生物法净化有机废气的原理

        随着有机合成工业化学工业的迅速发展, 进入大气的有机化合物越来越多, 这类物质往往带有恶臭, 不仅对人体各种感官有刺激作用, 而且不少有机化合物,产生 “三致”效应,从而对人体和环境产生很大的危害。微生物对各类污染物均有较强、较快的适应性,并可将其作为代谢底物降解、转化。同常规的有机废气处理技术相比,生物技术具有效果好、投资及运行费用低、安全性好、无二次污染、易于管理等优点( 如表 1 所示) ,尤其在处理低浓度( < 3mg/ L)、生物可降解性好的有机废气时更显其优越性。
  
 
一、生物法净化有机废气的原理
         有机废气生物净化是利用微生物以废气中的有机组分作为其生命活动的能源或其它养分,经代谢降解,转化为简单的无机物( C O2, 水等)及细胞组成物质。 与废水的生物处理过程的最大区别在于:废气中的有机物质首先要经历由气相转移到液相(或固体表面液膜)中的传质过程,然后在液相(或固体表面生物层)被微生物吸附降解


  图1  微生物净化有机废气模式图
由于气液相间有机物浓度梯度、有机物水溶性以及微生物的吸附作用, 有机物从废气中转移到液相(或固体表面液膜)中,进而被微生物捕获、吸收。在此条件下,微生物对有机物进行氧化分解和同化合成, 产生的代谢产物一部分溶入液相, 一部分作为细胞物质或细胞代谢能源,还有一部分(如 CO2)则析出到空气中。废气中的有机物通过上述过程不断减少,从而得到净化。
二、有机废气生物处理的工艺研究与应用
         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吸收法(悬浮态)和生物过滤法(固着态) 2类。生物吸收法(又称生物洗涤法)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所降解。生物过滤法则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)时被吸附、吸收,最终被微生物降解,较典型的有生物滤池和生物滴滤池2种形式。
1. 生物吸收法( bio scrubber)
生物吸收法由一个吸收室和一个再生池构成,如图2所示。
 
 图2  生物吸收法示意图
           生物悬浮液(循环液) 自吸收室顶部喷淋而下,使废气中的污染物和氧转入液相(水,实现质量传递。吸收了废气中组分的生物悬浮液流入再生反应器(活性污泥池)中,通入空气充氧再生。被吸收的有机物通过微生物氧化作用, 最终被再生池中 的活性污泥悬浮液从液相中除去。 生物吸收法处理有机废气,其去除效率除了与污泥的 M LSS浓度、 pH 值、溶解氧等因素有关, 还与污泥的驯化与否、营养盐的投加量及投加时间有关[ 5]。 福山等[6]在臭气净化处理的实验中发现,当活性污泥浓度控制在5000～10000m g/ L、气速< 20m3/ h 时, 装置的负荷及去除率均较理想。 日本一铸造厂[ 7]采用此法处理含胺、酚等污染物的气体, 设备采用两段洗涤塔, 装置运行十多年来一直保持较高的去除率( < 95 % )。德国开发的二级洗涤脱臭装置,臭气从下而上经二级洗涤,浓度从2100mg/ L 降至50mg/L,且运行费用极低。
         生物吸收法中气、液两相的接触方法除采用液相喷淋外, 还可以采用气相鼓泡。 一般地,若气相阻力较大可用喷淋法,反之液相阻力较大时则用鼓泡法。 鼓泡与污水生物处理技术中的曝气相仿,废气从池底通入,与新鲜的生物悬浮液接触而被吸收。由此,许多文献中将生物吸收法分为洗涤式和曝气式2种。 日本某污水处理厂用含有臭气的空气作为曝气空气送入曝气槽,同时进行废水和废气的处理,取得了脱臭效率达99%的效果。
2.生物滤池( biofilter)
生物滤池处理有机废气的工艺流程如图3所示。
 
  图3  生物滤池系统示意图
        具有一定湿度的有机废气进入生物滤池,通过约 0. 5～1m厚的生物活性填料层,有机污染物从气相转移到生物层, 进而被氧化分解。生物滤池的填料层是具有吸附性的滤料(如土壤、堆肥、活性炭等) 。堆肥生物滤池因其较好的通气性和适度的通水和持水性, 以及丰富的微生物群落,能有效地去除烷烃类化合物,对酯等生物易降解物质的处理效果更佳。
         有关生物滤池在有机废气处理中的研究报道,较早的有 Jennings[12]及其同事于70年代初,在莫诺特方程的基础上提出了生物滤池中单组分的、非吸附性的、可生化降解的气态有机物去除率的数学模型。而后, Ottengraf[13- 17]等依据吸收操作的传统双膜理论,在Jennings的数学模型基础上进一步提出了目前在世界上公认影响较大的生物膜理论(见图4)。
         另外, H odg e等[ 18]采用堆肥作填料净化处理含蒸汽的废气,当进气负荷不高于90g/m3  h、停留时间为30s时,去除率达95%以上; Cox等[19]以珍珠岩为滤料,选用驯化筛选后的真菌降解,气体浓度为800 mg/m3、流量为43L/h时,处理效率达99%,


 图4  生物膜理论示意图
同时测得 CO2浓度为1000ppm( 1833mg/m3); Corsi等[20]在  154mm实验装置上,其同系物为净化处理对象,在操作温度20. 8℃、空塔气速28～30m/h、停留时间 1. 82～1. 96min实验条件下,进行堆肥法、土壤法、木屑法的平行实验, 比较了被处理气体通过三种填料加营养物质前后的去除效率, 结果发现, 堆肥对气体中一直保持较高的去除率( 90%～99% ) , 土壤和木屑在没有加营养物质的情况下去除效果较差,加营养物质后,去除率可达99%。
3.生物滴滤池(biotrickilng filter)
生物滴滤池处理有机废气的工艺流程如图5所示。


图5  生物滴滤池系统示意图
          生物滴滤池与生物滤池的最大区别是填料上方喷淋循环液, 设备内除传质过程外还存在很强的生物降解作用。与生物滤池相似,生物滴滤池使用的是粗碎石、塑料、陶瓷等一类填料,填料的表面是微生物区系形成的几毫米厚的生物膜,填料比表面积一般为 100～300m2/ m3。这一方面为气体通过提供了大量的空间,另一方面,也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限度。 与生物滤池相比,生物滴滤池的反应条件( pH、温度)易于控制(通过调节循环液的 pH、温度) ,而生物滤池的 pH 控制则主要通过在装填料时投配适当的固体缓冲剂来完成, 一旦缓冲剂耗竭则需更新或再生滤料, 温度的调节则需外加强制措施来完成, 故在处理卤代烃、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,生物滴滤池较生物滤池更效。 Hartmans、 Diks等的实验结果表明,气速为145～156m/h、浓度为 0. 7～1. 8g/m3时,去除率为80%～95%。 另外,生物滴滤池单位体积填料层微生物浓度较高,适于处理高负荷有机废气。 T onga等的研究表明,当停留时间为50s、处理效率为90%时,生物滴滤池处理负荷是生物滤池的 2倍;处理负荷是生物滤池的3倍以上。
         另外, Pedersen等[24]在  70mm生物滴滤池中进行了低浓度废气的净化处理研究,得到最大生化去除量为45mg/ L。


三、生物法净化有机废气现状及需解决问题
        近年来, 由于各国对有机废气造成的环境污染的关注,对有机废气的处理研究也日趋活跃。生物技术由于具有传统的方法不可比拟的优越性和安全性, 已成为世界工业废气净化研究的前沿热点课题之一。
        生物法净化有机废气的研究,国外是从80年代初逐步展开的[28],最初应用是在堆肥场和动物脂肪加工场的有机废气脱臭处理方面[ 29]。 废气中所含臭味物质主要有腐胺、脂肪酸等。 外某动物脂肪加工厂[30]曾用堆肥作滤料,在滤料厚度为1m、气体在滤层中平均停留时间为17s、过滤负为88m3/ m2  h的情况下,将废气中的有机物浓度由45mg/Nm3降到3. 5mg/ Nm3,获得了良好的除臭效果。
         不同成分、浓度及气量的气态污染物各有其有效的生物净化系统。生物吸收法适宜于处理净化气量较小、浓度大、易溶且生物代谢速率较低的废气处理; 对于气量大、浓度低的废气可采用生物滤池处理系统; 而对于负荷较高以及污染物降解后会生成酸性物质的则以生物滴滤池为好。 在目前的废气生物净化实践中以运行操作简单的生物滤池系统使用得最多, 日、德、荷、美等国家生物法处理有机废气的设备与装置开发已呈商品化态势并且应用效果良好,对混合有机废气的去除效率一般在95%以上。 目前,我国有关这方面的研究及应用还处于起步阶段,仅同济大学、 昆明理工大学等单位进行了初步研究。
          有机废气生物处理是一项新的技术, 由于生物反应器涉及到气、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。
( 1 )反应动力学模式研究。
         通过反应机理的研究,提出决定反应速度的内在依据,能有效地控制和调节反应速度, 最终提高污染物的净化效率。 尽管 O ttengraf等提出了较著名的生物膜理论[39,40] ,但该理论的提出是建立在以生物滤池为研究基础上的,对生物吸收法和生物滴滤池净化处理有机废气过程机理的描述不适合。在实际研究中发现,许多实验数据不能与上述理论模型相吻合,一些现象也难以用上述理论作出解释。 我们认为,这主要是由于物滤池中存在相对较稳定的液膜, 而生物吸收法和生物滴滤池中由于循环液的流动性, 无法产生类似的稳定液膜。( 2)填料特性研究。 
        对于生物滤池和生物滴滤池来说,深入研究填料的一些特性是非常必要的。 填料的比表面积、孔隙率除与单位体积填充层生物量有关,还直接影响着整个填充床的压降及填充床是否易堵塞等问题。更重要的一点是, 气态污染物降解要经历一个气相到液/固相传质过程, 污染物在两相中的分配系数是整个装置可行性的一个决定因素。 有资料表明,填料对分配系数有较大的影响, Hodge[41]、Liu[42]等在生物滤池处理蒸汽时发现, 颗粒活性炭作填料时的分配系数是堆肥的2. 5～3倍。( 3)动态负荷研究。
目前,绝大多数研究报道中采用的是单一组分(或几个简单组分组合) 气体作为实验对象,气体负荷的变化也是非常有顺序的、平稳的, 气速也是很 “温和”的,而对于非常态负荷气流、多组分复杂混合气的研究较少。事实上,这种动态负荷的研究是非常有实际意义的, 特别是可以解决一系列实际运用中碰到的问题。