1、第八章 生物法凈化氣態(tài)污染物,廢氣的處理,廢氣處理是環(huán)境污染控制的一個(gè)重要方面。,廢氣處理方法： 理化法：目前主要采用的方法，如掩蔽、吸附、燃燒、氧化等。工藝或設(shè)備較復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用較高；用于處理某些惡臭廢氣時(shí)，效果不甚理想。 生物法：具有處理效率較高、適應(yīng)性較廣、工藝較簡(jiǎn)單以及費(fèi)用較省等優(yōu)點(diǎn)。,廢氣的微生物處理于1957年在美國(guó)獲得專利，但到1970年代才開始引起重視，直到1980年代才在德國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)家有相當(dāng)數(shù)量工業(yè)規(guī)模的各類生物凈化裝置投入運(yùn)行。 廢氣生物反應(yīng)器處理對(duì)許多一般性的空氣污染物的去除率可達(dá)到90以上。,一、廢氣生物處理的特點(diǎn),適應(yīng)范圍廣 揮發(fā)性有機(jī)化合物 (volatil

2、e organic compounds，VOCs)以及其它有毒或有臭味的氣體，如NH3和H2S等。 化工、制藥、電鍍、噴漆、印刷等行業(yè)產(chǎn)生的有害污染物(hazardous air pollutants，HAPs)以及廢水處理廠、堆肥廠、垃圾填埋廠產(chǎn)生惡臭(odor)等。,去除效率高 一般的空氣污染物去除效率超過(guò)90。 投資少，運(yùn)行費(fèi)用低 不需要投入額外的化學(xué)品; 化學(xué)法則需加催化劑和氧化劑等，如次氯酸鹽、過(guò)氧化氫、二氧化氯等。,4、污染少 生物處理的產(chǎn)物是生物量，很容易處理。 5、耗能低 生物反應(yīng)在常溫常壓下進(jìn)行，能量來(lái)自微生物利用VOCs成分本身產(chǎn)生的能量。,一、原理與微生物相,一、基本原理

3、,液相或固相介質(zhì),二氧化碳、水等,氣體有機(jī)物,微生物降解,轉(zhuǎn)移,乙醇、硫醇酚、甲酚、吲哚 脂肪酸、乙醛、酮、二硫化碳 氨和胺,懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng) 附著生長(zhǎng)系統(tǒng),二、微生物相 揮發(fā)性有機(jī)污染物-異養(yǎng)型微生物 無(wú)機(jī)污染物-自養(yǎng)型微生物,水溶性強(qiáng) 主要有無(wú)機(jī)物如H2S和NH3等、醇類、醛類、酮類以及簡(jiǎn)單芳烴等有機(jī)物。,適宜處理的污染氣體應(yīng)具有的特點(diǎn)：,易降解 分子被吸附在生物膜上必需被降解，否則將導(dǎo)致污染物濃度增高，毒害生物膜或影響傳質(zhì)，降低生物濾器效率，或使處理完全失敗。,一、廢氣生物處理的原理 生物處理的前體條件：溶于水的，可以生物降解的，對(duì)微生物生長(zhǎng)沒(méi)有抑制作用的。 污染物氣體與水接觸,由氣相轉(zhuǎn)入液

4、相或固相表面的液膜中； 污染物在液相或固相表面被微生物吸附或吸收在生物體內(nèi)，當(dāng)溶液流經(jīng)填料表面時(shí)，溶解在水中的氣態(tài)污染物被棲息在填料上的生物所吸附，由液相轉(zhuǎn)移到生物相，此階段遵循一般生物化學(xué)反應(yīng)速度。 傳質(zhì)速率取決于填料表面的物理性質(zhì)、揮發(fā)性物質(zhì)的性質(zhì)及濃度。技術(shù)開發(fā)主要強(qiáng)化傳質(zhì)和控制有利于轉(zhuǎn)化的反應(yīng)過(guò)程。,傳遞過(guò)程 有機(jī)物同水接觸并溶解于水中； 在濃度差的推動(dòng)作用下擴(kuò)散到生物膜，被微生物捕獲&吸收； 微生物利用有機(jī)物,用通常的吸收和吸附方法進(jìn)行廢氣的非生物處理已被證明是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，特別是由于其中的液體和固體需要再生。 這種再生過(guò)程可以由微生物來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以，廢氣的生物處理不需要常用方法

5、那樣的復(fù)雜設(shè)備，費(fèi)用也低。,二、廢氣生物處理的微生物 兩大類：自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌。 自養(yǎng)菌特別適用于無(wú)機(jī)物的轉(zhuǎn)化。 但是，由于能量轉(zhuǎn)換過(guò)程緩慢，這些細(xì)菌生長(zhǎng)的速度非常慢，因此，工業(yè)應(yīng)用有一定的困難。 異養(yǎng)菌很適宜于有機(jī)物的轉(zhuǎn)化。,生物反應(yīng)器處理廢氣一般經(jīng)歷以下三個(gè)階段： 溶解過(guò)程 廢氣與水或固相表面的水膜接觸，污染物溶于水中成為液相中的分子或離子，完成由氣膜擴(kuò)散進(jìn)入液膜的過(guò)程。,吸著過(guò)程,有機(jī)污染物組分溶解于液膜后，在濃度差的推動(dòng)下進(jìn)一步擴(kuò)散到生物膜，被微生物吸附、吸收，污染物從水中轉(zhuǎn)入微生物體內(nèi)。作為吸收劑的水被再生復(fù)原，繼而再用以溶解新的廢氣成分。,生物降解過(guò)程,進(jìn)入微生物細(xì)胞的污染物作為微生

6、物生命活動(dòng)的能源或養(yǎng)分被分解和利用，從而使污染物得以去除。 烴類和其它有機(jī)物成分被氧化分解為CO2和H2O，含硫還原性成分被氧化為S、SO42-，含氮成分被氧化分解成NH3，NO2-和NO3-等。,主要影響因素 1、濕度 生物濾池中，填料/生物固體水分的最佳含量為40%-60%。 濕度太高時(shí)，水分充滿濾料的孔隙，減少了氣體停留時(shí)間，增加阻力；氣液界面減少，降低了氧的傳遞 。 太低時(shí)，濾層老化，微生物活性降低，填料干燥、開裂，氣體短流。 間歇噴灑保濕度或在進(jìn)氣中噴水。 2、溫度：微生物的代謝，溶解度,主要影響因素 3、pH 生物反應(yīng)器水相pH 6-9，降解含氯、氮、硫的化合物時(shí)，會(huì)有酸的積累?？?/p>

7、在液相中加堿或加緩 沖物質(zhì)調(diào)節(jié)。 4、其他因素 污泥濃度、溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽等。,三、生物凈化反應(yīng)器,根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)不同，分為： 生物洗滌(bioscrubbing) 生物洗滌器(bioscrubber)內(nèi)是液態(tài)介質(zhì)。 生物過(guò)濾 (biofiltration) 生物過(guò)濾采用是固態(tài)介質(zhì) 生物濾池(biofilters) 生物滴濾池(biotrickling filters),三、生物凈化反應(yīng)器 生物過(guò)濾法 生物吸收法 生物滴濾法,1. 生物過(guò)濾法,原理：氣體經(jīng)過(guò)去塵增濕或降溫等預(yù)處理工藝后, 從濾床底部由下向上穿過(guò)填料層，污染物從氣相轉(zhuǎn)移到生物膜表面，被微生物吸收轉(zhuǎn)化分解，得到凈化。,因素： 濾料應(yīng)考

8、慮的因素主要包括多孔、適宜微生物生長(zhǎng)、對(duì)水分的保持能力較強(qiáng)等,通常選用堆肥、土壤、泥炭、活性炭等 濕度控制不當(dāng)時(shí)過(guò)濾床容易干燥、開裂,造成氣流短路 pH 值調(diào)節(jié)不當(dāng)時(shí)容易造成微生物數(shù)量下降. 控制pH值的方法是在裝填填料時(shí)投配適當(dāng)固體緩沖劑,緩沖劑耗盡后需要更新,或者對(duì)濾料進(jìn)行再生.,水泵,濕度調(diào)節(jié),布?xì)夤艿?生物濾池具體由濾料床層（生物活性填充物）、砂礫層和多孔布?xì)夤艿冉M成。 多孔布?xì)夤馨惭b在砂礫層中，在池底有排水管排出多余的積水。 按照所用固體濾料的不同，生物濾池分為土壤濾池、堆肥濾池及生物過(guò)濾箱。,1、土壤濾池,構(gòu)造： 氣體分配層下層由粗石子、細(xì)石子或輕質(zhì)陶粒骨料組成，上部由黃砂或細(xì)粒骨

9、料組成，土壤濾層可按黏土、含有機(jī)質(zhì)沃土、細(xì)沙土和粗砂按一定比例混配。,特點(diǎn)： 土壤對(duì)廢氣中無(wú)機(jī)氣體（SO2、NOX、H2S等）有較強(qiáng)的截留和表面催化氧化能力，其產(chǎn)物會(huì)使土壤床酸化，因此，可投加石灰中和。 優(yōu)點(diǎn)： 投資少； 無(wú)二次污染； 抗沖擊能力強(qiáng)。 缺點(diǎn)：占地面積大。,2、堆肥濾池 將堆肥（如畜糞、城市垃圾、污水處理廠的污泥等有機(jī)廢棄物）經(jīng)好氧發(fā)酵、熱處理后，蓋在廢氣發(fā)生源上，使污染物分解而達(dá)到凈化的目的。 結(jié)構(gòu)：與土壤床相似。,針對(duì)有機(jī)堆肥臭氣去除的生物濾池,特點(diǎn)： 與土壤床相比： 處理相同量廢氣時(shí)，占地面積少； 去除率高，反應(yīng)時(shí)間短（土壤床1/41/2，約20s），適用于廢氣量大的場(chǎng)合；

10、 有結(jié)塊趨勢(shì)，需周期性攪動(dòng)； 有使用年限。 工藝成熟，在歐洲已有500多座投入實(shí)際應(yīng)用中。,3、微生物過(guò)濾箱 封閉式裝置，由箱體、生物活性床層、噴水器等組成。 微生物一部分附著于載體表面，一部分懸浮于床層水體中。,應(yīng)用： 比其他氣態(tài)有機(jī)污染物控制技術(shù)低。 德國(guó)和荷蘭已有500 多座生物濾池投入應(yīng)用, 它們 中的大多數(shù)用于家禽和食品加工工業(yè)。近幾年已逐漸用于化學(xué)工業(yè)產(chǎn)生的難降解惡臭物質(zhì)的處理。采用該法處理H2S 氣體、甲醛和氨、有機(jī)污染物、脂肪類碳?xì)浠衔锏榷既〉昧孙@著的效果。,微生物吸收法（Microorganism Absorption） 也叫生物洗滌法,一般由廢氣吸收段和懸浮液再生段兩部分

11、組成，廢氣由吸收設(shè)備下部進(jìn)入，向上流動(dòng)與吸收設(shè)備頂部噴淋而下的生物懸浮液在填料層接觸，使廢氣中的污染物和氧轉(zhuǎn)入液相并被微生物所吸收。,生物懸浮液(循環(huán)液)自吸收塔頂部噴淋而下使廢氣中的污染物和氧轉(zhuǎn)入液相(水相)。吸收了廢氣中有機(jī)組分的生物懸浮液進(jìn)入再生反應(yīng)器(活性污泥池)中，通入空氣充氧再生。被吸收的有機(jī)物通過(guò)微生物的氧化作用最終被再生池中活性污泥懸液除去。 一般,當(dāng)活性污泥濃度控制在5000-10000mg/L,氣速小于200m/h，去除較理想,生物洗滌裝置,2. 微生物吸收法（Microorganism Absorption） 也叫生物洗滌法 原理：利用微生物、營(yíng)養(yǎng)物和水組成的混合液吸收廢

12、氣中可溶性的氣態(tài)污染物，吸收了廢氣的微生物混合液再進(jìn)行好氧處理，降解污染物，經(jīng)處理后的微生物吸收液再循環(huán)使用。適合于處理可溶性的氣態(tài)污染物。 工藝和裝置：廢氣吸收段和懸浮液再生段兩部分組成。由吸收設(shè)備（物理溶解過(guò)程）和再生反應(yīng)器（生物處理過(guò)程）兩部分組成。停留時(shí)間不同。兩個(gè)獨(dú)立單元中進(jìn)行。,微生物吸收法工藝流程,懸浮液,再生反應(yīng)池,吸收室,吸收設(shè)備采用噴淋塔或鼓泡塔。 一般來(lái)說(shuō),氣相阻力較大時(shí)采用噴啉法,液相阻力較大時(shí)采用鼓泡法。 噴淋法廢氣自反應(yīng)器下部進(jìn)入，微生物懸浮液（循環(huán)液）自吸收器頂部噴淋而下，廢氣與生物懸浮液在吸收器內(nèi)充分接觸，便于廢氣中的污染物轉(zhuǎn)入液相。廢氣凈化后從反應(yīng)器上部排出。

13、吸收了廢氣污染成分的懸浮液流入再生反應(yīng)器，在好氧條件下經(jīng)微生物的氧化用，轉(zhuǎn)變成簡(jiǎn)單的物質(zhì)。 鼓泡法將廢氣作為曝氣空氣送入吸收室。,吸收是一個(gè)物理過(guò)程； 通常這個(gè)過(guò)程較快，水的停留時(shí)間大約僅有幾秒鐘。 水的再生是一個(gè)生物過(guò)程； 通常較慢，停留時(shí)間從幾分鐘至十幾個(gè)小時(shí)。 由于吸收和再生所需要的時(shí)間不同，水的再生就需要用專門的生物反應(yīng)器；如果時(shí)間相等的話，則可免掉生物反應(yīng)器。,影響去除率的因素 與污泥濃度、pH、溶解氧、污泥馴化與否、營(yíng)養(yǎng)鹽的投加量和投加時(shí)間有關(guān)。,3. 生物滴濾法,與生物濾池法的不同特點(diǎn)： 填料不同：粗碎石、塑料蜂窩狀填料、塑料波紋板填料、陶瓷、木炭等。屬于惰性填料，不具吸水性。

14、回流水進(jìn)行循環(huán)噴淋：回流水由生物滴濾池上部噴到填料層上，并沿生物膜滴流而下。 操作調(diào)件易于控制：pH、氮磷營(yíng)養(yǎng)元素等也可通過(guò)回流水調(diào)節(jié)或添加。,生物滴濾法,循環(huán)液,有機(jī)廢氣,生物滴濾池 與生物濾池相似。 區(qū)別： 使用填料不同。 填料間空隙很大。 在填料上方噴淋循環(huán)液。,（2）影響反應(yīng)器性能的因素 填料選擇 不僅是生物膜的支撐體，而且還能對(duì)微生物胞外酶和廢氣中的有機(jī)物進(jìn)行吸附富集。 理想的填料應(yīng)具有以下性質(zhì)： A、最佳微生物生長(zhǎng)環(huán)境營(yíng)養(yǎng)物、濕度、pH和碳源的供應(yīng)不受限制； B、較大的比表面積接觸面積、吸附容量、單位體積的反應(yīng)點(diǎn)更多； C、一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度； D、高水分持留能力供微生物生長(zhǎng)； E、高

15、孔隙率使氣體有較長(zhǎng)的停留時(shí)間； F、較低的密度減小填料壓實(shí)的可能性。, 濕度 低了微生物失活； 高了氣體通過(guò)慮床的阻力增高； 空氣與水間的界面減少引起供 氧不足，形成厭氧區(qū)域； 通常：4060%, 溫度 無(wú)論自養(yǎng)微生物還是異養(yǎng)微生物，都是中文菌和高溫菌占優(yōu)勢(shì)。 通常：2535 溫度提高會(huì)降低揮發(fā)性有機(jī)物在水中的溶解和在填料上的吸附，從而影響去除。, pH 最佳值：78 當(dāng)因 H2S和含硫有機(jī)物H2SO4； NH3和含氮有機(jī)物HNO3； 氯代有機(jī)物HCl； 高有機(jī)負(fù)荷有機(jī)酸； 添加石灰、石灰石和貝殼等來(lái)增加緩沖能力。,發(fā)展趨勢(shì) 多點(diǎn)進(jìn)氣 沿生物過(guò)濾器高度方向分幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)氣； 優(yōu)點(diǎn)： 進(jìn)氣更加均勻，

16、防止下端堵塞，布?xì)獠痪?生物法工藝比較,生物法工藝比較,氣量大且VOCs濃度低的廢氣采用生物過(guò)濾池系統(tǒng)處理較好, 生物吸收法適用于處理氣量較小、VOCs濃度較高且水溶性較大的有機(jī)廢氣,如屠宰場(chǎng)、食品加工廠、堆肥廠、污水處理廠等的脫臭處理。 負(fù)荷較高且污染物降解后會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)的廢氣采用生物滴濾池系統(tǒng)處理較好。,廢氣生物處理技術(shù)的現(xiàn)狀和展望,有機(jī)廢氣生物處理是一項(xiàng)新的技術(shù)，由于生物反應(yīng)器涉及到氣、液、固相傳質(zhì)及生化降解過(guò)程，影響因素多而復(fù)雜，有關(guān)的理論研究及實(shí)際應(yīng)用還不夠深入、廣泛，需要進(jìn)一步探討和研究。 廢氣動(dòng)態(tài)負(fù)荷的研究 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式的研究 填料特性的研究 設(shè)備的研究開發(fā) 微生物菌種的改

17、造 應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓展,1填料特性研究 對(duì)于生物濾池和生物滴濾池來(lái)說(shuō)，深入研究填料的一些特性是非常必要的。填料的比表面積、孔隙率與單位體積填充量不僅與生物量有關(guān)，還直接影響著整個(gè)填充床的壓降及填充床是否易堵塞等。更重要的一點(diǎn)是，氣態(tài)污染物降解要經(jīng)歷一個(gè)氣相到液因相傳質(zhì)過(guò)程，污染物在兩相中的分配系數(shù)是整個(gè)裝置可行性的一個(gè)決定因素。有資料表明，填料對(duì)分配系數(shù)有較大的影響，Hodge等用生物濾池處理乙醇蒸氣時(shí)發(fā)現(xiàn)，顆?；钚蕴孔魈盍蠒r(shí)乙醇的分配系數(shù)是以堆肥作填科時(shí)的2一3倍。,2動(dòng)態(tài)負(fù)荷研究 目前，絕大多數(shù)研究報(bào)道中采用的是單一組分(或幾個(gè)簡(jiǎn)單組分組合)氣體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，氣體負(fù)荷的變化也是非常有順序的、平穩(wěn)的，氣速也是很“溫柔”的。而對(duì)于非常態(tài)負(fù)荷氣流、多組分復(fù)雜混合氣的研究較少，事實(shí)上，這種動(dòng)態(tài)負(fù)荷的研究是非常有實(shí)際意義的，特別是可以解決一系列實(shí)際運(yùn)用中遇到的問(wèn)題。,五