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挥发性有机废气生物处理技术研究进展
时间:2017-07-01 09:22:44 来源:环境工程
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  随着国内各领域经济的发展,许多工业制造的废气、有害场所、地下水治理设施等均含有挥发性有机化合物(VOCs),可引起光化学烟雾,破坏生态环境,并且具有致癌性,严重威胁着人们的健康。由于生物工程领域的进步,相应的技术也逐步应用于环保领域。20世纪70年代各国竞相开始研究生物法处理挥发性有机废气,主要研究净化设备及优化条件,优势菌群的驯化与培养,代谢原理及降解过程,动力学模型分析等。相比于传统方法,生物法处理低浓度有机废气具有易操作、维护方便、净化效率高、运行费用低、安全性高、二次污染小等优点。本研究针对VOCs处理技术的3种生物净化工艺原理及研究进展进行了较详细的探讨,并提出该领域存在的问题及发展趋势。

  1、生物法处理VOCs废气的基本理论

  生物法处理VOCs废气机理前人已做许多研究,世界较为流行的是荷兰学者提出的“吸收-生物膜”理论:VOCs废气经水吸收,在溶入浓度梯度的作用下扩散至生物膜上,进而与微生物接触被降解吸收,将污染物经代谢分解成简单小分子物质、CO2和H2O。之后孙珮石等人在前人基础上进行完善,针对低浓度VOCs废气的处理提出新型“吸附-生物膜”理论,强调污染物经扩散被直接吸附在生物膜表面,而与微生物接触被降解吸收,污染物作为能源和营养物质被微生物分解,最终转化为简单小分子物质、CO2和H2O。其核心重在吸附降解过程,完善修正了国外的理论,诠释了国外学者对液膜存在与否的质疑。

  2、VOCs废气的生物法处理技术

  生物法处理油烟废气主要是将废气由气态转移到液态或固态表面的液膜上,利用微生物的新陈代谢作用对其进行降解转变为无害的无机物(CO2、H2O)、有机小分子以及自身细胞组成物质,进而使油烟废气得以净化,其过程如图1所示。与传统的物理化学废气处理技术比较,生物法净化技术具有操作简单、易维护、投资运行费用低、安全性好、处理效率高、无二次污染等特点,特别在净化低浓度、生物可降解性好的废气中更为突出。
 

挥发性有机废气生物处理技术研究进展

  目前用于废气生物净化的主要工艺设备有:生物滤池、生物滴滤塔和生物洗涤器装置等。其设备性能如表1所示。
 

挥发性有机废气生物处理技术研究进展

  2.1生物滤池

  生物滤池处理废气是通过过滤器去除废气中的颗粒物,再经调湿调温后进入填充的具有吸附性滤料的生物滤池中,通过生物填料层时,废气污染物和氧气从气相扩散至载体外层的水膜,有机物被微生物作为碳源、能量,氧化分解为无害简单的有机物、H2O和CO2等。可见微生物量在处理VOCs废气过程中起着至关重要的地位,生物滤池能较好地处理单环芳烃、醇、羧酸、醛、酮、酯类等VOCs废气,其工艺流程如图2所示,生物滤池适用于质量浓度低于1000mg/m3的VOCs废气处理,具有无水相,设备简单易操作,生物膜固定比表面积大,二次污染小等优点。但滤池面积大,基质浓度增大会直接引起微生物快速繁殖而堵塞滤料,影响其传质效果。
 

挥发性有机废气生物处理技术研究进展

  目前生物滤池已被广泛应用于有机废气处理,并取得一定的研究成果。郑连英等人筛选出以甲苯作唯一碳源的高效降解菌并,设计了生物滤池装置,结果表明:在温度为30℃、相对湿度80%、进口浓度1500mg/m3的最佳操作条件下,甲苯的最高降解率可达89.7%。曹旭等人进行了生物过滤塔净化工业有机气体的实验研究,结果表明:有机废气入口浓度小于25mg/m3时,其净化效率在97%以上,当浓度大于25mg/m3时,净化效率随着进口气体流量的增加

  而逐渐下降,由入口流量为0.2m3/h增至0.8m3/h时,其对应的净化效率也由97.2%下降到73.0%,湿度对净化效率的影响较大,当湿度大于40%时,反应器有良好的去除效果;Cao等人利用预反硝化生物滤池去除邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯和氮,结果表明,当水力负荷为1.1m3/(m2˙h)时,DEHP的去除率稳定在48%,将水力负荷提高到2.2m3/(m2˙h)时,DEHP的去除率可达82%。无论是反硝化生物滤池和硝化生物滤池均表现出了相似的DEHP去除性能,整体DEHP去除率为83.8%,其中生物降解占72.3%,在系统中起到了关键作用。

  2.2生物滴滤塔

  生物滴滤塔主体部分为一层或多层填料的填充塔,填料表面附有驯化培养的生物膜。可溶性无机盐营养液于塔上自上而下均匀的喷洒在填料层之上,后由塔底排出循环利用。生物滴滤处理VOCs工艺流程如图3所示,VOCs废气经塔底进入塔内与湿润的生物膜接触而被微生物分解净化,处理后的气体由塔顶释放,代谢产物随废液排出。据文献[报道,生物滴滤塔易处理碳氢化合物、卤代烃、醇、酮类等VOCs废气,具有操作简单,易控制反应条件,能耗低,生物相与液相循环流动,压降小,净化效率高等优点,但填料定期更换,生物量堵塞难以控制,设备易腐蚀。
 

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  国外生物滴滤池已得到广泛应用,国内还处于研究阶段。任爱玲等人利用菌丝体热解炭为填料,生物滴滤塔中分别填装热解炭-木屑和木屑单一填料,并联进行微生物净化苯乙烯气体实验,结果表明:混合填料比单一的挂膜速度快,当入口浓度为50~450mg/m3,停留时间为21.6~43.2s,气液比为110.7~55.3时,净化效率可达92%以上。何觉聪等[25]人采用生物滴滤塔处理苯酚气体,结果表明:生物滴滤塔对苯酚气体的去除率达99.5%,最佳条件为停留时间20.6s,循环液pH值中性,喷淋密度为1.67m3/(m2˙h)。

  2.3生物洗涤器

  生物洗涤器是由传质洗涤器及生物降解反应器组成,洗涤器内存在呈悬浮状态的微生物群,生物相和水相均以循环方式流动。常用的洗涤悬浮液是活性污泥,处理废气后再生需要一定的时间。生物洗涤处理VOCs工艺流程如图4所示,该反应器操作条件易控制,生物填料不易堵塞;但处理气量小,因其亨利系数小于0.01,处理化合物浓度小于5000mg/m3,不适于处理难溶性废气。
 

挥发性有机废气生物处理技术研究进展

  国内研究生物洗涤处理油烟废气方面起步较晚,依然处于研发阶段。李国文等人利用活性污泥为介质,研究了氯苯废气经过洗涤塔的生物降解性能,结果表明:当负荷F<1mg/(g3˙h)时,比降解速率随F的增加而增大,F=1.0~2.0mg/(g3˙h)时比降解速率达到最大值0.9mg/(g3˙h),当F<0.8mg/(g3˙h)时,氯苯降解速率在90%左右。刘玉红等人[28]采用生物洗涤处理含苯酚有机废气,结果表明:当苯酚负荷为30g/(m3˙h)左右时,长时间运行的去除效率约在97%左右,当其负荷量超过50g/(m3˙h)时,苯酚在洗涤液中会累积,影响到系统的稳定性,含酚气体的高负荷降解需进一步开展研究。齐国庆等人采用生物洗涤和生物滴滤技术处理炼油污水场恶臭气体,具有运行稳定、抗冲击性强、处理效率高的特点。结果表明:出口气中H2S小于0.06mg/m3,NH3小于1.5mg/m3,CH3SH小于0.004mg/m3,臭气浓度小于20,达GB14554—1993《恶臭污染物排放标准》规定的一级厂界要求。

  3、国内外生物法处理VOCs废气的研究进展

  生物法在德国、荷兰已得到了广泛的应用,最普遍的技术是生物滴滤和生物过滤。Rene等人进行了以堆肥和陶瓷珠为填料生物滤池去除甲苯废气的研究,当甲苯废气浓度为2.3~3g,进气流速为0.024~0.144m3/h时,去除率为40%~95%。Singh等人利用木豆秸秆作滤料,通过控制甲苯入口浓度为2.56~34.73g/m3,体积流速为0.18~0.24m3/h,7d系统稳定后,随甲苯浓度的增加去除率下降,而去除量增加并趋于恒定。Pagans等人以城市固体

  废物和动物副产品的有机成分作生物滤池滤料,对废气中的NH3和VOCs的去除进行了研究,NH3、VOCs负荷分别为846~67100mg/(m3˙h)、0.55~28.8g/(m3˙h)时,其去除率对应为94.7%、82%。Moussavi等人研究了紫外-生物过滤对甲苯和邻二甲苯混合物的处理,去除效果在95%以上。Kim等人研究了生物滤池和生物滴滤塔的气、液膜传质性能参数并进行了测定,利用修正的Onda-type方程的气、液体流速对传质系数的相关性进行研究,充分诠释了气体灵敏度、质量传递速度以及滤料湿润效果的影响。

  20世纪90年代我国出现了生物法处理有机废气的研究,许多学者以含有某一类有机物的废气为研究对象,利用生物化学处理有机废气。孙佩石等人利用微生物菌种挂膜接种的生物膜填料塔处理低浓度甲苯废气,当入口气体甲苯浓度为0.183~1.803mg/L,气体流量为86.4~190.8L/h时,增加入口甲苯浓度和流量,能提高甲苯生化去除量,每升体积的填料对甲苯的生化去除量最大为157.13mg/h。马艳玲利用长期受油烟污染的土壤中分离筛选假单胞菌,再以活性炭为填料制成填料床生物反应器,结果表明:当油烟进气浓度小于100mg/L,气体流速小于8L/h,停留时间大于30s,容积负荷为2.3~18.9g/(m3˙h)时,反应器净化效率达95%以上。国内的研究主要处于反应器稳态条件的实验阶段,实际过程中所产生的VOCs废气种类、浓度、温度等均不稳定,因此,提高该设备的应用性是今后的研究重点。

  4、前景及展望

  生物处理技术以其易操作、运行维护费用低、净化效率高、安全性高、二次污染小等优势受到了各国的重视,目前,国内挥发性有机废气VOCs生物处理技术还未成熟,通常涉及不同反应器规格提供的环境处理效果存在差异。同时,牵涉到气、液传质及生化降解影响因素繁多,实际应用不够深入,仍需要在以下几方面进行深入研究:1)生物处理技术应用于中低浓度的废气处理,对于高浓度有机废气的处理需进一步研究。2)针对生物难降解的有机污染物,需驯化培养或购买专属菌种配合提高净化处理效果,完善微生物的代谢体制,实现净化装置的高效运行。3)采用分子生物学技术,研究微生物优势菌株组成特征,为降解对应污染物提供菌源依据。4)应用GC-MS鉴定有机污染物组分,解析污染物成分及生化降解效果,由本质问题寻找方法提高净化工艺性能。5)针对填料长期使用过程中,寻求填料堵塞、压实、使用寿命短等解决问题的方法。6)实际生产中,污染源不同,温度高,VOCs浓度不一,研究技术需注重实际模拟对应条件下的分析与探索。

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