生物法凈化揮發性有機物反應器的研究進展

生物法凈化揮發性有機物反應器的研究進展

盧雨奇,張長平

(河北工業大學能源與環境工程學院,天津 300401)

摘要：綜述了目前生物法凈化揮發性有機物的3種典型反應器——生物洗滌器、生物過濾器以及生物滴濾器。對3種生物反應器的應用領域和優缺點進行了總結，指出了存在的問題，并展望了生物反應器未來的研究方向。

關鍵詞：揮發性有機物(VOCs)；生物洗滌器；生物過濾器；生物滴濾器

基金項目：河北省科技計劃項目(13213703)

收稿日期：2015-04-24

作者簡介：盧雨奇(1991-)，女，天津人，碩士研究生，研究方向：微生物處理污染物，E-mail:494302565@qq.com；通訊作者：張長平，副教授，E-mail：469407048@qq.com。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.09.001

中圖分類號：X 511文獻標識碼：A

揮發性有機物(volatile organic compounds，VOCs)是一類常見的大氣污染物，不僅嚴重危害人類身體健康，而且對動植物包括農作物的生長也帶來不良影響。生物法通過微生物把VOCs降解為二氧化碳、水、無機鹽和生物質，以降低其對環境的危害。生物法降解VOCs設備簡單，溫度、壓力、濕度、含氧量、營養物質等條件容易控制；降解性能穩定，營養物質和填料等消耗物質容易獲得；運行成本相對較低，其工作原理也決定了該方法的二次污染很小。生物凈化技術所使用的主要生物反應器包括生物洗滌器、生物過濾器以及生物滴濾器。作者在此介紹了上述3種生物反應器的應用領域及優缺點，并指出了生物反應器未來的研究方向。

1生物洗滌器

生物洗滌器適合吸收負荷較高、可溶、低流量的VOCs，如乙醇、乙醚等，但不適用于難溶的VOCs。楊漢祥等[1]探索了生物洗滌器的凈化效果，發現其在高濃度下凈化效果較好，對污染物的處理效率可達52.7%～78.6%。劉玉紅等[2]用生物洗滌器處理含苯酚的廢氣也取得了較好的效果。

2生物過濾器

傳統生物過濾器對乙醇、乙醛、丙酮和一些結構簡單的芳香族化合物的去除效果非常明顯，而對具有復雜化學鍵的污染物的去除則非常困難。

孫玉梅等[3]采用生物過濾法去除廢氣中的乙酸乙酯，在pH值 6.5、室溫條件下運行80 d，乙酸乙酯去除率達99%以上。劉永慧[4]分別研究了生物過濾法處理乙酸乙酯廢氣、甲苯廢氣以及乙酸乙酯和甲苯混合廢氣的效率，結果顯示，該方法對乙酸乙酯的去除率超過90%，去除甲苯的最大負荷可達50 g·m-3·h-1。

曹陽等[5]將生物過濾技術與其它方法聯合(如紫外-生物過濾技術)處理難溶難降解的VOCs，在傳統的生物過濾器裝置前端設置了紫外預處理段，解決了難降解VOCs水溶性差的問題，將其變為水溶性好、生化較高的有機物。經過濾池時能有效降低臭氧濃度和生物毒性，并且聯合裝置的抗沖擊能力也得到增強。

3生物滴濾器

生物滴濾器與生物過濾器的最大區別是生物滴濾器頂部設有噴嘴，外加營養液從上方噴淋到填料表面，提供了氮、磷等微生物所需的營養元素。生物滴濾器性能的主要影響因素有底物、填料、微生物種類及運行工藝等。

3.1　底物

早期研究主要集中在以甲苯、苯乙烯等為代表的VOCs。如王麗萍等[6]開發了凈化甲苯的高性能生物滴濾器。吳獻花等[7]利用生物滴濾塔凈化苯乙烯廢氣。

隨著研究對象范圍的不斷擴大，除研究單種類的VOCs外，國外學者也開始重視對VOCs混合物的研究。我國雖然起步較晚，但也已經廣泛開展了相關研究。馬紅等[8]利用生物滴濾器去除甲苯、乙苯、二甲苯混合氣體。徐磊[9]通過細菌、真菌兩段式生物滴濾器降解“三苯”(苯、甲苯和二甲苯)。王娟等[10]對低質量濃度甲苯、二甲苯混合廢氣微生物降解的研究發現，二甲苯凈化率明顯低于甲苯。

3.2　填料

填料在生物滴濾器的組成中扮演著重要角色，選用性能更好的填料可以減少實際操作中遇到的填料易堵塞、營養液與VOCs分布不均、填料更換難等問題。常用的生物填料包括陶瓷類填料、活性炭、沸石、礦渣等。

目前新型填料的研究與使用也非常廣泛。王軍等[11]對單一填料和組合填料的壓降和吸附性能進行對比研究，發現組合填料的性能優于單一填料；組合填料的阻力小，液泛幾率減少，對VOCs 的去除率高于98%。秦慧娟[12]對改性的泡沫陶瓷填料與陶粒填料進行對比研究，采用2個完全相同實驗室規模的生物滴濾塔凈化VOCs，結果表明，泡沫陶瓷填料塔的各項參數均優于陶粒填料塔。余關龍[13]采用整塊網狀聚氨酯海綿材料作為生物滴濾器的填料，處理以甲苯為代表的VOCs，表現出傳質效率高并且動態掛膜快的特點，甲苯降解性能優越。王中[14]同樣以整塊開孔網狀的聚氨酯海綿材料為載體的生物滴濾器處理苯乙烯。馬紅等[8]進行了以纖維附著活性炭和不銹鋼絲網為填料的甲苯、乙苯、二甲苯混合氣體的降解性能研究。結果表明，在高負荷運行時，雖然也會由于過剩的生物質積累而引起裝置堵塞、壓降增加的現象，但由于載體采用絲網結構，在較長時間內凈化效果保持良好。苑宏英等[15]采用環境友好型焦炭填料進行研究，在進氣濃度為50～114 mg·m-3時，去除率為30%～45%，VOCs去除率最高可達90%左右，廢棄后的填料還可以作為燃料。

3.3　微生物種類

微生物馴化過程中，需要篩選出降解效果明顯的優勢菌。徐磊[9]對比研究了真菌和細菌降解苯的能力，研究發現，在苯濃度低于1 000 mg·cm-3時，真菌有明顯的降解優勢。王麗萍等[16]以甲苯作為唯一碳源對焦化廢水活性污泥進行馴化，篩選出適宜的有高生化降解能力的微生物菌種，鏡檢結果表明，生物膜中的優勢菌種是短桿菌。Reardon等[17]采用實驗室分離的PseudomonasputidaF1菌種去除廢氣中的苯、甲苯和乙醇。王娟等[18]研究發現，高溫條件下降解甲苯的優勢菌種是球形菌。

3.4　運行工藝

影響生物滴濾器去除效果的工藝因素包括填料的比表面積、孔隙率、高度以及營養液的流量、營養液中氮和磷的含量、進氣時氣體流量、入口氣體濃度等。

周敏等[19]對甲苯氣體進行了研究，結果表明，隨著進氣甲苯濃度的增大，凈化效率逐漸降低，而生化去除量隨之增大；停留時間的延長有利于凈化效率的提高。羌寧等[20]采用生物滴濾器處理憎水性VOCs時發現，適宜的溫度有利于氣體的傳質和微生物酶活性的提高，在25～35 ℃，生物反應器運行良好，35 ℃是好氧微生物的最佳生長溫度。關曉輝等[21]研究了滴濾塔填料高度對含苯廢氣降解效果的影響，結果發現，增加填料高度可以提高VOCs的去除率。Hassan等[22]通過生物滴濾器控制生物量，發現反沖洗、饑餓和停滯期3個過程中，停滯期效率最高。

4結語

生物洗滌器可以用于處理氣量小、濃度大、易溶解、代謝速率較慢的VOCs，但安裝成本較高，從經濟角度考慮不是最佳選擇。而且在運行過程中控制處理的VOCs流量不能過大，否則易出現堵塞現象。因此，生物洗滌器只能針對性地處理某類VOCs，具有局限性。

生物過濾器在處理有機廢氣和惡臭物質等方面具有廣闊的應用前景。生物過濾處理技術雖然能夠以較低的成本很好地處理中低濃度、易降解的 VOCs，但生物過濾器仍有其局限性。當入口 VOCs 負荷超過 50 g·m-3·h-1或為難降解 VOCs 時，去除效果較差。生物過濾器在處理多組分復雜 VOCs 混合廢氣，特別是高負荷或難生物降解的 VOCs 方面還有很大發展空間。

越來越多的學者投入到新型生物過濾器的研究中，如在傳統生物過濾器的基礎上發展研制出了轉鼓生物過濾器、復合式轉鼓生物過濾器等。

生物滴濾器相較于生物過濾器而言，以其獨特的外加噴淋裝置顯示出其性能優越性：(1)反應條件易于控制，通過調節循環液的pH值、溫度，就可以控制反應器的pH值和溫度。因此，生物滴濾器在處理鹵代烴、含硫、含氮等在微生物降解過程中會產生酸性代謝產物及產能較大的污染物時，較其它反應器更有優勢；(2)噴淋液還可以避免高負荷造成堵塞和填料易干化的問題；(3)生物滴濾器由于填料具有剛性特質，可采用增加塔高的方法，在增大設備處理能力的同時不增加用地。

目前，生物滴濾器的研究方向主要集中在污染物性質、生物反應器運行工況的研究、生物填料的優化選擇、動力學研究以及高效菌種的馴化和篩選。

參考文獻：

[1]楊漢祥,杜凌君,唐文清,等.生物淋洗器處理揮發性有機廢氣的應用研究[J].衡陽師范學院學報，2008,29(3)：76-79.

[2]劉玉紅,羌寧,都基峻,等.生物洗滌法治理含苯酚廢氣研究[J].環境科學研究，2004,17(4):51-53.

[3]孫玉梅,全燮,陳景文,等.生物過濾法去除廢氣中乙酸乙酯及填料性質研究[J].大連理工大學學報，2002,42(1):51-55.

[4]劉永慧.生物過濾法凈化高濃度多組分VOCs工藝研究[D].大連：大連理工大學，2004.

[5]曹陽,劉音,林培真,等.紫外-生物過濾法處理工業揮發性有機物的研究進展[J].化學與生物工程，2013,30(10):7-9.

[6]王麗萍,周敏,何士龍,等.高性能生物滴濾器凈化甲苯氣體的試驗研究[J].環境工程，2004,22(3):73-75.

[7]吳獻花,孫珮石,雷艷梅,等.生物滴濾塔凈化低濃度苯乙烯廢氣的研究[J].環境科學與技術，2008，31(4):5-9.

[8]馬紅,羌寧,季學李.苯系混合氣體生物滴濾器凈化性能研究[J].四川環境，2005,24(2):24-26.

[9]徐磊.細菌與真菌兩段生物滴濾塔凈化揮發性有機廢氣(VOCs)的試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學，2007.

[10]王娟,鐘秦,鄭曼曼,等.生物膜法凈化甲苯二甲苯混合廢氣的研究[J].環境科學與技術，2006,29(6):91-92.

[11]王軍,劉發強,秦賞,等.組合填料在生物滴濾塔上的應用[J].石化技術與應用，2009,27(1):63-66.

[12]秦慧娟.泡沫陶瓷填料生物滴濾塔凈化甲苯廢氣研究[D].石家莊：河北科技大學，2012.

[13]余關龍.聚氨酯海綿填料生物滴濾器去除揮發性有機物的研究[D].長沙：湖南大學，2008.

[14]王中.聚氨酯海綿體生物滴濾器去除苯乙烯表面活性劑的研究[J].計算機與應用化學，2013,30(9):1076-1080.

[15]苑宏英,郭靜.生物焦炭滴濾塔降解苯乙烯廢氣的中試啟動研究[J].環境污染治理技術與設備，2005,6(12):105-107.

[16]王麗萍,吳光前,何士龍，等.高效生物滴濾系統凈化甲苯廢氣快速啟動研究[J].哈爾濱工業大學學報，2004,36(4):446-449.

[17]REARDON K F,MOSTELLER D C,ROGERS J D B,et al.Biodegradation kinetics of benzene,toluene,and phenol as single and mixed substrates forPseudomonasputidaF1[J].Biotechnology and Bioengineering,2000,69(4):385-400.

[18]王娟,鐘秦,李建林.生物滴濾器處理高溫甲苯廢氣的探討[J].環境工程,2006,24(4):34-35.

[19]周敏,華素蘭,王麗萍,等.生物滴濾器凈化甲苯廢氣的工藝性能研究[J].中國礦業大學學報,2005,34(6):712-715.

[20]羌寧,顧國維,季學李.生物滴濾器中水分對憎水性氣態污染物凈化性能的影響[J].環境科學學報,2005,25(6):738-742.

[21]關曉輝,劉惠菊,張蘭河,等.生物滴濾法去除含苯揮發性有機廢氣試驗研究[J].南京理工大學學報,2010,34(2):279-282.

[22]HASSAN A A，SORIAL G.Biological treatment of benzene in a controlled trickle bed air biofilter[J].Chemosphere,2009,75(10):1315-1321.

Research Progress in Biological Treatment Reactor of Volatile Organic Compounds

LU Yu-qi，ZHANG Chang-ping

(SchoolofEnergyandEnvironmentalEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China)

Abstract：This review focuses on three typical reactor for biological treatment of volatile organic compounds(VOCs):bioscrubber，biofilter and biotrickling filter.The applications,advantages and disadvantages of three bioreactors were summarized,the existing problems were pointed out,and the future research directions of bioreactors were indicated.

Keywords：volatile organic compounds(VOCs);bioscrubber;biofilter;biotrickling filter

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《化學與生物工程》編輯部