VOCs 廢氣的生物技術處理

高松

（宿遷市泗洪環境監測站，江蘇 泗洪 223900）

大氣揮發性有機物（VOCs），通常指沸點界于50 與260℃之間的各類揮發性有機物，很多化工產業都不可避免地排放該類物質，如果不能合理地處理，將對大氣造成較大的污染，對人畜以及各類建筑設施造成一定的傷害。對此我國環保相關法律對VOCs 的排放標準進行了嚴格的限制，而相關企業也通過各種技術進行處理，包括以吸附處理、液體吸收、膜分離為手段的回收方法，和以催化燃燒、光催化、生物處理為手段的降解方法。

1 生物技術處理VOCs 廢氣的技術要點

1.1 基本原理。利用生物技術進行VOCs 的處理，以最常見的反應器來分析，其具體的原理是，構建一個反應容器，其中最底層是生物膜層，設置了一定量的微生物群落，其上是以水為主的液體，是為液相，再至上則是氣體空間，是為氣相，含有一定的氧氣。VOCs 從氣相位置被液體吸附，并逐漸融入到液體中，然后再與生物膜接觸并被微生物所降解，對于特定的微生物來說，很多VOCs是一種能量和碳元素的來源。微生物將其降解后，就生成一定的水與二氧化碳，沒有任何毒性，排出到氣體環境中。在這個過程中，需要VOCs 從氣相環境里中通過氣液傳質融入到液體環境中，然后再進一步被生物膜吸附。

根據上述原理我們不難看出，采用生物技術對VOCs 進行消除，其具體的效果，與VOCs 自身的各類物質含量、濃度，與容器的結構大小，與微生物的生物活性等有直接的關系。同時也與VOCs從氣相到生物膜的兩次傳質情況有直接的關系。

1.2 控制要點。前文已述，在利用生物技術對VOCs 進行處理時，需要經過兩次傳質過程，其一是污染氣體從氣相環境中到液相環境中，其二是被處理物從液相傳質到生物膜。這里引入亨利常數的概念，亨利常數，是指一定溫度下溶于定量液體中的氣體量與溶液處于平衡的該氣體分壓的比值?？梢娫谄渌麠l件固定的情況下，不同的VOCs 成分的傳質效果取決于其亨利常數。在實踐中，如果該常數低于0.1，則被視為親水物質，包括丙酮、二氯乙烷、二甲基硫醚、乙酸乙酯、二甲基二硫醚等；而常數在0.1 與1 之間者，被稱為適度疏水性物質，包括二氯甲烷、異丙苯、苯乙烯等；常數高于1 者，為疏水物質，涵蓋了甲烷、乙烯、己烷等。對于亨利常數較低的VOC來說，他們可以以較短的時間內被降解；而對于亨利常數較高的VOC，則需要更長的時間。具體來說，常數低于1 的VOC，在2min內將得到70%以上的消除率，對于常數高于1 的VOC，即使將時間拉長到4min，也只能獲得不足40%的消除率。在這種情況下，就應當根據VOCs 的具體所含成分，調整其輸送的時間。

1.3 微生物的來源與培養。毫無疑問，不同的微生物所具備的針對VOCs 的降解能力是不同的，通常情況下，我們在實踐中會從如下途徑獲得微生物。（1）污水處理廠的活性污泥，這類污泥里有多種類型的微生物，且因為污泥中有很多VOCs 成分，就使得其中含有能夠降解VOCs 的微生物類型。（2）堆肥材料。堆肥的作用就是利用微生物將不穩定的有機物轉化為穩定的無機物的過程，因此其中同樣含有大量的微生物，用來作為VOCs 的降解原料同樣十分合適。（3）受有機物污染的土壤。在被有機物污染的土壤中，受到自然界的影響，會集聚很多將有機物作為原料進行生存的微生物，由此將其收集起來，同樣有對VOCs 降解的效果。通過上述途徑獲得微生物，成本較低，而復雜的微生物類型也可以降解各類VOCs 的成分。

上述三種常見的收集微生物的途徑，雖然操作簡單、成本低廉，但針對指定的污染氣體，如果所提供的微生物群落，只留有能夠對該氣體降解的微生物種，顯然能夠提高處理效率，減少浪費。另一方面，對于一些特定的污染物，在自然界中找出的微生物群落很難對其進行降解，比如氯化物。因此需要采用一定的方式對微生物群落進行定向培養和篩選。在實踐中，通常需要預先富集多樣化的微生物菌種，使得其活性更強，然后利用動力學的技術控制其培養基的酸堿度、周邊氣體成分以及壓強，由此使得微生物的降解針對性和強度得到改善。

1.4 生物反應器的構型。前文已述，不同的微生物反應器，會帶來不同的降解效果。現階段通常使用過濾、洗滌和滴濾的模式設置生物反應器，其中過濾是前文所描述的方法，使得有害氣體通過含有微生物的液體，被微生物降解。典型的過濾裝置如圖1 所示。

圖1 典型的過濾裝置示意圖

洗滌則是將裝有微生物群落的反應器通過噴淋的方式洗滌有害氣體，典型的洗滌裝置如圖2 所示。

圖2 典型的洗滌裝置示意圖

滴濾則介于兩者之間，使得微生物群落能夠固定，而液相則流動洗滌有害氣體。典型的滴濾裝置如圖3 所示。

圖3 典型的滴濾裝置示意圖

2 生物滴濾裝置對VOCs 廢氣處理的實驗

2.1 實驗準備。其中實驗的裝置即如圖4 所示，在經過預處理裝置后，把廢氣中的顆粒有效地去除，然后從下向上經過填料層，與營養液噴灑下的微生物進行接觸，創造降解的條件，最后經過多次循環生成凈化后的氣體。實驗中的VOCs 氣體來自于對某電子工廠中對電子廢品焚燒處理時所排放的廢氣，含有多種有害物質，其中部分物質的濃度如表1 所示。表中的TCB、MTCB、DCB、SCB、MTC、RB、CMB 分別指座機電路板、手機電路板、顯卡、聲卡、充電器、路由器、計算機主板。這些也是主要的電子廢品。

表1 不同電子廢品焚燒后廢氣組成及其濃度（mg/m3）

所選用的微生物菌群來自實驗室長期訓化的，面向甲苯、二甲苯和苯乙烯進行降解的菌群。選擇好原始種群后，先在30℃、180rpm 搖瓶中停留1 天，隨后置入滴濾裝置中，開啟循環操作，流速控制在1.7m/s，使得其能夠和培養基獲得有效的相適應。持續3天后可以通入廢氣開啟降解實驗。

2.2 實驗開展。因為實驗所在地的天氣所限制，實驗中的溫度和濕度都有所波動，這會對微生物的代謝、生長產生一定的影響，進而也會造成了其對VOCs 處理效果的影響。但整體上其溫度依然在30℃左右徘徊，濕度在60%上下活動，處于微生物菌體的適宜生長范圍內。

本實驗所導入的VOCs 氣體的成分以及濃度即如表1 所示，廢氣在裝置中的停留時間約為10s，培養基流速1.8m/s，每天的工作時長為8h。

2.3 實驗結果。最終在運行3 個月中其各個苯系不同成分的去除效果如圖4 所示。了76.51%，而其他的物質的去除率都超過了90%。這已經達到了我們預期的效果。

圖4 各苯系物的進氣濃度對應去除率的變化

3 結論

綜上所述，采用生物技術來處理VOCs 具有多方面的優勢，但單一的采用該技術則很難將有害氣體完全、高效地消除，對此應當在掌握各類技術原理的基礎上，通過反應器創新、微生物的定向培養、與其他技術結合的方式進行消除效果的優化。通過模仿電子廢品焚燒處理所產生的廢氣的凈化實驗，也印證了生物技術對VOCs處理的有效性。相信隨著各類技術的綜合和進一步的創新，人們對VOCs 的凈化處理會越來越游刃有余。