隨著有機(jī)合成工業(yè)化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展, 進(jìn)入大氣的有機(jī)化合物越來越多, 這類物質(zhì)往往帶有惡臭, 不僅對(duì)人體各種感官有刺激作用, 而且不少有機(jī)化合物,產(chǎn)生 “三致”效應(yīng),從而對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生很大的危害。微生物對(duì)各類污染物均有較強(qiáng)、較快的適應(yīng)性,并可將其作為代謝底物降解、轉(zhuǎn)化。同常規(guī)的有機(jī)廢氣處理技術(shù)相比,生物技術(shù)具有效果好、投資及運(yùn)行費(fèi)用低、安全性好、無二次污染、易于管理等優(yōu)點(diǎn)( 如表 1 所示) ,尤其在處理低濃度( < 3mg/ L)、生物可降解性好的有機(jī)廢氣時(shí)更顯其*性。
   
 

 
一、生物法凈化有機(jī)廢氣的原理
         有機(jī)廢氣生物凈化是利用微生物以廢氣中的有機(jī)組分作為其生命活動(dòng)的能源或其它養(yǎng)分,經(jīng)代謝降解,轉(zhuǎn)化為簡單的無機(jī)物( C O2, 水等)及細(xì)胞組成物質(zhì)。 與廢水的生物處理過程的大區(qū)別在于:廢氣中的有機(jī)物質(zhì)首先要經(jīng)歷由氣相轉(zhuǎn)移到液相(或固體表面液膜)中的傳質(zhì)過程,然后在液相(或固體表面生物層)被微生物吸附降解

  圖1  微生物凈化有機(jī)廢氣模式圖
由于氣液相間有機(jī)物濃度梯度、有機(jī)物水溶性以及微生物的吸附作用, 有機(jī)物從廢氣中轉(zhuǎn)移到液相(或固體表面液膜)中,進(jìn)而被微生物捕獲、吸收。在此條件下,微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化分解和同化合成, 產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物一部分溶入液相, 一部分作為細(xì)胞物質(zhì)或細(xì)胞代謝能源,還有一部分(如 CO2)則析出到空氣中。廢氣中的有機(jī)物通過上述過程不斷減少,從而得到凈化。
二、有機(jī)廢氣生物處理的工藝研究與應(yīng)用
         根據(jù)微生物在有機(jī)廢氣處理過程中存在的形式, 可將處理方法分為生物吸收法(懸浮態(tài))和生物過濾法(固著態(tài)) 2類。生物吸收法(又稱生物洗滌法)即微生物及其營養(yǎng)物配料存在于液體中,氣體中的有機(jī)物通過與懸浮液接觸后轉(zhuǎn)移到液體中而被微生物所降解。生物過濾法則是微生物附著生長于固體介質(zhì)(填料)上,廢氣通過由介質(zhì)構(gòu)成的固定床層(填料層)時(shí)被吸附、吸收,終被微生物降解,較典型的有生物濾池和生物滴濾池2種形式。
1. 生物吸收法( bio scrubber)
生物吸收法由一個(gè)吸收室和一個(gè)再生池構(gòu)成,如圖2所示。
 
 圖2  生物吸收法示意圖
           生物懸浮液(循環(huán)液) 自吸收室頂部噴淋而下,使廢氣中的污染物和氧轉(zhuǎn)入液相(水,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量傳遞。吸收了廢氣中組分的生物懸浮液流入再生反應(yīng)器(活性污泥池)中,通入空氣充氧再生。被吸收的有機(jī)物通過微生物氧化作用, 終被再生池中 的活性污泥懸浮液從液相中除去。 生物吸收法處理有機(jī)廢氣,其去除效率除了與污泥的 M LSS濃度、 pH 值、溶解氧等因素有關(guān), 還與污泥的馴化與否、營養(yǎng)鹽的投加量及投加時(shí)間有關(guān)[ 5]。 福山等[6]在臭氣凈化處理的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)活性污泥濃度控制在5000～10000m g/ L、氣速< 20m3/ h 時(shí), 裝置的負(fù)荷及去除率均較理想。 日本一鑄造廠[ 7]采用此法處理含胺、酚等污染物的氣體, 設(shè)備采用兩段洗滌塔, 裝置運(yùn)行十多年來一直保持較高的去除率( < 95 % )。德國開發(fā)的二級(jí)洗滌脫臭裝置,臭氣從下而上經(jīng)二級(jí)洗滌,濃度從2100mg/ L 降至50mg/L,且運(yùn)行費(fèi)用極低。
         生物吸收法中氣、液兩相的接觸方法除采用液相噴淋外, 還可以采用氣相鼓泡。 一般地,若氣相阻力較大可用噴淋法,反之液相阻力較大時(shí)則用鼓泡法。 鼓泡與污水生物處理技術(shù)中的曝氣相仿,廢氣從池底通入,與新鮮的生物懸浮液接觸而被吸收。由此,許多文獻(xiàn)中將生物吸收法分為洗滌式和曝氣式2種。 日本某污水處理廠用含有臭氣的空氣作為曝氣空氣送入曝氣槽,同時(shí)進(jìn)行廢水和廢氣的處理,取得了脫臭效率達(dá)99%的效果。
2.生物濾池( biofilter)
生物濾池處理有機(jī)廢氣的工藝流程如圖3所示。
 
  圖3  生物濾池系統(tǒng)示意圖
        具有一定濕度的有機(jī)廢氣進(jìn)入生物濾池,通過約 0. 5～1m厚的生物活性填料層,有機(jī)污染物從氣相轉(zhuǎn)移到生物層, 進(jìn)而被氧化分解。生物濾池的填料層是具有吸附性的濾料(如土壤、堆肥、活性炭等) 。堆肥生物濾池因其較好的通氣性和適度的通水和持水性, 以及豐富的微生物群落,能有效地去除烷烴類化合物,對(duì)酯等生物易降解物質(zhì)的處理效果更佳。
         有關(guān)生物濾池在有機(jī)廢氣處理中的研究報(bào)道,較早的有 Jennings[12]及其同事于70年代初,在莫諾特方程的基礎(chǔ)上提出了生物濾池中單組分的、非吸附性的、可生化降解的氣態(tài)有機(jī)物去除率的數(shù)學(xué)模型。而后, Ottengraf[13- 17]等依據(jù)吸收操作的傳統(tǒng)雙膜理論,在Jennings的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了目前在*影響較大的生物膜理論(見圖4)。
         另外, H odg e等[ 18]采用堆肥作填料凈化處理含蒸汽的廢氣,當(dāng)進(jìn)氣負(fù)荷不高于90g/m3  h、停留時(shí)間為30s時(shí),去除率達(dá)95%以上; Cox等[19]以珍珠巖為濾料,選用馴化篩選后的真菌降解,氣體濃度為800 mg/m3、流量為43L/h時(shí),處理效率達(dá)99%,

 圖4  生物膜理論示意圖
同時(shí)測(cè)得 CO2濃度為1000ppm( 1833mg/m3); Corsi等[20]在  154mm實(shí)驗(yàn)裝置上,其同系物為凈化處理對(duì)象,在操作溫度20. 8℃、空塔氣速28～30m/h、停留時(shí)間 1. 82～1. 96min實(shí)驗(yàn)條件下,進(jìn)行堆肥法、土壤法、木屑法的平行實(shí)驗(yàn), 比較了被處理氣體通過三種填料加營養(yǎng)物質(zhì)前后的去除效率, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 堆肥對(duì)氣體中一直保持較高的去除率( 90%～99% ) , 土壤和木屑在沒有加營養(yǎng)物質(zhì)的情況下去除效果較差,加營養(yǎng)物質(zhì)后,去除率可達(dá)99%。
3.生物滴濾池(biotrickilng filter)
生物滴濾池處理有機(jī)廢氣的工藝流程如圖5所示。

圖5  生物滴濾池系統(tǒng)示意圖
          生物滴濾池與生物濾池的大區(qū)別是填料上方噴淋循環(huán)液, 設(shè)備內(nèi)除傳質(zhì)過程外還存在很強(qiáng)的生物降解作用。與生物濾池相似,生物滴濾池使用的是粗碎石、塑料、陶瓷等一類填料,填料的表面是微生物區(qū)系形成的幾毫米厚的生物膜,填料比表面積一般為 100～300m2/ m3。這一方面為氣體通過提供了大量的空間,另一方面,也使氣體對(duì)填料層造成的壓力以及由微生物生長和生物膜疏松引起的空間堵塞的危險(xiǎn)性降到了限度。 與生物濾池相比,生物滴濾池的反應(yīng)條件( pH、溫度)易于控制(通過調(diào)節(jié)循環(huán)液的 pH、溫度) ,而生物濾池的 pH 控制則主要通過在裝填料時(shí)投配適當(dāng)?shù)墓腆w緩沖劑來完成, 一旦緩沖劑耗竭則需更新或再生濾料, 溫度的調(diào)節(jié)則需外加強(qiáng)制措施來完成, 故在處理鹵代烴、含硫、含氮等通過微生物降解會(huì)產(chǎn)生酸性代謝產(chǎn)物及產(chǎn)能較大的污染物時(shí),生物滴濾池較生物濾池更效。 Hartmans、 Diks等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,氣速為145～156m/h、濃度為 0. 7～1. 8g/m3時(shí),去除率為80%～95%。 另外,生物滴濾池單位體積填料層微生物濃度較高,適于處理高負(fù)荷有機(jī)廢氣。 T onga等的研究表明,當(dāng)停留時(shí)間為50s、處理效率為90%時(shí),生物滴濾池處理負(fù)荷是生物濾池的 2倍;處理負(fù)荷是生物濾池的3倍以上。
         另外, Pedersen等[24]在  70mm生物滴濾池中進(jìn)行了低濃度廢氣的凈化處理研究,得到大生化去除量為45mg/ L。

三、生物法凈化有機(jī)廢氣現(xiàn)狀及需解決問題
        近年來, 由于各國對(duì)有機(jī)廢氣造成的環(huán)境污染的關(guān)注,對(duì)有機(jī)廢氣的處理研究也日趨活躍。生物技術(shù)由于具有傳統(tǒng)的方法不可比擬的*性和安全性, 已成為世界工業(yè)廢氣凈化研究的前沿?zé)狳c(diǎn)課題之一。
        生物法凈化有機(jī)廢氣的研究,國外是從80年代初逐步展開的[28],初應(yīng)用是在堆肥場和動(dòng)物脂肪加工場的有機(jī)廢氣脫臭處理方面[ 29]。 廢氣中所含臭味物質(zhì)主要有腐胺、脂肪酸等。 外某動(dòng)物脂肪加工廠[30]曾用堆肥作濾料,在濾料厚度為1m、氣體在濾層中平均停留時(shí)間為17s、過濾負(fù)為88m3/ m2  h的情況下,將廢氣中的有機(jī)物濃度由45mg/Nm3降到3. 5mg/ Nm3,獲得了良好的除臭效果。
         不同成分、濃度及氣量的氣態(tài)污染物各有其有效的生物凈化系統(tǒng)。生物吸收法適宜于處理凈化氣量較小、濃度大、易溶且生物代謝速率較低的廢氣處理; 對(duì)于氣量大、濃度低的廢氣可采用生物濾池處理系統(tǒng); 而對(duì)于負(fù)荷較高以及污染物降解后會(huì)生成酸性物質(zhì)的則以生物滴濾池為好。 在目前的廢氣生物凈化實(shí)踐中以運(yùn)行操作簡單的生物濾池系統(tǒng)使用得多, 日、德、荷、美等國家生物法處理有機(jī)廢氣的設(shè)備與裝置開發(fā)已呈商品化態(tài)勢(shì)并且應(yīng)用效果良好,對(duì)混合有機(jī)廢氣的去除效率一般在95%以上。 目前,我國有關(guān)這方面的研究及應(yīng)用還處于起步階段,僅同濟(jì)大學(xué)、 昆明理工大學(xué)等單位進(jìn)行了初步研究。
          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,許多問題需要進(jìn)一步探討和研究。
( 1 )反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式研究。
         通過反應(yīng)機(jī)理的研究,提出決定反應(yīng)速度的內(nèi)在依據(jù),能有效地控制和調(diào)節(jié)反應(yīng)速度, 終提高污染物的凈化效率。 盡管 O ttengraf等提出了較*的生物膜理論[39,40] ,但該理論的提出是建立在以生物濾池為研究基礎(chǔ)上的,對(duì)生物吸收法和生物滴濾池凈化處理有機(jī)廢氣過程機(jī)理的描述不適合。在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn),許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能與上述理論模型相吻合,一些現(xiàn)象也難以用上述理論作出解釋。 我們認(rèn)為,這主要是由于物濾池中存在相對(duì)較穩(wěn)定的液膜, 而生物吸收法和生物滴濾池中由于循環(huán)液的流動(dòng)性, 無法產(chǎn)生類似的穩(wěn)定液膜。( 2)填料特性研究。 
        對(duì)于生物濾池和生物滴濾池來說,深入研究填料的一些特性是非常必要的。 填料的比表面積、孔隙率除與單位體積填充層生物量有關(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問題。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/固相傳質(zhì)過程, 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[41]、Liu[42]等在生物濾池處理蒸汽時(shí)發(fā)現(xiàn), 顆?；钚蕴孔魈盍蠒r(shí)的分配系數(shù)是堆肥的2. 5～3倍。( 3)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 “溫和”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)用中碰到的問題。