生物膜法在废气中有机物去除的应用现状及发展趋势

生物膜法在废气中有机物去除的应用现状及发展趋势

摘要: 当今社会有机废气（VOCs）污染治理已经成为环保工作的重点。综合性叙述了含有有机物的废气主要来源，危害和对人体、对环境、对生态等。以及生物膜法去除废气中有机物的作用原理，研究现状及发展趋势，也提出了一些当今该技术在运用过程中的不足之处。 关键词: 有机废气；生物膜法；处理技术

1 前言

近年来经济的发展，伴随着石油化工行业的大量崛起，大量的苯、甲苯、二甲苯、醇、醛、酮、酚、酯、四氢呋喃、硫醇等有机废气，以及氨、H2S和NOX等无机气体。造成大量废气的排放到环境中，使空气质量下降，严重危害到了人类健康和国民经济的发展。随着 VOCs 浓度的增加，人体会出现头痛、恶心、昏迷、抽搐等症状，还会对人体的肝、肾脏大脑和神经系统造成伤害。医学家在1928 年首次提出苯与白血病有关的报告，美国也在1992年明令规定在学生实验中禁止使用苯；1993年世界卫生组织下属国际癌症研究机构( IARC)将苯列为类人类致癌物。 因此，应对有机废气进行严格的处理和排放。现今，已开发出一些稍有成效的处理技术，例如燃烧法、吸附法、冷凝法、吸收法，生物膜法、电晕法和氧化还原法等等，但有机废气的处理效果仍不敬人意。在这种形式的压迫下，最近几年又提出了更为有效的新技术——生物膜法，这项技术逐渐受到世界各国人们的广泛关注，研究有机废气的处理技术已然成为现在迫切需要解决的问题。

2 生物膜法去除废气中有机物

2.1生物膜法去除废气中的有机物作用原理

生物膜法去除废气中的有机物作用原理就是将微生物固定附着在多孔性介质填料表面，并使污染空气在填料床层中进行生物处理，挥发性有机物等污染物吸附在孔隙表面，被孔隙中的微生物所耗用，利用微生物的新陈代谢生命活动将废气中的有害物质转变为简单的无机物及细胞质并降解成CO2、H2O和中性盐。目前在世界上公认影响较大的是荷兰学者奥腾格拉夫（Ottengraf）依据传统的气体吸收双膜理论提出的生物膜理论(也可定义为“吸收－生物膜”理论).“吸收－生物膜”理论处理废气主一般分为3个步骤：（1）有机废气中的污染物由气膜扩散进入液膜。（2）液膜中的有机物通过浓度差扩散进入生物膜，同时微生物进行捕获和吸收。（3）最终微生物通过代谢将污染物分解为对人类无害的二氧化碳和水。

但是孙佩石等人发现该理论很难解释如甲苯等微溶于水或不溶于水的有机物，它们很难用液膜进行扩散，因此在该理论的基础上进行了改进提出了吸附—生物膜理论，并且通过对处理低浓度甲苯废气的实验研究建立了动力学模式。改进的理论的三个步骤为：（1）有机废气中的污染物通过扩散到达气膜后被吸附到是人的生物膜表面（2）有机物被污染物捕获吸收（3）微生物分解有机物并将其转化为CO2和和H2O。 2.2生物膜法去除废气中有机物的优势

与传统的有机废气处理技术相比，生物法具有可在室温下操作，投资及运行费用低、效果好、安全性高、无二次污染且易于管理等优点。张洁敏等利用生物洗涤塔+生物滤塔系统处理香料厂产生的有机废气，TVOCs浓度在391.7-516.7 mg/m3，净化后TVOCs浓度在40.3-47.4 mg/m3，去除率达到了89.70%-91.50%。目前，生物法处理有机废气技术在国外的应用日趋广泛，德国、美国、日本、荷兰等国已有相当数量工业规模的各类生物净化装置投入运行

2.3生物膜法去除废气中有机物的研究现状

生物法是一项新的有机气体污染控制技术，现阶段分为：生物过滤法，生物滴滤法，生物洗涤法。其中生物过滤法和生物滴滤法统称为生物膜法。

2.3.1 生物过滤法

生物过滤法是研究最早而技术相对成熟的一种大气污染控制技术。生物过滤器常用开放式单滤床和封闭式多滤床 。增湿器和生物滤池是主要设备。生物滤池处理有机废气的流程: 首先经过加湿器的有机废气进入生物滤池，通过50—100米的生物活性填料层，滤料中的微生物捕获并吸收废气中的有机物来合成自身生长所需的碳源，然后净化后的气体排出。

（2）过滤材料：生物滤池的滤料是具有较高吸附能力的滤料，可使有机污染物与微生物胞外酶在滤料和微生物界面处浓缩，提高生化反应速率，提高了有机废气的净化度。滤料多采用如木屑，活性炭，土壤，泥炭，灰泥或者几者和混合物，滤料滤料应具有多孔性，适宜微生物生长，具有良好的持水性。生物滤床在处理废气方面已有广泛应用。

（3）发展现状；目前世界上已建立起500套利用生物过滤法来处理有机废气的工业装置。生物过滤法中的微生物过滤箱已经成功地用于化工厂，食品厂，污水处理厂的废气净化和脱臭，例如可以用来去除肺气肿的环乙酮，甲基乙基酮，四氢呋喃等有机融合剂蒸汽。我国近年来一些地方采取了土壤床处理地理式污水处理构筑物排放的臭气。 2.3.2 生物滴滤塔

生物滴滤塔流程是，首先有机废气进入滴滤池的底部，回流水从塔的上方均匀的喷洒到填料上，顺着填料上的生物膜滴流而下，附着在生物膜上的微生物吸收溶于水中的有机污染物，并将其转化为对人类无害的二氧化碳和水。

（2）过滤材料：滴滤池的填料多使用粗碎石，蜂窝状的塑料填料，塑料波纹板等，填料间空隙大且不具吸附性，填料的比表面积一般为100~300m 2/m3,为通过的气体提供了大量的空间，从而降低了气体对生物膜造成的压力和因生物膜疏松引起的空间堵塞。

（3）发展现状：生物滤滴法已在国外工业中得到了广泛的应用。 2.4 生物膜法处理有机废气的应用

当前，生物膜法处理有机废气并未普及，仅仅用于食品加工厂，屠宰场，动物饲养场，化工厂，发电厂，制药厂和堆肥厂等排放低浓度有机废气的行业。处理如硫醇、乙醇、吲哚、酮、乙醛、胺和甲酚等有机物。

3 生物膜法去除废气中有机物发展趋势

3.1生物膜法去除废气中有机物的当今的不足之处

生物膜处理废气研究时间相对较短，实际应用方面的技术还不成熟，存在许多需要我们无解决的问题，如:

(1) 用生物膜法处理处理有机废气不同的方法对填料的要求也各不相同，要注意调控填料的湿度，湿度低容易导致填料干缩破裂和微生物失活等问题。

(2) 废气颗粒在在滤床中累积过多，导致滤床堵塞，阻力增大

(3) 流量和浓度波动较大，造成废气在设备中停留时间短，处理效率低

(4) 尽管ottengraf已经提出著名的生物膜理论但是到现今为止许许多多的实验数据仍然不能与上述的模型相吻合，理论实施中有相对稳定的液膜，但是现实中却很难做到。

(5) 需要研究开发一些特定处理某些有机物降解的细菌种类和接种方法。 (6) 实施过程中各种装备设置的施工和设计还不够规范。

(7) 适用于特定有机物降解的细菌种类和接种方法有待进一步开发研究。 (8) 处理低浓度有机废气的技术已相对成熟，高浓度有机废气的处理技术还有待我们探索研究

3.2生物膜法去除废气中有机物的发展趋势

3.2.1 生物膜法废气中有机物去除相关填料的开发，

填料的特性研究，对于生物滤池和生物滴滤池来说，非常有必要对填料的一些特性进行

深入的研究因为填料不仅是生物膜附着的支撑体，且能对微生物胞外酶和废气中的有机物进行吸附富集。填料的选择要考虑比表面积、机械强度、化学稳定性及价格等问题，以及持水性能的好坏，填料是废气生物净化装置的核心组件，新型填料的开发需满足质轻价廉，耐氧化等要求。

3.2.2生物膜法废气中有机物去除的动力学研究

由于生物膜反应器还未在有机废气的处理领域广泛应用，所以尚无成熟的工艺参数供我们使用。为了使技术更加的实用化，我们进入了深入的动力学研究，

1通过推导得到生物滤池的基本模式： c=c0exp(-bKmx/v)

式中：c—贯穿深度为x时气相中污染物的浓度，mg/m3 co—进气中污染物的浓度，mg/m3 b—生化反应速率常数，h-1

x—有机废气在滤池内的轴向贯穿距离，m v—有机废气轴向贯穿空隙速度，m/h

Km—分配系数，为平衡时有机污染物在固/液混合相(即含水微生物膜)中的质量与在气相中的质量之比值。

当净化去除率确定后，就可由上述公式算出生物滤池的床层设计高度x,进而确定生物滤池的结构尺寸。

2通过合理的简化动力学模型，更加了解影响生物降解速度的原因。 生物滴滤池的动力学研究：

生物滴滤池入口处有机气体浓度与去除量的关系：

(1)当有机气体浓度在区间（0~A）时，两者成正比，去除量随气体浓度的增加而增加。生物膜降解为一级生化反应，反应速率方程：ra=Kla*S1

ra:表面反应速率 Kla:一级表面反应速率常速 S1:液相气体浓度

(2)当有机气体的浓度的浓度>A时，去除量渐趋于稳定状态，不随气体浓度的增加而增加。气体降解过程为0级反应。

A点作为生物膜净化气体的临界点。

结合无因次准数M比较化学反应速率和传质速率在液膜中的相对大小推断出化学反应的动力学类型，可知方程：M=（D*k1）*kL2

D:气体在液相的扩散系数 K1：一级反应速率常数

KL:物理吸收的液相传质系数

3.2.3生物膜法废气中有机物去除相关优势菌种的选择和开发

微生物的培养以异养型细菌为主，丝状真菌为次，极少有酵母菌。Rieneck还发现，细菌大部分是杆状菌和内生孢子菌，还有常见的假单胞菌生长。放线菌主要有链霉菌，真菌包含毛霉、曲霉、根霉、青霉、交链孢霉等。

Webster等人设计的生物滴滤塔中的固定微生物是从Biolog公司的BilolgGN菌落中纯培养得到的，国内孙佩石等人也做了相关的研究，他们采用经由甲苯及氮磷营养液驯化后的国内焦化废水处理厂微生物菌种(以短杆菌类微生物为优势)的溶液，对生物滤滴塔进行挂膜操作并保养生物膜24天后，即进行低浓度甲苯气体的净化实验，对甲苯的书力度最高可达157.13mg/(h.c)。结果表明，国内菌种也可达到很好的处理效果。 4 结论

用生物化学法处理废水已有一百多年, 但用于在废气方面的处理历史则很短,随着人们对生存环境要求的逐步提高和石油化工行业废气排放量的增加,人们越来越感受到废气治理

的重要性。生物法处理废气就是针对实际情况逐步进行开发研究的。现对单组分气体的处理效果已经较好, 可在实际运行过程中仍存在大量问题, 已引起国内外相关行业的广泛关注。

对生物膜法治理有机废气的机理虽已作了许多研究, 后续研究中仍有许多问题有待于解决。主要有以下几点: 接种、驯化、培养适于降解特定有机物的微生物，加强有机气体从气相向液相转移的传质过程, 以提高微生物对有机污染物的生物降解速率; 处理有机废气浓度、流量, 喷淋量与去除率之间的关系。

我国在废气排放方面的相关法律法规相对滞后，但随着大气污染的加重和国家管理措施的加强，对废气排放的限制将日趋严格。因此，该技术在我国化工和石油化工以及喷漆等行业的废气治理中都具有很好的应用前景。 参考文献：

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7 贺启环, 罗 欣1 废气生物净化技术研究进展[ J]1 污染防治技术,2003, 16( 2) : 23-261 8 杨显万, 孙佩石, 黄若华1 生物法净化低浓度挥发性有机废气的研究[ J]1 中国工程科学, 2001, 3( 9) : 64-681

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