（环境科学与工程专业论文）生物过滤法净化有机废气.pdf

北京化工人学硕：l ：学位论文 化能力比较好，所含微生物量足够净化实验浓度范围的甲醛废气。实验浓 度范围内，填料对甲醛的去除效率随着含水量的增加而增大，增加填料含 水量可有效提高生物过滤塔的净化能力。考察吊兰根系对生物过滤法净化 甲醛效果的影响，结果表明，吊兰根尖处的甲醛净化效果最大。当进口甲 醛浓度低于0 3 9 m 3 时，l o c m 厚度填料生物过滤器的去除效率大于9 8 ， 出口浓度低于0 0 3g m 3 ，符合国家排放标准。 ( 3 ) 采取混合材料作为填料，在栽种吊兰部分和未栽种吊兰部分生 物过滤处理苯有机废气过程中，填料的厚度对苯净化效果有很大的影响。 低浓度范围内，l o c m 厚度的填料单位体积内的生物量对甲醛的净化能力 比较好。高浓度范围内，2 0 c m 厚度的填料单位体积内的生物量对甲醛的 净化能力比较好。考察吊兰根系对生物过滤法净化苯废气的影响时，发现 低浓度范围内，栽种吊兰部分和未栽种吊兰部分3 0 c m 厚度的填料对苯的 去除效率均稳定在1 0 0 ，没有差别。高浓度范围内，栽种吊兰部分的3 0 c m 厚度的填料对苯的净化效率高于未栽种吊兰部分。当进口苯浓度低于 2 7 2 9 m 3 时，栽种吊兰部分2 0 c m 和3 0 c m 厚度填料可完全净化苯，达标 排放。未栽种吊兰部分，当进口苯浓度低于1 2 7 9 m 3 时，3 0 c m 厚度填料 苯的出口浓度为o g m 3 ，可达标排放。 关键词：v o c s 有机废气；生物过滤法；吊兰；填料 a b s t i d c t r e s e a r c ho nt h ep u r i f i c a t i o no fv o c s b yb i o f i l t r a t i o n a b s t r a c t b i o f i l t r a t i o ni sr a r e l yr e s e a r c h e da tp r e s e n t ，e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no ft h e f i l t e ra n de f f e c tw i t ht h e s e l e c t i o na n dp r o p e r t i e so fp a c k i n g t h em a jo r o b j e c t i v e so ft h i sw o r kw e r et os e e ks u i t a b l eb i o l o g i c a lp a c k i n gm a t e r i a lf o r b i o f i l t r a t i o nt r e a t m e n to ff o r m a l d e h y d ea n db e n z e n e ，a n dt o e x p l o r e a c o n v e n i e n ta n de f f e c t i v eo fr e a c t o r t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fo r d i n a r ys o i l a n dm i x e dm a t e r i a lw e r et e s t e di nt h i sw o r k ，a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c i e so f f o r m a l d e h y d ei nb i o f i l t e rp a c k e dw i t ho r d i n a r ys o i la n dm i x e dm a t e r i a l s e p a r a t e l y w e r e c o m p a r e d f u r t h e r m o r e ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c i e so f f o r m a l d e h y d ea n db e n z e n ew i t hp a c k i n gt h i c k n e s s ，w a t e rc o n t e n to fp a c k i n g m a t e r i a la n ds p i d e rp l a n tr o o tw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h em a i n c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ew a t e rc o n t e n t ，t o t a lo r g a n i cc o n t e n ta n dp e r m e a b i l i t i e so ft w o d i f f e r e n tp a c k i n gw e r ec o m p a r e di nt h i sw o r k ，w ef o u n dt h a tt h em i x t u r eo f o r g a n i cs o i l 、v e r m i c u l i t ea n dc e r a m i ch y b r i dm a t e r i a l sw e r eb e t t e rt h a nn o r m a l s o i l u n d e rt h es a m eo p e r a t i o na n df o r m a l d e h y d ei n l e tc o n c e n t r a t i o n ，t h e f o r m a l d e h y d ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo f m i x t u r em a t e r i a lw a sa l s oh i g h e rt h a n n o r m a ls o i l ( 2 ) i nt h i se x p e r i m e n t ，w ec h o o s et h em i x t u r em a t e r i a la sb i o l o f i l t e r 北京化工大学硕仁学位论文 p a c k i n g t h ef o r m a l d e h y d ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n dp u r i f i c a t i o nr a t ew i t h d i f f e r e n tp a c k i n gt h i c k n e s sw e r ec o m p a r e d a tt h ee x p e r i m e n t a lc o n c e n t r a t i o n r a n g e ，t h ef o r m a l d e h y d ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c y w i t h5 c mp a c k i n gw a s s m a l l e s t ，a n dp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c i e sw i t h10 c m ，2 0 c mp a c k i n gw e r em o r e t h a n9 0 ，t h ef o r m a l d e h y d ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yw i t h10 c mp a c k i n gw a s t h el a r g e s td u r i n gt h i se x p e r i m e n tw h i c hm e a n sp u r i f i c a t i o na b i l i t yo f10 c m w a sb e t t e ra n dt h em i c r o b i a lb i o m a s sc o n t e n t sw a se n o u g h t h ef o r m a l d e h y d e p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s ew i t hp a c k i n gw a t e r c o n t e n ta tt h ee x p e r i m e n t a l c o n c e n t r a t i o n r a n g e ，i n c r e a s e i nt h ew a t e rc o n t e n tc a ni n c r e a s et h e f o r m a l d e h y d ep u r i f i c a t i o na b i l i t yo fb i o l o f i l t e r t h ee f f e c to ff o r m a l d e h y d e p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yb ys p i d e rp l a n tr o o tw a ss t u d i e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ef o r m a l d e h y d ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yw i t ht i p so fp l a n tr o o tw a st h e b e s t w h e nt h ef o r m a l d e h y d ei n l e tc o n c e n t r a t i o nw a sl o w e rt h a n0 3 9 m 3 ，t h e f o r m a l d e h y d ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo fb i o f i l t e rw i t h10 c mp a c k i n gw a sm o r e t h a n9 8 ，t h ef o r m a l d e h y d eo u t l e tc o n c e n t r a t i o nw a sl e s st h a n0 0 3g m 3a n d m e e tn a t i o n a ls t a n d a r d s ( 3 ) c h o o s i n gt h em i x t u r em a t e r i a la sb i o l o f i l t e rp a c k i n gi nt h i ss t u d y ， p a c k i n gt h i c k n e s sh a dg r e a te f f e c t s o nb e n z e n ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo f b i o l o f i l t e rw i t hs p i d e rp l a n ta n dw i t h o u ts p i d e rp l a n t t h eb e n z e n ep u r i f i c a t i o n e f f i c i e n c yw i t hb i o m a s sc o n t e n to f10 c mp a c k i n gm a t e r i a lw a sb e t t e ra tl o w b e n z e n ei n l e tc o n c e n t r a t i o n a n dt h eb e n z e n ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yw i t h b i o m a s sc o n t e n to f2 0 c mp a c k i n gm a t e r i a lw a sb e t t e ra th i g hb e n z e n ei n l e t i v a b s t r a c t c o n c e n t r a t i o n t h ee f f e c to fb e n z e n ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yb ys p i d e rp l a n t r o o tw a ss t u d i e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h e r ei sn od i f f e r e n ta n dt h eb e n z e n e p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yw e r e10 0 s t e a d i l yw i t h3 0 c mp a c k i n gt h i c k n e s sa t s p i d e rp l a n te x p e r i m e n ta n dn os p i d e rp l a n te x p e r i m e n tw h e nt h eb e n z e n ei n l e t c o n c e n t r a t i o nw a sl o w b u tw h e nb e n z e n ei n l e tc o n c e n t r a t i o nw a sh i g h ， b e n z e n ep u r i f c a t i o ne f f i c i e n c yw i t h3 0 c mp a c k i n gt h i c k n e s sa ts p i d e rp l a n t e x p e r i m e n tw a sh i g h e rt h a nn os p i d e rp l a n t a tt h es p i d e rp l a n te x p e r i m e n t ， t h eb e n z e n ew a s t eg a sc a nb ep u r i f i e dc o m p l e t e l yb yb i o l o f i l t e rw i t h2 0 c ma n d 3 0 c m p a c k i n g a n dr e a c hn a t i o n a ls t a n d a r dw h e nt h eb e n z e n ei n l e t c o n c e n t r a t i o nw a sl o w e rt h a n2 7 2 9 m 3 a tn os p i d e rp l a n te x p e r i m e n t ，t h e b e n z e n ew a s t eg a sc a nb ep u r i f i e dc o m p l e t e l yb yb i o l o f i l t e rw i t h2 0 c ma n d 30 c m p a c k i n g a n dr e a c hn a t i o n a ls t a n d a r dw h e nt h eb e n z e n ei n l e t c o n c e n t r a t i o nw a sl o w e rt h a n1 2 7 9 m 3 k e yw o r d s ：v 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 ) ；b i o f i l t r a t i o n ；s p i d e r p l a n t ( c h l o r p h y t u mc o m o s u ml ) ；p a c k i n gm a t e r i a l v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：墨怔 日期：丝丝五羔一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： e l 期：z ! 怂6 ：羔 日期：塑! ! ：笸：圣 第章生物法处理有机废气的研究进展 第一章生物法处理有机废气的研究进展 1 1 有机废气污染 环境问题已成为一个全球性问题，大气污染是环境问题中最为突出的问题之一， 而工业废气是大气污染物的重要来源。随着工业的迅速发展，大量的挥发性有机化合 物( v o c s ) 从各种工业活动中排放到大气中，形成有机废气，未经处理排入大气后， 会带来严重的大气污染，危害人体健康，影响动植物的正常生长，而且环境污染也严 重制约了经济发展和人民生活水平的提高【l 】。随着有机合成工业和石油化工工业的迅 速发展，进入大气的挥发性有机化合物越来越多。挥发性有机化合物简称v o c s ( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) ，是指在常温下饱和蒸气压大于7 0 p a 、常压下沸点在 2 6 0 以内的化合物，它一般是作为溶剂使用后而进入大气中，也广泛的存在于水和 土壤中，形成污染【2 】【3 1 。这些物质主要有硫化氢、硫醇类、硫醚类、氨、胺类、吲哚 类、硝基化合物、烃类、醛类、脂肪酸类、醇类、脂肪酸类、醇类、酚类、酯类以及 有机卤系衍生物等。它们往往带有恶臭，不仅对人体和各种感官有刺激作用，而且具 有一定的毒性，有些会产生“三致”效应，对人体和环境产生极大的危掣4 1 。工业废 气中最难处理的就是有机废气，有机废气通过呼吸道和皮肤进入人体后，能给人的呼 吸、血液、肝脏等系统和器官造成暂时性和永久性病变，尤其是苯并芘类多环芳烃能 使人体直接致癌，已经引起人类的高度重视。联合国于1 9 9 1 年通过了有关v o c s 跨国大气污染议定书，针对v o c s 跨国污染做出了规定，要求签证国以1 9 8 8 年v o c s 排放量为基准，到1 9 9 9 年每年消减3 0 。1 9 9 0 年美国通过的清洁空气法修正案中， 在严格控制的1 8 9 种大气污染物中，7 0 为挥发性有机化合物。低浓度的有机废气通 常产生于食品工业、水产业、石化行业、农业( 家禽的饲养) 以及垃圾沥出物等的处 理中f 5 】o 1 1 1 有机废气的来源 有机废气主要来源于石油和化工行业生产过程中排放的废气，特点是数量较大， 有机物含量波动性大、可燃、有一定毒性，有的还有恶臭，而氯氟烃的排放还会引起 臭氧层的破坏。总结起来，v o c s 的来源主要有3 个方面：( 1 ) 固定源，如石油化工 和农药、医药、染料及其中间体等生产过程中排放的废气，油漆、涂料生产和制革等 工艺中挥发的有机溶剂；( 2 ) 移动源，主要来自汽车等燃油交通工具排放的尾气：( 3 ) 北京化工大学硕士学位论文 家庭排放的油烟，含有很多v o c s 。有机溶剂的种类主要有脂肪族、芳香族、卤代烃、 酮和醇、酯和醚等。 石油和化工工厂及石化产品的存储设施，印刷及其他与石油和化工有关的行业， 使用石油、石油化工产品的场合和燃烧设备，以石油产品为燃料的各种交通工具都是 有机废气的源头。据美国e p a 报道，1 9 9 5 年，美国共排放v o c s 为2 2 9 0 万t ，中国 目前尚无具体的排放数据报道，但根据1 9 9 6 全国共使用溶剂近2 6 0 万t ，其中涂料7 0 万t 、医药3 0 万t 、农药3 5 t 、橡胶2 0 万t 、胶黏剂1 5 万t ，可以看出，有机溶剂的排 放量是相当巨大的。同时根据世界环保组织的报道，世界范围内污染最严重的l o 个 城市中，中国就占了7 个，由此可见亟需改善v o c s 的排放和控制【6 】。 1 1 2 有机废气的危害 随着现代工业的发展，大量有害物质被排放到大气中，对大气造成了巨大污染， 并且严重危害了人类的健康以及生态环境。众多的大气污染物中，挥发性有机污染物 以其来源广、危害大的特点成为了仅次于颗粒污染物的第二大大气污染物【j 7 1 。 有机废气对人体的危害表现在多方面，不同行业有机物废气毒性也是各不相同， 其中工业废气中l o 种常见的对人体的危害主要表现在以下几个方面：苯类有机物多 损害人的中枢神经，造成神经系统障碍，当苯蒸气浓度过高时( 空气中含量达2 ) ， 可引起致死性急性中毒；多环芳烃有机物具有强烈的致癌性；苯酸类有机物能使细胞 蛋白质发生变形或凝固，致使全身中毒；有机磷化合物降低血液中胆碱酯酶的活性， 使神经系统发生功能障碍；有机硫化合物中，低浓度硫醇可引起不适，高浓度可致人 死亡；含氧有机化合物中，吸入高浓度环氧乙烷可致人死亡；丙烯醛对粘膜有强烈的 刺激；戊醇可以引起头痛、呕吐、腹泻等；腈类有机物可引起呼吸困难、严重窒息、 意识丧失直至死亡；有机物硝基苯影响神经系统、血相和肝、脾器官功能，皮肤大面 积吸收可以致人死亡；芳香胺类有机物致癌；二苯胺、联苯胺等进入人体可造成缺氧 症；有机氮化合物是致癌危险品。 v o c s 还与n o x 在光合作用下，发生光化学反应，引起光化学烟雾，通过吸收红 外线引起温室效应【8 】。 1 2 有机废气治理技术现状 总的说来，有机废气的处理方法主要有两类：一类是回收法，即通过物理方法， 在一定温度、压力下，用选择性吸附剂和选择性渗透膜等方法来分离挥发性有机化合 物( v o c s ) ，主要包括活性炭吸附、冷凝法、变压吸附和生物膜法等；另一类是消 除法，即通过化学或生物反应，用光、热、催化剂和微生物等将有机物转化为水和二 2 第一章生物法处理有机废气的研究进展 氧化碳，主要包括热氧化、催化燃烧、生物氧化、电晕法、等离子体分解法、光分解 法等【9 】【10 1 。 1 2 1 活性炭吸附法 吸附法作为传统的v o c s 净化方法，在治理工业有机废气污染方面也是常用的方 法之一。在吸附法中，最常用的吸附剂是活性炭，其它吸附剂( 如沸石) 的应用币逐 渐受到重视。目前我国对于浓度较低的气相污染物的净化手段主要为吸附法，应用活 性炭的强吸附性吸附污染物，其具有去除效率高、处理工艺成熟和能耗低等优点，但 当废气中有胶粒物质或其它杂质时，活性炭的吸附孔容易堵塞，从而使吸附剂失效 【l 。活性炭多呈粉末或颗粒状，大部分情况下不能直接用于各种净化设备中，必须使 活性炭具有一定形状和支撑强度才能使用，经过特殊的工艺处理后，活性炭能产生丰 富的微孔结构，这些人眼看不到的微孔能够依靠分子力，吸附各种有害的气体和液体 分子，从而达到净化的目的。活性炭吸附过程包括吸附净化和热脱再生2 。吸附净化 的过程是将有机废气经由排气风机送入吸附床，有机废气在吸附床被吸附剂吸附而使 气体得到净化，最后净化后的气体排向大气即完成净化过程；热脱再生过程则是当吸 附床的吸附剂所吸附的有机物达到最大允许吸附量时，该吸附床已经不能再进行吸附 操作而转入脱附再生。脱附再生过程是用来自催化的热空气吹扫吸附剂，使吸附剂的 有机物脱附出来达到使吸附剂的吸附能力再生的目的。活性炭吸附法适用于大风量、 低浓度、温度不高的有机废气治型1 3 】。由于该法工艺成熟，效果可靠，易于回收有机 溶剂等优点，因此被广泛地应用于化工、喷漆、印刷、轻工等行业的有机废气如苯类、 酮类的治理。 在工业吸附过程中，活性炭是使用最广泛的一种吸附剂，但它也存在不耐高温、 在湿润的条件下不能保持很好的吸附能力、易燃、较快达到饱和吸附而失去效用和吸 附剂需定期更换的缺点；其次，吸附法会产生二次固体或液体污染物【1 4 1 。 1 2 2 催化燃烧法 “催化燃烧”法治理有机废气，以催化燃烧代替传统的火焰燃烧，降低了燃烧温 度，提高了能量利用率。另外，催化燃烧产生的热流温度适中，无需冷却空气的稀释， 大大提高了热效【1 5 】【1 6 3 。这种方法的不足之处是，有些气体燃烧条件非常苛刻，需高温、 高空和高水蒸汽分压，因此催化剂必须具备较高的活性、高热稳定性和较高的水热稳 定性，以及一定的抗中毒能力【l n 。而通常催化剂活性与稳定性是相矛盾的，另外该法 对机械强度要求也较高，要求能抗冲刷和热冲击。目前研究较多的是p d 、p t 、r h 、 a u 等贵金属催化剂和金属氧化物催化剂。 3 北京化工大学硕上学位论文 1 2 3 生物法 生物法是指利用微生物吸附和分解有机物的方法，该法可在常温常压下进行，具 有工艺设备简单可靠、运行稳定、管理操作简单、能耗低、投资运行费用低、无二次 污染和净化效果好等优点。按照传统生物膜理论，生物法处理有机废气一般要经历以 下四个步骤：废气中的有机污染物首先与水接触，并溶解于水中；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，进而被微生物捕获并吸 收；微生物以有机物为能源或碳源进行生长代谢，从而将其分解为简单无毒的无机 物( 如c 0 2 和h 2 0 ) 和低毒的有机物；生物代谢产物一部分重新回到液相，一部分 气态物质( 如c 0 2 ) 脱离生物膜，通过扩散进入大气。依据该理论，生物净化有机气 体的速率主要取决于气相和液相中有机物的扩散速率及生化反应速率【l 8 】【l9 1 。该法是针 对既无回收价值又严重污染环境的中低浓度的有机废气的处理而研究开发的，尤其针 对大气量、低浓度、生物降解性好的v o c s 具有良好的适用性和经济性。 1 2 4 高级氧化法 高级氧化方法( 技术或流程，简称a o t 或a o p ) 是指产生o h 过程，以及产 生的o h 诱发一系列的o h 链反应，攻击各种污染物以及微生物，直至降解为c 0 2 、 h 2 0 和无机盐，实现零环境污染，零污染物排放。先进氧化方法是在不断提高o h 的 产生效率和应用效率的基础上发展起来的【2 0 1 【2 1 1 。概括地说，能够产生羟基自由基的工 艺都可以进入高级氧化技术工艺的范畴，如臭氧氧化技术、过氧化氢氧化工艺、二氧 化氯氧化工艺、紫外辐照工艺、超声氧化工艺、微波工艺等。由于高级氧化工艺具有 氧化性强、并相继开展了该方法的研究与开发工作【2 2 】【2 3 1 。 对于有机气体的净化机理，无论是广泛采用的传统处理方法，还是新开发的处理 技术，都要考虑到应用的实效性。目前，除了推广传统工艺外，应重点开发新的技术， 以达到提高去除效率、降低投资运行费用，减少二次污染的目的。随着有机产品的大 量使用，有机物污染已引起世界各国的高度重视，控制该类污染已成为各国的项义 不容辞且刻不容缓的任务。我国是一个发展中国家，面临经济发展和环境保护的双重 任务。为促使经济、社会、环境的协调发展，开发经济有效的有机物的净化处理技术 已成为我国解决有机物污染的重要课题。在目前已经开发应用的处理技术中，先进氧 化方法降解有机气体适合我国国情，在国内有机废气治理领域更具发展前途。 1 2 5 纳米材料光催化分解法 纳米材料光催化分解有机废气是一项新兴的技术，它是随着纳米材料的兴起而被 4 第一章生物法处理有机废气的研究进展 关注的。它是利用纳米材料的纳米粒子( 如t i 0 2 、z n o 、f e 2 0 3 、c d s 、w 0 3 等) 在一 定波长光的照射下产生电子跃迁和空穴作用及水蒸汽存在下产生o h ，将v o c s 最 终降解成c 0 2 和h 2 0 或其它离子( 如c l 。) 。t i 0 2 是公认的光反应最佳催化剂，其以 价廉无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好而最为常用。已有采用纳米材料光催 化分解技术初步处理烷烃、醇、醛、酮、芳香族和卤代物的研究。此技术还主要处于 试验研究阶段1 2 4 】。 1 2 6 电晕法 电晕法技术起始于废气中s 0 2 、n o x 等的脱除，近几年才被逐步应用到有机废气 的处理上，并在机理、处理效率、反应器等方面进行了一些研究f 2 5 】【2 6 】。v o c s 进入带 高电压的反应器，通过前沿陡峭、脉带窄的高压脉冲放电，在常温常压下可以产生大 量高能电子和o 、o h 等活性自由基，可与v o c s 分子进行氧化降解反应，使其最终 转化为无害物质。该法对芳烃类v o c s 的处理效率较高，并且目前脉冲电晕放电法处 理v o c s 废气的研究大多还停留在实验室阶段，此法适用于低浓度v o c s 废气。 1 2 7 臭氧分解法 臭氧分解法和等离子体分解法两种方法是用在处理有机废气上的新型方法，有关 这样两种方法的报道目前很少，国外和国内几乎未见有关臭氧分解法处理含v o c s 的 废气处理研究，而关于其机理的报道则更岁2 7 1 。现阶段，国外用臭氧分解法净化废气， 也只是简单的实验室尝试。该法的优点是对v o c s 废气可彻底氧化分解，缺点是臭氧 发生器能耗高，处理费用高，而且对人体和周围环境可能造成危害。 1 3 生物法处理低浓度有机废气概论 我国目前只对高浓度有机废气采取了净化处理措施，如催化燃烧法、吸收法、吸 附法等，但对于低浓度工业有机废气至今尚未采取有效的治理措施。生物化学法针对 工业低浓度、无回收价值又严重污染环境的有机废气而开发出的一种新型废气处理方 法。生物化学法应用在废水处理领域已有百年历史，但利用微生物处理废气的历史则 很短【2 引。自8 0 年代末起，国内外的环保工作者越来越关注利用生物法去除气态污染 物的处理工艺，并逐渐成为世界工业废气净化研究的前沿热点课题之一。德国、荷兰 及日本等国在脱臭及近几年的有机废气净化实践中已有一些成功的范例，据1 9 9 1 年 统计，欧洲有5 0 0 多座生物滤池在运行，大部分的处理效率在9 0 以上。国内生物法 去除气态有机废气的研究方面尚处于起步阶段，可预见到生物法处理有机废气技术在 5 北京化工大学硕士学位论文 大气污染控制领域具有广阔的应用前景。根据具体的v o c s 废气的来源、组成、性质 以及具体的处理要求，可以选用不同的处理方法。生物法由于其在技术和经济上的优 越特点而具有良好的发展和应用前景。 1 3 1 工作原理 有机废气的生物净化过程实质上是微生物在适宜环境条件下的生命活动，利用废 气中的v o c s 作为其生命活动的能源和养分，经过微生物的代谢作用，将废气中的有 害物质转变为简单的有机物( c 0 2 和h 2 0 ) 及细胞质。 目前在世界上公认影响较大的是荷兰学者o t t e n g r a t f 2 9 】依据传统的双膜理论提出 的生物膜理论，另外一种是p e d e r s e n 、孙佩石【3 0 】等根据吸附理论提出的吸附生物膜理 论，根据新理论，生化法净化低浓度挥发性有机废气一般要经历以下几个步骤( 如图 1 1 【3 l j 所示) ： ( 1 ) 废气中的挥发性有机物扩散通过气膜并被吸附在湿润的生物膜表面； ( 2 ) 吸附在生物膜表面的有机污染物成分被其中的微生物捕获并吸收； ( 3 ) 进入微生物细胞的有机污染物在微生物体内的代谢过程中作为能源和营养物质 被分解，经生物化学反应最终转化为无害的化合物，例如c 0 2 和h 2 0 。 气 流 主 体 气液生物 图1 - 1 生物膜理论示意图 f i g 1 1t h es k e t c hm a po f b i o f i l m 用来进行气态污染物降解的微生物可分为自养菌和异养菌两类。自养菌可在无机 碳和氮的条件下靠硫化氢、硫和铁离子及氨的氧化获取能量，其生存所必需的碳由二 氧化碳通过卡尔文循环提供。异养菌则通过有机物的氧化来获得营养物和能量，适合 进行有机物的转化，在适当的温度、酸碱度和有氧的条件下，可较快地完成污染物的 降解。 6 第一章生物法处理有机废气的研究进展 1 3 2 挥发性有机废气生物法处理工艺 目前开发和应用的生物处理设备生物过滤池( b i o f i l t e r ) 、生物滴滤塔 ( b i o l o g i c a lt r i c k l i n gf i l t e r ) 和生物洗涤器( b i o s c r u b b e r i n g ) ，实际上也是一种活性污 泥处理工艺。人们是根据这三套系统的液相运转情况和微生物在液相中的状态将它们 区分出来的。 1 3 2 1 生物过滤法 生物过滤法处理工艺研究最早，且技术比较成熟。有机废气从反应器下部进入， 通过附在填料上的微生物，被氧化分解为c 0 2 、h 2 0 、n o 孓和s 0 4 2 。，达到净化的目的。 生物滤池的填料多种多样，通常有土壤、堆肥和泥碳等，与一些比表面积大、孔隙率 大或表面粗糙的惰性材料混合在一起，以保持床层填充均匀和减小对气流的阻力。如 下图所示为生物过滤法的工艺流程示意图【3 1 1 。 图1 - 2 生物过滤法工艺流程示意图 f 蟾1 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f b i o f i l t r a t i o ns y s t e m 1 3 2 2 生物吸收法 该法由两部分工艺组成，一部分是废气吸收段，即有机废气从反应器下部进入， 向上流动与喷淋的含微生物的悬浮液在惰性填料层接触，气相中的污染物质被传递到 液相中并被微生物所吸收，净化后的空气从反应器上部排出。另一部分为悬浮液再生 段，即活性污泥曝气池，悬浮液从反应器的底部流入该段，污染物被生物氧化得到再 生，再生后的悬浮液又从吸收塔上部喷入，吸收废气中的污染物，反复循环运行。由 于该工艺的吸收和生物氧化在两个独立单元进行，易于分别控制，达到各自的最佳运 行状态，如下图1 3 所示为流程示意刚3 l j ： 7 北京化工大学硕士学位论文 、池 图1 - 3 生物洗涤法工艺流程示意图 f i g 1 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f b i o s c m b b e rs y s t e m 1 3 2 3 生物滴滤法 生物滴滤法工艺集生物吸收和生物氧化于一体。像生物吸收法一样，吸收液在反 应器中循环，与进入反应器的废气接触，吸收废气中的污染物质，达到废气净化的目 的。但反应器中的填料上生长有生物膜，与生物滤池原理一样，对气相和液相中的污 染物质进行生物氧化( 见图1 4 【3 l 】) 图l - 4 生物滴滤法工艺流程示意图 f i g 。l - 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f b i o t r i c k i n gf i l t e rs y s t e m 三种生物法处理挥发性有机废气的工艺性能比较如下表所示【3 2 】： 工艺优点缺点适应范围 生物过滤池处理能力大，设备占地面积大，废气气量大，浓度低 少，操作方便，工体积流量低，只能的v o c s 艺简单，能耗少，处理低浓度污染 投资运行费用低，物，过程不能控 对混合型v o c s 的制，基质浓度高 去除效率高，具有时，生物量增加快 较强的缓冲能力，而易堵塞滤料，影 无二次污染响传质效果 8 第一章生物法处理有机废气的研究进展 生物滴滤塔处理能力大，低投操作要求高，不适气量大、浓度低、 资成本，低运行成合处理人口浓度有机负荷较高以 本，有能力调节高和气量波动大及降解过程中产 p h ，可以增加营养的v o c s ；过滤床酸的v o c s 物质，不易堵塞的使用时间有限， 要求中间的空隙 大，不能使用过多 生物量 生物洗涤器能较好控制其中高投资成本，高运气量小，浓度高、 的过程，污染物高行费用，设备多， 易溶、生物代谢 集中的转移，过程需外加营养物质，速度较低的 适合于建模，有很能产生过多的生 v o c s 高的操作稳定性，物量，水的处理时 填料不易堵塞，相个难题，在吸附阶 对小的占地面积段可能会堵塞 1 3 3 国内外生物法处理废气的研究应用进展 生物法处理废气的工业应用最早是美国的p o m e r o y r d ，他于1 9 5 7 年申请了利用 土壤处理硫化氢的专利，即向4 0 一- - 6 0 c m 深度的土壤里导入恶臭气体，以缓慢的速度 使气体通过土壤，使废气浓度降低。1 9 5 9 年，在联邦德国的一个污水处理厂建立了一 个填充土壤的生物过滤床，用于控制污水输送管道散发的臭味。目前，生物法处理有 机废气在德国、荷兰、美国和日本等国已得到广泛的应用，其中生物滤池和生物滴滤 塔技术已经十分成熟。在美国、德国和荷兰有5 0 0 多套生物滤池工业装置，b a y e ra g ， b r a i n t e c hg m b h ，r o t h ，b i o t e g ，h h a s ，m o n s a n t o 等公司提供的成套装置已经成功运 用于处理在酿酒厂、食品加工厂、化工厂和烟草生产厂等地方中产生的有机废气，它 们对于v o c s 的去除率在5 0 - - - 9 9 之间。我国从2 0 世纪9 0 年代起，各高校和研究 机构也开展了生物处理v o c s 废气的研究。汪群裂3 3 】等采用装有z x 0 2 型特制填料的 生物滴滤塔，对某药厂青霉素生产车间精馏残液挥发出的含醋酸丁酯、正丁醇和苯乙 醇等复杂多组分的混合有机废气，进行中试规模的动态连续处理。当该药厂正常排放 有机废气时，生物滴滤塔能有效去除混合废气中v o c s ，特别是当醋酸丁酯、正丁醇 和苯乙酸的最大进气质量浓度分别小于2 0 0 0 0 m g m 3 、2 4 0 0 0 m g m 3 和3 7 0 m g m 3 时，其 去除率分别大于9 5 、9 2 和接近1 0 0 。余敏等 3 4 】报道的某制药厂生物滴滤处理兼 氧池高浓度恶臭废气工程装置。兼氧池恶臭成分主要是h 2 s ，同时含有甲苯及四氢呋 喃等气态有机物。设计进气量为8 0 0 0 m 3 h ，有效平均空床停留时间为1 2 o s ，但h 2 s 进气质量浓度为3 9 4 2 6 - 7 7 6 5 2 m g m 3 、平均为5 2 4 3 6m g m 3 时，h 2 s 去除率保持在 8 6 5 3 - - 9 4 7 9 ，平均去除率为9 0 6 0 ；去除负荷为5 9 1 4 - - - 1 2 2 6 3 9 ( m 3 h ) ，平均 去除负荷为8 1 4 7g ( m 3 h ) 。酸性环境抑制了甲苯、四氢呋喃氧化菌的活性，v o c s 9 北京化工大学硕士学位论文 的去除效果受到了影响。对甲苯和四氢呋哺的平均去除率为6 6 8 4 和5 9 8 9 。孙丽 欣【3 5 】等模拟用冷却塔加生物滴滤塔的方法对烹调油烟进行处理，生物滴滤塔对油烟气 的去除效率在7 5 左右，整个系统对油烟气的总去除效率在9 1 以上。杨虹1 3 6 j 等利用 生物滴滤器处理味精厂挥发性恶臭废气，试验表明以沸石为填料的生物滴滤器能较好 地处理成分复杂的挥发性恶臭气体，在进气量 3 0m 3 h 、p h 为7 0 8 0 、喷淋水量为 2 0 l h 、温度为2 0 , - - , 2 5 。c 的条件下，系统除臭效果较好，能将臭气强度从4 - - 5 级降 至0 级。 1 3 4 生物法处理有机废气存在的问题及研究方向 有机废气生物处理是一项新的技术，由于反应器涉及到气、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，许多问 题需要进一步探讨和研究。 ( 1 ) 目前，生物法仅限用于处理低浓度有机废气，如何将这些技术和方法用于高浓 度有机废气的治理有待于研究。 ( 2 ) 影响污染物去除效率的关键过程是将污染物从气相转移到液相中，目前的大部 分研究室对于易溶物和易降解污染物进行处理，在实际应用中将会受到一定的限制， 开发出适合于难降解和疏水性污染物处理工艺就显得尤为迫切。利用基因工程技术开 发出高效的降解菌种；添加一定的有机溶剂提高疏水性污染物的溶解性，无疑都会提 高污染物的净化率。 ( 3 ) 生物法所用填料的比表面积、孔隙率等直接影响反应器的生物量以及整个填充 床的压降及填充床是否易堵塞问题，污染物完成从气相到液、固相传质过程，在两相 中的分配系数是处理工艺可行性的决定因素。因此，改善生物滤料、填料的物理性能 和使用寿命，以节省投资和能耗。 ( 4 ) 实现自动控制，提高对各运行参数的控制能力，降低维护费用和发生故障的次 数。 ( 5 ) 在原有菌种的基础上通过选择最佳生长条件，筛选出能高效降解各种恶臭有毒 气体的优势菌种，从而缩短反应启动时间，加快生物反应进程，提高处理效率。 1 3 5 生物过滤法 生物过滤法相较于传统处理技术( 如冷凝法、吸收法、吸附法、燃烧法等) 具有 工艺设备简单、投资运行费用低、操作方便、无二次污染等优点，从而成为具有良好 经济性和前景的v o c s 处理技术，特别是在处理低浓度、大气量的v o c s 废气时，生 物过滤法更能显示其优越的经济效益和环境效益。目前，采用生物过滤法处理v o c s 第一章生物法处理有机废气的研究进展 已成为净化工业废气研究的前沿热点。 生物过滤法作为一种废气的处理方法最早是6 0 年代应用在处理恶臭气体。到了 8 0 年代，才真j 下用来处理v o c s 废气，目前生物过滤法己成功地处理低浓度下单一或 几个简单组分v o c s 废气。在处理具