有机废气(VOC)生物处理研究现状与发展趋势

    随着有机合成工业和石油化工工业的迅速发展，进人大气的挥发性有机化合物越来越多．这些物质主要有硫化氢、硫醇类、硫醚类、氨、胺类、吲哚类、硝基化合物、烃类、醛类、脂肪酸类、醇类、酚类、酯类以及有机卤系衍生物等。它们往往带有恶臭，不仅对人体和各种感官有刺激作用，而且具有一定的毒性，有些会产生“三致”效应，对人体和环境产生极大的危害．因此，要求有经济而有效的VOC处理方法．目前VOC处理方法主要有非破坏性方法、破坏性方法和两者的联合方法．其中，生物处理法比传统工艺投资少，运行费用低，操作简单，应用范围广，是最有希望替代燃烧法和吸附净化法的新技术旧．有关VOC生物处理的研究报道最早出现在美国”，而较广泛的研究，国外是从20世纪70年代才开始的，我国相关的研究则始于20世纪90年代初．这些研究主要包括有机废气生物处理的基本原理和方法，装置设备及操作工艺条件，能降解有机废气的微生物种群和其在填料上形成生物膜的条件，动力学模型的建立和分析等．研究的主要目的是去除恶臭，处理多种低浓度有机废气的混合气．目前，国外已进行了小试、中试和生产性研究，并且有了成功的工程应用实例；而国内的研究仍停留在小试规模．
  1 有机废气生物处理原理
      有机废气生物处理过程实质上是利用微生物的生命活动将废气中的有害物质转变成简单的无机物(如c0：和H：0)及细胞物质等．生化法处理有机废气的机理至今仍然没有统一的理论，国际上普遍接受的是荷兰学者Ottengmf依据传统的气体吸收双膜理论提出的吸收一生物膜理论．按照生物膜理论，生化法处理有机废气一般要经历3个步骤：1)废气中的有机污染物首先同水接触并溶解于水中(即由气膜扩散进入液膜)；2)溶解于液膜中的有机物成分在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜，进而被其中的微生物捕获并吸收；3)进入微生物体内的有机污染物在其自身的代谢过程中被作为能源和营养物质被分解，经生物化学反应最终转化成为无害的化合物”．
  2 有机废气生物处理工艺与设备   
      根据微生物在有机废气处理过程中存在的形式可将处理方法分为生物洗涤法(悬浮态)和生物过滤法(固着态)．生物洗涤法(又称生物吸收法)即微生物及其营养物配料存在于液体中，气体中的有机物通过与悬浮液接触后转移到液体中而被微生物降解．生物过滤法是微生物附着生长于固体介质(填料)上，废气通过由介质构成的固定床层(填料层)被吸附、吸收，最终被微生物降解，较典型的有生物滤池和生物滴滤塔二种形式．
  2．1 生物洗涤器(Bio．scmbber)   
      生物洗涤器是一个悬浮活性污泥处理系统，由一个吸收室和一个再生池构成．生物悬浮液(循环液)自吸收室顶部喷淋而下，使废气中的污染物转移至液相，实现传质过程．吸收了废气中的有机物的生物悬浮液流人再生反应器中，通人空气充氧再生．被吸收的有机物通过微生物氧化作用，最终被再生池中的生物悬浮液从液相去除．最常用的生物悬浮液是活性污泥悬浮液，但其处理后再生的时间较长，需要几个小时．由于吸收和再生所需的时间不同，因此，生物悬浮液的再生是在同一个反应器中进行，还是在另一个反应器中完成，取决于生物悬浮液的活性强度和再生能力．洗涤器中气液相的接触方法除液相喷淋法，还可采用气相鼓泡法，这取决于吸收过程中何者为控制步骤．若气相阻力较大则用喷淋法，反之液相阻力较大时可用鼓泡法．
  2．2 生物滤池(Bio一61ter)
  2．2．1 工艺流程   
      具有一定湿度的有机废气进入生物滤池，通过50～100 cm的生物活性填料层，污染物从气相转移到生物相，进而被微生物氧化分解．分解过程由异氧型微生物在有氧和中性微碱条件完成．一般有机物最终分解为cO：；有机氮先被转化为NH，，继而转化为硝酸盐；硫化物先被转化为H：s，继而氧化为硫酸盐．净化后的气体排出．
  2．2．2过滤材料。   
      生物滤池的填料层是具有吸附性的滤料，多为土壤、堆肥、木屑、活性炭或几种滤料混合而成．滤料要具有良好的透气性和适度的通水和持水性，以及丰富的微生物群落．滤料充当微生物(主要是细菌和真菌)的载体，而微生物又将湿润生物膜中的填充物颗粒团团围住．滤料还向微生物提供其生活必需的营养，这些营养物可以循环利用，但最终还是会被矿化作用分解．通常，在几年的运行以后营养物被耗尽，需要更换滤料．滤料颗粒的大小，一般以既能提供合理的吸附表面，又具有满意的滞流性为宜．生物滤池有单滤床开放式、多滤床封闭式等形式．与开放式单滤床生物滤池相比，封闭式生物滤池对维护的要求低，占地少，受气候影响小且容易监控，但造价较高．
  2．2．3工艺条件   
      生物滤池的进气方式可采用升流式或下降式，前者容易造成深层滤料干化，后者则可避免，并可防止未经填料净化的可流性有机物排出．为防止气体中颗粒物造成滤料堵塞，废气进入滤池前必须除尘．废气应被水气湿润(相对湿度>95％)，以免滤料干燥、开裂；适宜的操作温度为15—40℃；滤床含水量(质量分数)的范围是40％～60％；适宜的pH值7．O～8．0；适宜的有机物质量浓度为1 000 mg／m3以下，不应高于3 000～5 000 m∥m5；废气与滤层的接触时间约x30～100 s．
  2．3 生物滴滤塔(Bio—trickling 6lter)
  2．3．1 工艺流程   
      生物滴滤塔主体为一填充塔，内有一层或多层填料，填料表面是由微生物区系形成的几毫米厚的生物膜．含可溶性无机营养液的液体从塔上方均匀地喷洒在填料上，液体自上向下流动，然后由塔底排出并循环利用．有机废气由塔底进人生物滴滤塔，在上升的过程中与润湿的生物膜接触而被净化，净化后的气体由塔顶排出．
  2．3．2填料与工艺条件   
      生物滴滤塔使用的填料多为粗碎石、塑料、陶瓷等，填料表面形成几毫米厚的生物膜，填料比表面积一般为100—300 m2／m3．这既为气体提供了大量的空间，又可使气体对填料层造成的压力以及由微生物生长和生物膜疏松引起的空间堵塞的危险性降到了最低限度．生物滴滤塔还有一个生物滤池不具备的优点就是其反应条件易于控制，通过调节循环液的pH、温度，即可控制反应器的pH和温度，因此，在处理卤代烃、含硫、含氮等通过微生物降解会产生酸性代谢产物及产能较大的污染物时，生物滴滤塔较生物滤池更有效m引．
  2.4  3种生物处理工艺的比较      
            参与有机废气处理的微生物国内外关于废气处理微生物的研究，主要集中在生物滤池工艺．在工艺系统中，生物降解作用主要是由细菌和真菌完成．这些腐生性微生物依靠滤料提供的理化条件(如水、氧气、无机营养、有机物、pH和温度等)生存．活性微生物区系的多样性取决于被处理气体的成分，如果废气中所含的化学成分比较有限，微生物区系就可能只限于几个种，反之，若气体成分复杂，微生物种类也就可能会很多．生物滤池常见的霉菌有双孢球放线菌(Actinomyces 026i印orMs)、白色小球菌(施crococu5 n舾Ms)、普通小单孢子菌(肘icromonospor口秽“培Ⅱr西)、普通变形杆菌(Pro￡eHs秽u增or妇)、蜡状芽孢杆菌(BocⅢuscereus)和链霉菌(S溉p￡om妒e5印)．常见的真菌有青霉菌(PenicⅢium即)、头芽胞霉菌(C印^nZosporiMm印)、毛霉菌(M“cor印)、卷霉菌(circineffo印)、复端孢菌(c印^ozo￡ecium印)和匍柄霉菌(S把，印^洲ium叩)．除此之外，常发现有螨类、弹尾目昆虫和线虫纲动物”．近几年，针对一些难降解的人工合成的化合物，国内外陆续分离筛选出一些降解难降解有机物能力非常强的微生物．这些菌种包括：能降解芳香族化合物的诺卡氏菌(Ⅳocord施)、能降解三氯甲烷的丝状细菌(聊^omicr06i“m印)和黄色细菌(xnn肌06口c御印)、能降解氯乙烯的分支杆菌(M’，c060c把riM，n sp)等．
  4 存在问题和发展趋势   
      有机废气生物处理是一项新的技术，由于反应器涉及到气、液／固相传质及生化降解过程，影响因素多而复杂，有关的理论研究及实际应用还不够深入、广泛，许多问题需要进一步探讨和研究，主要包括建立准确的反应动力学模式；填料特性以及如何克服颗粒物在滤床中积累造成的堵塞；动态负荷(浓度和废气流量波动较大)的调控；最适工艺参数的确定；高浓度有机废气的治理；适合于特定有机物降解的细菌种类和接种方法等．针对上述问题，国内外研究人员正沿如下方向对有机废气生物处理技术做进一步的研究：
  1)针对高浓度废气和较难生物降解的物质，培养专属菌种并优化其生存条件．如用荧光假单
  胞菌，可使甲醛、丁酮的去除率达90％以上．从已适应二甲基二硫化物的滤池中分离菌种，接种培养后，可使硫化氢、甲硫醇、二甲基硫醚等的去除率达90％～100％．
  2)目前能用生物法治理的有机废气几乎都
  是亲水性或易降解的成分，提高疏水性或难降解废气的处理能力是一个难题．目前的研究表明，双液相工艺中增加不与水混溶的第二有机相，可使生物对疏水性化合物的吸附能力提高100—1 ooo倍；采用微孔膜或半透膜与反应器结合，可提高疏水性化合物的处理效果．
  3)改善生物滤料、填料的物理性能和使用寿命，以节省投资和能耗．
  
  4)实现自动控制，提高对各运行参数的控制能力，降低维护费用和发生故障的次数．