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臭氧技術應用

VOCs及惡臭的生物處理技術最新研究進展

更新時間:2019-04-21 點擊數:896

工業生產、污水處理及垃圾填埋等過程會產生揮發性有機污染物(VOCs)及惡臭物質,這些污染物質逸散到空氣中會污染環境,危害人體健康,并且隨著空氣的流動逸散到各處帶來區域性的影響,因此在排放前需要采取適當的技術手段對其進行處理。H2S、硫醇、羰基硫等含硫物質,氨、乙胺、氮氧化物等含氮物質,苯類,芳香烴以及鹵代烴等物質是廢氣中常見的VOCs及惡臭物質。與常規的物理、化學方法相比,生物處理技術具有高效、成本低廉、操作簡便、清潔、無二次污染等特點,因而應用廣泛。


“生物處理方法,即在微生物的作用下廢氣中的VOCs和惡臭物質被降解為CO2、H2O和低害類物質。


早在1923年生物處理技術就用于處理污水處理廠產生的H2S,20世紀90年代歐洲、美國、日本等發達國家開始大面積推廣生物處理技術,獲得了很好的社會效應和環境效應。90年代末期我國開始注重生物廢氣處理技術并取得了大量的研究成果。

本文闡述了常規和新發展的生物處理技術的特點、研究及應用現狀,介紹了各種技術的適用條件及控制參數,為開發研究新的反應器提供參考依據。


1 常規生物處理技術


生物濾池、生物洗滌器、生物滴濾池是常見的三種廢氣生物處理技術。其中生物濾池應用最為廣泛。

1.1 生物濾池


“生物濾池是最早被研究和使用的VOCs和惡臭物質的生物處理技術。


生物濾池內部填充填料,填料上附著微生物,加壓預濕后的廢氣從底部進入生物濾池,與填料表面的微生物接觸,被微生物降解。廢氣中的污染物給微生物提供生長所必需的碳源和能源,處理后的氣體從生物濾池的頂部排出。填料需要定期噴淋營養液為微生物提供維持活性所需的水分和養分。常見的填料包括泥炭/煤、土壤、堆肥、沙土等,其中土壤和堆肥是最常見的兩種填料。這些填料均勻性較好、比表面積大、能夠保持一定的濕度、孔隙度較大、對污染物和營養物質有良好的吸附能力。


圖1 生物濾池

生物濾池具有操作簡單靈活、成本低廉的優點,可處理污染物的范圍廣,包括親水性物質和疏水性物質。


“通常亨利系數小于1的物質一般適合采用生物濾池處理。

底物種類與性質,反應器內部環境如pH、溫度,運行參數如負荷、停留時間等因素對生物濾池的處理效果以及微生物種群結構均有影響。研究顯示,底物去除效果會隨著氣體停留時間的增加而提高。當氣體停留時間由10s增加到40s時, H2S 和氨的去除率分別由87.2%和91.7%提高到97.3%和99%。低pH值的生物濾池適合處理H2S等含硫物質;填料濕度越大氨等親水性物質的去除率越高。采用生物濾池處理垃圾填埋場的H2S,濾池內部微生物種群結構沿著填料高度呈現空間變化,種群結構與H2S的降解效果具有相關性。

生物濾池通常采用有機填料,長期運行易發生堵塞和腐化,使處理效果降低。另外填料濕度和pH較難控制。近年的研究主要集中在減小這些因素的影響方面。

1.2 生物洗滌塔


生物洗滌塔由裝有惰性填料的洗滌塔和帶有活性污泥的生物反應器兩部分組成。洗滌塔頂部向下持續噴灑水珠,廢氣從底部進入,在向上擴散過程中與水接觸后從氣相轉入液相,進入液相的污染物被水帶入生物反應器,被微生物降解。


“生物洗滌塔適用于處理亨利系數小于0.01的易溶性VOCs和惡臭物質,如SO2、乙酸、氨等。


用生物洗滌塔處理含苯酚廢氣,長期運行的平均去除效率在97%左右,去除負荷能夠達到30g/(m3?h)。生物反應器內由于液體是持續流動的,pH值、營養物質及降解產物的量易于改變,所以生物洗滌塔的運行條件較易控制,很少發生降解產物積累的問題。多孔、比表面積大的惰性材料通常作為生物洗滌塔中的填料,以提高廢氣從氣相到液相的傳質效率。有針對性地接種功能種群可以有效提高反應器的處理效果。Potivichayanon等在生物洗滌塔的填料上接種了兩種降解H2S的微生物,Acinetobacter sp. MU1_03和Alcaligenes faecalis MU2_03,運行穩定后H2S去除率可達到98%。

疏水性物質氣液傳質速率很低,不宜用生物洗滌塔處理。生物洗滌塔由兩套設備組成,操作較復雜,運行成本高,限制了其大面積推廣使用。

圖2 生物洗滌塔

1.3 生物滴濾池


生物滴濾池是介于生物濾池和生物洗滌塔之間的廢氣處理裝置。廢氣由氣相到液相的傳質以及生物降解發生在同一個反應器內,循環水不斷從生物滴濾池頂部向下噴灑在填料上,填料表面被微生物形成的生物膜所覆蓋。廢氣通過滴濾池時,首先被生物膜表面的液膜吸收(或溶解于其中),然后在生物膜上發生生物降解,從而被去除。

圖3 生物滴濾池

生物滴濾池一般采用天然惰性填料或合成填料,如樹脂、陶瓷、硅藻土、聚氨酯、泡沫等,這些填料的比表面積較小,介于100—300m-1之間。通常惰性填料表面不含微生物,在生物降解反應開始時填料表面需要接種微生物。

生物滴濾池可以處理亨利系數小于0.1的揮發性有機污染物及惡臭物質。

生物滴濾池中生物相靜止而液相流動,所以在填料表面可以生長世代周期長的微生物,尤其適用于一些不易生物降解的VOCs或惡臭物質,如鹵化物及還原性硫化物。將以對二甲苯為唯一碳源和能源的菌株Pandoraea sp. strainWL1接種到生物滴濾池中,穩定運行狀況下,對二甲苯進氣負荷為165.2gm-3h-1時,去除量可達到141.2gm-3h-1。并且研究證明,當進氣濃度發生變化時,生物滴濾池具有較好的耐沖擊負荷能力。用生物滴濾池凈化二氯甲烷,當氣體停留時間為157s、二氯甲烷進氣濃度為0.7-3.12g/m3的范圍內時,生物滴濾池對二氯甲苯的去除率為72.0%-99.1%。有機污染物負荷過高、生物量的積累會引起填料堵塞,影響生物滴濾池長期穩定運行。

2 VOCs和惡臭生物處理新技術


近年來,為了處理疏水性物質開發了真菌生物反應器、膜生物反應器以及雙液相生物反應器,細菌-真菌復合式生物反應器及物化-生物組合反應器則是針對廢氣中污染物組分復雜、負荷發生變化的問題研發的新技術。

2.1 真菌生物反應器


“細菌和真菌是常見的VOCs和惡臭生物反應器中兩種主要的微生物,其中細菌生長速度快,短時間內就成為反應器中的主要種群。


細菌通常適合生存于濕度高、pH值為7-8的環境,而真菌適合生存于濕度低、pH值為3-5的環境。細菌可以降解水溶性較好的污染物,對于水溶性較差的污染物,細菌表面的水層將影響傳質速率,導致處理效率降低。真菌則可以降解水溶性較差或疏水性的污染物,真菌形成的網狀菌絲體增大了菌體與周圍環境接觸的表面積,幾乎所有的真菌都是異養型,具有很強的降解有機物的能力。真菌適宜生長在干燥環境中,在干燥環境中水溶性較差的污染物直接接觸污染物并被降解。對疏水性或水溶性較差的有機物,真菌的降解效率高于細菌的降解效率。

針對真菌可以降解水溶性較差或疏水性污染物的特性,近年來研發了真菌生物反應器用于去除廢氣中的疏水性物質。利用真菌Ligninolytic fungi、Exophiala spp.、Scedosporium spp.、Paecilomyces spp.、Cladosporium spp.、Cladophialophora spp.處理含苯廢氣時,在進氣速率在70-90g/(m3?h)的條件下去除率可達到95%以上。van Groenestijn分別利用真菌生物反應器和細菌生物反應器降解α-蒎烯,在相同條件下真菌生物反應器對α-蒎烯的降解能力是細菌生物反應器的4倍。Zhu Guoying用真菌生物濾池處理含有乙硫醇的廢氣,當乙硫醇進氣速率低于50g/(m3?h)時,去除率可以達到95%以上。

2.2 細菌-真菌復合式生物除臭反應器


實際廢氣中不僅有親水性物質,還有疏水性物質。根據被處理物質的成分與特性及周圍微環境(pH、溫度、濕度等)選擇培養不同的功能種群,達到降解不同氣態污染物的目的。利用細菌適于處理親水性物質和真菌適于處理疏水性物質的特性,構建了細菌-真菌復合式生物反應器,在反應器不同的區域分別接種細菌和真菌去除廢氣中不同類型的污染物,水溶性極好的氨和乙酸基本上都在細菌區被完全降解,而水溶性較差的硫化氫、乙硫醇、乙硫醚、苯乙烯大部分在真菌區降解。

該類型反應器對廢氣中的乙酸、氨、苯乙烯、硫化氫、乙硫醇、乙硫醚總的去除率分別能夠達到97.1%、96.7%、96.6%、92.7%、78%和83% 。利用細菌-真菌復合式生物反應器去除二甲苯及其三種同分異構體,結果顯示細菌-真菌的協同作用使污染物能夠有效去除,細菌區起作用的菌群主要有Paenibacillus sp.,真菌區起作用的菌群主要有A. candidus、P. frequentans及Nocardia。

2.3 雙液相生物反應器(Two-liquid-phase bioreactor)


雙液相生物反應器是另一種可用于處理疏水性、難生物降解的有機廢氣的生物處理裝置。雙液相是指水相(aqueous phase)和不溶于水的非水相(non-aqueous-phase liquid,NAPL),疏水性物質進入反應器后首先迅速溶解到非水相中,再通過液液傳質擴散到水相或微生物膜內,被微生物降解成H2O和CO2等物質。雙液相生物反應器能夠提高疏水性污染物的傳質速率和生物降解效率。非水相除了增加疏水性污染物的生物利用度,還能夠減少污染物的毒性并在污染物進氣速率波動時當作緩沖系統。

雙液相生物反應器已用于處理烷烴、苯、苯乙烯、苯酚、萘、五氯苯酚等,常用的非水相物質有硅油、石蠟油、鄰苯二甲酸二丁酯等,其中硅油是最常用的非水相物質。用雙液相生物反應器處理氣態苯,氣態苯先溶解到十六烷中,然后通過液液傳質進入水相,被菌株Alcaligenes xylosoxidans Y234降解,當反應器的進氣流量和氣態苯濃度分別為120L/h和4.2mg/L時,75%的氣態苯可被去除。

2.4轉鼓生物濾池


“轉鼓生物濾池(rotating drum biofilter,RDB)是由Yang等針對VOCs和惡臭提出的一種新型生物凈化裝置。


在轉盤上固定生物濾床填料,將軸向兩端封閉形成一個“轉鼓”。廢氣污染物從RDB頂部進入轉鼓和外殼之間的空間,經過微生物的凈化后從轉鼓中間空心軸排出。RDB底部裝有營養液,轉鼓上的生物膜可以隨著鼓的轉動間歇地與營養液接觸,攝取營養組分、排出代謝產物。轉鼓每轉一圈,轉盤上固定的生物濾床填料就與裝置底部的營養液充分接觸一次,這樣可以保持轉盤上固定填料降解污染物的生物活性。

分別采用單層、多層和混合式三種RDB,在不同的停留時間下處理二乙基醚、甲苯和正己烷,在進氣負荷為2.0kgCOD/(m3d-1)的條件下,當停留時間由5.0s增加到60s時,單層RDB對甲苯和二乙基醚的去除率分別由76.4%提高到了99.9%以及由73.1%提高到了97.6%,雙層RDB對甲苯和二乙基醚的去除率分別由84.8%提高到了99.9%以及由81.6%提高到了99.9%,混合式RDB對甲苯和二乙基醚的去除率分別由84.8%提高到了99.9%以及由84.0%提高到了99.9%。用RDB處理含氮氧化物的廢氣,發現轉鼓轉速決定著RDB生物膜表面的液膜厚度和膜表面的更新速度。

2.5 嗜熱生物濾池


目前多數用于廢氣處理的微生物的最適生長溫度為20—35℃,因此以往生物處理技術主要集中在處理常溫廢氣方面。然而,石油化工、油漆涂料等行業排放的廢氣往往具有較高的溫度,在生物濾池前需增加降溫設備降低生物濾池進氣溫度,這樣會提高投資和運行費用,操作較復雜。采用嗜熱生物濾池處理高溫廢氣具有操作簡單、可處理高溫廢氣的優點。

嗜熱菌是一類能在相對較高的溫度下生長并降解污染物的微生物,具有較強的耐熱性,可以抵抗溫度的變化,此外,高溫條件下氣體的傳質效率和微生物的活性均較高,可快速去除VOCs 。使用接種了脫硫菌Pseudomonas sp.、Paenibacillus sp.和Ralstonia sp.以及嗜熱菌Brevibacillus sp.、Bacillus sp.等的嗜熱生物濾池研究在60℃下對SO2的去除性能,當SO2的進氣速率為51.44g/(m3·h)時,生物濾池對SO2的最大去除速率可達到50.67g/(m3·h)。Ryu等用生物濾池處理60℃的H2S氣體,以堆肥作為嗜熱菌接種物,可以去除95%以上的H2S,微生物分析結果顯示Bacillus sp.TSO3為 H2S的主要降解菌。

2.6 物化-生物組合技術


“微生物降解污染物需要保持適當的氣體停留時間和生物量,生物降解速率慢的污染物難以得到有效的去除。


工業實際生產中會經常出現污染物的負荷突然增大的現象,會使污染物在短時間內不能被微生物完全降解,在排放氣體中仍然含有污染物。將物化技術和生物技術相結合,可以有效地去除不同類型的污染物。目前已有的物化-生物組合技術包括膜生物反應器、活性炭吸附-生物降解組合式處理技術、催化氧化-生物技術、等離子-生物處理技術。

膜生物反應器分為浸沒式和分體式兩種。

浸沒式膜生物反應器將膜對污染氣體的選擇性分離與生物降解相結合,微生物附著在浸沒式膜生物反應器膜表面形成生物膜,膜兩側分別為氣相和液相,廢氣中的污染物質選擇性通過膜到達生物膜表面被微生物降解。分體式膜反應器是指在生物反應器后增加氣體膜分離裝置,廢氣中未被生物反應器降解的VOCs選擇性通過氣體分離膜并被回流至生物反應器內,使該種物質在生物反應器內繼續保持一定的停留時間而被降解。

分體式膜生物反應器可以提高污染物的去除效率、適應污染物負荷的突然變化、減小生物反應器的體積。活性炭吸附-生物降解組合式廢氣處理裝置由活性炭吸附凈化裝置和生物反應器組成。在生物反應器內部分污染物被微生物降解,未被降解的污染物被活性炭所吸附,積累在活性炭上的污染物脫附后再次進入生物反應器內被微生物降解。利用生物滴濾池去除聚氨酯和環氧樹脂生產過程中產生的乙酸乙酯和二甲苯,在廢氣進入滴濾池之前,使用煤炭顆粒作為廢氣濃度的緩沖物質,廢氣的去除效果良好。根據污染物的種類選擇和改性活性炭,可以達到更好的處理效果。等離子-生物處理先利用等離子技術將污染物轉化為分子量較小的易生物降解的中間產物,然后再利用微生物的作用將其完全降解。

催化氧化-生物反應器是針對難生物降解的物質研發的一種生物反應器,將微生物降解和催化劑的活化作用相結合,催化劑可有效活化空氣中的氧,將未被生物降解的物質迅速降解,大大提高了污染物的降解速度和去除效率。


“物化-生物組合反應器可以承受污染物負荷的變化、對污染物去除效率高、裝置結構緊湊、設備占地面積小、操作簡單、運行費用低,適合處理含生物降解慢的有機污染物。



3 結  論


從1923年開始研究到現在,VOCs和惡臭物質的生物處理技術已有將近百年的發展歷史,已廣泛用于處理污水處理廠、垃圾填埋場等產生的廢氣和惡臭物質。目前研究的重點集中在生物處理技術的處理效果、反應器運行條件控制等方面,以發展更加經濟、高效、環境友好的處理技術。今后的發展趨勢和研究方向包括研究廢氣生物處理過程中污染物的傳質;生物降解高效菌的培養、馴化與分析;微生物與環境的關系;反應器的微生態等,開發與其他技術相結合的新技術,提高處理含多種成分復雜氣體的能力。

 


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