环境生物技术2(5)-大气污染的生物修复(司).ppt

1 引 言 l大气污染的防治是一个庞大的系统工程，基本 的思想是采用法律、行政、经济和工程技术相 结合的措施进行综合防治。从整个区域大气污 染状况出发，统一规划、合理布局，综合应用 各种防治污染的措施，充分利用环境的自净能 力，从而有效控制大气污染。最后，应用技术 措施控制大气污染，主要包括以下几个方面： 2 l（1）改善能源结构，积极开发新能源和可再生能源，如太阳能、风 能、生物质能、海洋能、小水电及地热能等。 l（2）提高能源的利用率，对燃料进行预处理，推广清洁煤技术。图 4.8 燃煤蒸汽电厂的大气污染控制系统 l（3）实行清洁生产，推广循环经济。包括改革生产工艺，优先采用 无污染或少污染的工艺路线、原料路线和设备；加强企业管理开展综 合利用，企业内部或各企业间相互利用原材料和废弃物实现废物资源 化、产品化，减少污染物的排放。 l（4）对烟气进行净化处理。 3 燃煤蒸汽电厂的大气污染控制系统 4 l大气污污染已是一种非常广泛的污污染，遍布 我们们生活的各个角落，大气污污染物按其存 在状态态分为为颗颗粒污污染物和气态污态污 染物， 对对于这这些污污染物我们们采用何种处处理技术术 和方法进进行处处理？其原理如何？ 工业废气污染的生物治理技术 v废气主要来源 l燃料燃烧 l工业生产活动，例如化工、冶金、生物制品、 屠宰、污水处理及垃圾处理等工厂所产生的废 气。 l农业生产活动 l交通污染源 v废气的处理 l废气处理是环境污染控制的一个重要方面 。 废气处理方法： 理化法：目前主要采用的方法，如掩蔽、吸附 、燃烧、氧化等。工艺或设备较复杂，运行费 用较高；用于处理某些恶臭废气时，效果不甚 理想。 生物法：具有处理效率较高、适应性较广、工 艺较简单以及费用较省等优点。 l废气的微生物处理于1957年在美国获得 专利，但到1970年代才开始引起重视， 直到1980年代才在德国、日本、荷兰等 国家有相当数量工业规模的各类生物净化 装置投入运行。 l废气生物反应器处理对许多一般性的空气 污染物的去除率可达到90以上。 一、废气生物处理的特点 1.适应范围广 l挥发性有机化合物 (volatile organic compounds，VOCs)以及其它有毒或有 臭味的气体，如NH3和H2S等。 l化工、制药、电镀、喷漆、印刷等行业 产生的有害污染物(hazardous air pollutants，HAPs)以及废水处理厂、堆 肥厂、垃圾填埋厂产生恶臭(odor)等。 2.去除效率高 u一般的空气污染物去除效率超过90。 3.投资少，运行费用低 u不需要投入额外的化学品; u化学法则需加催化剂和氧化剂等，如次 氯酸盐、过氧化氢、二氧化氯等。 4、污染少 u生物处理的产物是生物量，很容易处理 。 5、耗能低 u生物反应在常温常压下进行，能量来自 微生物利用VOCs成分本身产生的能量 。 1.水溶性强 u主要有无机物如H2S和NH3等、醇类 、醛类、酮类以及简单芳烃(如 BTEX)等有机物。 v适宜处理的污染气体应具有的特点： 2.易降解 u分子被吸附在生物膜上必需被降解， 否则将导致污染物浓度增高，毒害生 物膜或影响传质，降低生物滤器效率 ，或使处理完全失败。 二、生物法处理废气的机理 l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 其他养分，经代谢降解，转化为简单的 无机物(C02、水等)及细胞组成物质。 l与废水生物处理过程最大区别在于：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 ，然后由液相(或固体表面液膜)被微生 物吸附降解。 l生物反应器处理废气一般经历以下三个阶 段： 1.溶解过程 l废气与水或固相表面的水膜接触，污染物 溶于水中成为液相中的分子或离子，完成 由气膜扩散进入液膜的过程。 2.吸附过程 l有机污染物组分溶解于液膜后，在浓度差的推 动下进一步扩散到生物膜，被微生物吸附、吸 收，污染物从水中转入微生物体内。作为吸收 剂的水被再生复原，继而再用以溶解新的废气 成分。 3.生物降解过程 u进入微生物细胞的污染物作为微生物生命 活动的能源或养分被分解和利用，从而使 污染物得以去除。 u烃类和其它有机物成分被氧化分解为CO2和 H2O，含硫还原性成分被氧化为S、SO42-， 含氮成分被氧化分解成NH3，NO2-和NO3-等 。 三、废气生物处理的基本形式 u根据介质性质不同，分为： 1.生物洗涤(bioscrubbing) 生物洗涤器(bioscrubber)内是液态介质 。 2.生物过滤 (biofiltration) 生物过滤采用是固态介质 生物滤池(biofilters) 生物滴滤池(biotrickling filters) 1微生物吸收工艺（微生物洗涤） l生物洗涤装置一般由洗涤器和生物反应器 两部分组成，吸收器和生物反应器分开设 置。 l吸收主要是物理溶解过程，采用的吸收设 备有喷淋塔、筛板塔、鼓泡塔等，吸收过 程进行很快，水在吸收设备中的停留时间 仅约几秒钟； l l 生物反应的净化过程较慢，吸收了挥发性生物反应的净化过程较慢，吸收了挥发性 气体的废水在反应器中一般需要停留十几气体的废水在反应器中一般需要停留十几 小时。小时。 l l 生物反应器中可进行好氧处理，活性污泥生物反应器中可进行好氧处理，活性污泥 法和生物膜法。法和生物膜法。 l生物悬浮液(循环液)自吸收塔顶部喷淋而下使 废气中的污染物和氧转入液相(水相)。吸收了废 气中有机组分的生物悬浮液进入再生反应器(活 性污泥池)中，通入空气充氧再生。被吸收的有 机物通过微生物的氧化作用最终被再生池中 活性污泥悬液除去。 l一般,当活性污泥浓度控制在5000-10000mg/L, 气速小于200m/h，去除较理想 生物洗涤装置 2生物滴滤池 l在生物滴滤池内充满了惰性填 料, 微生物在填料表面附着生长 并形成生物膜。 l生物膜中微生物以有机废气为 碳源和能源, 以在循环液中的营 养物质为氮源, 进行生命活动。 一部分有机废气通过微生物的 分解代谢被转化为无害的水和 二氧化碳,并为微生物提供能量; 另一部分有机污染物通过合成 代谢被转化为微生物自身的生 命物质。 l废气经过预处理室去除颗粒物和增湿后进入滤床底部。 l滤料使用惰性材料，如陶瓷、塑料或碎石。 生物滴滤池具有以下特点： l内装有惰性填料,它只起生物载体作用，其孔隙率高、 阻力小、使用寿命长,不需频繁更换； l设有循环液装置，可调节湿度和pH值，供给营养和微 量元素，生物相静止而液相流动，因而填料上可生存世 代周期长、降解特殊气体的菌群，可承受比生物过滤器 更大的处理负荷，且抗冲击负荷能力强,填料不易堵塞 、压降小； l污染物的吸收和生物降解在同一反应器内进行，设备简 单，操作条件可灵活控制。 l安装有温度控制装置，当内部气体温度显示下降至微生 物的正常生长温度时，控制系统发信号给热风机，使其 工作以提高池内的温度。当气体低于20OC时，热风机 开始运转，直至温度达到微生物适宜温度为止，一般为 25OC左右。 3生物滤池（微生物过滤工艺） l生物滤池内的固态介质是一些有生物活性 的天然材料，常用的固体颗粒有土壤和堆 肥，这些材料为微生物的附着和生长提供 表面，微生物可以吸收废气中的污染物将 其转化为无害物质。 l具有一定温度的有机废气进人生物滤池， 通过约0.51m厚的生物活性填料层，有 机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件的滤 料(如土壤、堆肥、活性炭等)。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，如丙烷、异丁烷酯类及 乙醇等生物易降解物质的效果更佳。 l土壤滤池 l堆肥滤池 l微生物过滤箱 影响生物滤池性能的因素 1、填料选择 堆肥 原料常用污水处理厂污泥、有机垃圾和 畜粪以及植物凋落物。须筛选，滤层要均匀、 疏松，空隙率40，滤料须保持湿润，滤层 含水量不低于40，但不能有积水。滤层保 持适当的温度。 土壤 腐殖土为好，其它土质需要改良，有效 厚度不应小于50cm，土壤水分4070， 草炭 其通气性能良好，适于微生物生长，除 臭效果比用土壤好。 影响生物滤池性能的因素 2、填料湿度 l微生物生命活动的必要成分； l吸收废气的溶剂。 采用土壤或堆肥等固态处理系统时，适 宜的水分含量可保证氧与水分的供给。 4060为适宜的含水量。 通常预处理需要加湿，防止滤料变干。 影响生物滤池性能的因素 l3温 度 l废气生物处理多用中温条件(2535)， 少用高温。 l土壤或堆肥处理废气时通常采用自然温度 ，如果微生物分解基质放热造成温度过高 则需采取降温措施。 影响生物滤池性能的因素 l4氧气 l废气处理多用异养型好氧微生物； 氧的供给量与供给方式对处理效率的影响 很大，微生物数量、基质浓度和温度等因 素也会影响供氧。 l少数厌氧条件，例如着色菌处理硫化氢， 则需控制无氧条件，以氨气取代反应系统 的氧气。 影响生物滤池性能的因素 l5、酸碱度 l以中性或微碱性（7-8）为宜。 l废气生物处理中的细菌多数适应于中性至微 碱性环境，只有少数种类对酸碱度要求比较 特殊， l例如氧化硫硫杆菌最适pH为2.62.8，最 低为pH1.0，最高为pH4.06.0。 针对有机堆肥臭气去除的生物滤池 四 废气生物处理技术的现状和展望 l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，需要进一步探讨和 研究。 l废气动态负荷的研究 l反应动力学模式的研究 l填料特性的研究 l设备的研究开发 l微生物菌种的改造 l应用范围的进一步拓展 l1反应动力学模式研究 l 通过反应机理的研究，提出决定反应速度的 内在依据，以便有效地控制和调节反应速度， 最终提高污染物的净化效率。 l这主要是由于生物滤他中存在相对较稳定的液 膜、而生物吸收法和生物滴滤池小由于循环液 的流动性，无法产生类似的稳定液膜。 l2填料特性研究 l 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、孔隙率与单位体积填充量不仅与生物量有 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。更重要的一点是，气态污染物 降解要经历一个气相到液因相传质过程，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等用生物滤池处理乙醇 蒸气时发现，颗粒活性炭作填料时乙醇的分配 系数是以堆肥作填科时的2一3倍。 l3动态负荷研究 l 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 体负荷的变化也是有顺序的、平稳的，气速也 是很“温柔”的。 l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 运用中遇到的问题。 五、处理废气的微生物 l多为混合微生物，因为： 含有多种成分的混合废气，需要多种微生物分 别降解； 有的成分需要几种微生物的相继作用才能分解 转化为无害物质， eg. 氨态氮先经硝化细菌再经反硝化作用细菌 才能成为分子态氮； 一些难降解的成分要由几种微生物联合作用才 能被完全降解； eg. 卤代有机化合物先经厌氧微生物还原脱 卤，再被好氧微生物彻底分解； 工艺需要，尽管废气成分能够被单一微生物分 解，但还需利用其它微生物， eg.在硫化氢氧化中，为了使自养型脱氮硫 杆菌(Thiobacillus denitrificans)(专用无机N)凝絮持 留于反应器内，需与活性污泥中的异养型微生 物起共培养。 降解邻苯二酚；合成氰化物水合酶，联合 氰化物水解酶来降解氰化物。 紫红红球菌(Rhodococcus rhodochrous) Rhodococcus rhodochrous CF 222 紫红红球菌(Rhodococcus rhodochrous) 第二节 恶臭的原位处理 一、恶臭污染物和污染源 l恶臭污染物(odor pollutants)指一切 刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损害 生化环境的气体物质。 l畜禽场是重要的污染源 lONeil和Phillips从养猪场中分离鉴 定到160种化合物，主要成分有氨、 胺、含硫化合物、挥发性脂肪酸、 吲哚类、粪臭类、酚类、醇类和羰 基类化合物。 第二节 恶臭的原位处理 我国规定的恶臭污染物 (GBl4554-93) l l 氨、三甲胺、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、氨、三甲胺、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、 二甲二硫醚、二硫化碳、苯乙烯二甲二硫醚、二硫化碳、苯乙烯。 l恶臭物质的发臭原因与分子结构有关： l如两个烷基同硫结合时，就会变成二甲基硫 醚和甲基乙基硫醚等带有异臭的硫醚。若再 改变某些化合物分子结构中S的位置，其臭味 的性质也会改变。 l l 各种化合物分子结构中的硫各种化合物分子结构中的硫(=S)(=S)、巯基、巯基(- (-