VOCs廢氣生物處理技術(shù)原理是將有機(jī)污染物在微生物作用下轉(zhuǎn)換為無(wú)害或低害物質(zhì)，微生物發(fā)揮著重要作用。總結(jié)了生物過(guò)濾池、生物過(guò)濾器、生物清洗三種凈化技術(shù)的原理和研究進(jìn)展，比較了三種反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)，最后論述了該技術(shù)目前存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)。

隨著國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，很多工業(yè)制造的廢氣、有害場(chǎng)所、地下水管理設(shè)施等[1-3]均含有揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)，可引起光化學(xué)煙霧，破壞生態(tài)環(huán)境，致癌，嚴(yán)重威脅人們的健康。由于生物工程領(lǐng)域的進(jìn)步，相應(yīng)的技術(shù)也逐漸應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代各國(guó)開(kāi)始研究生物法處理?yè)]發(fā)性有機(jī)廢氣，主要研究?jī)艋�設(shè)備和優(yōu)化條件、優(yōu)勢(shì)菌群的馴化和培養(yǎng)、代謝原理和分解過(guò)程、動(dòng)力學(xué)模型分析等。

與傳統(tǒng)方法相比，生物法處理低濃度有機(jī)廢氣具有操作方便、維護(hù)方便、凈化效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、安全性高、二次污染小等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。本研究詳細(xì)討論了VOCs處理技術(shù)的3種生物凈化技術(shù)原理和研究進(jìn)展，提出了該領(lǐng)域存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)。

1生物法處理VOCs廢氣的基本理論

生物法處理VOCs廢氣機(jī)理的前人已經(jīng)做了很多研究，世界上流行的是荷蘭學(xué)者[7]提出的吸收-生物膜理論:VOCs廢氣通過(guò)水吸收，在溶解濃度梯度的作用下擴(kuò)散到生物膜上，與微生物接觸降解吸收，將污染物代謝分解成簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)、CO2和H2O。

之后，孫佩石等人[8]在前人的基礎(chǔ)上完善，對(duì)低濃度VOCs廢氣的處理提出了新的吸附-生物膜理論，強(qiáng)調(diào)污染物通過(guò)擴(kuò)散直接吸附在生物膜表面，與微生物接觸被分解吸收，污染物作為能源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被分解為微生物其核心是吸附分解過(guò)程，改善海外理論，解釋海外學(xué)者對(duì)液膜是否有疑問(wèn)[9]。

2VOCs廢氣的生物法處理技術(shù)生物法處理油煙廢氣主要是將廢氣從氣體轉(zhuǎn)移到液體或固體表面的液體膜上，利用微生物的新陳代謝作用分解成無(wú)害的無(wú)機(jī)物(CO2、H2O)、有機(jī)分子和自己的細(xì)胞構(gòu)成物質(zhì)，凈化油煙廢氣

圖1微生物降解廢氣過(guò)程

與傳統(tǒng)的物理化學(xué)廢氣處理技術(shù)比較，生物法凈化技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、易維護(hù)、投資運(yùn)行費(fèi)用低、安全性好、處理效率高、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，特別在凈化低濃度、生物可降解性好的廢氣中更為突出。目前用于廢氣生物凈化的主要工藝設(shè)備有生物過(guò)濾器、生物過(guò)濾器塔和生物洗滌器裝置等。其設(shè)備性能如表1所示。

表1油煙廢氣生物凈化裝置性能

2.1生物過(guò)濾池

生物過(guò)濾池處理廢氣是通過(guò)過(guò)過(guò)濾器去除廢氣中的粒子狀物，調(diào)濕調(diào)溫后進(jìn)入填充的吸附性過(guò)濾器的生物過(guò)濾池，通過(guò)生物填充層時(shí)，廢氣污染物和氧氣從空氣相擴(kuò)散到載體外層的水膜，有機(jī)物作為碳源、能量[10]，氧化分解為無(wú)害簡(jiǎn)單的有機(jī)物、H2O和CO2等[11]。

可以看出，微生物量在處理VOCs廢氣過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用[12-13]，生物濾池可以更好地處理單環(huán)芳烴、醇、羧酸、醛、酮、酯類(lèi)等VOCs廢氣[14-16]，其工藝流程如圖2所示，生物濾池適用于質(zhì)量濃度低于1000mg/m3的VOCs廢氣處理，無(wú)水相，設(shè)備簡(jiǎn)單易操作，生物膜固定比表面積大，二次污染小等優(yōu)點(diǎn)。

圖2生物過(guò)濾過(guò)程

但過(guò)濾面積大，基質(zhì)濃度增大直接導(dǎo)致微生物快速繁殖，過(guò)濾材料堵塞[17]，影響其傳質(zhì)效果。目前，生物過(guò)濾器廣泛應(yīng)用于有機(jī)廢氣處理，取得了一定的研究成果。鄭連英[18]等人篩選出以甲苯為唯一碳源的高效降解菌，設(shè)計(jì)了生物濾池裝置，結(jié)果顯示，在溫度為30℃、相對(duì)濕度為80%、進(jìn)口濃度為1500mg/m3的最佳操作條件下，甲苯的最高降解率為89.7%。

曹旭等人[19]生物過(guò)濾塔凈化工業(yè)有機(jī)氣體實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，

有機(jī)廢氣入口濃度小于25mg/m3時(shí)，其凈化效率在97%以上，濃度大于25mg/m3時(shí)，凈化效率隨著進(jìn)口氣流量的增加而逐漸下降，入口流量從0.2m3/h增加到0.8m3/h時(shí)，其對(duì)應(yīng)的凈化效率也從97.2%下降到73.0%，濕度對(duì)凈化效率的影響很大，濕度超過(guò)40%時(shí)，反應(yīng)器具有良好的去除效果[Cao3m3/h]相應(yīng)的凈化效率也從97.2%下降到73.0%。無(wú)論是反硝化生物濾池和硝化生物濾池均表現(xiàn)出了相似的DEHP去除性能，整體DEHP去除率為83.8%，其中生物降解占72.3%，在系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵作用。

2.2生物過(guò)濾塔

生物過(guò)濾塔本體部分為一層或多層填充材料的填充塔，填充材料表面附有馴化培養(yǎng)的生物膜�？扇苄詿o(wú)機(jī)鹽營(yíng)養(yǎng)液在塔上從上到下均勻噴灑在填充層上，從塔底排出回收利用。生物滴濾處理VOCs工藝流程如圖3所示，VOCs廢氣通過(guò)塔底進(jìn)入塔內(nèi)與濕潤(rùn)的生物膜接觸被微生物分解凈化，處理后的氣體由塔頂釋放，代謝產(chǎn)物隨廢液排放。

圖3生物滴濾塔工藝流程

據(jù)文獻(xiàn)[21-23]報(bào)道，生物滴濾塔易于處理碳?xì)浠�合物、鹵代烴、醇、酮類(lèi)等VOCs廢氣，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件易于控制，能耗低，生物相與液相循環(huán)流動(dòng)，壓力小，凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)，但填料定期更換，生物量堵塞難以控制，設(shè)備易腐蝕。國(guó)外生物滴濾池已得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)仍處于研究階段。

任愛(ài)玲等人[24]利用菌絲體熱解炭作為填充材料，在生物滴濾塔中分別填充熱解炭-木屑和木屑的單一填充材料，并聯(lián)進(jìn)行微生物凈化苯乙烯氣體實(shí)驗(yàn)，混合填充材料比單一的掛膜速度快，入口濃度為50~450mg/m3，停留時(shí)間為21.6~43.2s

何覺(jué)聰?shù)萚25]人采用生物滴濾塔處理苯酚氣體，結(jié)果顯示：生物滴濾塔對(duì)苯酚氣體的去除率達(dá)到99.5%，最佳條件停留時(shí)間20.6s，循環(huán)液pH值為中性，淋浴密度為1.67m3/(m2下降)。

2.3生物清洗器

生物清洗器由傳質(zhì)清洗器和生物分解反應(yīng)器構(gòu)成，清洗器內(nèi)存在懸浮狀態(tài)的微生物群，生物相和水均以循環(huán)方式流動(dòng)。常用的洗滌懸浮液是活性污泥，處理廢氣后再生需要一定的時(shí)間。生物清洗處理VOCs工藝流程如圖4所示，該反應(yīng)器操作條件易于控制[26]，生物填充劑不易堵塞，但處理氣量小，亨利系數(shù)小于0.01，處理化合物濃度小于5000mg/m3，不適合處理難溶性廢氣。

圖4生物清洗過(guò)程

國(guó)內(nèi)研究生物清洗處理油煙廢氣起步晚，仍處于研究開(kāi)發(fā)階段。李國(guó)文等人[27]利用活性污泥作為介質(zhì)，研究了氯苯廢氣通過(guò)洗滌塔的生物分解性能，結(jié)果表明負(fù)荷F<；1mg/g3h)比分解率隨F的增加而增大，F(xiàn)=1.0~2.0mg/(g3h)比分解率達(dá)到最大值0.9mg/(g3h)

劉玉紅等人[28]采用生物清洗處理含酚有機(jī)廢氣，結(jié)果顯示酚負(fù)荷在30g/(m3h)左右時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的清除效率約為97%，其負(fù)荷量超過(guò)50g/(m3傘h)時(shí)，酚積累在清洗液中，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性

齊國(guó)慶等人[29]采用生物清洗和生物滴濾技術(shù)處理煉油污水場(chǎng)惡臭氣體，具有運(yùn)行穩(wěn)定、抗沖擊性強(qiáng)、處理效率高的特點(diǎn)。結(jié)果顯示：出口氣中H2S小于0.06mg/m3，NH3小于1.5mg/m3，CH3SH小于0.004mg/m3，臭氣濃度小于20，達(dá)到GB14554-1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的一級(jí)廠(chǎng)界要求。

3國(guó)內(nèi)外生物法處理VOCs廢氣研究進(jìn)展

生物法已廣泛應(yīng)用于德國(guó)、荷蘭，最普遍的技術(shù)是生物滴濾和生物過(guò)濾[30-31]。Rene等人[32]進(jìn)行了以堆肥和陶瓷珠為填料生物過(guò)濾池去除甲苯廢氣的研究，甲苯廢氣濃度為2.3~3g，進(jìn)氣流速為0.024~0.144m3/h時(shí)，去除率為40%~95%。

Singh等[33]利用木豆秸稈制作過(guò)濾材料，控制甲苯入口濃度為2.56~34.73g/m3，體積流速為0.18~0.24m3/h，7d系統(tǒng)穩(wěn)定后，甲苯濃度的增加去除率下降，去除量增加，趨于一定。

Pagans等[34]以城市固體廢棄物和動(dòng)物副產(chǎn)品的有機(jī)成分為生物過(guò)濾材料，研究廢氣中的NH3和VOCs的去除，NH3、VOCs的負(fù)荷分別為846~67100mg/(m3h)、0.55~28.8g/(m3h)

Moussavi等[35]人們研究了紫外生物過(guò)濾對(duì)甲苯和鄰近二甲苯混合物的處理，去除效果在95%以上。Kim等人[36-37]研究了生物過(guò)濾池和生物過(guò)濾塔的氣體、液膜傳質(zhì)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，利用修正的Onda-type方程的氣體、液體流速研究了傳質(zhì)系數(shù)的相關(guān)性，充分解釋了氣體敏感度、質(zhì)量傳遞速度、過(guò)濾器濕潤(rùn)效果的影響。

20世紀(jì)90年代中國(guó)出現(xiàn)了生物法處理有機(jī)廢氣的研究，很多學(xué)者以含有某種有機(jī)廢氣為研究對(duì)象，利用生物化學(xué)處理有機(jī)廢氣。孫佩石等[38]人利用微生物菌種掛膜接種的生物膜填充塔處理低濃度甲苯廢氣，入口氣體甲苯濃度為0.183~1.803mg/L，氣體流量為86.4~190.8L/h時(shí)，增加入口甲苯濃度和流量，提高甲苯生化去除量

馬艷玲[39]利用長(zhǎng)期受油煙污染的土壤分離篩選假單胞菌，用活性炭作為填充劑制作填充床的生物反應(yīng)器，結(jié)果顯示油煙的進(jìn)氣濃度在100mg/L以下，氣體流速在8L/h以下，停留時(shí)間在30s以上，容積負(fù)荷在2.3~18.9g/(m3國(guó)內(nèi)研究主要處于反應(yīng)器穩(wěn)定條件的實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)際過(guò)程中產(chǎn)生的VOCs廢氣種類(lèi)、濃度、溫度等均不穩(wěn)定，因此提高該設(shè)備的應(yīng)用性是今后研究的重點(diǎn)。

4前景及展望

生物處理技術(shù)以其操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、凈化效率高、安全性高、二次污染小等優(yōu)勢(shì)受到各國(guó)的重視，目前國(guó)內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)廢氣VOCs生物處理技術(shù)尚未成熟，通常不同反應(yīng)器規(guī)格提供的環(huán)境處理效果存在差異。同時(shí)，氣體、液體傳輸質(zhì)量和生化分解的影響因素很多，實(shí)際應(yīng)用不深，需要在以下方面進(jìn)行深入研究:

1)生物處理技術(shù)應(yīng)用于中低濃度的廢氣處理，需要進(jìn)一步研究高濃度有機(jī)廢氣處理。

2)針對(duì)生物難降解的有機(jī)污染物，需馴化培養(yǎng)或購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)屬菌種配合提高凈化處理效果，完善微生物的代謝體制，實(shí)現(xiàn)凈化裝置的高效運(yùn)行。

3)采用分子生物學(xué)技術(shù)，研究微生物優(yōu)勢(shì)菌株組成特征，為降解對(duì)應(yīng)污染物提供菌源依據(jù)。

4)應(yīng)用GC-MS鑒定有機(jī)污染物成分，分析污染物成分和生化分解效果，根據(jù)本質(zhì)問(wèn)題尋找提高凈化技術(shù)性能的方法。

以上是對(duì)揮發(fā)性有機(jī)廢氣生物處理技術(shù)研究進(jìn)展的說(shuō)明，更多內(nèi)容請(qǐng)登錄建筑網(wǎng)查詢(xún)。