（农业机械化工程专业论文）生物过滤器在臭气处理中的应用研究.pdf

摘要 环境是人类赖以生存和发展的基础，但是人类在生产和生活中会不可避免地对 环境产生各种负面影响，其中臭气和挥发性有机污染物( v o c s ) 给人们带来的影响正 受到环境科研工作者越来越大的重视。用生物过滤法来处理此类问题由于有着其它 传统处理方法所无法比拟的优越性而受到世界各国的广泛关注。对于大流量、低浓 度的挥发性有机废气和恶臭气体，如果使用传统的物理或化学方法来处理则投资大、 操作复杂、运行成本高。而生物处理方法因其具有成本低、操作简单、技术清洁、 无二次污染等优点而受到青睐，成为当前研究的热点。 生物法是利用微生物将废气中有机污染物降解或转化为无害或低害类物质的过 程。过滤器中的多孔填料表面覆盖有生物膜，废气流经填料床时，通过扩散过程， 把污染成分传递到生物膜，并与膜内的微生物相接触而发生生物化学反应，污染物 得到降解。在较佳操作条件下，污染物能被较为完全地降解为c 0 2 、h 2 0 和n 2 等， 同时形成新的微生物，维持生物膜的新陈代谢。国外利用生物过滤技术，在处理低 浓度、高流量的挥发性有机污染物( v o c s ) 和臭气控制中已经取得广泛的应用。我 国当前对挥发性有机污染物和恶臭气体的排放还未给予足够的重视，对生物过滤法 处理气态污染物这方面的研究也比较少。 本课题的主要研究目的是通过对影响过滤器性能的各操作参数的控制，选择最 佳的操作条件( 如充足的水分和氧气等) 来研究生物过滤器在不同的工作条件下( 如 不同的进气流量等) 对所选填料对气体污染物的去除效果，同时通过改变填料的种 类和搭配，通过相关对比试验来考察不同填料对废气的去除效果。 本课题的研究方法为：采用腐熟堆肥为过滤器的主要填料和微生物的提供者， 分别以木屑、珍珠岩和陶粒为辅助填料；在过滤器的进气口、下部、中部和出气口 开设采样点，用采气袋采回实验室进行检测；通过检测不同采样点气体中氨气和硫 化氢等气体浓度的变化来反映过滤器的过滤性能；对于过滤器的抗冲击性实验分别 采用改变进气流量负荷和使过滤器停止工作两种方式来检验。 实验结果表明，在较佳的操作条件下以堆肥为主要填料的生物过滤器对氨气和 硫化氢有很好的去除效果，其出气口的氨气和硫化氢的去除率可达9 0 以上，其排 放浓度完全可以达到国家的排放标准；过滤器对工作条件的改变有很好的抗冲击能 力，在起步阶段需要较长的适应阶段，一般为一到两个个星期左右，在平稳工作阶 段，改变进气口的流量或停止进气，过滤器可以在几个小时之内恢复其正常的工作 状况；同时填料的选择和搭配对过滤器的性能有很大的影响，以堆肥和木屑按质量 比4 ：l 搭配的填料对臭气有比较高的去除率，缺点是填料压降比较大。耗能高，而 以堆肥和珍珠岩按质量比l ；5 搭配的填料间隙率高，压降比较低。气体停留时间长。 耗能低；同时实验结果表明填料保持合适的含水率和污染物在填料内停留足够的时 间是微生物迸行生物降解的两个首要条件。论文最后对生物过滤器的应用前景进行 了分析并提出下一步试验和研究的方向和建议。 关键词：生物过滤器，臭气处理，填料去除率 i i l a b s t r a c t t h ee n v i r o m n e n ti st h ef b u n d a t i o nf b rh u m a ns u r v i v a l ，a n d “i si n e v i t a b l et ob r i n g s o m en e g a t i v ei m p a c to nh u m a ns u r r o u n d i n g sd u r i n gt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o na n dl i v i n g a m o n gt h e s eq u e s t i o n st h ei n n u e n c eb r o u 曲tb yo d o r sa n dv o l a t i l eo 唱a n i cc o m p o u n d s ( v o c s ) a m u s em o r ea n dm o r er e g a r d st o e n v i r o n m e n t a ls c i e n t m cr e s e a r c h e r s t h e w o r l dn a t i o n sa r ep a y i n ga b r o a da t t e n t i o nt ob i o f i l t r a t i o nb e c a u s ei th a ss o m ea d v a n t a g e s c o m p a r e dw i t hs o m ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s i tw i l lb eh i g h - c o s ti ni n v e s t m e n ta n dm o s t c o m p l e x i t yi no p e r a t i o nt o d e a lw i t l ll a r g en u xa n dl o w - c o n c e n t r a t i o np o l l u t a n t sb y c o n v e n t j o n a lp h y s i c a ja n dc h e m j c a lm e a n s 。b i o f j l l r a t i o nh a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t b e c a u s ei tp o s s e s s e st h ea d v a n t a g e so fb e i n ga ne n v i r o n m e n t a l l yf i e n d l ya n d c o s t e 矗、e c “v et e c h n o l o g 矿 b i o f i l t r a t i o ni sap m c e s si nw h i c ht h ec o n t a m i n a n t sa r ed e g r a d e do rc h a n g e di n t o i n n o c u o u so ri o wn o x i o u ss u b s t a n c e sb ym i c r o o r g a n i s m s t h ef i i j i n g sp o m u ss u r f a c ei s c o v e r e dw i t hb i o n l m sa n dt h ec o n t a m i n a n t sa r et r a n s f e r r e di n t ob i 0 6 1 m st oc o n t a c tw i t h m i c r o o r g a n i s m sa n db ed e g r a d e di n t ow a t e ra n dc a r b o nd i o x i d ei ng o o dc o n d i t i o n sw h e n t h ew a s t eg a s e sa r cp a s s e dt h r o u 曲t h eb i o f i l t e r i nt h es a m et i m et h en e wo r g a n i s m sa r e f 0 h n e dt om a i n t a i nt h em i c m b em e t a b o l i s m t h i st e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e d a b r o a di nd e a l i n gw i t hv o ca n do d o re m i s s i o n ，a n di no u rc o u n t r yt h i sp r o b l e mh a sn o t b e e na d e q u a t e l yr e c o g n i z e d ，s ot h es t u d yo nt h i si s s u ei sv e r yl i m i t e d t h em a i nt a s ko ft h i sr e s e a r c hi st of i n dt h ei n n u e n c eo fd i 矗色r e n tw o r kc o n d i t i o n s ( d 托陪r e n j n j e f 妇u xe t c ) o nr e m o v a le m c i e n c yb yc o n t r o l l i n gt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s t b a th a v eg r e a tj m p a c to nb i 0 6 1 t e r sp e r f b r m a n c ea n db ys e l e c t i n gt h eb e s tc o n d i t i o n s ( a b u n d a mw a t e ra n do x y g e ne t c ) ，a n dt o t e s tt h ee l i m i n a t i o nc a p a c i t i e so fd i f r e r e n t 6 l l j n g sb yc o l t e l a t e dc o n n a s t e de x p e r i m e n t s t h er e s e a r c hm e t h o di n c l u d e st ou t i l i z et h en n i s h e dc o m p o s ta st h eb i 0 6 l t e r sm a i n f i l i i n ga n dt h e 、v o o dc h i p sa n dt h ep e r “沱sa sa s s i s t a n tf i l l i n g ss e p a r a t e l y ；t os a m p i ec h e g a si nd i h 色r e n tp a n s0 fb i o f i l t e rs u c ha si n l e tp o i n t ，d o w na n du pp o i n ta n d o u t l e tp o i m a n dt om e a s u r et h eg a sc o m p o n e n ti nl a b o r a t o r y ；t ou s et h es h i r o fa m m o n i aa n d h y d r o g e ns u l p h i d ec o n c e n t r a t i o nt or e f l e c tt h eb i 0 6 1 t e r sr e m o v a lc a p a b i l i t y ；t oa d o p tt w o m e a n sw h i c ha r et oa l t e rt h ei n l e tg a sn u xl o a da n dt os t o pt h er u n n i n go ft h eb i o f i l t e rf b r as h o tt i m et ov e r i 毋i t sc a p a b i l i t yo fa n t i c o n c u s s i o n t h er e s u l to fe x p e r i m e mh a ss h o w na sf 0 1 i o w s f i r s t l yt h eb i o f i l t e rt h a tu s e dt h e c o m p o s ta st h em a i nm e d i ah a st h eh i g ha b i l i t yt oe l i m i n a t et h ea m m o n i aa n ds u l 血r v h y d r o g e na j l d1 t so u t l e tr e m o v a l r a t l 0c a nr e a c ha b 0 v e9 0 s ot h a tl t so u t l e tc o n c e n t r a t l o n c a nm e e tt h en a “o n se m i s s i o nr e g u i a t i o n s e c o n d l yt h eb i o f i l t e rh a st h eg o o d a n t i c o n c u s s i o na b i l i t yt od e a lw i t ht h ec h a n g eo fi t sw o r kc o n d i t i o n i ns t a n u pp e r i o di t n e e do n eo rt w ow e e k st o l e tt h ef i l t e r t oc o m et os t e a d ys t a t u s ，b u ti ns t e a d ys t a t u s ，i f s t o pt h eo p e r a t i o no ft h eb i o f i h e ro rc h a l l g et h ei n l e tg a sn u x ，i to n l yn e e ds e v e r a lh o u r s t or e s 哪ei t so r d i n a r yr e m o v a lc a p a b i l i t yt h i r d l yt h ec h 0 0 s i n ga n da r r a n g e m e n to f t h e b i o f i l t e rm e d i a sh a v et h eg r e a ti n f l u e n c eo ni t sp e r f o n n a n c e t h ef i l l i n gm a d eo fc o m p o s t a n dw o o dc h i p sw i t ht h er a t i oi nm a s so f4 ：lh a sh i 曲r e m o v a le 硒c i e n c y ，b u ti t s d i s a d v a n t a g ej st h a ti th a sh i 曲p r e s s u r ed r o pi nm e d i aa n dn e e dm o r ee n e 娼yt om a k et h e g a sp a s st h r o u g ht h ef i l t e r ；t h ef i l l i n gm a d eo fc o m p o s ta n dp e r l i t ew i t ht h er a t i oi nm a s s o f5 ：1h a sl o wp r e s s u r ed r o pa n dh i 曲r e s i d e n c et i m et h a tr e d u c et h ee n e 唱yc o n s u m p t i o n l a s t l yt om a i m a i na p p r 叩r i a t em o i s t u r ec o n t e n ta n da d e q u a t er e t e n t i o nt i m ea r et w o p r e c o n d i t i o n sf o rm i c r o o 唱a n i s mt od e g r a d ec o n t a m i n a n t s t h ea r t i c l ea l s ob r i n g sf o r w a r d t h ed i r e c t i o na n ds u g g e s t i o nf b rf h n h e re x p e r i m e n ta n dr e s e a r c h k e yw o r d s ：b i o f i n e r ； o d o rt r e a t n l e n t ；螽n g s ；陀m o v a le 衢c j e n c y v y6 0 7 3 3 e 独创性声明 本人声明所呈的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得安徽农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：盔乌弛 签字日期：) 护垆年6 月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文件，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽农业大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位论文在解密后适 用本授权书) 。 嚣巍蒡笔貉 签字日期砂甲年6 月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通信地址： 指导教师 签字日期 电话： 邮编： 第一章引言 1 1 研究价值和目标 1 1 1研究价值 环境是社会经济发展的基础，随着我国社会经济的发展、人们生活水平的提高， 人们对自身所处的环境质量也提出了更高的要求。但是经济发展不可避免地会对环境 产生各种负面影响，这就要求生产者在生产过程中精心规划，尽量来减少这种负面影 响，从而使清洁生产成为二十一世纪全世界生产者所追求的目标。在畜禽养殖、固体 废弃物处理、废水处理和其他一些皮革或化工企业生产过程中产生的恶臭和挥发性有 机污染物问题一直是这些企业所附带的环境问题。如在畜禽养殖过程中，其对环境的 影响包括畜禽的养殖场所对环境的破坏和畜禽的排泄物对环境的影响两个方面l l j 。在 这两方面的处理过程都包含着恶臭问题，其中对畜禽固体粪便的主要处理方法是采用 堆肥和厌氧处理，堆肥厂在生产过程中对环境的破坏包括对水资源、土壤、空气、和 对附近生活的居民健康的影响【2 1 。各种堆肥方法在堆肥的过程中必然产生大量的恶臭 气体，恶臭气体里的成分附着在固体颗粒上，由于风的影响，使气味能够传播很远的 路径，从而给四周居民的生活和劳动带来许多不利的影响。另外，城市垃圾在无害化 处理过程中也将产生很多的恶臭气体，伴随着这些企业的生产工艺逐渐向机械化和集 约化方向发展，从而提供了对这些臭气进行收集和处理的条件，对恶臭气体的研究、 控制和处理就成为这些行业的迫切需要。 臭气的成分非常复杂，主要含有硫化物、氨气、甲烷、脂肪酸、酮、醛、酚和其 他有机物等，近一百六十多种垆j ，如果使用传统的物理或化学方法来处理不仅投资大、 操作复杂、而且运行成本高。而生物处理方法因其具有成本低、操作简便、技术清洁、 无二次污染等优点而受到关注【3 】。国外在此领域的研究和应用都比较成熟，世界上第 一台生物过滤器是1 9 6 4 年在欧洲建成，而二十年后仅在德国实际应用的过滤器就有 两百多个【4 l 。而我国利用生物技术处理环境问题主要集中在废水处理方面，并没把它 充分应用于废气处理中，对于恶臭气体的排放虽然有相应的排放标准，但在一些上述 企业实际生产中由于各方面的原因，并没有对其进行处理而直接排放，同时恶臭气 体对环境的影响并没有受到和其他工业废气同等的重视。但随着人们环境意识的提 高，这方面的问题会受到社会越来越多的关注，带来的社会矛盾也会越来越多，从而 势必影响这些企业的生存和发展。由于这些废气的成分多、浓度低、流量大，因此生 物过滤法在这方面具有其它传统方法所不可比拟的优越性，其发展潜力和应用前景将 会相当广泛。 本课题主要是针对过滤器在臭气处理中的应用研究，其研究价值主要在于为这一 技术在实际生产中的应用提供理论支持和借鉴，有效解决相关企业生产与环境、社会 之间的矛盾，为社会经济的可持续发展做出贡献。 1 1 2 研究目标 本课题侧重于生物过滤器在堆肥臭气处理应用方面的研究，对于过滤器内部生物 活动机理不作具体研究。考虑到在实际生产应用中会出现许多不确定的因素，因此努 力使实验条件尽量地和实际生产相接近，具体的研究目标包括： ( 1 ) 设计出一套符合当地实情、无二次污染、造价低廉、除臭效果好、寿命长并 且操作简单的微生物除臭系统。 ( 2 ) 寻找一到两种成本低、效果好、符合当地实际情况的过滤器填料，检验其过 滤性能。 ( 3 ) 寻找过滤器最佳的操作参数。检验过滤器在不同运行条件下的抗冲击能力。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 过滤器的设计和加工 国内在废水处理中生物过滤器的应用比较多，其设计和加工技术都比较成熟，包 括各种好氧和厌氧反映器，但在气体处理方面的研究和应用比较少，还没有形成一套 成熟的设计原则和方法。相比国外特别是西方发达国家在这方面的研究比较深入，相 关的叙述也比较多1 5 “船j 。其中明尼苏达大学的r i c h a r dn i c o l a i 等提出了一套比较系统 的设计原则和方法1 6 】，他们以废气的产生量( o ) 和过滤器填料的性质为前提条件， 在此基础上决定过滤器为满足去除目标所必须的尺寸和相关的辅助设备。提出了比较 完整的设计计算公式，并提出相关控制过滤器操作参数的具体方法等。本课题的过滤 器设备的设计原则和方法就是以他们提出的理论为基础。为了减少气体进入过滤器时 的压降损失，m a n i t o b a 大学的d d m a f l n 等提出了从过滤器侧面即横向进气的方式来 设计过滤器的原则和方法f 7 j 。提供了从进气方面来考虑改善过滤器性能的新的思路。 在过滤器实际生产中的加工工程方面，在考虑实际工作条件和目标的前提下应尽 可能地降低加工和维护成本。i m s c o t f o r d 等通过建立模型提出了用优化设计方法对 过滤器进行设计和加工并通过降低过滤器年度维护费用等各种方法来降低过滤器的 加工和生产维护费用畔j 。 1 2 2 有关过滤器最佳操作参数的研究和确定 国内和国外在这方面的研究和叙述比较多中国科学院生态环境研究中心的李琳 和刘俊新1 9 j 以及张彭义，余刚，蒋展鹏1 1 0 】等分别在这方面进行了论述，提出填料的含 水率、碳氮比、p h 值、氧气含量、温度等对过滤器性能的影响。明尼苏达大学的剐c h a r d 等对这方面也进行了相关叙述，提出要想使过滤器始终保持最佳的工作状态，必须要 保持这些参数处在它们特定的范围内。这些结论是过滤器在设计、运行时要取得预期 目标的基础和先决条件。 许多研究者就单独某中操作参数对过滤器性能的影响展丌研究，国内大连理工的 孙玉梅等对过滤器在不同的含水率情况下对甲苯的去除情况和微生物的活性和繁殖 等情况进行了研究f 4 7 】，结论得出在合适的含水率条件下，反应器对甲苯的驱除效果可 达9 5 以上，相反情况下，反应器的去除率比较低。美国的乔治等对温度、气体停留 时间和甲苯负荷等因素对过滤器性能的影响也展开了研究1 5 “，这方面的研究虽然在试 验条件和所处理气体的性质有差异，但得出的结论和相关论述基本一致。 1 2 3 有关过滤器填料的选择和搭配方面的研究 作为过滤器的填料，要保证能提供微生物生存所需要的营养物质和最佳的生存环 境，同时填料要容易获得，作为过滤器的填料。相关论述的比较多的有营养丰富的土 壤、泥煤、堆肥等i4 1 6 1 。国外有学者对农产品加工过程中产生的副产品作为过滤器 填料和其性能进行了相关研究【5 卫，也有学者对有机和无机填料展开对比试验研究 【4 9 0 “。为改善填料性能，国外有研究者把有机填料和无机填料搭配，实验取得了比 较好的结果【6 0 “4 1 。在这方面的研究已成为过滤器应用研究的焦点， 1 2 4 有关过滤器生物机理和模型的研究 由于过滤器内生物种类和所处理废气成分的不同，所以提出在稳定和连续工作状 态下的有关生物过滤器的数学模型很少。虽然模型的提出是在各种假设条件下提出， 但国外广泛地把各数学模型应用于实际过滤器的设计中【4 射。孙斓石等提出了基于净化 挥发性有机废气的吸附一生物膜理论模型和模拟研究】，应用生物填料塔净化设备， 以甲苯为去除对象。采用实验室数据和工业应用试验结果的对比试验，该模型对描述 实际过程有很好的适用性，应用该模型对入口气体浓度、气体流量及生物膜填料层高 度等主要因素的影响进行模拟研究，模拟计算值与实验值之间有较好的相关性，相关 系数为0 8 0 o 9 7 。由于每个模型都有各自的优缺点，s m z a r o o k 对国外相关的各模 型进行了比较【”】，提出各模型所基于的假设条件和适用范围，通过对比总结指出气液 相界面的扩散作用、氧气在生物繁殖中的作用和过滤器填料的高度等在建造模型时不 应被忽视。 1 3 本课题要解决的主要问题 本课题的研究是为了配合有关农业环境保护与可持续发展的主课题的研究，其主 要目的是为了解决农业废弃物在堆肥无害化处理过程中对四周环境和人群的负面影 响问题。同时验证过滤器的设计加工、操作和维护等理论，为这一技术在其它领域的 应用提供借鉴。课题要解决的主要问题有： f 1 ) 完成过滤器的设计和加工。根据实际情况，确定进气方式，进一步确定过滤 器底部的步气方式；选择过滤器箱体的材料，完成过滤器的设汁图纸和加工工艺。 ( 2 ) 填料的选择和比例搭配。 ( 3 ) 设计试验方案，来检验过滤器对废气的去除效果和其它相关的各项性能。 ( 4 ) 检验含水率、温度、p h 值、氧气含量等操作参数对过滤器性能的影响。 ( 5 ) 选择不同的填料搭配进行对比寻找一种综合性能好、价格低廉、容易获得、 符合实际情况的填料。 4 第二章有关生物过滤器的基础理论和分析 2 1 有机废气净化的一般理论和方法 2 1 1 臭气的强度标准 有无气味及气味的大小与恶臭物质在空气中的浓度有关。恶臭的检测方法有人 的嗅觉法和仪器分析法两种。通常把正常勉强可以感到的臭味的浓度称为嗅觉的阀 值。其中不能辨别臭昧种类的阀值称为检知阀值，能够辨别出臭味种类的阀值称为认 识阀值n ”。由于嗅觉的灵敏程度因人而异，所以不同研究者给出的臭味阀值往往差 距甚远。一般恶臭都为复合恶臭形式，复合恶臭的强度与恶臭物质的种类与浓度有关。 恶臭物质的限制标准是根据恶臭的刺激强度与其浓度之间的关系对每种物质规定控 制范围。臭气强度以嗅觉阀值为基准划分等级。一般分为6 级i i4 。，见表2 - l 。 裹2 1 恶臭的强度标准 t a b i e2 10 如u ri n t e n s i t ys t a n d a r d 2 1 2 臭气的检测和评估 臭气处理过程中最大的困难就是臭气本身的检测，对臭气中某几种成分的分析检 测要用到化学分析方法、气相色谱法( g c ) 、质量色谱法( m c ) 和其他气体检测方法和 相关设备。但就臭气处理本身来说，目的是降低排放的气体对人群的刺激性，因此仅 就气体的里的某些成分的变化并不能充分说明臭气整体的变化情况。因此现在国际和 国内通用的方法是采用嗅觉仪，以臭气整体为检测对象，检测单位为“o u ”。把要 检测的气体进行稀释若干倍选择合适的人群，以低于5 0 的人能感知臭味为标准 稀释的倍数即为所检测的臭气浓度l l 引。 对臭气发生源源强的评估主要是考虑它对人群的负面影响，具体是要考虑臭气在 给定场所的发生频率、强度、持续时间和对人群的身体健康的影响。简称f i d 0 们。 2 1 3 有机废气和恶臭一般控制方法 为使恶奥物质不能刺激人的嗅觉器官，通常采取以下四种方式进行控制与处倒1 8 】： ( 1 ) 密封法：用固体、无臭气体或液体隔断恶臭物质扩散来源： ( 2 ) 稀释法：用大量无臭气体将含恶臭物质的废气稀释； ( 3 )掩蔽法：在一定范围内施放其他芳香物质以遮盖恶臭物质的臭 味： ( 4 )净化法：建立脱臭装置，在恶臭物质排放前，通过物理的、化 学的或生物的方法( 吸附、吸收、燃烧等方法) 将恶臭物质捕集起来，使之不 能在空气中扩散；或将恶臭物质转化成无臭物质。 2 1 3 有机废气一般治理技术 对于一些工业企业产生的高浓度的有机废气的治理研究开始的比较早，已经形成 了一套比较成熟的治理方法和技术。一般有吸附法、吸收法、催化燃烧法和刚兴起的 生物除臭法等。吸附净化技术是利用固体表面上存在着未平衡和未饱和的分子引力或 化学键力当固体表面与气体接触时，就能吸引气体分子，使其浓集并保持在固体表 面。此类固体一般具有巨大的比表面积，如各种活性碳颗粒等。当固体表面达到吸附 饱和后，要进行解吸和再生工序，并回收吸附质。吸收净化技术是利用有机废气能与 大部分油类物质互溶的特点，用高沸点、低蒸汽压的油类作为吸收剂来吸收废气中的 有机污染物o 7 1 。此类技术在化学工业中应用比较广泛。表2 2 是几种治理技术的比较。 袭2 2 几种恶寞净化技术比较 1 曲i c2 2c o m p 甜j no f s “e m ic i c 硼i n gt c c h n o i o g i c s 方法条件适甩对擘方法条件适用对象 物理吸收法水溶性、酸碱性、直接燃烧法、催化 吸收法 易氧化分解的器臭 燃烧法 燃烧法、浓缩燃烧 可燃性恶奥成分 化学吸收法一 成分法 物理吸收剂、碳氢化台物、硫化活性污泥、士壤徽 徽生物法 恶臭废气 活性炭、化学 氨、酸碱性恶臭成 生物 吸附法 吸收剂、脱臭 分 中和或掩适当的中和或掩蔽 低浓度恶臭成分 剂蔽法剂 2 2 废气生物处理的种类 自2 0 世纪8 0 年代开始，荷兰和德国利用微生物处理废气获得很好的效果，随即 引起了美国、日本及其他欧美国家的重视，目前生物法已逐渐成为净化有机废气和恶 臭物质的主要方法之一【1 9 1 。生物法是利用微生物将废气中有机污染物降解或转化为无 害或低害类物质的过程他。过滤器中的多孔填料表面覆盖有生物膜，废气流经填料 床时，通过扩散过程，把污染成分传递到生物膜，并与膜内的微生物相接触而发生生 物化学反应，污染物得到降解2 “。国外利用生物过滤技术，在处理低浓度、高流量的 有机废气( v o c s ) 和臭味中已经取得广泛的应用。在较佳操作条件下，污染物能被 较为完全地降解为c 0 2 、h 2 0 、n 2 和其它无害物质，同时形成新的微生物，维护生物 膜的新陈代谢。 与物理化学处理方法相比，生物法用于处理废气中污染物的主要优点是：投资少、 运行费用低、污染物不会被转移到其它地方、不产生二次污染。生物滤池、生物洗涤 塔和生物滴滤池是3 种主要的废气生物处理技术。 2 2 t 生物滤池 生物滤池即生物过滤器是最早被研究和使用的一种处理挥发性有机污染物和恶臭 的生物技术。早期生物滤池主要用于减少废气的恶臭气味。到了2 0 世纪8 0 年代以后， 其应用范围已扩展到去除许多易被生物降解的挥发性有机污染物方面f 22 1 。其基本构造 如图2 1 所示： 排放( 气) 性填料 圈2 1 生物澹池基本构造 f 9 1 2 - l s k e i c hm a po fb j o n l t e 生物过滤器由滤料床层( 生物活性填充物) 、沙砾层、和多管布气管道等组成。 多管布气管安装在沙砾层中，在池底有排水管排出多余的水。生物滤池内部充填活性 7 填料填料中生长了能降解污染物的微生物。废气经加压预湿后，从底部或侧面进入 生物滤池，与填料上附着生成的生物膜( 微生物) 接触，被生物膜吸收，最终降解为 水和二氧化碳等物质，处理过的气体从生物滤池的顶部排出。按照所用的固体滤料的 不同，生物滤池分为土壤滤池和堆肥滤池以及微生物过滤箱。土壤滤床的优点是投资 少、无二次污染、抗冲击能力强、抗酸性且寿命长。其缺点是占地面积大，其研究方 向是多层滤床。堆肥床的优点是去除效率高、接触时问短，缺点是填料容易结块。要 定期搅拌，操作费用高且填料一到五年就要更换一次。 生物滤池处理技术的特点是生物和液相都是不流动的，而且只有一个反应器，气 液接触面积大、运行和启动容易、运行费用低。 2 2 2 生物洗涤塔 由于本课题的研究对象是生物过滤器，对生物洗涤塔和生物滴滤池只作简要介 绍。生物洗涤塔通常由一个装有填料的洗涤器和一个具有活性污泥的生物反应器构成 1 9 j 。洗涤器里的喷淋柱将微小的水珠逆着气流喷洒，使废气中的污染物与填料表面的 水接触，被水吸收而转入液相，从而实现质量传递过程。如果污染物的浓度较低、水 溶性较高，则极易被水吸收，带入生物反应器。在生物反应器中，污染物通过活性污 泥中的微生物的氧化作用，最终被去除。与生物滤池不同的是，生物洗涤塔工艺中的 液相( 通常带有悬浮微生物) 是流动的，在两个分开部分连续循环。这有利于控制反 应条件。便于添加营养液、缓冲剂和更换液体，除去多余的产物。其反应的温度、p h 值等因素也可以检测和控制。其结构简图如图2 2 所示： 惰 水 营养液 图2 2 生物洗涤塔基本构造 f i 9 2 - 2s k e t c hm a po f b i o s c r u b b c o 8 排水 为了防止活性污泥沉积和降解有机物，活性污泥反应器需要暴气装置，并控制有 关条件，如温度p h 值、碳、氮、磷之问的比例，以确保微生物在最佳条件下发挥作 用。 2 2 3 生物滴滤池 生物滴滤池被认为是介于生物滤池和生物洗涤塔之间的处理技术。废气中污染物 的吸收和生物降解同时发生在一个装置内，滴滤池内填充填料，循环水不断喷洒在填 料上，填料表面被微生物形成的生物膜所覆盖。废气通过滴滤池时，废气中的污染物 被微生物降解。其结构简图如2 3 所示： 生物滴滤池只有一个反应器，设备较简单，生物相静止而液相流动，世代周期长 的微生物也能很好的生存。但生物滴滤池的比表面积( 即单位柱体积接触面积) 比较 低为1 0 0 3 0 0 m 2 m 3 ，它不适于处理水溶性差的挥发性有机污染物。废气无须湿润， 废气可以与滴滤液并流或逆流操作。生物滴滤器使用的填料通常是惰性的材料( 如塑 料环、火山岩、陶瓷和泡沫状的多孔材料等) 。 破体辑；环 水营养波 图2 3 生物滴滤池基本构造 一9 2 3s k e f c hm 印o fb f o r i c k “f l g 疗“e o 2 2 4 几种生物处理技术的比较 生物滤池、生物洗涤塔、和生物滴滤池各有其特点和应用条件，因此应根据废 气中污染物的特性和条件，选择适宜的处理技术。表2 列出了生物滤池、生物洗涤塔、 和生物滴滤池的特点、优缺点及应用范围”1 。 表2 3 三种废气生物处理技术比较 t 曲i e2 - 3 c o m p a r i s o no f t h r c eb j o n j t m t i o nt e c h n o j o g i e s 方式特点优点缺点应用范嗣 单一反应器；气渡表面积比值反心条件不易控制；适十处理化肥j 。、污水 微生物和液高；设稀简单；运进气浓度发生变化适处理j 以及t 业、农业 生物滤池 相i 劫定 行费用低庞经；占地碰积人产生的污染物浓度介 于05 1 0 m 3 的废气 设备紧凑：低压力 传质表面积低；需大适于处理工业产生的 两个反应器： 损失：反臆条件易量提供氧才能维持商 污染物浓度介于 微生物悬浮 生物洗涤塔 于控制降解牢；需需处理剩 1 5 9 ，m 3 的线气 于液体中；液 余污泥：投资和运行 相流动 费用岛 单个反腑器：0 生物洗涤塔相传质表碰积低；需处适于处理化肥厂、污水 生物滴滤池微生物嗣定，比设备简单 理剩余污泥；运行费处删k 以及农业产身 液相流动用高的污染物浓度低于 0 5 ，m 3 的睃气 2 3 生物净化有机废气的过程机理 2 3 1 吸收一生物膜理论( 三膜理论) 臭气的生物净化过程实质上是利用微生物的生命活动将废气中的有害物质转变 成为简单的无机物及细胞质等。对于生物化学净化处理有机废气的机理研究虽然人们 做了许多工作，但至今仍然没有统一的理论，目前在世界上公认影响较大的是荷兰学 者奥腾格拉夫( 0 t t e n g r a f ) 依据传统的气体吸收双膜理论提出的生物膜理论f 2 3 】，如图 2 3 所示。 气 流 主 题 气膜 液腆生物膜 周 体 填 料 图2 3 吸收一生物膜理论示意图 f i g2 3 s k c i c h m a p 0 f a b s o r p t i o n - b j o 如l mt h e o r y 按照生物膜理论，生物净化处理有机废气一般要经历以下过程： ( 1 ) 废气中有机污染物首先同水接触并溶解于水中( 即由气膜扩散进入液膜) 1 0 ( 2 ) 溶解于液膜中的有机污染物成分在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜进 而被其中的微生物捕获并吸收； ( 3 ) 进入微生物体内的有机污染物在其自身的代谢过程中被作为能源和营养物质 被分解，经生物化学反应最终转化成为无害的化合物，如c 0 2 、h 2 0 和和一些无 机盐等。 由以上过程机理分析，生物净化低浓度有机废气过程的总吸收速率主要取决于气 相和液相中有机污染物的扩散速率( 气膜扩散、液膜扩散) 以及生化反应速率【2 4 1 。气 体的扩散速率与气体在液相中的溶解度有很大的关系，气体的溶解度的大小可以用亨 利系数来判断。由亨利定律； 对于理想气体 因此： p = c l h p = c g r t h = ( c c i ) r t = h c r t h c = h ( r t ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) c j ：某污染物在液相中的浓度( m o l ，m 3 ) c 。：某污染物在气相中的浓度( m o l ，m 3 ) p ：某污染物在气相中的分压力( p a ) h ：亨利系数( p a m 3 i n 0 1 ) h c ：用某污染物在气相中的浓度与液相中的浓度之比表示的亨利系数 r ：气体常数 t ：温度( k ) 由公式2 3 可知，在一定温度、压强下，当c l 较小，即某污染物在在液相中的浓 度较低时，亨利系数h 较高。在实际中通常使用无量纲的h c 代替h 判断气体溶解度 的大小。h 。与h 可通过公式2 4 换算。当污染物质的亨利系数h 。大于1 0 时，表明 其极难溶于水，由于其界面传质速率很低，因此不适于用生物法来处理。 2 3 2 吸附一生物膜理论( 双膜理论) 用生物化学方法来处理低浓度挥发性有机物是一项近几年发展起来的新的技术， 其相关的理论和技术目前仍处于不断发展和完善的过程，尚有许多问题有待于研究解 决。上述的吸收生物膜理论是现阶段国际上用来描述生物法净化处理有机废气的基 础理论，但对于一些难溶于水的化合物如甲苯等采用填料塔的方式来处理，这时用此 理论来解释就存在一定的缺陷。国外已有学者对这种情况下液膜的存在与作用提出了 质疑，国内昆明理工大学的孙佩石等考虑到这些因素专门对甲苯进行生物净化模拟试 验提出了吸附生物膜理论，其示意图如图2 4 所示【2 5 】。浚研究在生物膜填料塔净化 低浓度甲苯废气的机理研究的基础上，依据吸附一生物膜理论，研究建立了相关动力 学模型及计算公式，模型计算值与实验值之间有较好的相关性，相关系数为0 8 0 o 9 7 ， 表明该模型对描述实际过程有很好的适用性。 气 相 主 题 ( 反应血) 相群两 k 润掘 幸 的生 勾 物麒 气膜 图2 4 帔附一生物膜理论示意图 卜l j g 2 4s k e c c hm 8 p0 fa d s o r p “o n _ b l o f i l mt h e o r y 此理论是在吸收一生物膜理论的基础上，以吸附过程来代替吸收过程，并没有改 变其理论的整个体系，是对吸收生物膜理论的修正和补充，它不涉及液膜扩散、生 化反应级数变化以及过渡区等复杂问题，简化了计算并提高了精确性。对于水溶性很 强的污染物的生物净化处理，仍适于用吸收一生物膜理论来解释。 2 4 生物过滤器的性能参数 2 4 1 空床接触时间( e m p t yb e dc o m a c tt i m e ) 气体在过滤器内的滞留时间是指气体和过滤器介质接触的时间，等于气体流量除 以反应器的填料空隙的体积。由于滞留时间直接测定很难，所以在设计时通常用空床 接触时间( e b c t ) 来进行相应计算，对于大流量、低浓度的挥发性有机污染物，e b c t 可根据臭气源来取经验值，一般取3 、5 、或l o 分钟【2 ”，它等于气体流量除反应器的 体积( v q ) ，因此知道进气流量和e b c t 可以计算过滤器填料的体积。臭气浓度高 则要空床接触时间取高的值，而增加e b c t 则意味着产生好的过滤器的去除效率、高 压降、大的填料量、和大的过滤池的面积。 2 4 2 表面负荷( u n i ta i r n o wr a t e ) 单位面积气体流量( h 1 3 m 2 h ) 称作过滤器的表面负荷，它表示过滤器单位面积 的废气体积负荷。生物过滤器表面负荷的范围般在5 0 2 0 0 m 3 m 2 j 1 之间。空床接触 时f l i j 和表面负荷是过滤器设计时要首先考虑的重要参数。 2 4 3 质量负荷 质量负荷表示单位滤床体积的污染物的质量负荷，计算公式为q c i v 其中c j 指 废气中污染物的浓度，生物过滤器的质量负荷的范围一般在1 0 1 6 0 9 m 3 h 之恻。工作 状念下的过滤器的表面负荷或质量负荷都不能超出设计时的额定负荷，否则污染物不 能被完全去除。 2 4 4 去除率 去除率表示污染物的去处程度，计算公式为( c i c 。) c