生物凈化有機廢氣技術研究進展

摘 要：綜述生物凈化有機廢氣技術的研究進展，包括發展過程、原理及基礎理論研究、主要凈化設備及特點、填料選擇、菌種馴化等，分析了現存問題，并據此提出了一些建議。

關鍵詞：生物凈化 有機廢氣 應用 研究進展

中圖分類號：TQ9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0144-02

工業生產常常會產生大量的有機廢氣，如不能進行對其進行有效地控制與治理，這些氣體必將嚴重的危害人類的生存環境和健康狀況，因此大力開展有機廢氣的綜合治理技術研究已經成為當代世界亟待解決的問題之一。

目前，有機廢氣的主要治理方法包括吸收法、吸附法、催化轉化法等。盡管上述方法具有一定的實操性，然而能耗高等問題也制約著這些方法的應用程度。

生物凈化有機廢氣技術是近年來發展起來的一項用于凈化低濃度有機廢氣的新型技術。經國外眾多研究表明，該技術實操性較強，且成本較低，因此是未來用于凈化低濃度有機廢氣的重要方法之一。

為了進一步推動該技術于我國的研究進程，筆者以下將從發展過程、工藝原理、基礎理論研究、主要設備及其特點、填料的選擇、菌種馴化、工程應用等方面對該技術的研究進展進行綜述，此外，還將分析說明其發展中存在的問題，并提出一些建議。

1 生物凈化廢氣技術的發展歷程

生物凈化有機廢氣技術的研究始于20世紀50年代，快速發展于80～90年代。德國和荷蘭是世界上首批較大規模的應用此項技術用于處理有機廢氣的國家[1]。日本、美國等地也已廣泛開展了該技術的工程應用，而我國對于該技術的研究還很欠缺。

2 生物凈化有機廢氣技術理論研究進展

生物法凈化有機廢氣的實質即利用微生物的生命活動，將廢氣中的有機組分降解、轉化為簡單的無機物（CO2、H2O）及細胞質等其它物質。具體而言，在微生物的生長過程中，需要消化吸收碳、氮、磷、氧等營養組分。生物凈化法便是通過向生物反應器中投加除待處理廢氣所含營養物質（即污染物質）以外的營養成分，從而保證微生物主動獲取待處理廢氣中所含的那部分污染物質作為機體生存的營養成分，最終達到去除廢氣中污染物質的目的。

至今為止，對于生物凈化有機廢氣技術的機理研究，學者們還未形成統一理論。目前，世界上公認影響較大的即荷蘭學者奧滕格拉夫（Ottengraf）依據傳統的氣體吸收雙膜理論所提出的生物膜理論（也可定義為“吸收—生物膜”理論）[2]。

3 主要凈化裝置及特點

目前，國內外主要有機廢氣生物凈化裝置包括生物過濾器（biofilter）、生物滴濾器（biotrickling filter/trickling）、生物洗刷塔（bioscrubber）等。其中應用最廣泛的是生物滴濾池和滴濾塔。

3.1 生物過濾器

生物過濾器內的固態介質一般使用土壤、堆肥、木屑等。其優點在于：設備少，操作簡單，成本低廉（其投資成本約為傳統處理技術，如吸附、吸收氧化等技術的1/10），處理效率高等；其缺點在于：反應條件較難控制，占地面積較大，處理效率不夠持續穩定、載體使用周期短等，且該工藝不適于處理較高濃度的廢氣和產酸廢氣。

3.2 生物滴濾器

在生物滴濾池中，微生物附著于惰性填料的表面并形成生物膜。有機廢氣從塔底進入反應器后，其中的有機物質則通過微生物的分解、代謝后轉化為小分子無機物質，凈化后的氣體從塔頂排出。其優點在于：設備少、操作簡單、壓降低、填料不易堵塞、處理效率高等。與生物過濾器相比，生物滴濾法的反應條件更易控制，因而微生物的活性更容易保持。其不足在于：填料比表面較小，運行成本較高，不適于處理水溶性差的化合物，此外結構和操作均比生物過濾器復雜，同時，營養物添加過量還易造成菌體大量繁殖，床層堵塞、壓降升高。為此，A.Laurenzis等人[3]在傳統的生物滴濾器中安裝攪拌裝置，以克服這一問題。生物滴濾器的介質可以采用陶瓷、塑料、粗碎石、陶瓷、活性炭、硅藻土等。

3.3 生物洗滌器

生物洗滌器一般是由洗滌器和生物反應器兩部分組成，洗滌器主要是物理溶解過程，生物反應器中一般采用好氧處理。該工藝有很多優點，如反應條件容易控制，壓降低，填料不易堵塞等；而缺點在于：設備多，需外加營養物，成本較高，填料比表面積小，對液相中菌體生長活動的控制比較困難，限制難溶氣體的處理效率等。因此生物洗滌器遠不如前兩者應用廣泛。

3.4 小結

不同成分、濃度及氣量的氣態污染物，各有其有效的生物凈化系統。生物滌氣塔適用于處理凈化廢氣量較小、污染物質濃度大、易溶解、生物代謝較慢的廢氣。對于氣量大、濃度低的廢氣可采用生物濾池處理系統。而負荷較高及污染物降解后會生成酸性物質的，則以生物滴濾池為好。膜反應器和活性污泥法目前使用還比較少，有待進一步的研究。

4 填料的選擇

填料是微生物的載體，其性能將直接影響微生物的生長環境，因此國內外研究者對此作了大量研究。

魏在山[4]等人采用不銹鋼環、瓷環、陶粒、塑料環、海藻石、輕質陶塊、煤渣等作為填料的試驗研究，結果表明這七種填料的凈化性能順序為：海藻石>輕質陶塊>陶粒>瓷環>不銹鋼環>煤渣>塑料環。

孫珮石[5]等對輕質陶塊、瓷環、不銹鋼環、塑料環4種填料進行實驗室選擇研究。結果表明：輕質陶塊是一種優質廉價的生物滴濾池適宜填料。

Woertz[6]等對聚氨酯泡沫塑料和珍珠巖作填料的性能進行了研究。結果以聚氨酯泡沫塑料為填料的生物濾池取得了更好的處理效果，這種填料同樣可以應用于生物滴濾池。

5 菌種馴化

在以往的生物凈化有機廢氣技術研究中，一般采用廢水處理所使用的菌群經目標污染物培育馴化后，直接用于有機廢氣的凈化處理，但往往難以達到預期的凈化效果，因此培育馴化廢氣凈化專用菌種尤其重要。

陳建孟[7]等人采用假細胞桿菌屬GD11菌株對生物滴濾池接種掛膜，成膜后的滴濾池可用來凈化二氯甲烷廢氣，其去除率達97.6%，最適宜的pH值7.0±0.5，溫度28.5±2℃，濃度為0.709 g/m3，EBRT為11.8 s。

孫珮石[8]等人用氣相培育馴化法培養獲得廢氣凈化專用菌種，由其掛膜制作的生物膜填料塔對廢氣中甲苯進行凈化。實驗結果表明，氣相培養法所得菌種對甲苯的凈化性能明顯優于液相培養法所得菌種。

6 現存問題及建議

生物凈化有機廢氣技術作為一項清潔、廉價的環境友好型技術在國外已經有近40年的應用歷史，但在國內卻仍處于起步階段，且對于各種廢氣的生物法處理研究發展也很不平衡（目前該技術研究應用大多為含氮、硫的無機氣體，對有機氣體的實際應用還很少報道）。基于此，筆者建議在以下幾個方面進一步深化、拓展有機廢氣生物凈化技術的研究。

（1）目前生物凈化廢氣技術還只適用于低濃度的簡單廢氣，且該技術的研究也大多集中于無機廢氣領域，對有機廢氣領域的研究還十分不足，因此建議進一步加強對前人研究較少或沒有研究過的對象的研究，同時注重有機混合物及揮發性有機物的研究。總之，應加寬生物處理廢氣的應用范圍。

（2）盡管國內外學者已經在填料方面做了很多研究，但針對廢氣治理領域的最佳填料還有待探索，因此建議加強重視對不同填料的性能的研究，提高填料的表面性質及其使用壽命。

（3）加強與其它優秀處理技術的結合，同時不斷改進設備結構，研究工藝條件，提高廢水中污染物的去除效率。開展新型生物反應器處理有機廢氣過程的局部性能研究，從微觀、局部、瞬態角度，從實驗、理論及數值模擬三方面揭示生物反應器中局部流體力學、傳質及生化反應性能參數的分布規律，為過程模擬優化設計、操作與控制及工程放大提供依據。

（4）對新型高效生物反應器凈化有機廢氣開展中試及工業級試驗研究，使其成為新型、高效、經濟、實用的有機廢氣凈化新設備、新工藝和新技術。

（5）建議將生物工程技術（如激光誘變技術、基因重組技術、代謝工程、細胞固定化技術等）應用于有機廢氣處理中，通過傳統技術和現代生物技術的結合，開展高效優勢微生物菌種的分離篩選以獲得高效降解廢氣中污染物的微生物菌種。

（6）遺傳育種、馴化培養及其載體固定化技術研究，適合于特定有機物降解的細菌種類和接種方法有待研究。

盡管經過近20年的發展，以生物過濾器為代表的有機廢氣生物凈化技術已得到了一定程度的工業化應用，但目前各種有機廢氣生物凈化技術仍不同程度地存在不足，有待完善。不過，隨著生物工程技術的迅猛發展，化學工程與環境工程學科的進一步交叉、滲透、融合，有機廢氣生物凈化技術必將不斷注入新的活力，更好的應用于各個領域。

參考文獻

[1]魏在山，孫珮石，黃若華.生化法凈化工業有機廢氣的研究[J].環境科學動態，2001（1）：21-23.

[2]Diks R M M，Ottengraf S P P.Verification studies of a simplified model for the removal of dichloromethane from waste gases using a biological trickling filter.Bioprocess Engineering， 1991，6（3）：93-99.

[3]Hantmans，STrarnperJ.Dirchhloromethane removal from waste gases with a trickle-bed bilreactor[J].Bioprocess Engin，1991（6）：83-92

[4]魏在山，孫珮石，黃若華，等.生物法凈化低濃度有機廢氣的填料選擇研究[J].重慶環境科學，2001，23（2）：40-42.

[5]孫珮石，黃兵，黃若華，等.生物膜填料塔凈化工業廢氣用填料的研究[J].化工環保，2002，22（4）：195—198.

[6]李云路，李建軍，孫國萍.生物滴濾池中廢氣有機物的生物降解[J].微生物學通報，2005，32（2）：119-123.

[7]陳建孟，王家德，莊利，等.生物滴濾池法凈化二氫甲烷廢氣的實驗研究[J].環境科學，2002，23（4）：22-23

[8]孫珮石，黃兵，黃若華，等.生物法廢氣凈化專用微生物菌種及其作用[J].中國環境科學，2002，22（1）：28-31.