工业废气的生物处理技术.ppt

1、第五章 工业废气的生物治理技术,废气来源及生物处理的原理 废气生物处理的方法 废气生物处理的工艺 有机废气的生物处理 含硫恶臭污染物的生物处理 CO2 的生物处理 NOX的生物处理,废气主要来源,燃料燃烧 工业如化工、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。农业生产活动 交通污染源,第一节 废气生物处理的原理,微生物转化废气中的有害物质在气相中难以进行，所以气态污染物首先要经历由气相转移到液相或固体表面的液膜中的传质过程，然后污染物才在液相或固相表面被微生物吸附降解。,能进行气态污染物降解的微生物：,自养菌 靠硫化氢、硫和铁离子及氨的氧化获得能量，其生存所必需的碳由二氧化碳

2、提供。适于进行无机物转化，但由于新陈代谢活动较慢，其生物负荷不可能很大。但在浓度不太高的脱臭场合还是采用了硝化菌、反硝化菌及硫酸菌等来转化硫化氢及氨。 异养菌 对有机物的氧化代谢获取能量和营养物质，能较快地完成污染物的降解。,生物反应处理废气一般经历以下三个阶段： 1.溶解过程 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.吸着过程,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,进入微生物细胞的污染

3、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。,废气生物处理原理图,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。,第二节 废气生物处理的方法,废气处理方法： 理化法：吸附、吸收、氧化、等离子体转化法等。工艺或设备较复杂，运行费用较高。 生物法：植物净化和微生物净化法。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。,微生物净化气态污染物的装置： 生物吸收池 生物洗涤池 生物滴滤池 生物过滤池,其中生物过滤池应用较多技术成熟,废气生物处理的特点,适应范围广 挥发性有机化合

4、物 (volatile organic compounds，VOCs)以及其它有毒或有臭味的气体，如NH3和H2S等。 化工、制药、电镀、喷漆、印刷等行业产生的有害污染物以及废水处理厂、堆肥厂、垃圾填埋厂产生恶臭等。,去除效率高 一般的空气污染物去除效率超过90。 投资少，运行费用低 不需要投入额外的化学品; 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 生物处理的产物是生物量，很容易处理。 5、耗能低 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。,水溶性强 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

5、有机物。,适宜处理的污染气体应具有的特点：,易降解 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。,第二节 废气生物处理的工艺,根据介质性质不同，分为： 生物洗涤(bioscrubbing) 生物洗涤器内是液态介质。 生物过滤 (biofiltration) 生物过滤采用是固态介质。 生物滤池 生物滴滤,生物洗涤器,生物洗涤装置一般由洗涤器和生物反应器两部分组成，分开设置。 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；,生物悬浮液(循环液)自吸收塔顶

6、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生物反应器(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。 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。,生物洗涤器流程图,优点：设备少，操作简单，投资运行费用低，VOCs去除效率高。 缺点：反应条件较难控制，占地面积大，基质浓度高时，生物量增长快易堵塞滤料，影响传质效果。,生物洗涤装置,2生物滴滤塔,在生物滴滤塔内充满惰性填料, 微生物在填料表面附着生长并形成生物膜。 气相主体经传输进入微生物膜后，生物膜中微生

7、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。 代谢产物通过扩散作用外排。,滴滤塔内所用填料多为陶瓷或塑料。（易于挂膜、不易堵塞、比表面积大。） 滴滤塔中最重要的部分：吸收器。吸收器内气液分界面的表面积决定了吸收效率。,生物滴滤池具有以下特点：,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； 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；,污染物的吸收和生物降解在同一反应器内进

8、行，设备简单，操作条件可灵活控制。 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。,优点：设备少、压降低、填料不易堵塞，PH易于调节，适宜处理产生酸性代谢产物的污染物。 缺点：填料比表面积小，运行成本高，不适宜处理水溶性差的化合物。,3生物滤池（微生物过滤工艺）,首先含污染物的气体进入加湿器进行。润湿。 润湿废气进入填料层，微生。物进行生物代谢。 净化后气体在滤池顶部排出。,生物滤池流程图,生物滤池所用填料特性是影响其处理效果的关键因

9、素。 填料选择要考虑比表面积、机械强度、化学稳定性、持水性等问题。,生物滤池所用的过滤介质：,土壤滤池 堆肥滤池 人工合成材料,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。,2、填料湿度 微生物生命活动的必要成分； 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

10、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。,3温 度,废气生物处理多用中温条件(2535)，少用高温。 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。,4氧气,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。 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。,5、酸碱度,以中性或微碱性（7-8）为宜。 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， 例如氧化硫硫杆菌最适pH为2.62.

11、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,三种生物净化系统的比较,生物洗涤法：处理净化气量小、浓度大、易溶且生物代谢速率较低的废气； 生物滤池：气量大、浓度低的废气； 生物滴滤池：负荷较高以及污染物降解后会生成酸性物质的废气。,第三节 有机废气的生物处理,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。,五、处理废气的微生物,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

12、化为无害物质；,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；,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。 在硫化氢氧化中，为了使自养型脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)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。,有机废气的生物处理装置主要有生物洗涤器、生物滤池和生物滴滤池，其中生物滴滤池应用最为广泛。,几种生物技术的比较与具体应用条件,5.现存问题及主要研究方向,废气生物处理是一项新技术，影响因素多而复杂，许多问题需要进一步探讨和解决，大致有如下几个方面:,1.反应动力学模式研究,反应动力学即研究污染物降解速率以

13、及微生物增长率与污染物浓度、生物量等因素之间的定量关系，而这些关系直接决定着降解速率与污染物的去除效率。通过反应机理的研究，可以找出决定反应速度的内在依据，有效的控制和调节反应速度，最终提高污染物的净化效率。,2.填充物的特性研究,填充物的比表面积、孔隙率等直接影响着反应器的生物量以及整个填充床的压降及填充床时易堵塞等问题。更重要的是，填充物对液/固传质分配系数有较大影响。同时，填料的使用寿命也直接影响整个装置的运行费用，因此，填料特性研究可以改善反应器运行状况、节省运行费用。,3.动态负荷研究,目前，大多数实际生产的尾气均是非常态负荷气流，气量与浓度都处在时刻的变化过程中，因此，模拟动态负荷

14、可解决一系列实际运用中碰到的问题。,4.高效优势菌种的筛选,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。,第四节 含硫恶臭污染物的生物处理,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活环境的气体物质。 恶臭物质的种类很多，其中硫化物占大多数。H2S不仅危害人体健康，而且还会严重地腐蚀设备与器材。即使在浓度很低时，它对环境与健康的危害也是显而易见的。因此，就H2S的来源及危害来看，以H2S作为研究对象是具有代表性的。,传统H2S处理常用的物化方法,吸收法：物理

15、溶剂吸收、化学溶剂吸收。 吸附法：可再生、不可再生吸附。 氧化法：干法氧化、湿法氧化。 分解法：热分解法、微波技术分解。,生物法脱臭的主要特点,（1）费用低。 （2）设备简单、维护管理方便。 （3）减少甚至无二次污染问题。微生物分解恶臭物质的速度快、效率高、稳定。 （4）生物膜固着生长，生态条件稳定，单位体积内生物量大，高密度的微生物群具有较高的微生物吸附和生物氧化的能力，因而对外界负荷、毒物冲击的抵抗力强。 （5）可与废水处理一并进行。,用于生物降解H2S的微生物,在微生物氧化H2S的过程中，用于生物降解的微生物叫脱硫菌，又称为硫细菌，有自养菌、异养菌两大类，其中自养菌合成有机物能力强，有利

16、于无机物的转化。 据文献报道77，分解硫及硫化物的细菌有多种，其中以氧化硫和硫化物获得能源的细菌主要是硫杆菌属和硫磺菌属。,至今发现的脱硫微生物有十几种：如氧化亚铁硫杆菌、氧化硫杆菌、酸热硫化亚菌、光合硫细菌及真菌等。 自然界中存在的脱硫细菌多为化能自养型微生物。,生物法脱除H2S反应的机理探讨,生物降解H2S的过程可以归纳为以下几个步骤进行： （1）H2S气体与水接触，溶于水，由气相转移至液相 （2）溶于水的H2S被微生物吸附或吸收在生物体内，当溶液流经填料表面时，溶解在水中的H2S被栖息在填料上的生物所吸附，由液相转移到生物。 （3）H2S被微生物氧化分解，在转化过程中产生能量，为微生物的

17、生长与繁殖提供了能源，使H2S的转化持续进行。,还原态的无机硫在液相及微生物的作用下氧化成SO42-的具体过程为： 4S2-2S2O32- S4O62- SO32- + S3O62-4SO32-4SO42-,含硫工业废气的生物处理法,生物膜法是生物法中最受关注的一种方法，具有以下优点： 1.动力消耗少，成本较低。 2.细胞活性高，稳定性高。 3.生物膜的生物量大，具有较大处理能力。 4.生物膜中除好氧菌外还有厌氧菌，脱硫效果好。 5.营养物质利用效率好，转化率高。,生物法净化工艺示意图 循环水槽2. 恒流泵3. 布气板 4. 填料 5. 法兰盘6.喷淋头 7.出气采样点 8. 出气洗涤槽,用于

18、净化含硫工业废气的生物膜处理装置，主要有生物滤池和生物滴滤池两种形式。,生物法脱硫主要影响因素,生物滤池容积负荷对除臭效率的影响 进气浓度对脱硫效率的影响 喷淋水量对脱硫效率影响 pH值对脱臭效率的影响 循环水中SO42-浓度对除臭效率的影响 填料性能对脱臭效率的影响,第五节 二氧化碳的生物处理,近年来大气中的浓度保持着逐年上升的趋势： 一方面造成了一系列不良的环境后果； 另一方面，作为地球上最丰富的碳资源， CO2在合适的技术下可转化为巨大的再生资源。,目前，CO2的固定方法主要有物理法 、化学法 和生物法,而大多数物理和化学方法最终必须依赖生物法来固定CO2。 CO2的生物固定主要是植物和

19、自养微生物, 从整个生物圈的物质、能量流来看,CO2的微生物固定是一支决不能忽视的力量。,固定CO2的微生物,固定CO2的微生物一般有两类: 光能自养型微生物主要包括微藻类和光合细菌,它们都含有叶绿素,以光为能源, CO2为碳源合成菌体物质或代谢产物; 化能自养型微生物。以CO2为碳源,能源主要有H2和、H2S和含氮化合物 。,固定CO2的微生物种类,微生物固定的机理：,1.卡尔文循环 卡尔文循环一般可分为三部分: (1)CO2的固定 (2)固定的CO2的还原 (3)CO2受体的再生。,卡尔文循环,2.还原三羧酸循环,还原三羧酸循环示意图,3.乙酰辅酶A循环,乙酰辅酶A途径,微生物固定CO2的

20、具体过程,植物光合作用示意图,固定CO2的植物,植物的光合作用以大气中的为碳源合成自身的细胞物质，并释放出，是天然的固定场。 不仅陆生植物，海洋中的植物也具有很强的吸收的能力,第六节 氮氧化物的生物处理,氮氧化物的生物处理技术,氮氧化物(NOx)是大气主要污染物之一,也是目前大气污染治理的大难题。自20世纪70年代起,发达国家便开始对燃煤电站锅炉NOx 排放,并且限制日趋严格。中国是以燃煤为主的发展中国家,随着经济的迅速发展,燃煤造成的环境污染日趋严重,特别是燃煤烟气中NOx,对大气的污染已成为一个不容忽视的问题。,某城市的空气情况,汽车尾气的排放,郊区工厂废气排放,生物法含NOx废气净化的原

21、理,第一步，气相中的NOx（NO和NO2），首先通过溶解或吸附等传质过程转移至液相（如NO2通过形式NO3-或NO2-而溶于水中，吸附在液相中的微生物或固体物表面而进入液相）。,第二步，在外加碳源的情况下，微生物对分布于液相中的含氮化合物吸收，在微生物体内进行氧化、还原、分解等微生物代谢作用，把部分吸收的含氮化合物转化为微生物生长所需的有机氮化物，组成新的细胞，使微生物生长繁殖；另一部分含氮化合物则被微生物分解为无害的氮气，或容易处理的NO3-或NO2-，并释放出微生物生长活动所需的能量。,生物脱氮的具体机理,微生物净化NOx 有反硝化、硝化和真菌净化三种机理。 反硝化机理（异养反硝化菌和自养

22、反硝化菌） 1. 异养反硝化菌：以有机物为电子供体，以NO3-、NO2-、NO为电子受体，进行缺氧呼吸，氧化有机物来获取生长所需的能量，将NO、 NO3- 、 NO2-还原为N2，同时生成与好氧呼吸相比少得ATP和生物质。,2. 自养反硝化菌：能以无机质（如H2、H2S、S、S2O4-）作为氢供体，以NO、NO3-、NO2-作为氢受体，以无机碳为碳源，将从NO、 NO3- 、 NO2-还原为N2中获取微生物生长所需的能量。,NO的生化还原： NON2,氧化氮还原酶,NO2的生化还原：,NO3-NO2-NON2,硝酸盐还原酶,亚硝酸盐还原酶,氧化氮还原酶,+e,+e,+e,硝化机理 硝化过程处理NOx 是再硝化细菌的作用下，在有氧条件下将氨氮氧化成硝酸盐氮。硝化菌为自养菌，它们以CO2为碳源，通过氧化NH4+获得能量。,硝化过程一般分两个阶段，分别由硝化菌和亚硝化菌完成。 第一阶段：由亚硝化菌将氨氮转化为亚硝酸盐 第二阶段：由硝化菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐,硝化处理技术：是在硝化细菌作用下，在有氧条件下将氨氮氧化成硝酸盐氮，然后再通过反硝化过程，将硝酸盐氨转化成N2的处理过程。 技术难点：采用硝化