VOCs生物淨化工藝（yì）與主要影響因數解析

VOCs廢氣（qì）生物處理興起於荷蘭和德國，尤其適用於中、低濃度廢氣的處理（lǐ）。生物法原理主要是利用微生物代謝活動，將VOCs轉化為（wéi）細胞（bāo）代謝的能（néng）源、細胞組成物質及無害的小分子物質（zhì）（如水（shuǐ）、二氧化（huà）碳等）。其優缺點如下：

優點：反應條件溫和、設備簡單、操（cāo）作方便、運行費用低，二次汙染小、可處理不同性質的混合氣體等。

局限：其生物降解速率有限（xiàn），承受（shòu）負荷不能過高，對具有（yǒu）生物毒性的物（wù）質處理（lǐ）效（xiào）果較差。

一、淨化工藝

VOCs和惡臭廢氣生物處理工（gōng）藝主要包括生物濾池、生物（wù）滴濾塔、生物（wù）洗滌器、膜（mó）生物反應器。其中，生（shēng）物過濾器和生（shēng）物滴濾器應用最為廣泛，膜生物反應器尚限於實驗室研究階段。

1、生物過濾

在生物過濾過程中，VOCs廢氣流經過加壓預濕（shī）後，進入過濾塔與濾料層表麵的生物膜接觸，VOCs從氣相轉移到生物（wù）膜中被膜內的（de）微（wēi）生物迅速降解和利（lì）用，轉化為自身生物質、水、CO2和其他小分子物質。生物過濾法適用於種類廣泛的VOCs廢氣處理，如短鏈烴類、單環芳烴、氯代烴、醇、醛、酮、羧酸以及（jí）含硫、氮的有機物，其（qí）典型的（de）應用領域包括印刷、噴塗行業、汙水處理和畜禽養殖業（yè）等（děng）。該方法特點是操作簡單，運行費用（yòng）低、適用範圍（wéi）廣，不（bú）產生二次汙染，但反（fǎn）應條件（jiàn）不易控製，易堵塞、氣體短流（liú）、溝流，占地多，且對進氣負荷變化適應慢。

2、生物滴濾

生物滴濾是生物過濾工藝的改進，其床層填料多為惰性物質，與生物過濾相比，降低了氣體通過床層的阻（zǔ）力，由於連續流動的液體通過填充（chōng）層（céng），使（shǐ）得反應條件（如pH、營養物（wù）濃度）易於控製，單位體積填料的生物量高，更適合淨化（huà）負荷較高的廢氣，同時克服了生物過（guò）濾不利於處理產酸（suān）廢氣的特（tè）點，可有效去除經生物降解產生酸性代謝（xiè）產物的VOCs廢氣。據報道，生物滴濾反應器處理的VOCs主要有烷烴、烯烴、醇、酮、酯、單環芳烴、鹵代烴（tīng）等。但生物滴濾反應（yīng）器由於連續流動液相的存（cún）在，使得亨利係數較大的（de）汙染物不容易被去除。

3、生物洗滌

生物洗滌器又叫生（shēng）物洗滌池，由傳質（zhì）洗（xǐ）滌器和生物降（jiàng）解反應（yīng）器組成。廢氣首先進入洗滌器，與惰性填料上的微生物及由生化反應器過來的泥（ní）水（shuǐ）混合物進行傳質吸附、吸收，部分（fèn）有機物在（zài）此被降解，液相中（zhōng）的大部分（fèn）有機物進入生化反（fǎn）應器，通過懸浮（fú）汙泥的代謝作用被降解掉，生化反應器出水進入二沉池進行泥水（shuǐ）分離，上清液排出，汙泥回（huí）流。

生物（wù）洗滌法也叫生物吸（xī）收法，在運行（háng）過程中廢氣不（bú）需要增濕（shī），由（yóu）於係統由2個獨立的反應（yīng）單元組成，易於控製反應條件，壓（yā）力（lì）損失低，但其傳質表麵（miàn）積低，廢氣必（bì）須（xū）溶於液相，需大量供（gòng）氧才能維持高降解（jiě）率，而且存在剩餘汙泥（ní），運行費用也較高。

4、膜（mó）生物反應器（qì）

膜生物反應器（qì）是一種新型（xíng）廢氣生物處理工藝，在中空纖維膜生物反（fǎn）應器（qì）中，纖維膜（mó）外表麵生長一層薄薄的生物膜，懸浮液在纖（xiān）維膜外表麵循環，直接與生物膜（mó）接觸。廢氣從生物（wù）反應器進氣口分散進入各根纖維膜膜腔，依靠濃度梯度氣體分子通過膜壁傳質至（zhì）外層的活性生物膜後得以降解。其氣流和液流分別在纖維膜的兩側（cè），在液相麵的纖維膜上形成生物膜，其比表麵積大、生物量高，可清除過量（liàng）的生物（wù）量以防堵塞，可（kě）向流動的液相添加pH緩衝劑、營養物質（zhì）、共代謝物及其他（tā）促進劑，也可（kě）排除有毒（dú）或抑製性的產物（wù），保持較高的微生物活性。

國外已有一些采（cǎi）用膜生物反應器處理甲苯和BTEX（苯、乙苯、二甲苯和甲苯）的報道，雖然這些研究都取得了（le）較好的效果，但生物膜反應器（qì）的構建和運行成本高（gāo），使其在處理VOCs廢（fèi）氣的實際應用中（zhōng）受到了限製。

鑒於（yú）生物反應（yīng）器的（de）各種優點，使得它們在各（gè）行業中得到廣泛應用。生物過濾塔適（shì）用於處理肉類加工廠、動物飼養場、汙水處理廠和堆肥廠等處產生（shēng）的廢氣。珠海吉大水質淨（jìng）化廠利用生物濾池處理惡臭氣體量為57000m3/h，並且達到廢氣排放二級標準。生物滴濾塔已成功用於化工廠、食品（pǐn）廠、汙水泵站等方麵的廢氣淨化和（hé）脫臭。

二、主要影響因素

1.廢氣性質

廢氣組分的可生物降解性（xìng）和水溶性（xìng）是影響生（shēng）物處理工藝降解性能的主（zhǔ）要因素之一。傳統生（shēng）物過濾/滴濾工藝常被認為不適合處理難生物降解和低水溶性的組分。疏水性VOCs從氣（qì）相到水相較慢（màn）的傳質速率（lǜ）常導致（zhì）其（qí）較低的生物降解率。研究表明：汙染物（wù）的去除能力與亨利係數和疏水性（xìng）有關，且汙染物的最大去除能力遵循以下順序：醇類>酯類>酮類>芳（fāng）香（xiāng）類>芳香烴類>烷烴類。

針對難生物降解（jiě）組分，有研究者（zhě）以紫外光氧化作為預處理技術，以生（shēng）物技術作為主體淨化工（gōng）藝，通過紫外光氧化預處理，將難降解汙染物轉化為易生物降解的水溶性物質，提（tí）高後續生物淨化單元的處理效果。針對疏（shū）水性組分，主要在反應器中引入疏水性有機相強（qiáng）化該類物質的傳質，進而提高其生物（wù）淨化效率。

2.降解菌（jun1）

微生物在廢氣生物（wù）處理係（xì）統中起著決定性作用。廢氣生物處理裝置在啟動期需對填料層接種微（wēi）生物（wù）。接種的（de）微生物菌種可以為活性（xìng）汙泥、專門馴化培養的純（chún）種微（wēi）生物（wù）]或人為構建的複合微生物菌群。選育優異菌種並優化其生存條件是目前該技術的主要研究方向之一。此外，基於菌種的代謝特征，人為構建生態結構（gòu）合理（lǐ）的複合微生物（wù）菌群，對縮短反應器的啟動周期（qī）、提高接種微生物（wù）的競爭性和保持反應器持續高效性具有重要意義。

處理VOCs廢氣的微生物種群很多，在反應（yīng）器中占（zhàn）主體的多為異養型微生物，以細菌為主，其次真（zhēn）菌（jun1），還有放線菌和酵母菌，也有少量蠕蟲、線蟲等原生動物。研究發（fā）現廢氣生物降解（jiě）過程（chéng）中，汙染物（wù）降解主要與細菌有關，但（dàn）目前的研究證明，真菌（jun1）有（yǒu）可能成為（wéi）廢氣生物處理過程中更（gèng）具有廣闊前景的菌類，作為典（diǎn）型的氣生型微生（shēng）物，其具有較大的比表麵積，對幹燥環境或強酸環境具有較強的耐受能力，表（biǎo）現出比細菌更好的對疏水性（xìng）VOCs的去除性能。

微生物群落結構及代謝功能的動（dòng）態變化將（jiāng）對反應器的宏觀處理能力產生（shēng）影響。不同反應（yīng）器（qì）運行條件，形成的微生物群落（luò）結構和優勢種群就不同。調控微生（shēng）物群落的方（fāng）法有：控（kòng）製反（fǎn）應器內微（wēi）環境、采（cǎi）用高效菌種接種或生物強化。傳統的生物技（jì）術（shù）局限於微生物的定量與表征上。但隨著分子生（shēng）物學的發展（zhǎn），一些分子生物技術，如變性梯度凝膠電泳、熒光原位雜交等已經（jīng）用於研究微生物群落（luò）結構及生態特征。

3.填料結構與特性

填料是廢（fèi）氣（qì）生物處理裝（zhuāng）置的核（hé）心（xīn）部分，其性能影響微生物的附著及（jí）係統的（de）運行效果。理想的填料一般應（yīng）具備（bèi）比表麵（miàn）積（jī）大、過濾阻力小、抗（kàng）堵性（xìng）能強、適（shì）合微生物附著生長、持水能力強、堆積（jī）密（mì）度小、機械強度、化學性質（zhì）穩定、使用壽命長（zhǎng）、易獲得、價廉等優點。

生物過濾法常采用有機活性填料為主要填料。常用的有機活性填料（liào）有土（tǔ）壤（rǎng）、堆肥、泥炭、矽藻土、樹皮等（děng）或其混合物其中堆（duī）肥最（zuì）為常用]。有機活性填料具有價廉、富含營養物質和易於（yú）微生物附著等優點，但該類填料的有機物會逐漸降解（jiě）礦化，導致填料層壓實和堵塞，縮短填（tián）料的使用壽命。因此，有機填料和無機填料製成的複合填料是目前的研究熱點。

生物滴濾的床層由惰性填料組成，該類裝置的（de）改進與發展主要體現在填料的改進與發（fā）展上。傳統的生物滴濾填料有卵石、粗碎石、木炭、陶（táo）粒、火山（shān）岩等，該類（lèi）填（tián）料存（cún）在處理效率低、易堵塞等問（wèn）題。新型生物滴濾填料的研究與開發（fā）主要表現在材質和（hé）結構方麵的不斷（duàn）改進，主要包（bāo）括：聚氨酯泡沫、聚丙烯球、聚乙烯球、矽藻土、不鏽（xiù）鋼、分子篩等。生物填（tián）料的發展主要為（wéi）對已知天然（rán）活（huó）性填（tián）料進行改性以（yǐ）提高填料的綜合性能或（huò）人為增加填料比表麵積和強度、提高孔隙率、減輕重量，防止填料壓實和氣體短流。

4.pH和溫度

噴淋營養液的pH是影響廢氣生物淨化性能的主要運行參數之一。反（fǎn）應體係營養液pH多保持在5~8之間。一些研究表（biǎo）明，較低的pH(<4.2)影（yǐng）響微生物的降解活性進而影響（xiǎng）反應體係的（de）降解性能。

溫度（dù）是影響生物淨化性能（néng）的關鍵參數之一。填料層中的（de）微生（shēng）物多為中（zhōng）溫性生物（wù），床層（céng）溫度可為（wéi）10~42℃，大部分實驗研究和工程應用的生（shēng）物（wù）滴濾/過濾體係在環境溫度15~30℃運行。然而，許多工業廢氣排放溫度高於環境溫度，因此，常規處理工藝需要對排（pái）放（fàng）廢（fèi）氣進行預冷卻（què）處理，導致運（yùn）行費用增加。

為了降低成本，一些研究者（zhě）研（yán）究了嗜熱菌在廢（fèi）氣生（shēng）物處（chù）理中的應用。有研究表（biǎo）明，嗜熱型生物反應器的運行溫度一（yī）般控製在45~75℃，如在50℃應用生物過濾處理BTEX廢氣，其最大去除負荷達218g/（m3˙h）（平均去除率（lǜ）>83%）；在45~50℃處理乙酸乙酯廢氣，其運行性能優於同等條（tiáo）件的中溫反應器；采用生物滴濾處理異（yì）丁醛和2-戊（wù）酮混合廢氣，在52℃較25℃可獲得更高（gāo）的去除（chú）能力。

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