挥发性有机化合物废气的生物处理技术及其工程应用

Posted 2023-01-11 生物

篇首语：带不走四季的风，就卷走一路的风景;遇不到心动的人，就孤身潇洒走四方。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了挥发性有机化合物废气的生物处理技术及其工程应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

在塑料、橡胶加工、油漆生产、汽车喷漆和涂料生产等诸多工业领域中，工业品的生产和加工过程产生了大量含有挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOC)的废气(VOC废气)。这些废气未经处理排入大气，在一定条件下会形成光化学污染，影响大气质量，影响动植物生长和人类的健康。某些有毒VOC废气有致残、致畸、致癌作用，对长期暴露其中的人体造成严重伤害。为此，各国颁布了相应的法令，限制该类气体的排放，我国于1997年颁布并实施的《大气污染综合排放标准》，限定33种污染物的排放限值，其中包括苯、甲苯、二甲苯等挥发性有机物。
对VOC废气的治理，有多种处理技术可供使用。但对于VOC浓度低、风量大的废气，传统工艺存在投资运行费用高、处理效率低和处理后存在二次污染等问题。近年来，逐渐发展的废气生物处理技术作为一种新型的空气污染控制技术，得到日益广泛的应用。该项技术与传统的燃烧法、催化氧化法、吸收法、吸附法相比，对VOC低含量废气的处理有明显的优势。本文主要介绍现行的德国废气生物处理技术，以期对我国相应技术的推广应用起到借鉴作用。
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废气生物处理工艺
1.1 生物处理原理
废气的生物处理技术首先应用于农业生产过程中异味气体的处理，例如养殖业中动植物加工产生的臭气、堆肥发酵和生物污泥废气处理等。随着工业生产中产生的挥发性有机气体的污染日益严重，这项技术逐步应用到工业废气净化领域。其净化的基本原理是：有机废气或异味气体流经带有液体吸收剂的处理器；在处理器中，由于废气中的污染物在气、液相之间存在浓度梯度，浓度差使其从气相转移到液相，被生存其中的微生物吸附；通过微生物的代谢作用，有机物被分解、转化为生物质和无机物。
1.2 反应处理工艺分类
生物处理技术的基本工艺流程以生物过滤为例，如图1所示，废气经过一定的除尘、温度和湿度调节，进入生物处理单元，经过微生物的处理，气体可以达标排放。

图1 有机废气的生物处理工艺流程图
根据处理运行方式不同，处理工艺主要分为生物滤床工艺和生物洗提工艺两种。
1.2.1 生物滤床
废气流经生物滤床(见图2)中的活性滤层，有机物被滤料上的湿润水膜吸收，通过滤料上生活的微生物的代谢作用而降解。

(a)生物滤床示意图 (b)多层布置的生物滤床
图2 生物滤床
生物滤床主要由进气系统、布气承托层、生物滤层和维护装置组成。
在生物滤床处理废气过程中，微生物的活性和数量对处理效果具有决定意义，它们取决于如下因素：进气流量、温度和湿度；废气中物质组成；浓度的稳定性和水溶性；氧气和营养物的供给；滤床的布置和温度、湿度保持；滤料的选择；滤床中的pH控制等。
滤料影响微生物的生长，从而直接影响净化效果。滤料选择必须考虑滤料的孔隙率、孔径分布、比表面积、亲水性、自身气味、pH等参数。在工程实践中，一般可选择有机滤料或无机滤料。无机滤料选择比表面积大，有一定强度的无机填料，如加气混凝土、多孔陶粒、熔岩颗粒或矿渣等。有机滤料主要有腐殖树皮、植物根须、枝杈、锯末、泥炭等及其混合物。由于有机滤料廉价易得，获得广泛的应用。有机滤料滤层一般高度在0.5～1.2 m。运行3～5年后，由于密实度增大造成阻力增大，应进行更换；更换滤料时，宜分次进行，以保持滤料中微生物种群的稳定。
1.2.2 生物洗提工艺
生物洗提工艺采用了污染物的液体吸收和生物处理的联合作用。废气首先被液体(吸收剂)有选择地吸收形成混合污水，再通过微生物的作用将其中的污染物降解。根据污水处理的方式(吸收剂再生方式)不同，可分为活性污泥法和生物膜法(生物滴滤池)，构筑物示意图如图3、图4所示。

图3 生物洗提—活性污泥法示意图图4 生物滴滤池示意图
从图3中可以看出，生物洗提-活性污泥法是将吸收剂(水和微生物的混合液)和废气在吸收塔内采用通过喷淋、填料填充或曝气等方式进行混合，溶解于水的有机物被微生物吸附，排入活性污泥反应器后进一步被降解，吸收剂得到净化再生和重复使用。因为吸收剂的再生速度不受处理负荷和吸收速度的影响，所以这种方法适用于处理生物降解速度较慢的有机物。
图4所示滴滤池中的填料上生长有大量生物膜，当废气通过其间，有机物被生物膜表面的水层吸收后被微生物吸附和降解，得到净化再生的水被重复使用。
在生物洗滤过程中，吸收剂的再生效率影响废气的吸收、净化效果和系统的能耗高低，
这主要取决于污水处理效率的高低。而影响生物洗提工艺处理效果的因素有：废气中有机物水溶性和生物降解难易程度；进气温度、粉尘和有毒物质含量；对微生物的曝气和营养物质供给(如N、P等)；水的温度、pH、含盐量和新鲜淡水的补充情况。
2 生物反应器的应用和经济技术比较
2.1 应用范围与设计参数确定
废气生物处理的主要适用范围是：去除异味气体和含VOC废气浓度较低的废气，废气中TOC(总有机碳)<1000 mg/m3；气体流量 ≤50000 m3/h，气流均匀且连续；废气的温度一般
≤40 ℃，生物滤床工艺同时要求进气湿度>95%；废气组分易溶于水，易生物降解。对废气中各种组分的降解情况如表1所示，可作为工艺设计的选择依据。

工程设计中，需要同时考虑废气中气体组分的种类、浓度，反应器中有效接触时间。反应器的尺寸由面积负荷：m3气体/(m2过滤面积.h)；接触时间：s；体积负荷：gTOC/
(m3过滤体积.h)；或：气味单位GE/(m3过滤体积.h)；或：m3气体/(m3过滤体积.h)等参数确定。
实际工程中，反应器尺寸可参考同类生产企业的经验值估算，并应进行中试实验，以优化设备尺寸，降低投资。表2、表3分别给出不同种类企业应用生物滤床和生物洗提工艺的情况。从两种工艺的应用可以看出，生物滤床工艺对气味和易溶性有机气体去除效率较高，而生物洗提能够用于生物降解性较差的VOC废气处理。

2.2 与其他工艺的经济技术比较
在对含VOC废气处理工艺的选择中，在技术领域应考虑如下因素：VOC的去除效率；废气性质(废气中有机物的组成、VOC含量、废气流量、气味指标)；可用建设面积；技术经济使用期；必要的附属设施建设(如：水蒸气生产设施)；与原有治污设备的配套；有机溶剂的回收等。经济上主要考虑投资、运行费用和财务风险。各种工艺的初步选择依据如表4所示。
表4 VOC气体处理技术措施的适用范围及其经济指标

3 结语
随着国内对环境质量的要求不断提高，挥发性有机废气的治理工作正逐步开展。生物处理方法利用微生物的代谢作用，对中、低浓度有机废气进行处理，具有适应性强，投资、运行费用低，二次污染小等优点，是一种自然的污染治理技术。这种方法的不足主要有：对气体水溶性和生物降解性有要求，反应器启动、微生物驯化、处理过程持续时间较长，运行中必须提供足够的营养元素和氧气等。今后的研究工作应主要集中在填料选择、适宜菌种筛选和固定化、反应器优化设计及其组合应用等方面，为工艺的进一步推广应用提供技术参数。