生物膜法在废气中有机物去除的应用现状及发展趋势论文.pdf

第 4 2卷第 3期 2 0 1 4年 2月 广州化工 gu a n g z h o u c h e mi c a l i n d u s t r y vo l _ 42 no 3 fe b 201 4 生物膜法在废气 中有机物去除的应用现状及发展趋势 水 郦琪 ，曹文平 ，张学杨 ，韩锡荣 ，黄浩 ，周大众 ( 徐 州工程学院环境工程学院 ，江苏徐 州 1 2 2 1 1 1 1 ) 摘 要 ：当今社会有机废气污染治理已经成为大气污染防治工作的重点内容之一。首先 ，综合性叙述了含有有机物的废气 主要来源，对人体、对环境、对生态危害。其次 ，探讨了生物膜法去除废气中有机物的作用原理 、研究现状和当今该技术在运用 过程中的不足之处；最后从生物膜填料 、生化反应动力学和优势种群的研究等 3个方面分析了生物膜法有机废气处理工艺发展趋 势 ，为生物膜法在废气中有机物去除中的应用提供一定参考。 关键 词 ： 有机废气 ； 生物膜法；生物处理；生物填料 中图分类号 ：x 7 0 1 文献标志码 ：a 文章编号 ：1 0 0 1 9 6 7 7 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 1 8 0 3 app l i c a t i o n s t a t u s a nd de v e l o p m e nt tr e n d o f bi o fil m i n t he ex ha us t ga s o f or g a ni c m a t t e r re mo v a l q i ， c a o w e n p ， ， z h a ng x u e y a n g， h a n x i r o n g， hu a n g h a o ， z h ou d a z h o n g ( s c h o o l o f e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e ri n g ， x u z h o u i n s t i t u t e o f t e c h n o l o g y ， j i a n g s u x u z h o u 2 2 1 1 1 1 ，c h i n a ) ab s t r a c t ：or g a n i c w a s t e g a s t r e a t me n t b e c a me o n e o f t h e k e y e o n t e fl t s o f a t mo s p h e ri c p o l l u t i o n p r e v e n t i o n t h e s o u r c e s，t h e ha z a r d s o n h uma n，e n v i r o n me n t a nd e c o l o gy o f t h e o r g a n i c wa s t e g a s we r e d e s c r i b e d c o mp r e h e n s i v e l y th e a c t i o n p r i n c i p l e， a p p l i c a t i o n s t a t us a n d s h o r t c o mi n g s b y us i n g b i o fil m p r o c e s s f o r t r e a t me n t o r g a n i c wa s t e g a s we r e r e s e a r c h e d t he d e v e l o p me n t t r e n d wa s d i s c us s e d f r o m t hr e e a s p e c t s o f b i o l o g i c a l fil m p a c k i n g， b i o c h e mi c a l r e a c t i o n ki n e t i c s a n d t h e d o mi na nt p o p u l a t i o n，wh i c h c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e for t he a p p l i c a t i o n o f b i o l o g i c a l me mbr a n e me t h o d t o r e mo v e o r g a n i c ma t t e r i n t h e e x h a u s t g a s ke y wo r ds：o r g a n i c wa s t e g a s ；b i o fil m p r o c e s s；b i o l o g i c a l t r e a t me nt ；bi o c a r r i e r s 近年来经济的发展，伴随着石油化工行业的大量崛起，大 量的苯、甲苯、二甲苯、醇、醛、酮、酚、酯 、四氢呋喃、硫 醇等有机废气( v o c s ) 造成大量废气的排放到环境 中，使空气 质量下降，严重危害到了人类健康和国民经济的发展。随着 v o c s 浓度的增加，人体会出现头痛、恶心、昏迷、抽搐等症 状 ，还会对人体的肝 、肾脏大脑和神经系统造成伤害。医学家 在 1 9 2 8年首次提出苯与白血病有关的报告 ，美国也在 1 9 9 2年 明令规定在学生实验中禁止使用苯；1 9 9 3年世界卫生组织下属 国际癌症研究机构( i a r c) 将苯列为类人类致癌物 j 。 因此 ，应对有机废气进行 严格 的处理 和排放 。现今 ，已开 发出一些稍有成效的处理技术，例如燃烧法、吸附法、冷凝 法 、吸收法，生物膜法、电晕法和氧化还原法等等 ，但有 机废气的处理效果仍不敬人意。在这种形式的压迫下，最近几 年又提出了更为有效的新技术生物膜法，这项技术逐渐受 到世界各国人们的广泛关注，研究有机废气的处理技术 已然成 为现在迫切需要解决的问题。 1 生物膜法去除废气中有机物 1 1 生物膜法去除废气 中的有机物作用原理 生物膜法去除废气中的有机物作用原理就是将微生物固定 附着在多孔性介质填料表面，并使污染空气在填料床层中进行 生物处理，挥发性有机物等污染物吸附在孔隙表面，被孔隙中 的微生物所耗用，利用微生物的新陈代谢生命活动将废气 中的 有害物质转变为简单的无机物及细胞质并降解成 c o 、h： o和 中性盐。目前在世界上公认影响较大的是荷兰学者奥腾格拉夫 ( o 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 ( 也 可定义为 “ 吸收 一生物膜” 理论 ) 。 “ 吸收 一生物膜”理论处理废气 主一般 分为 3个 步骤： ( 1 )有机废气中的污染物由气膜扩散进入液膜。( 2 )液膜中的 有机物通过浓度差扩散进入生物膜，同时微生物进行捕获和吸 收。( 3 )最终微生物通过代谢将污染物分解为对人类无害的二 氧化碳 和水 。 但是孙佩石等 发现该理论很难解释如甲苯等微溶于水或 不溶于水的有机物，它们很难用液膜进行扩散，因此在该理论 的基础 上进行了改进提 出了吸附一 生物膜 理论 ，并 且通 过对处 理 低浓度 甲苯废气的实验研 究建 立 了动力 学模 式 。改进 的理论 的三个步骤为：( 1 )有机废气中的污染物通过扩散到达气膜后 基金项 目：江苏省青蓝工程优 秀青年骨 干教师项 目；徐州工程学院实验教学示范 中心专项课题。 作者简介 ：郦琪 ，女 ，徐州工程学院环境工程学院 2 0 1 1 级环境工程专业学生 。 通信作者 ：曹文平( 1 9 7 9一) ，男 ，博士 ，副教授 ，环境工程教研室主任 ，主要研究方向 ：生物膜法污染物去除及净化。 第 4 2卷第 3期 郦琪，等：生物膜法在废气中有机物去除的应用现状及发展趋势 1 9 被吸附到是人 的生物膜表面 ( 2 )有机物被污染物捕获吸收 ( 3 )微生物分解有机物并将其转化为 c o 和和 h o j 。 1 2 生物膜法去除废气 中有机物的优势 与传统的有机废气处理技术相 比，生物法具有可在室温下 操作，投资及运行费用低、效果好 、安全性高、无二次污染且 易于管理等优点 。张洁敏等利用生物洗涤塔 +生物滤塔系统 处理香料厂产生的有机废气，t v o c s 浓度在3 9 1 7 5 1 6 7 m g m 3 ， 净化 后 t v o c s浓度 在 4 0 34 7 4 mg m ，去除 率 达 到 了 8 9 7 0 9 1 5 0 。 。 。目前 ，生物 法处理 有机 废气技 术在 国外 的应用 日趋广泛 ，德国、美国、日本 、荷兰等国已有相当数量 r业规模的各类生物净化装置投入运行 。 1 3 生物膜法去除废气 中有机物的研究现状 生物法是一项新的有机气体污染控制技术，现 阶段分为： 生物过滤法，生物滴滤法，生物洗涤法。其中生物过滤法和生 物滴滤法统称为生物膜法。 1 3 1 生 物过滤法 生物过滤法是研究最早而技术相对成熟的一种大气污染控 制技术。生物过滤器常用开放式单滤床和封闭式多滤床 。增湿 器和生物滤池是主要设备。生物滤池处理有机废气的流程：首 先经过加湿器的有机废气进入生物滤池，通过 5 01 0 0 m的生 物活性填料层，滤料中的微生物捕获并吸收废气中的有机物来 合成 自身生长所需的碳源，然后净化后的气体排出。 ( 1 )过滤材料 ：生物滤池的滤料是具有较高吸附能力的滤 料，可使有机污染物与微生物胞外酶在滤料和微生物界面处浓 缩 ，提高生化反应速率 ，提高了有机废气的净化度。滤料多采 用如木屑，活性炭，土壤，泥炭，灰泥或者几者和混合物，滤 料滤料应具有多孔性 ，适宜微生物生长，具有 良好的持水性。 生物滤床在处理废气方面已有广泛应用。 ( 2 )发展现状 ：目前世界上已建立起 5 0 0套利用生物过滤 法来处理有机废气的工业装置。生物过滤法中的微生物过滤箱 已经成功地用于化工厂 ，食品厂，污水处理厂的废气净化和脱 臭 ，例如可以用来去除肺气肿的环乙酮，甲基乙基酮，四氢呋 喃等有机融合剂蒸汽。我国近年来一些地方采取了土壤床处理 地理式污水处理构筑物排放的臭气 。 1 3 2 生物滴滤塔 生物滴滤塔流程是 ，首先有机废气进入滴滤池的底部，回 流水从塔的上方均匀的喷洒到填料上 ，顺着填料上的生物膜滴 流而下 ，附着在 生 物膜 上 的微 生 物 吸 收溶 于水 中的有 机 污 染 物，并将其转化为对人类无害的二氧化碳和水。 ( 1 )过滤材料 ：滴滤池的填料多使用粗碎石，蜂窝状的塑 料填料 ，塑料波纹板等，填料间空隙大且不具吸附性，填料的 比表面积一般为 1 0 0 3 0 0 m m ，为通过的气体提供了大量的 空间，从而降低 了气体对生物膜造成的压力和因生物膜疏松引 起 的空 间堵 塞 。 ( 2 )发展现状 ：生物滤滴法 已在 国外 工业 中得 到 了广 泛的 应用 。 1 4 生物膜法处理有机废气的应用 当前 ，生物膜法处理有机废气并未普及 ，仅仅用于食品加 工厂，屠宰场，动物饲养场，化工厂 ，发电厂，制药厂和堆肥 厂等排放低浓度有机废气 的行业。处理如硫醇 、乙醇、吲哚、 酮 、乙醛 、胺和 甲酚等有机物 。 2 生物膜法去除废气中有机物发展趋势 2 1 生物膜法去除废气中有机物的当今的不足之处 生物膜处理废气研究时间相对较短，实际应用方面的技术 还不成熟，存在许多需要我们无解决的问题，如： ( 1 )用生物膜法处理处理有机废气不同的方法对填料的要 求也各不相同，要注意调控填料的湿度，湿度低容易导致填料 干缩破 裂和微 生物失活等 问题 。 ( 2 )废气颗粒在在滤床中累积过多，导致滤床堵塞，阻力 增 大 ( 3 )流量和浓度波动较大，造成废气在设备 中停 留时间 短，处理效率低 ( 4 )尽管 o t t e n g r a f 已经提出著名的生物膜理论但是到现今 为止许许多多的实验数据仍然不能与上述的模型相吻合 ，理论 实施 中有相对 稳定的液膜 ，但是现实 中却很难做 到。 ( 5 )需要研究开发一些 特定 处理某些有机物 降解 的细 菌种 类 和接种 方法。 ( 6 )实施过程中各种装备设置的施工和设计还不够规范。 ( 7 )适用于特定有机物降解的细菌种类和接种方法有待进 一 步开发研究 。 ( 8 )处理低浓度有机废气的技术已相对成熟 ，高浓度有机 废气的处理技术还有待我们探索研究 2 2 生物膜法去除废气 中有机物的发展趋势 2 2 1 生物膜法废气中有机物去除相关填料的开发 填料的特性研究，对于生物滤池和生物滴滤池来说，非常 有必要对填料的一些特性进行深入的研究因为填料不仅是生物 膜附着的支撑体 ，且能对微生物胞外酶和废气中的有机物进行 吸附富集” 。 。填料的选择要考虑 比表面积、机械强度 、化 学稳定性及价格等问题，以及持水性能的好坏，填料是废气生 物净化装置的核心组件，新型填料的开发需满足质轻价廉 ，耐 氧化等要求。 另外填料的亲水性和填料的生物亲和性也决定着生物量的 数量、浓度、种群和活性等，也决定着系统对有机废气的净化 能力和效果。羌宁等 采用对动态条件挂膜和静态降解曲线进 行分析的方法 ，对丝网、a c o f、聚乙烯多面小球和炉渣 4种 介质作为气体生物滴滤池生物载体材料的性能进行了对 比实 验 。结果表 明 ，网状结 构的丝 网和 a c o f挂 膜量 大 、对污染 物 的降解效果好 ，多面小球次之，炉渣最差。 由于有机废气成分相对单一，在对废气进行吸收和湿化过 程中补充生物膜生长需要的元素和营养对提高生物膜内微生物 数量和活性以及处理效果具有十分重要的价值。但是如果我们 能开发和应用一些 自身含有微量元素的生物载体具有非常重要 的价值 ，如：天然形成的农业秸秆、植物纤维和生物合成高聚 物等。这些物质作为生物载体时生物亲和性 、亲水性等均比人 工合成高聚物要好的多。所以可以在一定程度上提高生物膜的 净化效果。邵留等利用稻草秸秆作为生物膜载体时发现稻草秸 秆能在水质净化过程中释放出来大量的微生物所需要的微量元 素 。 2 2 2 生物膜法废气中有机物去除的动力学研究 由于生物膜反应器还未在有机废气的处理领域广泛应用， 所以尚无成熟的工艺参数供我们使用。为了使技术更加的实用 化，必须深入研究动力学，对污染物在生物膜的传质机理的掌 握具有重要价值 。 2 0 广州化工 2 0 1 4年 2月 ( 1 )通过推导得到生物滤池的基本模式 ： c= c 0 e x p (一b k x v ) 式中：c 贯穿深度为 x时气相中污染物的浓度，m g it i c 。 进气 中污染 物的浓度 ，m g m b 生化反应速率常数 ，h。 。 x 有机废气在滤池 内的轴 向贯穿距离 ，i n v 有机废气轴向贯穿空隙速度 ，m h k 分配系数，为平衡时有机污染物在固 液混 合相 ( 即含水微生物膜)中的质量 与在气 相中的质量之 比值 当净化去除率确定后，就可由上述公式算出生物滤池的床 层设计高度 x ，进而确定生物滤池的结构尺寸。 ( 2 )通过合理的简化动力学模型，更加了解影响生物降解 速度的原 因。 生物滴滤池的动力学研究 ： 生物滴滤池人 口处有机气体浓度与去除量的关系： 当有机气体浓度在区间( 0 a) 时，两者成正比，去除量 随气体浓度的增加而增加。生物膜降解为一级生化反应，反应 速率方程 ： r =kl。sl 式 中 ：r a 表面反应速率 k 一级表面反应速率常速 s 液相气体浓度 当有机气体的浓度的浓度 a时，去除量渐趋于稳定状 态，不随气体浓度的增加而增加。气体降解过程为 0级反应。 a点作为生物膜净化气体的临界点。 结合无因次准数 m比较化学反应速率和传质速率在液膜中 的相对大小推断出化学反应的动力学类型，可知方程： m=( d k 1 ) k l 式中：d 气体在液相的扩散系数 k， 一级反应速率常数 k l 物理吸收的液相传质系数 2 2 3 生物膜法废 气 中有机 物去 除相 关优 势菌 种 的选 择和 开 发 微生物 的培养以异养型细菌 为主 ，丝状 真菌 为次 ，极少 有 酵母菌 。r i e n e c k还发 现 ，细菌大部 分是杆 状菌 和 内生孢 子菌 ， 还有常 见的假单胞菌生长 。放线菌 主要有链 霉菌 ，真菌包含 毛 霉、曲霉 、根霉 、青霉、交链孢霉等 。 we b s t e r 等人设计的生物滴滤塔中的固定微生物是从 b i o l o g 公司的 b i l o l g g n菌落中纯培养得到的，国内孙佩石等人也做了 相关的研究，他们采用经由甲苯及氮磷营养液驯化后的国内焦 化废水处理厂微生物菌种 ( 以短杆菌类微生物为优势)的溶 液 ，对 生物滤滴塔进 行挂 膜操 作并 保养 生物 膜 2 4天后 ，即进 行低浓 度 甲苯 气 体 的 净 化 实 验 ，对 甲 苯 的 书 力 度 最 高 可 达 1 5 7 1 3 m g ( h c ) 。结果表 明，国内菌种也可 达到很 好 的处 理 效果 3 结 论 用 生物化 学法处理 废水 已有 一百多 年 ， 但 用于在废气 方面 的处理历史则很短，随着人们对生存环境要求的逐步提高和石 油化工行业废气排放量的增加 ，人们越来越感受到废气治理的 重要性。生物法处理废气就是针对实际情况逐步进行开发研究 的。现对单组分气体的处理效果已经较好 ，可在实际运行过程 中仍存在大量问题，已引起国内外相关行业的广泛关注 。 对生物膜法治理有机废气的机理虽已作了许多研究，后续 研究中仍有许多问题有待于解决。主要有以下几点：接种 、驯 化、培养适于降解特定有机物的微生物，加强有机气体从气相 向液相转移的传质过程，以提高微生物对有机污染物的生物降 解速率； 处理有机废气浓度、流量，喷淋量与去除率之间的关 系 。 我国在废气排放方面的相关法律法规相对滞后，但随着大 气污染的加重和国家管理措施的加强 ，对废气排放的限制将 日 趋严格。因此，该技术在我国化工和石油化工以及喷漆等行业 的废气治理中都具有很好的应用前景。 参考文献 1 季学李 大气 污染 控制 工程 m 上海 ： 同济 大学 出版 社 ， 1 9 9 2： 3 7 53 7 7 2 马超 ， 薛志钢 ， 李树 文 ， 等v oc s排放污染 以及控制对策 j 环境 工程 技术学 报，2 0 1 2， 2 ( 2) ：1 0 91 0 9 3 y a n g y x，x u x l，s u n kc a t a l y t i c c o mb u s t i o n o f e t h y l a c e t a t e o n s u p p o a e d c o p p e r o x i d e c a t a l y s t s j j h a z a r d ma t e r i ， 2 0 0 7， 1 3 9( 1 ) ： 1 4 0 1 4 5 4 t a n g g q，l i x，wa n g y s ，e t a 1 s u rf a c e o z o n e t r e n d d e t a i l s a n d i n t e r p r e t a t i o n s i n b e ij i n g ，2 0 0 12 0 0 6 j a t m o s p h e ri c c h e mi s t ry p h y s i c s ， 2 0 0 9 ( 9 )： 8 1 5 98 1 8 5 5 杨显万 ， 孙佩石 ， 黄若华 ， 等 生物法净化低浓度 挥发性有 机废气研 究 j 中国工程科学 ， 2 0 0 1 ， 3 ( 9 ) ： 6 4 6 8 6 张洁敏 生物膜法在香 料厂有机 废气治 理 的应用 j 广 东化 工， 2 0 1 2 ，3 9 ( 4 ) ： 1 2 41 2 5 7 陈欢林 环 境生 物工 程 m 北 京 ： 化 学工 业 出版 社 ， 2 0 1 1 ： 3 1 2 31 7 8 伦世仪 环境生物工程 现代生物技术丛书 m 北京： 化学工业出 版社 ， 2 0 0 2 ， 9 ( 3 ) ： 2 2 02 2 5 9 张丽， 张小平， 黄伟海 生物膜法处理挥发性有机化合物技术 j 化工环保 ， 2 0 0 5， 2 5 ( 2) ：1 0 01 0 3 1 0 s e n e l c o n v e a i a f e l i p e m g a，e t a 1 s u g arc a n e b a g a s s e a s a l t e r na t i v e p a c k i n g ma t e r i al f o r b i o fi l t r a t i o n o f b e n e z e n e p o l l u t e d g a s e o u s s t r e a m：a p r e l i mi n a r y s t u d y j b i o r e s o u r c e t e c h n o l o