（环境科学与工程专业论文）生物过滤法处理挥发性有机物.pdf

生物过滤法处理挥发性有机物 a b s t r a c t r e c e n t l yb i o f i t e r sh a v eb e e nu s e dp r i m a r i l yt oc o n t r o ld i l u t e ，u s u a l l yo d o r s ，o f f - g a sw i t h r e l a t i v e l yl o wv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ( v o c s ) c o n c e n t r a t i o n s ( b e l o w1 0 0 0m gc a r b o n p e rc u b i cm e t e r ) h o w e v e r , t h ei n d u s t r yh a ss h o w na ni n c r e a s i n gi n t e r e s ti na p p l y i n gb i f i l t e r s t oh i 【g h e rc o n c e n t r a t i o n so fv o c sa n dt om i x t u r e so fv o c s i nt h eb i o f i l t r a t i o no fe m i s s i o n s t h ec o n t e n to fs o m en u t r i e n ti nt h em e d i aw i l lb et o ol o wt ob es u f f i c i e n tt os u p p o r tt h e m i c r o b i a la c t i v i t y , t h u sl e a d st ot h ed e t e r i o r a t i o no f t h eb i o f i l t e r s i nt h i ss t u d y , b i o f i t r a t i o nw a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot r e a ta i rs t r e a m sc o n t a i n i n ga m i x t u r eo fe t h y la c e t a t ea n dt o l u e n e t h ee x p e r i m e n t s y s t e mi n c l u d e st w oi d e n t i c a l b e n c h s c a l eb i o f i l t e r s ，w h i c hw e r ea c c l i m a t e dw i t he t h y la c e t a t ea n dt o l u e n er e s p e c t i v e l y a l l o f t h et w ob i o f i l t e r sc o n s i s to f t h r e es e g m e n t s ，w h i c ha r ec a l l e dt h ef i r s t ，t h es e c o n da n dt h e t h i r ds e g m e n tf r o mt h et o pt ot h eb o t t o m t h er e m o v a le f f i c i e n c i e sf o re t h y la c e t a t ea n dt o l u e n eo f e a c hb i o f i l t e rw e r es t u d i e du n d e r d i f f e r e n ti n l e tv o c s c o n c e n t r a t i o n s d u r i n ga t h r e e m o n t hs t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c e ，t h et w o b i o f i l t e r ss h o w e de q u i v a l e n te l i m i n a t i o nc a p a c i t yf o rt o l u e n e ( 5 0g m b e d ho f p u r et o l u e n e ) h o w e v e r ，t h eb i o f i l t e ra c c l i m a t e dw i t he t h y la c e t a t es h o w e dam u c hh i g h e re l i m i n a t i o n c a p a c i t yf o re t h y la c e t a t e ( 4 0 0g m 3b e d ho fp u r ee t h y la c e t a t e ) t h a nt h a ta c c l i m a t e dw i t h t o l u e n e ( 2 5 0g m 3b e d h ) t h ec o n c u r r e n tb i o f i l t r a t i o no ft o l u e n ew a si n h i b i t e db yt h e p r e s e n c eo fe t h y la c e t a t e t h ec o n t e n tv a r i a t i o n so ft o t a ln i t r o g e n ( t n ) ，t o t a lp h o s p h o r u s ( t - p ) ，a m m o n i an i t r o g e n ( n h 3 - n ) a n dt o t a lo r g a n i cm a t t e r ( t o m ) w e r ei n v e s t i g a t e dd u r i n g t h ec o u r s eo fb i o f i l t r a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n t e n to ft - na n d t - pi nt h em e d i a d e c r e a s e dg r a d u a l l yd u r i n gt h ep r o c e s s h o w e v e r , m o r et - pa n dt - nw e r ec o n s u m e di nt h e s e c o n ds e g m e n t ( w h i c hm a i n l yt r e a t e dt o l u e n e ) t h a nt h a to ft h ef i r s ts e g m e n t ( w h i c hm a i n l y t r e a t e de t h y la c e t a t e ) a d d i t i o n a l l y , i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ei r r e g u l a rd i s t r i b u t i o no f n h 3 。ni s a t t r i b u t et ot h et r a n s f o r m a t i o no fn i t r o g e n d u r i n gt h eb i o f i l t r a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ec o n t e n to f t o mc o u l db eb a l a n c e dv i am a s st r a n s f e ra m o n gt h ep o l l u t a n t s ，t h eb i o f i l ma n dt h em e d i a a f t e rt h et h r e e m o n t he x p e r i m e n t ，m ep ho ft h em e d i at r e a t i n ge t h y la c e t a t ed r o p p e df r o m 6 7 1t o5 5 0 w h e r e a st h ep ho f t h em e d i at r e a t i n gt o l u e n ei n c r e a s e df r o m6 7 1t o7 0 8 k e yw o r d s ：b i o f i l t r a t i o n ；e t h y la c e t a t e ；t o l u e n e ；v o c s ；m e d i a ；n u t r i e n t 生物过滤法处理挥发性有机物 刖罱 大气污染的危害与水污染和土壤污染的危害比较起来，更加难以控制。旦局部 的空气污染发生，就会迅速向四周扩散，使污染范围扩大，而且任何人都不能避免受 污染空气的伤害。挥发性有机物是空气污染物的重要来源之一，而且随着科学技术的 发展，人们在享受新型材料带来的优越性的同时，也会受到越来越多的挥发性有机物 的危害。 与传统的物理和化学法相比，由于生物废气处理技术是利用微生物的新陈代谢过 程来分解污染物，从而成本较低，不易发生二次污染。既然生物处理法己被公认为是 最清洁的生产方法，在能源日益紧缺和空气污染日益严重的情况下，生物法有可能成 为最切实可行的污染控制方法。 在西方很多国家，生物降解已经被成功地应用到多种废气治理中。本文基于广泛 存在于印染厂生产尾气中的两种挥发性有机物甲苯和乙酸乙酯为研究目标物，研 究了生物法处理混合挥发性有机物情况。以期为生物处理废气技术在我国的应用和推 广献菲薄之力。 生物过滤法处理挥发性有机物 第一章废气生物处理技术的国内外研究进展 1 1 引言 随着合成工业、炼油工业、电子产业以及养殖业等生产过程的发展，越来越多的 空气污染物被排放到大气中。这些污染物的排放严重危害生态环境和人体健康，引发 呼吸系统、神经中枢系统以及血液系统的疾病，严重者甚至会导致癌症和死亡。很多 发达国家已经制定了相关的法律，严格控制废气中污染物的排放，并要求企业在排放 前采取相应的治理措施。美国在1 9 9 0 年通过了清洁空气法修正案( c a a a ) ，严格 限制1 8 9 种危险空气污染物( h a p ) 的排放。我国也于2 0 0 0 年开始实施新的大气污 染防治法，对工业废气的排放和治理做了严格限制。 传统的治理空气污染物的方法有吸附法、焚烧法、冷凝法和催化氧化法。与传统的 治理方法相比，生物法因其设备简单、投资少、运行费用低、无二次污染等特点，得 到越来越到多的关注。尤其是在处理低浓度( 1 0 0 0 p p m ) 、易被微生物降解的有机废气 时。生物法具有明显的优越性【l 2 j 。 1 2 废气生物处理技术的发展概况 利用微生物降解环境污染物在水处理工艺中已经得到广泛而深入的研究。但是将该 项技术应用于大气污染控制还是近4 0 年的事情。最早的利用生物法处理废气的概念是 b a c h h 在1 9 2 3 年提出的【3 】。有关工业上利用生物法处理废气的报道在5 0 年代 4 5 j ， p o m e r o y 详细描述了生物废气处理装置的设计和操作，并且在美国加利福尼亚州获得 专利。 目前，常见的生物处理工艺大致有三种，即生物过滤法、生物滴滤法和生物洗涤法 生物过滤是在工业应用中最为常见的废气处理工艺。早在6 0 年代，生物过滤就开始在 废气处理技术中得到应用，8 0 年代德国和荷兰开始越来越多地应用生物过滤来处理工 业生产过程中产生的挥发性有机物和有毒气体。至1 9 9 1 年，德国和荷兰已有5 0 0 多座 大规模的生物过滤废气处理装置。到了本世纪，生物废气处理技术在欧美等发达国家 生物过滤法处理挥发性有机物 已经得到广泛的研究和应用。 我国对废气生物处理技术的研究起步较晚，始于9 0 年代中后期。目前我国已有越 来越多的研究人员开始了对生物废气处理技术的研究4 1 ，但是到目前为止并未见到实 际应用的报道。我国目前的大气污染状况令人担忧，很多种小型加工厂和生产厂每年 向大气中排放大量的有害空气污染物，对大气环境和人民健康造成严重危害。因而， 生物废气处理技术在我国具有广泛的研究和应用前景。 1 3 废气生物处理技术的主要生产工艺 废气的生物处理工艺主要有生物过滤( b i o f i l t e r ) ，生物滴滤( t r i c k l i n g b i o f i i t e r ) 和生物洗涤( b i o s c r u b b e r ) 。其中生物过滤工艺是研究比较早，应用比较 广，且研究比较成熟的一种大气生物处理技术。下面对这三种处理工艺加以简单介绍。 1 。3 。1 生物过滤系统 生物过滤器( b i o f i l t e r ) 是最早被研究和使用的一种处理挥发性有机污染物和除臭 的生物技术。1 9 2 3 年b a c h 就曾利用土壤过滤床去除污水处理厂排出的含硫化氢等恶 臭污染物的气体蛳。早期的生物滤池主要用于减少废气中的恶臭气味物质。到了2 0 世 纪8 0 年代以后，其应用范围才被扩展到去除易被生物降解的挥发性有机污染物方面。 生物滤池( 图卜1 ) 内部填充活性填料，废气经加压预湿后，进入生物滤池，与填料上 图i - l 生物过滤系统 f i g u r e1 - 1t h eb i o f i l t e rs y s t e m 体 生塑墼鲨鲨些堡堡茎丝塑垫塑 附着的生物膜( 微生物) 接触，被生物膜吸收，最终被微生物降解为水和二氧化碳，净 化后的气体从生物过滤池排出。生物过滤处理技术的特点是生物相和液相都是不流动 的，而且只有一个反应器，气一液接触面积大、运行和启动容易、操作费用低。 1 3 2 生物洗涤塔 生物洗涤塔( b i o s c r u b b e r ) 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( 图1 - 2 ) 。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，被水吸收丽转入液相，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 器内，污染物通过活性污泥中微生物的氧化作用，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。 其反应的温度和p h 值等因素也可以很方便地被监测、控制。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曝气设备，并控制有关条件，如温度、p h 值、碳、 氮、磷之问比率，以确保微生物在最佳条件下发挥作用。 图1 - 2 生物洗涤塔 f i g u r e1 - 2t h eb i o s c r u b b e rs y s t e m 1 3 3 生物滴滤池系统 生物滴滤池被认为是介于生物过滤和生物洗涤塔之间的处理技术。在生物滴滤池系 统中，污染物的吸收和生物降解同时发生在同一个反应装置内( 见图l 3 ) 。滴滤池内 填充惰性材料，填料要经过预先挂膜，生物膜覆盖在惰性材料的表面，含有微生物新 陈代谢所需营养物的溶液不断喷洒在填料上。废气通过滴滤池时，废气中的污染物被 微生物降解。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，繁 殖周期长的微生物也能很好地生存。但是生物滴滤池填料的比表面积( 既单位柱体积 生塑垫堡鎏丝堡堡垄丝要塾塑 接触面积) 比较低，大多为1 0 0 - 3 0 0m 2 m 3 1 5 , 1 6 】不适宜于处理水溶性差的挥发性有 机物。当污染物空气以强制对流的方式从上至下或是从下至上通过填料层时，在填料 的周围形成循环的液相，为固定在填料上降解污染物的微生物群落提供水分和营养。 既然滴滤相是循环使用的，从理论上讲，气液并流的( 既从上部进气) 的流动方式应 该优于气液逆流的方式，因为在逆流循环中，空气在离开滤池之前，有可能从液相中 带出一部分污染物。从而使去除率降低。但是，到目前为止，并未见到有研究者在试 验中证实这两种循环方式的优劣。 液体循环 营养液檀 图1 - 3 生物滴滤池系统 f i g u r e1 - 3 t h eb i o t r i c k l i n gf i l t e rs y s t e m 1 3 4 膜生物反应器 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r c a c t o r ) 是为了克服以上三种生物废气处理系统在处 理难溶解有机物和高浓度有机物时的缺陷而发展起来的一种试验装鬣。采用微孔疏水 中空纤维( 聚丙烯、聚乙烯) 制成纤维膜，微生物在膜上生长形成生物膜层( 见图1 4 ) 。 该纤维膜具有很高的渗透性，在临界压力以下，水不透过膜，气体由膜扩散到纤维膜， 然后穿过该膜到生物膜( 生物活性液相) 。膜生物反应器具有很大的比表面积，生物 量高，也可清除过多的生物量以防堵塞，可向流动相添加p i - i 缓冲剂、营养物质、辅助 代谢物及其它促进剂，也可除去有毒或有抑制性的产物，使微生物所处环境得以改善， 从而保持较高的生物降解活性。在膜生物反应器中气流和液流分别在纤维膜的两侧， 因而气、液流量可分别单独控制，且不致因气、液逆流而发生液泛a 一 生塑望堡鲨墼堡堑垄丛塑塑! 塑 从而克服了生物过滤池的局限性。但是膜生物反应器的造价很高，目前只限于在实验 室内对生物降解的研究距离在工业上的应用还有很大一段距离。 膜 空气和废气 图1 - 4 生物膜反应器系统 f i g u r e l - 4t h em e m b r a n eb i o r e a c t o rs y s t e m 1 3 5 生物废气处理工艺的选择 一般认为，处理亨利系数较低( 鼠 1 ) ，难溶于水的污染物适宜于用生物过滤法：溶解度介 于两者之间的污染物质( 0 0 1 凰 1 ) ，则可以选用生物滴滤塔进行处理。而当污染 物的亨利系数大于1 0 ，极难溶于水时，则不适宜于用生物法处理【1 6 , 1 7 1 但是目前在生物 处理工艺上，对于反应器的选择并没有比较统一的规律，由于生物过滤法在处理废气 时具有很多优点，目前很多研究者在研究利用生物过滤法处理亲水性和疏水性的污染 物 2 , 1 s , 1 9 1 生物过滤系统与其它的生物处理方法比较起来，具有较高的气液接触表面积 而且操作简单、成本较低，因而对于一些在水中溶解度不大的气体，具有良好的去除 效果，近年来受到越来越多的的关注 2 0 2 2 】a i z p u r e 等【2 3 】利用生物过滤法研究了同时 降解合氧化合物，芳香化合物以及氯代有机物的降解规律，为扩大生物过滤系统的应用 范围提供了依据 1_，-_-、j 层聃紊群蚴 铺上卜 生物过滤法处理挥发性有机物 1 4 废气生物降解过程研究状况 1 4 1 概述 目前，对于生物降解过程机理和模型的研究主要是基于生物过滤和生物滴滤。生物 过滤床中的填料一般含有丰富的有机物和菌种，更加适宜于研究混合菌种的作用及其 分布。由于生物滴滤床需要预先接种微生物，而且微生物新陈代谢所需要的营养物质 是通过液体的循环加入，比较容易控制。很多研究者在研究个别菌种的作用、营养物 对生物降解的作用以及进行动力学模拟时，倾向于选择生物滴滤床。对生物降解模型， 二者并没有太大的差别，一般是基于一种双膜模型( 如图1 - 5 所示) 。污染物首先从气 相转移动液相，再由液相转移动生物膜相，在生物膜相内被微生物的新陈代谢过程所 利用而发生降解。也有研究者1 认为，以上过程是在生物滴滤中发生的在生物过滤 过程中，污染物直接从气相转移到填料中的微生物相，因为在生物过滤时，污染物不 需要转移到水相，传质阻力较小，因而在处理水溶性较小的污染物时具有更好的去除 效果。总的来说，这两种废气处理技术的机理和过程是类似的。 窆 一 主千气流气，液界面 固体颗粒 图1 - 5 微生物废气降解模型 f i g u r e 1 - 5 t h em o d e lo f b i o d e g r a d a t i o no fg a s e o u sp o l l u t a n t s 1 4 2 生物降解机理和影响因素 1 4 2 1 生物降解的过程 生物过滤法处理挥发性有机物 在生物过滤过程中，湿润的污染空气通过多孔的填充床( 多为泥煤或堆肥混合物) ， 填充床上固着有可以降解污染物的混合菌。如图卜6 所示1 2 ”，气体污染物在过滤床中 的去除是不同物理化学现象和生理现象相结合的过程。气体污染物和氧气在气相中通 过强制对流的方式传递到气一固表面然后再进行相间传质。如果过滤床的填料颗粒很 小而且气一固相间可以较快地达到物质平衡，则可以忽略气相传质阻力。在生物膜中， 由于微生物的生长和休眠作用，污染物的扩散和降解可以同时进行。氧气和污染物一 样也要受到传质阻力的限制。各种化学物质的吸收可以发生在该物质被扩散到生物膜 以后，也可以直接在气一固界面处直接被吸收。当污染物在生物膜中被降解时可以合 成代谢产物，该代谢产物和污染物一样，要在填料和生物膜中同时经历扩散生物降解 吸附的过程。酸性代谢产物可以被石灰石或者其它的p h 缓冲剂所中和，缓冲剂一般 在过滤床装填之前就与填料充分混合。在污染物的处理过程中，很少发现有中间代谢 图l 一6 生物过滤原理，降解过程中污染物的变化过程以 及生理状态；8 。，水活性；n ，营养物( n ，p ，k 和微量元 索) ；s 1 ，主要基质( 污染物) ；s 2 ，次要基质 f i g u r el - 6t h eb i o f i l t r a t i o np r i n c i p l e ，t h ef a t eo fp o l l u t a n t s d u r i n gt h ep r o c e s s ，a n dt h ep h y s i o l o g i c a ls t a t e 产物的形成，表明代谢产物比原始污染物更容易被生物降解，这些中间代谢产物可以 被与原始污染物接触的附属菌株( 混菌) 所降解，也可以直接被原始污染物的降解菌 所降解。在氧化过程中产生的c 0 ：首先要反向扩散，然后进步传到气相，还有一部分 c o ：以碳酸盐的形式存在于填料中。 兰塑婆婆望：笙壁垒! 丝堡鱼塑! 塑 牛物过滤床中的蛾料起到支撑q i 物胀们作片j 另外填科也】_ 以通过艇粒灯污染 物的吸附和对微i l i 一水分的吸收。起到储减污染物和水分的作用。填料。i l 一般均禽有 定数量的有机质尽管生物降解过程i ，对这些有机质的利用鹈! 艘还一：太消楚，似灶 这魑有机质确实可以被降解污染物的微卜物作为营养物利用。日l m 时卜物过滤中发 生的具体过程以及搡作条侔和其它直接斟索对该过程的影l i 自还不太清楚。存 硅多情况 f 微，七物的流失和营养物的渗漏可以被忽略，闶i n j ，就营养物的i r 衔水说，l i 物过 滤器可以被认为是个封闭的体系，因此，在h1 - 6 所示的各种乍理过程中，必然存 在某种形的假稳态过狂。这种“秘密”i j 微c l i 物的 - i i 长，i ：小赴7 养物循环的唯方 式，因为在小物过滤器中还存在着一些高等的仃帆物，如原卜动物。 f i 物滴滤池中污染物的降解过称乖l 牛物过滤巾旗本类似。当污染审7 ( 流过床层中 的填f s , l - i i g ，污染物l l l ； i i 气可以转移到滴滤牛日也川以“接转移到生物膜棚【z 6 j 。祚! i i 物 滴滤池- l i i jj ：介质址惰性的，对污染物州呸乏附j ，1 - 物过滤相比般 艇小。水( 滴滤 柏) 存填料堪t l 流动的过秘中，b 牛物臌接触的时也为微牛物的卜妖年i l 污染物的降 解提供所j 肟条件( 如? 养和p h 等) 。与过滤床r l 一的生物膜一样， | j i 滤过程中污染物的 降解也足宝l j | 浦和酵母蔺等组成的混合生物群落水控制的，其i i i 包括一些次绂污染物 ( 中洲代i f | 于产物) 的降解者和原卜动物婶。滴滤床埘污染物的去除牢既受到环境因素 的j i l l r , l ，时i u z 受到f 0 质l 到索的影i 响。九j 滴滤过样中各种稽养物被小断地输送到介质 t h 为了竹约操作成小和控制冈微生物过波生艮i f d 造成的床层压力损失。经常阪制杼 莽液中的叙和磷的食撤，因此存在于_ i 物溅滤床填料中妁攘夺性卫i 物( 如i , ：w i - 动物) 、 线虫和i止离i 等的有机物埘关键营养物的循环起着f i 可忽视的作川。布滴滤过张叫 污 染物的降解过剃经常f 1 1 随着氯化物平硫化物等f l 勺形成，或是羧酸类，。物的形成1 2 ”。 1 1 2 2 微生物动力学 化统n q 微，i i 物技术揭示在生物过滤器巾行在彳细菌、酵母菌、缳荫和”j 较，啊等 的仃机物。人多数情批下埘可驯化的微，i i 物进行定最或定p l c f l j 分析时受到传统微小 物技术的f 艇制。为了兜服这种限制有的研究糟利川特4 1 ，酯杯i 己l j ；- 束农i f i ! 细街打i 原似 修复1 1 一的变化。i ) ec a s t r oe ta l “利件j 对5 0 脂肪酸甲酶( 该物质通常被用来作为微 生物鉴定) 鲍分析以达到上婴鸱分析i _ l 散：定f 1 - ：g , b 移7 不嗣来源接黜体f ：j 性质，以及定 懿母察9 0 天内 4 - 物过滤中的微l i 物n 勺变化。被研，1 0 曲生物过滤器处理d 谍烯，这i | | | | | 羔塑塾堕鲨竺! ! 鱼! 垄堡垒! 塑 种物质n ：术 加工厂p 足一种常见的污染物。实验发现生物膜小的微生物和刚刚接 种后棚比。很快就发_ ! 了变化，m 且在过滤器的进口和口处，微，| 三物也有很大不同。 这表明仃天于在生物过滤器中微生物均匀分布的假设是不m 确的。在类似的研究过程 一ht o d ds 等州利用磷脂陵跟踪来标识卜理过程的不同方面和过私中微生物的变化。 相：该研究巾几个处理低浓度v o c s 和硫化氢的生物过滤池，均分! i j i j 在有p i 挖制和无 p h 控制的情况f 运行。于意料的是，在运行5 0 0 大之后，微生物群落仍然在，叟化 而在通盼睛况f 认为，在运 j 二儿周后微，上物就可以达到稳定状态。这种变化到底是与 诸如温度之类的操作吲素有关还是与牛物滤池的老化有关，日前还1 i 能够被确定。什 趣的足。k 时州运行后，生物滤池中微生物的组成与填料( 泥煤或足堆肥) 并没有太 火天系。这表明在浆些时候生物过滤器去除效率的降低是由于琐充结构的变化( 沟 流和压火) 引起的而小是由于微i i 物火活引起的。因而牛物过滤器的媒作效率撤据所 选操作的模式小同可能会受制于很多小州的凶素。 与， i 物过滤干日比，微牛物的种类在卜物滴滤过程中对操作起新史为重要的作用 但足目前化这方面的研究还远远不够。如果和生物滴滤巾有某一种菌株通过拨种被刚 定在床以介质卜，为了考察该茼种在污染物去除i 一的作用和变化，舟经过一。定时川后 陔黼株必颂干在其它环境中的牛长的菌株进行比较。q 物滴滤中的污染物降解人多年 身1 i 菌有。廷，但址 i a fl l n h r l s 等。州发现酵母菌往其中n j 能起着关键的作用。他们利川不l i4 接利，体接种两个降解i | 苯的生物滴滤池在相同操作绦件卜运行。段时削厉，在奠t f 个反应器中细菌。j 优势，另外个反应器中酵母菌占优势。在氮源缺乏的条件f ， 酵母菌n i - t 优势的滴滤床埘甲苯具柯更人的降解能力，约为2 7gc ( m3 h ) 而细菌 占优势的滴滤床对r f i 苯的降解能力只有i ： gc ( m3 h ) 。但足对酵母菌存生物降解 一| i | _ i q 研究和麻j _ i 迩：i i 少在将来的研究i 坪0 用酵母茼米处理环境污染物有可能成为 个新的研究趋势。 l4 2 3 牛物膜结构和微牛物浓度 “ij 。卜物实验技术的限制，生物艇结构研究j ：作的川：展非常i 利难。如果生物过滤 填料i i ，的支撑体( 一般为堆肥) 结构不含理或冉缺少足够厚度的小物膜会使得这项 研究【：作业期i 雅以进i j 二。因此很多有父这膏丽的研究都是利用m 物滴滤来进行的。 尽倚i hj ：代q i 物过滤一f 叫i 存在剪切力和液柏的强制埘流而使其机圳与卜物滴滤以所f i 0 申物过滤浊处雕挥发忭仃机物 同，但是，牛物滴滤t | 1 的研究结果却在很人张度上可以应用于牛物过滤中。 在一个降解甲苯的牛物滴滤床中，m o l l e re ta l = = ”3 在研究恶必假单胞蕊在 i 物膜 中的分加情况时发现，恶叟假单胞菌的数量只占生物膜中微生物总数的4 但是加 承担了6 5 的甲苯降解任务。而l l 恶奥假单胞菌在生物膜巾对l l f 苯的降解活性小于 在悬浮卜长介质中的活忡。这可能是由于n 。1 定卜i 毛环境中各种各样的限制因素所造成 的。但足他指出，生物过滤和生物滴滤对气体污染物的全部降解滞力还没有被j l ：发出 米。在利j | j 显微镜对枢个水合生物膜结构进行观察时发现从生物膜的气一固界面刀：始 延伸到生物膜底层结束的微孑l 管道存在徽犬的著舁，这些管道可以促进污染物和氧气 的输送和供给。柯研究证明。通过这种扎隙和毹：道供给的氧7e 可以到总供给掇的j 0 左右。这也许n j 。以斛释为什么主璎污染物的降解肴r 叮以红挫个f 卜物腆中发现丽不是 仅仅生存在气一液界i l i 处。但是这项研究结粜对传统的甲面生物膜楔趟的限确性捉了 疑问。据另外的研究栉报道，在气相生物反应器中存在希高度不均匀的生物膜。对生 物滴滤池巾柑对较厚的牛物膜( 2 - 5 咖) 进行观察可以看到t 物腆山3 个区域级成。”， 每个区域的年h 对埠度怂基本不变的。外j 艇( 约占总厚度的5 ) 具彳r 较高的鲰i i 菌含最剐 薷丝密度眦i l 还龠彳- 一些口袋状结构的i f 耋i i f 胞。这些结构土jm ( ，e l 等人3 “发现的 微孔管道棚刈应。中叫i 爰域( 约卜l 总厚度的2 0 ) 的特点是细菌数蕻减少、菌丝数量 增j 丌、没彳r 袋状结构存在，列时还町以观察列线虫的存存。内从( 约占总厚度的7 5 ) 与内质紧密结合在起的薷丝组成，这j 传们内质被薯红染色的能力很弱表喇它缺 少细胞质物质。炳于死去的或是处于饥饿：状态的微生物。在处蔓l i l ：s 取ls ( k 的，j i 物反应 器中( 缺少柏机碳源) 行人量的芹养型的撵俯存在，这利事灾提了一系列关于k 物 降解过私中的乍念学以及碳濒供应的u j 题。 由于刈牛物降解过程中的微牛物进行直接研究存在很多网难，柯很多研究者试罔 从洲接的或肯匙总体的微生物参数，例如撤一质含最和呼吸速率术1 i ) f 究该过程。c o x 等 m 。报通了在个含7 r 酵j = ： 菌l ：i p o p h i a h t 丘i 7 ? s o h n e j 纳降解苯乙烯的化物过滤池。t 的蛋臼质禽量、原磷旨( 细胞巾储藏的诤| l 物质) 的含硪以及有机质的含嫩分彳| ，。这 些物质沿柠_ i 物过滤器高度大约盟均匀分西凡将i i 物膜谶丁照微镜下观察发观，1 物 膜的甲均p # 发靠箔3 5 人是8 0um 到了痢3 0 天增加到2 8 ( ) um - f i l 是埘t 染物的七除 能力并没仃艇之噌j j l l 。在这段刊m 内，乍物过滤器中总的筮向质龠嫩毖术稳定，表l ! j j 活的微小物基本保持、卜稳。山此可以证咧啦物膜的一人部分足山非活。肚微k 物组成的n 营养物的供给限制，讯气和生物膜中的扩散限制。死亡微生物不能较快地矿物化以及 生物过滤法处理挥发性有机物 其它因素的限制( 例如有毒中间产物的存在) 都可能导致微生物的失活，但是引起这 种失活的真正原因目前还不清楚。 1 4 2 4 氧气的限制 c o xe ta 1 。”在实验中利用富含氧气的空气代替普通空气后，生物过滤器的去 除率得到改善，表明了氧气确实是一个制约因素。但是g e s h u s s e s 。4 “3 “却在研究中发 现当进入生物反应器的空气中含氧量增加时，对甲基乙基酮( m e k ) 和甲基异丙基酮 ( m i b k ) 混合物以及对甲苯和乙酸乙酯混合物的去除并没有明显改善。在处理m e k 和 m i b k 的实验中，两种物质降解的相互抑制表明动力学的影响要大于扩散的影响。当进 入反应器的两种物质浓度波动较大时，相互的抑制和自我抑制作用的发生证明了以上 结论的正确性。以上两个相互茅盾的结果表明氧气在生物过滤中的限制作用是在一定 条件下发生的，根据经验估计在去除负荷比较高或者是生物膜比较厚的反应器中，氧 气是明显的限制因素。生物过滤器可以降解一种不能被好氧微生物降解的物质二 氯乙烯，因而可以推断在生物过滤池中偶尔也会有厌氧的微生物环境存在。有的研究 者提倡更进一步的观点，认为在生物滤池中存在厌氧状态，这种厌氧状态甚至可以使 i , l o ，脱硝。在研究中为了形成厌氧的生物膜，可以在被甲苯污染的空气中加入乙炔气体， 但是在这种情况下生物滤池对n 0 ：的去除能力很低因此在工业应用中，若欲使生物滤 池能够处理燃烧后的气体还需要对生物滤池进行深入的研究和进一步的优化。在一般 情况下，生物滤池中都要避免厌氧环境的存在，因为在厌氧状态下存在的臭味物质和 氧气的限制都会降低生物滤池的操作效率。 1 4 2 5 对营养物的需求 目前，对生物滤池系统中营养物的研究主要集中在对氮的研究。”“生物滤池中典 型的氮循环如图卜7 所示。“3 。有机形式的氮存在于填料之中，无机形式的氮( 硝酸根、 亚硝酸根、氨态) 存在于环绕在填料颗粒周围的水中。由于填料的p h 不同，氨态氮可 以以中性状态存在( n t t 、) 也可以和一个质子结合在一起，以n 心+ 的形式存在。水溶液里 中性的氨态氮与气态氨呈平衡状态。氨气的p l ( h 值为9 3 ，表明在大多数生物滤池的p 条件下，氨态氮是以；+ 的形式存在。但是，由于长时间的平衡导致氨含量增加时， 少量的氨也有可能从填料中放出。d e s h u s s e s “”认为在生物过滤过程中，是否需要添 兰塑垫茎鎏竺堡篓篓堡鱼! ! 塑 加附加氮源目前还是一个有争议的问题，因为不同的研究者在不同研究过程中可能会 发现不同结果。 扩 闰1 7 生物滤池中的氮循环 f i g u r et h er e c y c l eo fn i t r o g e ni nt h eb i o f i l t e rs y s t e m m a r c i am o r a l e s 等”的研究结果发现，在生物过滤池中引进气态氨气4 8h 后，对 甲苯的去除负荷从大约1 0g 甲苯m 3 填料小时( g m 3 h - 1 ) 增加到8 0g m - 3 h 叫( 1 0 0 去除) 。随着去除率的增加，产生c 0 2 的量也随之增加。4 天之后去除率逐渐降低，在 3 0g m - 3 h - 1 左右稳定了1 5 天。在第二次引入氨气之后，去除率的增加远远没有第一 次显著，对甲苯的去除能力只增加到4 0g m 。1 h 1 而最后稳定在2 5g m 1 h 1 左右。研究者 认为填料的干燥和分布的不均性是造成氨气在第二次引入后不如第一次有效的原因。 在一个类似的实验中，m o r g e n r o t h 等”“研究了外加氮源对去除正己烷的生物过滤器的 影响。在生物过滤池经过大约1 个月的驯化后，去除率达到了8 0 ，但是在2 个月后 降到了5 0 。在生物滤池中加入富含氮( n o ，+ ) 的溶液，币己烷的去除率增加到9 9 。 在甲苯进口浓度为0 7g m 1 ( 2 0 0 p p m v ) ，表面气速为5 0m h ，空床停留时间为lr a i n 的条件下，正己烷的去除率在两个月内均大于9 9 。因此m o r g e n r o t h 认为生物过 滤池因为氮供应不足而导致操作性能的下降，给生物过滤器加入液态氮源是改善生物 滤池操作的可行方法。s m i t h 等“0 1 的研究可以在某种程度上支持了以上结论。s m i t h 在研究长期降解甲苯的生物滴滤池因微生物过度生长而造成的堵塞现象时发现，利用 n h 。n 作为唯一氮源的生物滴滤池比用n o ：, - - n 作为唯一氮源的生物滤池更加容易发生 堵塞现象从而也使得对甲苯的降解能力较低。 生塑堕些! ! ：竺些型垄塑：鱼! ! 塑 ( 川h h lr l s 等“谯刈以堆肥1 ；f l l 珍珠7 为填料，降解e f 笨的牛物过滤床进行研究时发 现，警i ”苯的便倘趟过3 0g m 一：h1 时。在降解l | 苯微生物墩活跃的区域，微牛物可 利川的氰( 氨态和硝态鲺) 发生1 i 足，从m j 导致，| _ = 物滤池对v o c s 上除能力的卜- 降。微 牛物利j ：1 见机氯合成新的牛物体、n 啦的坡出以n 0 3 一的脱硝等过斧! 均可能导致叮利j _ i ：i 氮的缺乏= 另。方微生物j 利川的氮j 以通过死亡：微生物体的矿化、有机氮矿化 为尤机氯以及外加可济性含氮物质等浆道扶得。纯l 微生物体化为氨念氮足以堆肥 为填料的7 i 物滤池小强循环的1 ：蛭山式。洲使填荆小的有机氮浓搜搬i 讶，西：i i i 笨负衙 微幽盼晴况i 、也会w 为矿化的逃瘦小址以弥补乍物酶解所需的迷嫂而导致操作的恶 化。( ：r j hh i l l s 等= 认为。对长j w 处理有机物的! i - 物滤池，应当确保j e 中存靠足够的川 供微生物利用的尢机瓤他在文浆还给f = 。个仙计允机氮缺乏临界线的力1 法。e 等“。 f l ：处州笨的乍物滤池小刘氯在q - 物降解污染物时的作川进行r 研究，衙 “坫小类似 的结论并解释了不w 研究得出不同络沦鹩垛因。存该项研究中l 瑚聚弧胶酝泡沫f ! 为 卜物滤池的填料，在移j 裟填时各每个反麻器8 - 自禽有不同最的氮。处理过榉发现经 过长划的运 j ：，i 物滤池中氮可能发生动，。学限制。驯仕在i l i 常的操作悄况卜没仃瓤 的抑制发乍，住非稳冬时也秆叫能笈牛。碳项r 作的研究者认为“乍物滤池i | 柴种0 y 养物足夼会发化动力? l 的限制，取决j 污染物进入反应器的巡拨毋l 这种潜卉j 的m 制 一e # 养物址价能够被及时地转变为微生物ir j 以利j h 的形e 。 1 4 2 6 温度和湿度的影响 牛物滴滤过程一1 ，液删在4 i 断椭环，川i n j 小存柏：濉度的控制j u j 题， 一般足丛j 二操作 经济一p ：年”气液接触l | l h j 术考虑液体的流朗速度。对湿度的研究一墩是针对生物过滤 法柬说的+ 微生物) ( = _ | 污染物的降斛过程足个放热过槲，凶而n ：废气的牛物处删h 微小物 新除代埘j 一- 生热量会使得反应器的沂v i d k 域祜，i 度升高同时填料巾水分蒸发，填料 中水分的蕉笈又使得填料温度降低，最后，两种作用的结果使填半1 湿度和温度以及通 过陔睇：域的空7i 湿度达到一个、卜撷状态，这* e l f l , - 9 h 的绝人多数结粜都会使，j ：物反应_ ； ( ，i i 物过滤器) 内水分损火“i 物处圳能力降低ir , i o i 1 i 物过滤池运行过氍t i t 怎样 纠时i 珂l 利仃足够的濉嫂址i u f 门一个难a 。 i l j 1 ：。究了r 1 i j 一5 ( 】的温度范内牛物滴滤池对苯、苯、已，占笨、邻 生物过滤法处理挥发性有机物 甲苯( b t 麟) 降解的降解情况。在温度谯1 5 - - 3 0 之问时，随扑温度的升高b t e x 的去除率增加在3 ( 卜j 0 之f b j 的变化趋势恰好与之相反。在该试验i l i 生物滴滤池的 最佳操作温度范围在1 5 - 3 0 之俐。l l i 还根据自己的实验结果给f 口了在j 5 一j 0 范 围内，不旧负荷情况下的温度系数和反应速率随温度变化的关系式： k 丁= k3 0 0 一l 。一 其中k r 莉i 超。为t 和3 0 时的反应速率，o 是温皮系数。在考察降解率1 9 i 温发变 化的同时该项t 作的研究者还埘雀物滴滤器进i - i 端的微乍物进行了鼹微镜观察，在 1 5 、3 0 和5 0 时细菌的主要形态分剧为丝状、朴状和球状。 在处理事内大气州由于其中的污染物浓度很低，生物过滤受温度影响的舰律有 所小同。祚一个研究小物过滤法处理室内个4e 中的甲苯、乙基苯年e | = i 苯 4 s l i l q 实验中， 发现最佳的处理温度夼2 0 以下往这种较低的温度下，微生物的活性比较高温度下 有所降低。返：种现象说明，在处理室内火。钏寸，操作效率的降低并不是冈为温度的限 制丽是受剑基顷的限捌。在较低的温度下，v o c s 在水中的分配系数增加，溶解发的增 加带来的 ； ；响超过了卜物活住降低所带水的影响，从而使得 i 物过滤池的公除率增加。 在处理工业废，气时，订l f 重会遇到废气的濉度较高但是义刁i 具有网收价值的情况，心j m 研究高温f 微，j 三