生物治理技術對工業有機廢氣（VOCs）的工程應用研究

王志強，王明健

（1.廣州市環境保護工程設計院有限公司，廣州 510115；2.廣州雅創環保科技有限公司，廣州510665）

1 引言

工業有機廢氣的凈化處理是大氣污染控制的一個重要方面。目前我國用于高濃度的工業有機廢氣采取的凈化措施有：催化燃燒法、光催化氧化、低溫等離子、吸收法即吸附法等。對于較低濃度的工業有機廢氣（污染物濃度＜5000mg/m3），目前尚無經濟有效的治理措施。這類低濃度工業廢氣的凈化處理也是當今國內外環境保護方面的難題之一。

生物法控制有機廢氣是近年發展起來的空氣污染控制技術，該技術已經是目前工業廢氣凈化領域的前沿熱點技術。在國外，生物凈化技術的開發進程大致為：20世紀80年代，基礎開發研究[1]；1990～1996 年，技術應用研究；1997 年以后，工業實用技術及裝置的推廣應用研究。目前德國、荷蘭有500多座大規模的廢氣生物過濾裝置，生物過濾反應器的面積一般在10～2000m2之間，廢氣處理氣量達到 1000～150000m3/h。在我國生物法凈化處理低濃度有機廢氣技術的應用尚不多見。

2 生物凈化機理

2.1 吸收-生物膜理論

按照生物膜理論，生物化學凈化處理有機廢氣一般要經歷以下幾個步驟：

廢氣中的有機污染物首先同水接通并溶解于水中（即由氣膜擴散進入液膜）。

溶解于液膜中的有機污染物成分在濃度差的推動下進一步擴散到生物膜，進而被其中的微生物捕獲并吸收[4]。

微生物對有機污染物進行氧化分解的同化合成，產生的代謝物一部分融入液相，一部分作為細胞或細胞代謝能源，還有一部分（如CO2）則析出到空氣中。

廢氣中的有機物經過上述過程不斷減少，得到凈化。

圖1 有機廢氣的微生物處理過程示意圖

2.2 吸附-生物膜理論[2]

吸附-生物膜理論認為生物化學法凈化處理低濃度揮發性有機廢氣經歷的主要步驟如下：

①廢氣中的揮發性有機物擴散通過氣膜并被吸附在濕潤的生物膜表面；

②吸附在生物膜表面的有機污染物被其中的微生物捕獲并吸收；

③進入微生物細胞的有機污染物在微生物體內的代謝過程中作為能源和營養物質被分解，最終轉化為無害的物質（如CO2和H2O等）；

④生化反應產物CO2逆向脫離生物膜，進入氣流主體。

3 生物降解的歷程

生物凈化器處理有機廢氣的歷程：VOCs在微生物處理凈化器中的凈化處理可看作化學物質的傳質和生化反應的聯合過程，因此，可借用氣相主體在濾料介質中的傳質和生物降解的模型，來建立其降解整體模型[3]。本模型將生物凈化器的傳質和生物降解過程作為兩相處理，即氣相主體和液/固相，有效地分離了VOCs在生物凈化器中的吸附效應。在生物凈化器啟動階段，濾料的吸附效應起主要作用，吸附飽和并接種微生物后，生物降解則起主導作用。

反應式如下：

生物降解模型：在生化反應過程中，VOCs的量總是不斷減少的，而產物CO2、H2O的量卻是不斷增加的，反應中VOCs的減少、CO2的增長可通過反應率方程和反應級數來表征。VOCs生物降解方程為：

式中：rabc——VOCs降解速率；

ρabc——液/固相中污染物濃度，mg/m3；

b′——生物降解速率常數；

n、m——反應級數；

[O2]——O2濃度，mg/m3

氣相中O2的濃度視為恒定，因此可將式（1-2）改寫為：

式中：b——生物降解速率常數；

生物凈化器/固相中VOCs、CO2物料衡算方程式如下：

平行時液/固相（VOCs、CO2）傳遞量=積累量+反應生成量

K——傳遞系數，h-1；

4 實際工程應用

4.1 有機廢氣濃度

某涂料有限公司，主要產品為家具油性漆，工藝廢氣主要污染物包括苯、甲苯、二甲苯、酯類等有機廢氣；設計廢氣處理量為10000m3/h。有機廢氣的原始進氣濃度范圍如下表1所示：

表1 車間有機廢氣濃度

4.2 生物凈化設備參數

為提高生物填料的強度及使用壽命，該工程生物凈化裝置采用天然火山巖作為生物填料，生物凈化裝置設計參數如下表2所示：

表2 生物過濾器設計參數

4.3 生物凈化效率

生物凈化系統運行穩定后，廢氣排放口取樣檢測數據如下表3所示：

表3 生物凈化設備處理效率

5 結論

①采用生物過濾工藝，對于低濃度的涂料有機廢氣有較好的出料效果，廢氣處理效率可達到85%以上；

②生物對苯及苯系物有較好的處理能力。