生物凈化有機(jī)廢氣技術(shù)研究進(jìn)展

摘 要：綜述生物凈化有機(jī)廢氣技術(shù)的研究進(jìn)展，包括發(fā)展過程、原理及基礎(chǔ)理論研究、主要凈化設(shè)備及特點(diǎn)、填料選擇、菌種馴化等，分析了現(xiàn)存問題，并據(jù)此提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：生物凈化 有機(jī)廢氣 應(yīng)用 研究進(jìn)展

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

工業(yè)生產(chǎn)常常會產(chǎn)生大量的有機(jī)廢氣，如不能進(jìn)行對其進(jìn)行有效地控制與治理，這些氣體必將嚴(yán)重的危害人類的生存環(huán)境和健康狀況，因此大力開展有機(jī)廢氣的綜合治理技術(shù)研究已經(jīng)成為當(dāng)代世界亟待解決的問題之一。

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

生物凈化有機(jī)廢氣技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)用于凈化低濃度有機(jī)廢氣的新型技術(shù)。經(jīng)國外眾多研究表明，該技術(shù)實(shí)操性較強(qiáng)，且成本較低，因此是未來用于凈化低濃度有機(jī)廢氣的重要方法之一。

為了進(jìn)一步推動該技術(shù)于我國的研究進(jìn)程，筆者以下將從發(fā)展過程、工藝原理、基礎(chǔ)理論研究、主要設(shè)備及其特點(diǎn)、填料的選擇、菌種馴化、工程應(yīng)用等方面對該技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，此外，還將分析說明其發(fā)展中存在的問題，并提出一些建議。

1 生物凈化廢氣技術(shù)的發(fā)展歷程

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

2 生物凈化有機(jī)廢氣技術(shù)理論研究進(jìn)展

生物法凈化有機(jī)廢氣的實(shí)質(zhì)即利用微生物的生命活動，將廢氣中的有機(jī)組分降解、轉(zhuǎn)化為簡單的無機(jī)物（CO2、H2O）及細(xì)胞質(zhì)等其它物質(zhì)。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(yǎng)組分。生物凈化法便是通過向生物反應(yīng)器中投加除待處理廢氣所含營養(yǎng)物質(zhì)（即污染物質(zhì)）以外的營養(yǎng)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(zhì)作為機(jī)體生存的營養(yǎng)成分，最終達(dá)到去除廢氣中污染物質(zhì)的目的。

至今為止，對于生物凈化有機(jī)廢氣技術(shù)的機(jī)理研究，學(xué)者們還未形成統(tǒng)一理論。目前，世界上公認(rèn)影響較大的即荷蘭學(xué)者奧滕格拉夫（Ottengraf）依據(jù)傳統(tǒng)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(diǎn)

目前，國內(nèi)外主要有機(jī)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(yīng)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(nèi)的固態(tài)介質(zhì)一般使用土壤、堆肥、木屑等。其優(yōu)點(diǎn)在于：設(shè)備少，操作簡單，成本低廉（其投資成本約為傳統(tǒng)處理技術(shù)，如吸附、吸收氧化等技術(shù)的1/10），處理效率高等；其缺點(diǎn)在于：反應(yīng)條件較難控制，占地面積較大，處理效率不夠持續(xù)穩(wěn)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(chǎn)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(jī)廢氣從塔底進(jìn)入反應(yīng)器后，其中的有機(jī)物質(zhì)則通過微生物的分解、代謝后轉(zhuǎn)化為小分子無機(jī)物質(zhì)，凈化后的氣體從塔頂排出。其優(yōu)點(diǎn)在于：設(shè)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(yīng)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(yùn)行成本較高，不適于處理水溶性差的化合物，此外結(jié)構(gòu)和操作均比生物過濾器復(fù)雜，同時，營養(yǎng)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(tǒng)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(zhì)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(yīng)器兩部分組成，洗滌器主要是物理溶解過程，生物反應(yīng)器中一般采用好氧處理。該工藝有很多優(yōu)點(diǎn)，如反應(yīng)條件容易控制，壓降低，填料不易堵塞等；而缺點(diǎn)在于：設(shè)備多，需外加營養(yǎng)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(yuǎn)不如前兩者應(yīng)用廣泛。

3.4 小結(jié)

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)。生物滌氣塔適用于處理凈化廢氣量較小、污染物質(zhì)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(tǒng)。而負(fù)荷較高及污染物降解后會生成酸性物質(zhì)的，則以生物滴濾池為好。膜反應(yīng)器和活性污泥法目前使用還比較少，有待進(jìn)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(huán)境，因此國內(nèi)外研究者對此作了大量研究。

魏在山[4]等人采用不銹鋼環(huán)、瓷環(huán)、陶粒、塑料環(huán)、海藻石、輕質(zhì)陶塊、煤渣等作為填料的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明這七種填料的凈化性能順序?yàn)椋汉Ｔ迨?gt;輕質(zhì)陶塊>陶粒>瓷環(huán)>不銹鋼環(huán)>煤渣>塑料環(huán)。

孫珮石[5]等對輕質(zhì)陶塊、瓷環(huán)、不銹鋼環(huán)、塑料環(huán)4種填料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室選擇研究。結(jié)果表明：輕質(zhì)陶塊是一種優(yōu)質(zhì)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(jìn)行了研究。結(jié)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(yīng)用于生物滴濾池。

5 菌種馴化

在以往的生物凈化有機(jī)廢氣技術(shù)研究中，一般采用廢水處理所使用的菌群經(jīng)目標(biāo)污染物培育馴化后，直接用于有機(jī)廢氣的凈化處理，但往往難以達(dá)到預(yù)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(xì)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(dá)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(yǎng)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(jìn)行凈化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣相培養(yǎng)法所得菌種對甲苯的凈化性能明顯優(yōu)于液相培養(yǎng)法所得菌種。

6 現(xiàn)存問題及建議

生物凈化有機(jī)廢氣技術(shù)作為一項(xiàng)清潔、廉價的環(huán)境友好型技術(shù)在國外已經(jīng)有近40年的應(yīng)用歷史，但在國內(nèi)卻仍處于起步階段，且對于各種廢氣的生物法處理研究發(fā)展也很不平衡（目前該技術(shù)研究應(yīng)用大多為含氮、硫的無機(jī)氣體，對有機(jī)氣體的實(shí)際應(yīng)用還很少報(bào)道）。基于此，筆者建議在以下幾個方面進(jìn)一步深化、拓展有機(jī)廢氣生物凈化技術(shù)的研究。

（1）目前生物凈化廢氣技術(shù)還只適用于低濃度的簡單廢氣，且該技術(shù)的研究也大多集中于無機(jī)廢氣領(lǐng)域，對有機(jī)廢氣領(lǐng)域的研究還十分不足，因此建議進(jìn)一步加強(qiáng)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(jī)混合物及揮發(fā)性有機(jī)物的研究。總之，應(yīng)加寬生物處理廢氣的應(yīng)用范圍。

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

（3）加強(qiáng)與其它優(yōu)秀處理技術(shù)的結(jié)合，同時不斷改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，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(yīng)器處理有機(jī)廢氣過程的局部性能研究，從微觀、局部、瞬態(tài)角度，從實(shí)驗(yàn)、理論及數(shù)值模擬三方面揭示生物反應(yīng)器中局部流體力學(xué)、傳質(zhì)及生化反應(yīng)性能參數(shù)的分布規(guī)律，為過程模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)、操作與控制及工程放大提供依據(jù)。

（4）對新型高效生物反應(yīng)器凈化有機(jī)廢氣開展中試及工業(yè)級試驗(yàn)研究，使其成為新型、高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的有機(jī)廢氣凈化新設(shè)備、新工藝和新技術(shù)。

（5）建議將生物工程技術(shù)（如激光誘變技術(shù)、基因重組技術(shù)、代謝工程、細(xì)胞固定化技術(shù)等）應(yīng)用于有機(jī)廢氣處理中，通過傳統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代生物技術(shù)的結(jié)合，開展高效優(yōu)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(yǎng)及其載體固定化技術(shù)研究，適合于特定有機(jī)物降解的細(xì)菌種類和接種方法有待研究。

盡管經(jīng)過近20年的發(fā)展，以生物過濾器為代表的有機(jī)廢氣生物凈化技術(shù)已得到了一定程度的工業(yè)化應(yīng)用，但目前各種有機(jī)廢氣生物凈化技術(shù)仍不同程度地存在不足，有待完善。不過，隨著生物工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，化學(xué)工程與環(huán)境工程學(xué)科的進(jìn)一步交叉、滲透、融合，有機(jī)廢氣生物凈化技術(shù)必將不斷注入新的活力，更好的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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