(dāng)苯酚負(fù)荷為30g/(m3˙h)左右時，長時間運行的去除效率約在97%左右，當(dāng)其負(fù)荷量超過50g/(m3˙h)時，苯酚在洗滌液中會累積，影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，含酚氣體的高負(fù)荷降解需進(jìn)一步開展研究。齊國慶等人采用生物洗滌和生物滴濾技術(shù)處理煉油污水場惡臭氣體，具有運行穩(wěn)定、抗沖擊性強、處理效率高的特點。結(jié)果表明:出口氣中H2S小于0.06mg/m3，NH3小于1.5mg/m3，CH3SH小于0.004mg/m3，臭氣濃度小于20，達(dá)GB14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的一級廠界要求。
3國內(nèi)外生物法處理VOCs廢氣的研究進(jìn)展
生物法在德國、荷蘭已得到了廣泛的應(yīng)用，最普遍的技術(shù)是生物滴濾和生物過濾。Rene等人進(jìn)行了以堆肥和陶瓷珠為填料生物濾池去除甲苯廢氣的研究，當(dāng)甲苯廢氣濃度為2.3～3g，進(jìn)氣流速為0.024～0.144m3/h時，去除率為40%～95%。Singh等人利用木豆秸稈作濾料，通過控制甲苯入口濃度為2.56～34.73g/m3，體積流速為0.18～0.24m3/h，7d系統(tǒng)穩(wěn)定后，隨甲苯濃度的增加去除率下降，而去除量增加并趨于恒定。Pagans等人以城市固體
廢物和動物副產(chǎn)品的有機成分作生物濾池濾料，對廢氣中的NH3和VOCs的去除進(jìn)行了研究，NH3、VOCs負(fù)荷分別為846～67100mg/(m3˙h)、0.55～28.8g/(m3˙h)時，其去除率對應(yīng)為94.7%、82%。Moussavi等人研究了紫外-生物過濾對甲苯和鄰二甲苯混合物的處理，去除效果在95%以上。Kim等人研究了生物濾池和生物滴濾塔的氣、液膜傳質(zhì)性能參數(shù)并進(jìn)行了測定，利用修正的Onda-type方程的氣、液體流速對傳質(zhì)系數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行研究，充分詮釋了氣體靈敏度、質(zhì)量傳遞速度以及濾料濕潤效果的影響。
20世紀(jì)90年代我國出現(xiàn)了生物法處理有機廢氣的研究，許多學(xué)者以含有某一類有機物的廢氣為研究對象，利用生物化學(xué)處理有機廢氣。孫佩石等人利用微生物菌種掛膜接種的生物膜填料塔處理低濃度甲苯廢氣，當(dāng)入口氣體甲苯濃度為0.183～1.803mg/L，氣體流量為86.4～190.8L/h時，增加入口甲苯濃度和流量，能提高甲苯生化去除量，每升體積的填料對甲苯的生化去除量最大為157.13mg/h。馬艷玲利用長期受油煙污染的土壤中分離篩選假單胞菌，再以活性炭為填料制成填料床生物反應(yīng)器，結(jié)果表明:當(dāng)油煙進(jìn)氣濃度小于100mg/L，氣體流速小于8L/h，停留時間大于30s，容積負(fù)荷為2.3～18.9g/(m3˙h)時，反應(yīng)器凈化效率達(dá)95%以上。國內(nèi)的研究主要處于反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)條件的實驗階段，實際過程中所產(chǎn)生的VOCs廢氣種類、濃度、溫度等均不穩(wěn)定，因此，提高該設(shè)備的應(yīng)用性是今后的研究重點。
4前景及展望
生物處理技術(shù)以其易操作、運行維護(hù)費用低、凈化效率高、安全性高、二次污染小等優(yōu)勢受到了各國的重視，目前，國內(nèi)揮發(fā)性有機廢氣VOCs生物處理技術(shù)還未成熟，通常涉及不同反應(yīng)器規(guī)格提供的環(huán)境處理效果存在差異。同時，牽涉到氣、液傳質(zhì)及生化降解影響因素繁多，實際應(yīng)用不夠深入，仍需要在以下幾方面進(jìn)行深入研究:1)生物處理技術(shù)應(yīng)用于中低濃度的廢氣處理，對于高濃度有機廢氣的處理需進(jìn)一步研究。2)針對生物難降解的有機污染物，需馴化培養(yǎng)或購買專屬菌種配合提高凈化處理效果，完善微生物的代謝體制，實現(xiàn)凈化裝置的高效運行。3)采用分子生物學(xué)技術(shù)，研究微生物優(yōu)勢菌株組成特征，為降解對應(yīng)污染物提供菌源依據(jù)。4)應(yīng)用GC-MS鑒定有機污染物組分，解析污染物成分及生化降解效果，由本質(zhì)問題尋找方法提高凈化工藝性能。5)針對填料長期使用過程中，尋求填料堵塞、壓實、使用壽命短等解決問題的方法。6)實際生產(chǎn)中，污染源不同，溫度高，VOCs濃度不一，研究技術(shù)需注重實際模擬對應(yīng)條件下的分析與探索。
來源:《環(huán)境工程》 作者:劉超 廖雷等
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