李大梅 趙李李

(南京博環(huán)環(huán)保有限公司，江蘇 南京 210037)

1 引言

揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds)，簡(jiǎn)稱VOCs，是指在常壓下沸點(diǎn)低于260℃或室溫時(shí)飽和蒸氣壓大于71Pa的有機(jī)化合物[1]。VOCs的種類很多，其中常見(jiàn)的同時(shí)排放量較大的是用于工業(yè)溶劑的芳香烴、醇類、酯類和醛類。多數(shù)VOCs有毒、有惡臭，部分VOCs有致癌性；VOCs在光照下可引發(fā)光化學(xué)煙霧；鹵代烴類VOCs會(huì)破壞臭氧層。因此，世界各國(guó)都通過(guò)立法不斷限制VOCs的排放量。

對(duì)于揮發(fā)性有機(jī)廢氣的處理，特別是對(duì)產(chǎn)生于食品工業(yè)、水產(chǎn)業(yè)、石化行業(yè)、農(nóng)業(yè)(家禽飼養(yǎng))等的低濃度有機(jī)廢氣的處理，采用化學(xué)和物理方法是十分困難和昂貴的。采用生物處理方法有著與物理和化學(xué)方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：

(1)較低的成本和操作費(fèi)用，(2)無(wú)二次污染，(3)有利于環(huán)境。

2 生物法處理有機(jī)廢氣的技術(shù)概況

2.1 生物法的基本概念

生物凈化實(shí)質(zhì)上是一種氧化分解過(guò)程，即附著在多孔、潮濕介質(zhì)上的活性微生物以廢氣中有機(jī)組分作為其生命活動(dòng)的能源或養(yǎng)分，并將其轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)物(CO2、H2O)或細(xì)胞組成物質(zhì)。廢氣中有機(jī)物通過(guò)上述過(guò)程不斷減少，從而被凈化[2]。

2.2 生物法處理有機(jī)廢氣機(jī)理

對(duì)于生化法處理廢氣的機(jī)理研究盡管已做了不少工作，但至今仍沒(méi)有統(tǒng)一理論。目前在世界上影響較大的是荷蘭學(xué)者Ottengraf[3]，該學(xué)者依據(jù)傳統(tǒng)的雙膜理論提出了生物膜理論。另外一種是Pedersen、孫佩石等[4]根據(jù)吸附理論提出的吸附——生物膜理論。所謂生物膜既是由微生物群體在固體載體表面構(gòu)成的粘性膜結(jié)構(gòu)[5]。在潤(rùn)濕環(huán)境下，微生物以廢氣中有機(jī)物為能源，在將其氧化分解的過(guò)程中得以生長(zhǎng)、繁殖并形成具有一定厚度的膜。這種生物膜尤其在處理低濃度或生物可降解性強(qiáng)的廢氣時(shí)，顯示出很強(qiáng)的優(yōu)越性。

2.3 生物法處理VOCs的工藝特點(diǎn)

由于微生物對(duì)各種污染物均有較強(qiáng)、較快的適應(yīng)性，并可將其作為代謝底物而降解、轉(zhuǎn)化。因此，與傳統(tǒng)的廢氣處理技術(shù)相比，生物處理技術(shù)具有效果好、投資及運(yùn)行費(fèi)用低、安全性好、無(wú)二次污染、易于管理等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于廢氣生物處理吸收劑的再生可直接通過(guò)吸收劑中微生物的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不需要像理化吸收和吸附那樣的專門設(shè)備，從而簡(jiǎn)化了工藝流程和工業(yè)設(shè)備，降低運(yùn)行操作費(fèi)用。

3 三種生物方法簡(jiǎn)介

氣態(tài)污染物的生物凈化過(guò)程實(shí)質(zhì)上是在潮濕有孔的介質(zhì)上，聚集的活性微生物的生命活動(dòng)[6]。利用微生物的這種生命活動(dòng)將廢氣中的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，如二氧化碳和水等。所利用氣態(tài)污染物的生物凈化設(shè)施按微生物的存在方式和水分、營(yíng)養(yǎng)的添加方式的差異，可分為3類典型的凈化技術(shù)：生物濾池、生物滴濾塔和生物洗滌器[7]。

3.1 生物濾池

生物濾池是敞開(kāi)或封閉的容器，其中由一層層多孔填料床組成。填料可以由堆肥、泥炭塊、土壤、塑料濾料、粒狀活性炭、陶瓷濾料等構(gòu)成，在填料的表面覆蓋著微生物膜和水。生物濾料的厚度一般約為lm，面積視處理氣體量和處理效果而定[8]。生物濾池的工藝流程如圖1所示，除塵后的廢氣經(jīng)過(guò)增濕器潤(rùn)濕后，通過(guò)附有生物膜的填料層，有機(jī)污染物被微生物所降解。在生物濾池中，液相是靜止的或是以很小的速度流動(dòng)，可以根據(jù)工藝的需要來(lái)補(bǔ)充水分，但要保證連貫的氣體通過(guò)。

圖1 生物濾池工藝流程圖

3.2 生物滴濾塔

生物滴濾塔的結(jié)構(gòu)同生物濾池結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別是生物滴濾塔中的水分是從填料的頂部噴淋下來(lái)，并逐步流過(guò)填料，填料的孔隙比生物濾池要多。在多孔填料床內(nèi)液相和氣相可以逆流或順流。在凈化過(guò)程中，氣態(tài)污染物要經(jīng)過(guò)由氣態(tài)到顆粒表面液膜傳質(zhì)，然后被固體表面生物膜內(nèi)的微生物降解，生成的二氧化碳?xì)怏w又沿反方向通過(guò)擴(kuò)散和對(duì)流傳至主流氣相區(qū)，最終排出塔外。生物滴濾塔工藝流程如圖2所示。生物滴濾塔比生物濾池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但對(duì)于處理生成酸性副產(chǎn)物的廢氣(如H2S)時(shí)效果比生物濾池好[9-10]。

圖2 生物滴濾塔流程圖

3.3 生物洗滌器

生物洗滌器是一個(gè)懸浮的活性污泥處理系統(tǒng)，是一種具有三態(tài)的流化床，因此，它完全不同于生物濾池和生物滴濾塔。它通常由1個(gè)裝有填料的洗滌器和1個(gè)具有活性污泥的生物反應(yīng)器構(gòu)成。生物洗滌器的工藝流程如圖3所示。第一個(gè)反應(yīng)器是接觸式單元，污染物在這個(gè)單元從氣態(tài)轉(zhuǎn)移到液態(tài)。污染物與這個(gè)單元內(nèi)的惰性材料進(jìn)行傳質(zhì)吸附和吸收，同時(shí)也與從生物降解單元過(guò)來(lái)的活性污泥進(jìn)行傳質(zhì)吸附和吸收，有少部分污染物在第1個(gè)單元內(nèi)降解，其余大部分污染物在第2個(gè)單元內(nèi)通過(guò)活性污泥的代謝作用被降解。

圖3 生物洗滌器流程圖

3.4 三種生物反應(yīng)器的比較

三種生物反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

不同成分、濃度及氣量的氣態(tài)污染物各有其有效的生物凈化系統(tǒng)。生物洗滌床適宜于處理凈化氣量較小、濃度大、易溶且生物代謝速率較低的廢氣；對(duì)于氣量大、濃度低的廢氣可采用生物過(guò)濾床；而對(duì)于負(fù)荷較高以及污染物降解后會(huì)生成酸性物質(zhì)的則以生物滴濾床為好。

表1 3種生物反應(yīng)器優(yōu)缺點(diǎn)的總結(jié)[11]

4 現(xiàn)存問(wèn)題及主要研究方向[12]

有機(jī)廢氣的生物處理是一項(xiàng)新技術(shù)，由于反應(yīng)器涉及到氣、液/固相傳質(zhì)及生化降解過(guò)程，影響因素多而復(fù)雜，有關(guān)理論研究及實(shí)際應(yīng)用還不夠深人、廣泛，許多問(wèn)題需要進(jìn)一步探討和研究。

(1)目前，生物法僅限于處理低濃度有機(jī)廢氣，如何將這些技術(shù)和方法用于高濃度有機(jī)廢氣的治理有待于研究。

(2)影響污染物去除率的關(guān)鍵是將污染物從氣相轉(zhuǎn)移到液相中，目前，大部分研究是對(duì)易溶或易降解污染物進(jìn)行處理，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制，開(kāi)發(fā)出適合于難降解和疏水性污染物處理工藝顯得尤為迫切。利用基因工程技術(shù)開(kāi)發(fā)出高效的降解菌種；添加一定的有機(jī)溶劑提高疏水性污染物的溶解性，無(wú)疑會(huì)提高污染物的凈化率。

(3)生物法中填料的比表面積、孔隙率等直接影響反應(yīng)器的生物量以及整個(gè)填充床的壓降及填充床是否易堵塞問(wèn)題，污染物完成從氣相到液、固相傳質(zhì)過(guò)程，在兩相中的分配系數(shù)是處理工藝可行性的決定因素。因此，應(yīng)改善生物濾料、填料的物理性能和使用壽命，以節(jié)省投資和能耗。

(4)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高對(duì)各參數(shù)的控制能力，降低維護(hù)費(fèi)用和發(fā)生故障的次數(shù)。

(5)在原有菌種的基礎(chǔ)上通過(guò)選擇最佳生長(zhǎng)條件，篩選出能高效降解各種惡臭有毒氣體的優(yōu)勢(shì)菌種，從而縮短反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間，加快生物反應(yīng)進(jìn)程，提高處理效率。

5 結(jié)論與展望

由上綜述可知，目前的研究還處于實(shí)驗(yàn)室深入和工程應(yīng)用階段，但由于VOCs種類復(fù)雜，要想滿足控制VOCs的實(shí)際要求，需要繼續(xù)在以下幾方面開(kāi)展研究[13-14]。

(1)生物滴濾床凈化親水性或易降解的VOCs相對(duì)簡(jiǎn)單，提高疏水性或難降解VOCs的處理能力是一個(gè)難題。故需培養(yǎng)專屬菌種并優(yōu)化其生存條件；雙液相工藝中增加不與水混溶的第二有機(jī)相，提高生物對(duì)疏水性化合物的吸附能力；采用微孔膜或半透膜與反應(yīng)器結(jié)合，提高疏水性化合物的處理效果。

(2)改善生物濾料、填料的物理性能和使用壽命，以節(jié)省投資和能耗。

(3)加強(qiáng)實(shí)際VOCs廢氣、棍合廢氣的凈化研究。因?qū)嶋H廢氣的氣量、成分經(jīng)常變化，可能含有難降解或有毒性的物質(zhì)，對(duì)凈化工藝的完善有重要作用。

(4)生物滴濾模型研究通用性差，缺乏可靠的基礎(chǔ)參數(shù)，還需完善，這對(duì)生物滴濾技術(shù)的推廣和應(yīng)用有重要意義。

用生物化學(xué)法處理廢水已有一百多年的歷史，但處理廢氣的歷史則很短，近年來(lái)，隨著各種工業(yè)廢氣排放量的增加以及人們對(duì)生存環(huán)境要求的逐步提高，廢氣污染控制已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視。生物法處理廢氣就是針對(duì)這種實(shí)際情況逐步研究開(kāi)發(fā)的。現(xiàn)對(duì)單組分氣體，處理效果已經(jīng)較好，可在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中仍存在一定問(wèn)題，已引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。我國(guó)對(duì)廢氣排放的法律、法規(guī)相對(duì)滯后，但隨著大氣污染的加重和國(guó)家管理措施的加強(qiáng)，對(duì)廢氣排放的限制將日趨嚴(yán)格，因此，該技術(shù)在我國(guó)化工和石油化工以及噴漆等行業(yè)的廢氣治理中都具有很好的應(yīng)用前景。

[1]李國(guó)文，胡洪營(yíng)，郝吉明，等.生物過(guò)濾塔、生物滴濾塔降解苯和甲苯的性能比較.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，200l，21(1)：122-126.

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