VOCs生物凈化工藝與主要影響因數(shù)解析

瀏覽：- 發(fā)布日期：2018-09-07 10:23:47【大中小】

VOCs廢氣生物處理興起于荷蘭和德國，尤其適用于中、低濃度廢氣的處理。生物法原理主要是利用微生物代謝活動，將VOCs轉(zhuǎn)化為細(xì)胞代謝的能源、細(xì)胞組成物質(zhì)及無害的小分子物質(zhì)（如水、二氧化碳等）。其優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：反應(yīng)條件溫和、設(shè)備簡單、操作方便、運行費用低，二次污染小、可處理不同性質(zhì)的混合氣體等。

局限：其生物降解速率有限，承受負(fù)荷不能過高，對具有生物毒性的物質(zhì)處理效果較差。

一、凈化工藝

VOCs和惡臭廢氣生物處理工藝主要包括生物濾池、生物滴濾塔、生物洗滌器、膜生物反應(yīng)器。其中，生物過濾器和生物滴濾器應(yīng)用最為廣泛，膜生物反應(yīng)器尚限于實驗室研究階段。

1、生物過濾

在生物過濾過程中，VOCs廢氣流經(jīng)過加壓預(yù)濕后，進入過濾塔與濾料層表面的生物膜接觸，VOCs從氣相轉(zhuǎn)移到生物膜中被膜內(nèi)的微生物迅速降解和利用，轉(zhuǎn)化為自身生物質(zhì)、水、CO2和其他小分子物質(zhì)。生物過濾法適用于種類廣泛的VOCs廢氣處理，如短鏈烴類、單環(huán)芳烴、氯代烴、醇、醛、酮、羧酸以及含硫、氮的有機物，其典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括印刷、噴涂行業(yè)、污水處理和畜禽養(yǎng)殖業(yè)等。該方法特點是操作簡單，運行費用低、適用范圍廣，不產(chǎn)生二次污染，但反應(yīng)條件不易控制，易堵塞、氣體短流、溝流，占地多，且對進氣負(fù)荷變化適應(yīng)慢。

2、生物滴濾

生物滴濾是生物過濾工藝的改進，其床層填料多為惰性物質(zhì)，與生物過濾相比，降低了氣體通過床層的阻力，由于連續(xù)流動的液體通過填充層，使得反應(yīng)條件（如pH、營養(yǎng)物濃度）易于控制，單位體積填料的生物量高，更適合凈化負(fù)荷較高的廢氣，同時克服了生物過濾不利于處理產(chǎn)酸廢氣的特點，可有效去除經(jīng)生物降解產(chǎn)生酸性代謝產(chǎn)物的VOCs廢氣。據(jù)報道，生物滴濾反應(yīng)器處理的VOCs主要有烷烴、烯烴、醇、酮、酯、單環(huán)芳烴、鹵代烴等。但生物滴濾反應(yīng)器由于連續(xù)流動液相的存在，使得亨利系數(shù)較大的污染物不容易被去除。

3、生物洗滌

生物洗滌器又叫生物洗滌池，由傳質(zhì)洗滌器和生物降解反應(yīng)器組成。廢氣首先進入洗滌器，與惰性填料上的微生物及由生化反應(yīng)器過來的泥水混合物進行傳質(zhì)吸附、吸收，部分有機物在此被降解，液相中的大部分有機物進入生化反應(yīng)器，通過懸浮污泥的代謝作用被降解掉，生化反應(yīng)器出水進入二沉池進行泥水分離，上清液排出，污泥回流。

生物洗滌法也叫生物吸收法，在運行過程中廢氣不需要增濕，由于系統(tǒng)由2個獨立的反應(yīng)單元組成，易于控制反應(yīng)條件，壓力損失低，但其傳質(zhì)表面積低，廢氣必須溶于液相，需大量供氧才能維持高降解率，而且存在剩余污泥，運行費用也較高。

4、膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器是一種新型廢氣生物處理工藝，在中空纖維膜生物反應(yīng)器中，纖維膜外表面生長一層薄薄的生物膜，懸浮液在纖維膜外表面循環(huán)，直接與生物膜接觸。廢氣從生物反應(yīng)器進氣口分散進入各根纖維膜膜腔，依靠濃度梯度氣體分子通過膜壁傳質(zhì)至外層的活性生物膜后得以降解。其氣流和液流分別在纖維膜的兩側(cè)，在液相面的纖維膜上形成生物膜，其比表面積大、生物量高，可清除過量的生物量以防堵塞，可向流動的液相添加pH緩沖劑、營養(yǎng)物質(zhì)、共代謝物及其他促進劑，也可排除有毒或抑制性的產(chǎn)物，保持較高的微生物活性。

國外已有一些采用膜生物反應(yīng)器處理甲苯和BTEX（苯、乙苯、二甲苯和甲苯）的報道，雖然這些研究都取得了較好的效果，但生物膜反應(yīng)器的構(gòu)建和運行成本高，使其在處理VOCs廢氣的實際應(yīng)用中受到了限制。

鑒于生物反應(yīng)器的各種優(yōu)點，使得它們在各行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。生物過濾塔適用于處理肉類加工廠、動物飼養(yǎng)場、污水處理廠和堆肥廠等處產(chǎn)生的廢氣。珠海吉大水質(zhì)凈化廠利用生物濾池處理惡臭氣體量為57000m3/h，并且達(dá)到廢氣排放二級標(biāo)準(zhǔn)。生物滴濾塔已成功用于化工廠、食品廠、污水泵站等方面的廢氣凈化和脫臭。

二、主要影響因素

1.廢氣性質(zhì)

廢氣組分的可生物降解性和水溶性是影響生物處理工藝降解性能的主要因素之一。傳統(tǒng)生物過濾/滴濾工藝常被認(rèn)為不適合處理難生物降解和低水溶性的組分。疏水性VOCs從氣相到水相較慢的傳質(zhì)速率常導(dǎo)致其較低的生物降解率。研究表明：污染物的去除能力與亨利系數(shù)和疏水性有關(guān)，且污染物的最大去除能力遵循以下順序：醇類>酯類>酮類>芳香類>芳香烴類>烷烴類。

針對難生物降解組分，有研究者以紫外光氧化作為預(yù)處理技術(shù)，以生物技術(shù)作為主體凈化工藝，通過紫外光氧化預(yù)處理，將難降解污染物轉(zhuǎn)化為易生物降解的水溶性物質(zhì)，提高后續(xù)生物凈化單元的處理效果。針對疏水性組分，主要在反應(yīng)器中引入疏水性有機相強化該類物質(zhì)的傳質(zhì)，進而提高其生物凈化效率。

2.降解菌

微生物在廢氣生物處理系統(tǒng)中起著決定性作用。廢氣生物處理裝置在啟動期需對填料層接種微生物。接種的微生物菌種可以為活性污泥、專門馴化培養(yǎng)的純種微生物]或人為構(gòu)建的復(fù)合微生物菌群。選育優(yōu)異菌種并優(yōu)化其生存條件是目前該技術(shù)的主要研究方向之一。此外，基于菌種的代謝特征，人為構(gòu)建生態(tài)結(jié)構(gòu)合理的復(fù)合微生物菌群，對縮短反應(yīng)器的啟動周期、提高接種微生物的競爭性和保持反應(yīng)器持續(xù)高效性具有重要意義。

處理VOCs廢氣的微生物種群很多，在反應(yīng)器中占主體的多為異養(yǎng)型微生物，以細(xì)菌為主，其次真菌，還有放線菌和酵母菌，也有少量蠕蟲、線蟲等原生動物。研究發(fā)現(xiàn)廢氣生物降解過程中，污染物降解主要與細(xì)菌有關(guān)，但目前的研究證明，真菌有可能成為廢氣生物處理過程中更具有廣闊前景的菌類，作為典型的氣生型微生物，其具有較大的比表面積，對干燥環(huán)境或強酸環(huán)境具有較強的耐受能力，表現(xiàn)出比細(xì)菌更好的對疏水性VOCs的去除性能。

微生物群落結(jié)構(gòu)及代謝功能的動態(tài)變化將對反應(yīng)器的宏觀處理能力產(chǎn)生影響。不同反應(yīng)器運行條件，形成的微生物群落結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢種群就不同。調(diào)控微生物群落的方法有：控制反應(yīng)器內(nèi)微環(huán)境、采用高效菌種接種或生物強化。傳統(tǒng)的生物技術(shù)局限于微生物的定量與表征上。但隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，一些分子生物技術(shù)，如變性梯度凝膠電泳、熒光原位雜交等已經(jīng)用于研究微生物群落結(jié)構(gòu)及生態(tài)特征。

3.填料結(jié)構(gòu)與特性

填料是廢氣生物處理裝置的核心部分，其性能影響微生物的附著及系統(tǒng)的運行效果。理想的填料一般應(yīng)具備比表面積大、過濾阻力小、抗堵性能強、適合微生物附著生長、持水能力強、堆積密度小、機械強度、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、使用壽命長、易獲得、價廉等優(yōu)點。

生物過濾法常采用有機活性填料為主要填料。常用的有機活性填料有土壤、堆肥、泥炭、硅藻土、樹皮等或其混合物其中堆肥最為常用]。有機活性填料具有價廉、富含營養(yǎng)物質(zhì)和易于微生物附著等優(yōu)點，但該類填料的有機物會逐漸降解礦化，導(dǎo)致填料層壓實和堵塞，縮短填料的使用壽命。因此，有機填料和無機填料制成的復(fù)合填料是目前的研究熱點。

生物滴濾的床層由惰性填料組成，該類裝置的改進與發(fā)展主要體現(xiàn)在填料的改進與發(fā)展上。傳統(tǒng)的生物滴濾填料有卵石、粗碎石、木炭、陶粒、火山巖等，該類填料存在處理效率低、易堵塞等問題。新型生物滴濾填料的研究與開發(fā)主要表現(xiàn)在材質(zhì)和結(jié)構(gòu)方面的不斷改進，主要包括：聚氨酯泡沫、聚丙烯球、聚乙烯球、硅藻土、不銹鋼、分子篩等。生物填料的發(fā)展主要為對已知天然活性填料進行改性以提高填料的綜合性能或人為增加填料比表面積和強度、提高孔隙率、減輕重量，防止填料壓實和氣體短流。

4.pH和溫度

噴淋營養(yǎng)液的pH是影響廢氣生物凈化性能的主要運行參數(shù)之一。反應(yīng)體系營養(yǎng)液pH多保持在5~8之間。一些研究表明，較低的pH(<4.2)影響微生物的降解活性進而影響反應(yīng)體系的降解性能。

溫度是影響生物凈化性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。填料層中的微生物多為中溫性生物，床層溫度可為10~42℃，大部分實驗研究和工程應(yīng)用的生物滴濾/過濾體系在環(huán)境溫度15~30℃運行。然而，許多工業(yè)廢氣排放溫度高于環(huán)境溫度，因此，常規(guī)處理工藝需要對排放廢氣進行預(yù)冷卻處理，導(dǎo)致運行費用增加。

為了降低成本，一些研究者研究了嗜熱菌在廢氣生物處理中的應(yīng)用。有研究表明，嗜熱型生物反應(yīng)器的運行溫度一般控制在45~75℃，如在50℃應(yīng)用生物過濾處理BTEX廢氣，其最大去除負(fù)荷達(dá)218g/（m3˙h）（平均去除率>83%）；在45~50℃處理乙酸乙酯廢氣，其運行性能優(yōu)于同等條件的中溫反應(yīng)器；采用生物滴濾處理異丁醛和2-戊酮混合廢氣，在52℃較25℃可獲得更高的去除能力。