环境生物学 第4章 气体有机污染物的微生物处理技术

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气液转化阶段：有机废气中的有机物首先同水接触并溶 解于水中，传统双膜传质理论中的由气膜扩散进入液膜 生物吸附、吸收阶段：溶解于液膜中的有机污染物成分 在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜，并被其中的微 生物捕获、吸附、吸收。 生物降解阶段：生物膜中的微 生物对有机污染物进行氧化分 解和同化作用，有机物被作为 能源和营养物质参与微生物的 代谢过程，被转化为二氧化碳 和水等。同时，生化反应的气 态产物(二氧化碳、甲烷等)脱 离生物膜，逆向扩散通过液膜 和气膜最后进入气流主体排放
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（二）生物滴滤法(biological trickling filter)
与生物滤池法最大的不同点 是：一是生物滴滤池利用通过 滤层后的废液回流进行循环喷 淋；二是填料不同，生物滴滤 池所用填料不具吸水性，填料 之间空隙大，如粗碎石、塑料 蜂窝状填料、塑料波纹板填 料、陶瓷、木炭等，这些填料 属于惰性材料，不会出现像生 物滤池中混合微生物群同时消 耗滤料有机质的情况，因而， 池内微生物数量大，惰性材料 可以不用更换。
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化学法
燃烧法指通过强氧化反应降解可燃性恶臭物质的方法。适用 于高浓度、小气量的可燃性气体处理。优点是净化效率高. 分解彻底的特点，缺点是设备易腐蚀、消耗燃料、成本高、 臭氧氧化法是利用臭氧(O3)作氧化剂氧化恶臭物质的方法。 处理中可能形成二次污染物的缺点。 该法适用于中低浓度恶臭物质的处理。臭氧氧化能力强，可 彻底氧化分解恶臭物质，但臭氧发生器能耗高，处理费用 高。另外需注意臭氧可能对人体和周围动物造成的危害。 催化氧化法是利用催化剂降低氧化反应的活化能对恶臭物质 进行氧化的方法。如利用Fe3＋作催化剂，可去除高浓度的 酸碱吸收法是利用酸或碱作为吸收剂，对废气中难溶于水的 H 2S气体，工艺简单、效率高，但设备较大、投资成本高。 成分进行处理的方法。该法适用于快速消除低浓度恶臭气体 及难溶于水恶臭气体的场合，灵活性大，但恶臭气体并未彻 底去除，吸收液需进行进一步处理。
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土壤滤池处理有机废气的主要优点有：
①投资小，一般仅为活性炭吸附法投资的1/5至1/10； ②无二次污染，微生物对有机污染物的氧化作用完全，可 以将复杂的、有毒化合物转变为无机物或无毒小分子物 质，在土壤中没有污染物的积累，也没有污染物向水或其 他介质转移的潜在危害； ③脱臭率高，土壤滤池适于处理带有强烈臭味的低浓含 氨、硫化氢、甲硫醇、二甲基硫、乙醛、三甲胺等的废 气，脱臭率可高达99％；
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（二）有机废气生物处理法的基本原理
1．有机废气生物处理的条件
①有机废气(臭气)成分是可被吸收的；溶于水； ②被吸收的成分是可以生物降解的； ③废气成分是没有毒性或对微生物生长有抑制作用的； ④具备微生物生长的营养需求； ⑤具备微生物生长的最佳环境。 最后的条件是有机废气生物处理方法工艺控制的重点。
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影响土壤滤池去除效率的主要因素有： ①温度，土壤中微生物的活性温度为0～65℃，最佳温 度为37℃； ②湿度，土壤滤池中，湿度一般要求保持在50％～70 ％，湿度增加有利于微生物的氧化分解作用，但太高则 不利于通气，且水分子与废气中的污染物在土壤表面吸 附点产生吸附竞争，不利于污染物的去除； ③pH，一般控制pH在7～8的范围，土壤pH会随着使用时 间的延长而逐渐酸化，使用1年后需及时用石灰调整 pH，这是由于生物化学反应需要消耗碱度，有的反应产 生H+造成的； ④营养成分，因有机废气中污染物浓度一般都较低，碳 源或氮源等营养成分及其比例受土壤中有机质的限制易 出现不均衡现象，这时可以加入一些添加剂以改良其性 能，提高活性。
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1、工艺流程与滤池类型
废气需经过预处理、去除颗 粒物和调温、调湿后方可通 过气体分布器进入过滤器中 进行生物过滤，生物滤池中 装有填料，并通过加入水 分、营养物及pH缓冲液来满 足微生物生命活动的需要。 生物滤池处理系统中最关键 的设备是生物滤池。根据滤 池中滤料的不同，生物滤池 可分为土壤滤池、堆肥滤池 以及箱式滤池几种型式。
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一、有机废气的类型与特点
恶臭物质：超过4000种 由恶臭物质散发的恶臭气体可以按其不同的组成分为5大类
恶臭气体分类
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恶臭物质对人体的危害
①呼吸系统：对人体呼吸产生反射性抑制作用，甚至妨碍 正常呼吸功能； ②血液循环系统：可导致脉搏和血压变化，使血压先下降 后上升； ③消化系统：经常接触恶臭气体易使人产生食欲减退、恶 心甚至呕吐，严重时还引起消化功能减退； ④内分泌系统：经常接触恶臭气体还易使人产生内分泌系 统功能紊乱，长期大量接触有些恶臭气体甚至易引起生殖 能力减退； ⑤神经系统：恶臭易使人心情烦躁，心神不宁，思想难集 中，判断力和记忆力下降，甚至导致大脑皮层兴奋与抑制 的调节功能失调。
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生物法
主要分生物过滤法和活性污泥法两种。 生物过滤法按滤料及过滤方式不同又分为生物滤池法和 生物滴滤池法，生物过滤法的特点是微生物处于固着 态，实际上属于生物膜法。 活性污泥法则按气液接触方式不同又可分为生物曝气法 和生物洗涤法。 活性污泥法与废水处理的活性污泥法类似，微生物处于 悬浮态。废气生物处理具有处理彻底、成本低等特点。
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(1)土壤滤池
主要滤料是土壤，土壤是一个多相的疏松多孔体，其孔 隙率为40％～50％，比表面积为1～100m2／g，土壤中有 机物含量为1％～5％，主要分布在无机物表面上。 滤料共由2层组成：下层为气体分配层，由粗石子、细 石或轻质陶粒滑料组成，上部由黄沙或细粒骨料组成， 总厚度约400～500mm；上层为土壤滤层，厚度一般为 0.5～1.0 m，可按黏土1.2％、有机质沃土15.3％、细 砂土53.9％和粗砂29.6％比例混配而成，也可在土壤层 中添加3％的鸡粪、2％的膨胀珍珠岩，在保持滤层透气 性不变的情况下提高有机物的去除率。 土壤中的胶体物质+大量的微生物=土壤自净功能
在欧洲已有500多座投入实际运行。
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(3)箱式滤池
箱式滤池为封闭式装置， 其结构主要分为箱体、滤 床、喷水器3部分。滤床 由多种有机物混合制成的 颗粒状载体构成，有较强 的生物活性与耐用性，微 生物部分附着于载体表 面，一部分悬浮于床层水 体中。滤床厚度按需要确 定，一般为0.5～1.0m。
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一般情况下，当不存在生物膜时，有机废气的吸收明显 以液膜控制为主，但当存在生物膜时，传质过程则转变 为气膜控制。造成这种转变的主要原因是： ①待处理废气浓度低、浓度差推动力小，造成气相阻力 较大；②生物化学反应为快速反应，废气污染物进入生 物膜表面液膜后会立即被微生物捕获并反应消耗掉，从 而使液膜层中的反应带变成一个反应面，此反应面逐渐 向气液界面移动，更加减小了液相传质阻力。 传质过程实际上受气相传质过程控制。
物理法 包括掩蔽法、稀释扩散法、吸附法、等离子体法等 化学法 化学法包括燃烧法、臭氧氧化、催化氧化及酸碱吸收法等 生物法 生物处理法是指利用微生物吸附分解有机物能力降解恶臭 物质与有机废气的方法
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物理法
掩蔽法是利用气体的缓和作用原理，用比恶臭更强烈 的令人愉快的气味掩蔽恶臭，如家庭及公共场所常用 的各种空气清新剂即属此类。该法宜用于在不适于采 用除臭装置的情况与场合。 稀释扩散法是将气体由烟囱排向大气扩散，以保证下 风向臭源附近人群免受恶臭危害。该法适合于工业有 组织排放臭气。 吸附法又分化学吸附法和活性炭吸附法，系采用吸附 剂吸附恶臭物质的除臭方法，适于低浓度、高净化要 求的恶臭气体处理。
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④抗冲击能力较强，土壤中的微生物、营养在种类和 数量上都较丰富，当有冲击负荷时，微生物的种类与 数量能随废气中有机物迅速变化； ⑤服务年限长，土壤滤池处理挥发性有机废气，使用 年限可以长达数十年甚至百年以上，华盛顿污水提升 站于1964年建造的土壤滤床至今仍在正常工作。 主要缺点是占地面积大，易出现酸化现象。
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恶臭污染的主要特点
①恶臭污染源众多、污染面广、涉及行业多； ②恶臭物质一般浓度较低，甚至可以低到ppb级的浓度； ③恶臭气体成分复杂，往往含有多种污染成分； ④恶臭污染的监测、分析难度大，其治理的难度也较一般 的大气污染治理难度更大。
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二、有机废气生物处理的基本原理
（一）有机废气治理的基本ຫໍສະໝຸດ 法（物理法、化学法、生物法）1
美国1990年通过的清洁空气法修正案严格限制了189种 危险空气污染物(其中70％是挥发性有机物)的排放，这 促进了包括生物过滤法在内的废气控制技术的研究和应 用，大规模的生物过滤装置开始被建立用来处理各种污 染气体。到20世纪80年代，德国、日本、荷兰等国家已 有相当数量工业规模的各类生物过滤装置投入运行。对 于许多一般性的空气污染物，该项技术的控制效率已达 到90％以上。
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荷兰学者Ottengraf依靠传统的气体吸收“双膜”理论提 出的“生物膜”理论 “双膜”是指气液传质过程中的气膜与液膜。所谓“生物 膜”是在固体载体表面上由微生物群体形成的具有一定 厚度的膜。 按照生物膜理论，有机废气的生物处理需经过三个阶 段，即气液转化阶段、生物吸附吸收阶段、生物降解 阶段
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“生物膜”理论实际上也是“三膜理论”，与传统的“双膜理 论”有很大不同，其气体的扩散不仅有“气、液、固”之间 的扩散，而且在“固、液、气”之间有逆向扩散，另外，在 生物膜(可以视同固相)中还存在生物化学反应。 生物法吸收净化有机废气过程总的效率取决于气相和液 相中有机物的扩散速率(即气膜扩散、液膜扩散)以及固 相中生化反应速率。
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三、有机废气生物处理的方法与工艺
生物滤池法、生物滴滤法、生物洗涤法、生物曝气法
（一）生物滤池法(biological filter)
是生物膜法的一种，是目前研究得最多、工艺最为成熟、在实际中也 最为常用的脱臭方法，最早出现于前联邦德国。 1959年，在前联邦德国的一个污水处理厂建立了一个填充土壤的生物 过滤床，用于控制污水输送管散发的臭味。 20世纪60年代，生物过滤开始实际应用于气态污染物的处理，德国和 美国则开始对此法进行深入研究开发。在德国和荷兰就有500多座大 规模的生物过滤装置，大多数用于家畜和食品加工工业，其废气处理 流量为1000～150 000m3／h，生物反应器面积介于10～2000m2之间。 我国目前只有少数引进国外技术处理有机废气的例子，如北京南宫堆 肥厂的废气处理、澳门特区污水处理厂臭气处理等。