废气生物处理技术
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随着公众环保意识的不断提高和执行环保排放标准愈来愈严格，有害空气污染物质（HAPs）和工厂尾气造成的环境污染问题越来越受到人们的重视。
处理废气有很多种方法，生物法是一种有效的、费用较低的、没有二次污染的方法。
工艺废气的物理化学处理方法
污染物质可以通过热处理、活性炭吸附或化学洗涤从工业废气中。热处理包括直接燃烧和催化氧化，当有机污染物的浓度高时，热处理的方法是有效的，然而，当有机物的浓度低时，热处理的费用将很高，原因是需要的燃料较多；活性炭吸附中，有机污染化合物被吸附到炭表面，从而产生清洁空气。每单位质量的炭的吸附数量同空气中污染物质的浓度有关，浓度低时吸附率低。因此，当污染物的浓度降低时，吸附每单位质量的污染物所需的炭量将变得很大；洗涤作用对于去除许多有毒气体和其他高溶解度的化合物有效，但是运行费用高。
工业废气的生物处理方法
工业废气的生化处理系统属于一种环保友好技术。相对于上述的物理方法，生物法更加适用于处理低浓度的有毒空气污染物质（HAPs），且具有投资运行费用省、维护管理简单、不产生二次污染等特点。在欧洲，燃料费用较高，关于恶臭的规范也很严格，所以广泛采用生物法去除恶臭气体。
生物法的实质是利用有孔的、潮湿的介质上聚集的活性微生物的生命活动，将废气中的有害物质转变为简单的无机物（如CO2和H2O）或细胞自身物质。一般认为生物法净化有机废气需经历三个步骤：1、有机废气成分首先同水接触并溶于水中（即由气相扩散进入液相）；2、溶解于液相中的有机成分在浓度差的推动下，进一步扩散至介质周围的生物膜，进而被其中的微生物捕捉并吸收；3、进入微生物体内的有机污染物在其自身的代谢过程中作为能源和营养物质被分解，经生物化学反应最终转化为无害的化合物（如CO2和H2O）。
用生物法处理污染物需要一些经验和操作条件。例如，要保持适当的水分、pH值、确保VOCs其从气态转移到液态、VOCs气体被生物量吸收、有适量的缓冲量、供应适当的氧气给生物量以及除去有抑制作用的副产物等。
两种最常用的生物处理系统是生物滤池和生物滴滤池：生物滤池中，有孔的介质通过进气的湿度调节器和偶尔的喷淋而保持潮湿；如图1。
图1 典型的露天生物滤池（喷淋间歇）
生物滴滤池中，水流稳定地、持续地循环穿过滤床，对处理后的空气进行持续收集。如图2.
图2 典型的下向流生物滤池（喷淋连续）
2.1生物滤池系统
生物滤池的最初形式是通过挖掘沟渠，在沟中放
置空气布水系统。再用渗透性土壤填埋沟渠建成的。但是土粒之间的小孔尺寸会带来堵塞问题，只有少量的这样的系统存在着。现在大多数的生物滤池用木片或肥料填充，如图1所示，废气通过配水系统进入滤池底部，然后穿过有孔的嵌在砾石中的塑料管排出。放置在砾石层上的填料通常为一层，大约为1m厚，如果再厚的话，将要使填料受到挤压而变形。采用喷淋系统来保持填料潮湿，当下雨和喷淋量大的时候，用排放系统来排除多余的水。这种生物滤池在运行之前，要求对填料进行筛选来控制孔隙尺寸，这样可以保证填料有较大的孔隙并减少水头损失。用肥料做填料时，填料上活性环境使多种的微生物立即开始起作用，降解的过程中填料提供营养物质。较低的水头损失和理想的活性环境意味着生物滤池可以做的小一些。
然而，肥料做填料也有缺陷，当肥料软化时容易产生水平和垂直压缩作用。水平压缩使滤床内部产生裂缝，也有可能使滤床离开容器壁；而垂直压缩使填料孔隙堵塞，从而增大了水头损失。当废气经过填料到达裂缝和开口处，处理过程就失败了。如果增湿和喷淋系统运行不好，由于干化作用也可能使填料发生收缩。此外，干肥料通常是疏水性的，这将使填料再次湿化很困难。
为了解决肥料软化时的问题，人们开始采用无机填料。Monsanto使用获得专利的聚苯乙烯水珠和有机材料作为填料。也有人采用火山岩、砾石等具有较大孔隙的材料作为填料，还有些生物滤池用打孔的聚氨酯泡沫塑料做填料。用均一的无机填料不仅可以解决填料压缩问题，而且还可以降低水头损失。无机填料提供的是无营养物或接种的环境，其所需的较低的水力负荷使干燥更加容易。采用无机混合填料的生物滤池必须小心地对其进行管理，提供适当的填料接种环境，小心的控制水的流量，营养物的添加更要有规律性。总之，如果这些问题能够解决的话，无机填料可以提供最大的降解率，也可以使生物滤池做得更小。实际运行中，采用各可编程的逻辑编辑器对生物滤池的运行进行监控，以便调整运行参数，反常条件下可以关掉系统。
用木片或肥料做填料的生物滤池同无机混合填料生物滤池相比，其运行和管理费用较低，但是处理效率比后者差，因此，可以根据当地的实际情况做出选择。
2.2生物滴滤池系统
生物滴滤池不同于生物滤池，它要求水流连续地通过有孔的填料，这样可以有效防止填料干燥，精确的控制营养物质浓度与pH值。另外，由于生物滴滤池底部要建有水池来实现水的循环运行，所以总体积比生物滤池大。这就意味着：将有大量的污
染物质溶解于液相中，从而提高了比去除率。因此，生物滴滤池反应器的尺寸可以比生物滤池小。但是，生物滴滤池的机械复杂性高，从而使投资和运行费用增加。由于这些原因，所以生物地滤池最适用于那些污染物质浓度高导致生物滤池堵塞、有必要控制pH值和使用空间有限的地方。
2.3 工业废气生物处理法的应用
生物处理法也有不适宜的地方。例如，携带油或油脂的灰尘和空气因为可能会阻塞滤床，从而应用生物法得不到很好的处理。另外，由于生物滤床的尺寸有限，降解缓慢的化合物（如特定的氯代烃）也不适于进行生物处理。低浓度的化合物很难得到降解，原因是少量的水对空气的分隔作用是水中污染物的浓度降低，从而降低降解速率。然而，这些情况对于那些较难溶化合物而言，例如苯和甲苯，虽然溶解度很低，但相对其他处理方法，用生物处理方法可以得到稳定的处理。一般情况下，生物处理系统较其他的处理系统体积较大，不能安装在空间有限的地方。
生物处理方法适宜处理多种挥发性有机物（VOCs）和许多工业废气中的无机蒸汽物质。这些物质中含有氮、氯或可产生少量酸的硫化合物。例如，H2S通常是恶臭的来源，用生物滤池可以得到很好的处理，仅仅是产生少量的酸。在处理低浓度的易降解的污染物质方面，生物滤池和生物滴滤池是最成功的。
在美国的新泽西州的Lawrenceville，采用生物滴滤池处理挥发性有机物（VOCs）、有害空气污染物质（HAPs）和海边污水处理厂的恶臭排放物。此污水处理厂位于加利福尼亚的圣地亚哥市的海空基地，处理的废气来自工业废水、炼油厂的处理池。处理流程是：污染气体下向流，同循环的液体一起运行，经过两个生物滴滤池（填料是455kg的活性炭）处理后而排空。系统的设计参数是：空气进气流速3000m3/h；反应器面积3.1m×9.1m，完全有玻璃纤维合成树脂制成，滤床体积为31m3；气体停留时间为36s；平均有机负荷率大约是12g/（m3?h）。对于污染物质的去除，包括酚、亚甲基氯化物、丁酮、苯、甲苯、乙苯、二甲苯和硫化氢，总的去除率达到85%。
水厂的气体污染物在采用生物滴滤池处理之前，是通过4个独立的250kg的活性炭吸附柱进行处理。活性炭的更新和再生需要一个月的时间，每年需花费36000美元，而生物滴滤池的每年费用为5000美元。
3、结论
相对于传统的处理废气的方法，如燃烧法、化学洗涤法、催化氧化法和吸附法，生物法的优点是：维护管理方便，费用较低，没有二次污染，对人类健康和生态的影响较少，适宜处理多种挥发性有机物（VOCs）和许多工业废气中的无机蒸汽物质。
生物法在工业的废气处理方面将发挥越来越重要的作用。
生物法处理挥发性有机废气的研究
挥发性有机化合物（VOCs）是指在常温下饱和蒸汽压》70Pa，常压下沸点在260℃以内的有机化合物。它们包括氨气、碳氢化合物、苯及其衍生物、酚及其衍生物、醇类、醛类、酮类和脂肪酸等。
通常采用化学和物理方法来出去低浓度的有机物。化学法中最典型的是催化燃烧和化学氧化；物理法中最典型的有吸附法和吸收法两种。在吸附法中最常用的吸附剂是粒状的活性炭。不管是吸附和是吸收都是将挥发性有机物质从气态转移到另一态（固态或液态），但在固态或液态中仍需将他们去除。总的来说，这些操作方法都比用生物降解法要贵。用气态生物法与物理和化学法相比，其优点是：1、成本和操作费用都较低；2、无二次污染；3、生物法已被公认为是有益于环境的方法。
3种主要净化装置简介
2.1 技术概况
气态污染物的生物净化过程实质实质是利用有孔的、潮湿的介质上聚集的活性微生物的生命活动，将废气中的有害物质转变为简单的无机物（如CO2和H2O）或细胞自身物质。所利用气态污染物的生物净化设施可按为微生物的存在方式和水分、营养的添加方式的差异，可分为3类典型的净化技术：生物滤池、生物滴滤塔和生物洗涤器。
图1、图2、图3分别为生物滤池、生物滴滤塔和生物洗涤器的装置示意图。
图1 生物滤池工艺流程图
21.1生物滤池
生物滤池是由敞开或封闭的容器中一层层的多孔填料床组成。填料可以是堆肥、泥炭块、土壤、塑料滤料、粒状活性炭、陶瓷滤料或者其他适宜的东西，在填料的表面覆盖微生物膜和水。生物滤器的厚度一般为1m，面积视处理气体量和处理效果而定。生物滤池的工艺流程
如图1所示，除尘后的废气经过增湿器润湿后，通过附有生物膜的填料层时，有机污染物就被微生物所降解。在生物滤池中，液相是静止的或者很小的速度流动。生物滤池中的容器可以根据工艺的需要来补充水分，但是要保证连贯的气体通过生物滤池。生物滤池也可以串联运行。
2.1.2 生物滴滤塔
生物滴滤塔的结构同生物滤池的结构类似，它们之间唯一的区别是生物滴滤塔中的水分是从滴滤塔填料的顶部喷淋下来，并逐步地流过滴滤塔的填料，因此，滴滤塔填料的孔隙比生物滤床的多。在多孔的填料床内液相和气相可以以逆流或顺流的方式流动。在净化过程中，气态污染物要经过由气态到固体颗粒表面液膜的传质过程，然后被固体表面生物膜内的微生物降解，生成的二氧化碳气体又沿反方向通过扩散和对流传至气相区，最终
排出生物滴滤塔外。生物滴滤塔比生物滤池结构复杂，但对于处理生成酸性副产物的废气（如H2S）时效果比生物滤池好。生物滴滤塔同样可以串联运行。
图2 生物滴滤塔流程图
图2 生物滴滤塔流程图
图3 生物洗涤器流程图
2.1.3 生物洗涤器
生物洗涤器实际上是一个悬浮活性污泥处理系统，它是一个具有三态的流化床，因此，他完全不同与生物滤池和生物滴滤塔。它通常由1个装有填料的洗涤器和1个具有活性污泥的生物反应器构成。第1个反应器是接触式单元，污染物就是在这个单元从气态转移到液态的。污染物与这个单元内的惰性材料进行传质吸附和吸收，同时也与从第2个单元，即生物降解单元过来的活性污泥进行传质吸附和吸收，有少部分污染物是在第1个单元内降解的，其余大部分的污染物都在第2个单元内通过活性污泥的代谢作用被降解。
2.2 3种生物反应器的比较
3种生物反应器的有切点如表1所示
种类 优点 缺点
生物滤池 操作简单，低投资成本，低运行费用。能降解少量的溶于水中的污染物，适合于减少污染物中的恶臭气体。 废弃的体积流量很低，智能处理浓度很低的污染物。过程不能控制，空气流的沟槽要求十分规则。过滤床的使用时间有限，不能任意使用过多的生物量。
生物滴滤塔 操作简单，低投资成本，低运行费用，有能力调节pH值，可以增加营养物质。 过程的控制十分有限，过滤床的使用时间有限。要求中间的空隙要大，不能任意使用过多的生物量。
生物洗涤器 能较好地控制其中的过程，污染物高集中的转移，过程适合于建模，有很高的操作稳定性，可以增加营养物。 高投资成本，高运行费用，能产生过多的生物量，水的处理是一个难题，在吸附阶段可能会堵塞。
2.3 影响反应器性能的因素
2.3.1支撑材料
支撑材料有许多功能。对于这三种类型的反应器来说，这一材料给微生物提供了吸附的地方，伴随着材料吸附力的增加，生物降解的微生物的数目也同时增加。支撑材料的另一种功能是吸附挥发性有机废气，同样的材料吸附力的增加可能会增加生物量利用挥发性有机废气的浓度，因而去除率也相应的增加。
对于生物滤池和生物滴滤塔而言，支撑材料空间的矩阵排列可以提供一些小的沟槽来使空气流和水通过这个反应器。这一支撑材料也可用于提供营养物和缓冲量。然而，材料中间的空隙很可能由于生物量过多的增长或者是反应器中间的支撑材料压实而被堵塞，堵塞材料级可以引起操作压力增加，也可以造成气体断流，因此，对于一个生物滤池和生物
滴滤塔来说，正确的设计和操作是十分重要的。对这一问题我们可以采用适当的流态化和逆流，并定期除去过多的生物量来解决。而生物洗涤器就不存在像生物滤池和生物滴滤塔那样堵塞的问题，因为他的床一直是流动的。
对于支撑材料的选择一般基于以下几个原则：最佳的微生物生长环境、较大的比表面积、一定的结构强度、高水分持留能力、高孔隙率和较低的体密度。表2是对各种支撑材料优缺点的比较。
材料 优点 缺点
土壤 一项成熟的技术，适合于处理有恶臭或低浓度的气体，花费较低。 低的缓冲量，低吸附能力，低生物降解率，营养物的供应有限
泥炭和堆肥 一种可用于商业的技术，适合于处理低浓度的有机废气 低的缓冲量，低的生物降解率，营养物的工艺有限
粒状活性炭 高的吸附能力，好的生物量附着力，可以处理高浓度的有机废气，高的生物降解能力 成本高，因为吸附能力高所以很难清洗
粒状陶瓷 易清洗，比活性炭的成本低，高生物降解率 比土壤和泥潭堆肥都要贵
塑料 易清洗，材料易得，价格便宜 无吸附能力，比焦炭贵，生物降解率地
焦炭 价格便宜，材料易得，吸水性好，吸附力强 生物降解率较低
2.3.2 营养物
微生物利用有机化合物的同时需要足够的无机化合物作为营养物，因此，增加一些无机化合物是有必要的，如氮、磷和微量元素（钾、钠、钙、镁和铁），一般它们的比例是BOD：N：P=100：5：1。通常这些矿物质在瑞士的水里或在支撑材料里为细菌提供所需的微量元素。
2.3.3 温度和pH值
气态污染物的去除是一个扩散和生化反应的综合过程，温度的升高有利于气体的传质，但如果温度升高得太快，不仅会使气体污染物在液相中的溶解度降低，而且容易使微生物的酶失活，从而影响整个反应速度。一般的生物反应器可以在25~35℃下运行，很多研究表明，35℃是好氧微生物生长的最佳生长温度。
目前有待研究解决的问题
目前有待研究解决的问题如下：
1、生物技术用于处理低浓度的有机物的技术较为成熟，但对于处理高浓度的有机物来说还有待进一步的研究。
2、对于生物滤池和生物滴滤塔来说，在运行过程中很容易堵塞，所以填料的选择、填料表面性质的提高及其使用寿命还有待研究。
3、筛选并鉴定出适合与特定有机物降解的细菌种类、接种方法和保存方法。
4、建立微生物降解动力学模型，选择适当的运行参数及控制参数，建立系统完整的运行模式等。