淺談生物法在石油化工污水處理場VOC廢氣處理中的應用

李瑞標

（佛山高富中石油燃料瀝青有限責任公司，廣東 佛山 528531）

引 言

石油化工企業排放的揮發性有機物和有毒有害氣體的泄放源主要有：密封泄漏、裝儲及生產過程揮發、廢水廢渣外溢等。而最大的廢水處理單元，在工藝均化、隔油、氣浮、生化等工藝流程中，主要污染物為非甲烷總烴、苯、甲苯、二甲苯、硫化氫等。

在社會經濟持續發展的背景下，工業生產規模隨之擴大，從而帶來了嚴重的工業廢氣污染，威脅著人體健康和自然環境。在新時期可持續發展理念下，廢氣處理凈化成為當前的重要任務[1]。2013年5月24日實施的《揮發性有機物（VOCs）污染防治技術政策》，明確VOCs污染防治應遵循源頭和過程控制與末端治理相結合的綜合防治原則[2]。2013年9月10日，國務院發布了《大氣污染防治行動計劃》，該行動計劃要求：推進揮發性有機物污染治理，同時提出適時提高排污收費標準，將揮發性有機物納入排污費征收范圍[3]。2014年3月24日，國家發展改革委、國家能源局、國家環境保護部聯合發布了《能源行業加強大氣污染防治工作方案》，該工作方案要求：加大 石化污染治理力度；提高石化行業清潔生產水平；加強揮發性有機物排放控制和管理；儲油庫、油罐車、原油成品油碼頭進行油氣回收，加強運行監管[4]。2014年12月，環保部發布《石化行業揮發性有機物綜合整治方案》，該整治方案要求：全面開展石化行業VOCs綜合整治，大幅減少石化行業VOCs排放，促進環境空氣質量改善[5]。

目前，廢氣處理工藝很多，但是對于臭氣濃度高、風量大、有機污染物濃度低的廢氣，傳統工藝存在處理效率低、投資費用高和二次污染等問題。近年來，廢氣生物處理技術已得到廣泛應用，與傳統的燃燒法、催化氧化法、吸收法、吸附法相比，有明顯的工藝優勢[6]。

1 生物法處理廢氣

1.1 生物法處理廢氣的工作原理

生物凈化是較新的一種除VOCs技術，其中微生物是該技術的關鍵，其能夠把有害的污染物降解為無毒無害或低毒低害物質。上世紀80年代初，國外就開始了對VOCs生物處理技術的研究，我國近年來才剛剛起步，但整體技術水平發展較快。目前，常用的生物處理工藝主要有以下幾種：生物濾床、土壤處理、生物洗滌、活性污泥曝氣等。生物法具有投資少、裝置簡單、維護管理方便、能耗低、不產生二次污染等優點。

1.2 生物法處理工藝的分類

生物法處理有機廢氣的核心是生物膜，其基本原理是通過細菌培養、接種、馴化，使細菌在多孔的填料表面生長，生成生物膜。隨著微生物的不斷繁殖生長，以及廢水中懸浮物和微生物的不斷沉積，生物膜的厚度不斷增加，最終使生物膜的結構發生變化[7]。

如圖1所示，微生物將廢氣中的有機物質降解和轉化，達到凈化廢氣的目的。

圖1 有機廢氣的生物處理工藝流程圖

根據處理的運行方式不同，又可進一步分為生物過濾和生物滴濾兩種工藝。

1.2.1 生物過濾

生物過濾主要由進氣系統、布氣系統、生物填料等部分組成，廢氣由下向上，與填料表面的生物膜接觸，經填料上的微生物迅速降解和利用，轉化為CO2和水及其他小分子物質。

處理效果與生物膜有關，而濾料則是生物膜賴以生長的前提，因此必須選擇適合的濾料，才能實現最高的處理效率。（1）濾料強度較硬，不會發生變形、破碎。（2）濾料孔隙率及通風率較大，使脫落的生物膜容易隨水流走。（3）濾料表面積大，有利于微生物附著生長。（4）濾料需要既不抑制微生物生長，又不被微生物分解，適合生物膜的形成與黏附。

同時，不同的濾料適合不同的濾池，（1）生物濾池濾料通常為實心、塊狀。（2）同層濾料應盡量均勻，有合適的孔隙率；粒徑越小，比表面積越大，相應的處理能力就越高。（3）高負荷生物濾料通常粒徑較大、孔隙率高，可防止濾料堵塞并提高濾料通風率。（4）塑料類填料質量輕、強度高、耐腐蝕性好、比表面積和孔隙率較大，缺點是初期投資較大，造價較高。（5）塔式生物濾池濾料多數質量輕、比表面積和孔隙率很高。

1.2.2 生物滴濾

生物滴濾工藝是將污染物的液體吸收和生物處理聯合進行[8]。生物滴濾改進了生物過濾工藝，多采用惰性填料及生物復育技術，利用生物體分解有毒物質，生成無毒物質，即二氧化碳和水等。

2 生物法處理廢氣的主要影響因素

2.1 廢氣特性及處理過程

廢氣組分的可生物降解性和水溶性是影響生物處理工藝降解性能的主要因素之一[9]。在生物過濾器中，廢氣首先被加濕，然后進入生物過濾床處理。潮濕的污染氣體通過固定有混合菌種的多孔填料，經凈化處理后被排出生物過濾器系統。

2.2 菌種

生物處理廢氣的關鍵是選擇高效菌種，相關人員應根據不同廢氣有機物的特性和環境條件，選擇合適的菌種。菌種多數為細菌和異養型微生物，其次為真菌、酵母菌、放線菌，也會含有少量的原生動物，如蠕蟲、線蟲類等。

選定的菌種將被放在合適的培養基中培養繁殖，獲取足夠的生物體來進行降解處理。為了保證降解菌株或酶能夠正常生長和降解有機物質，需要提供適當的環境條件，如溫度、pH值、氧氣、營養物質等。被處理的有機物質與降解菌株或酶接觸將發生降解反應，在降解反應發生過程中，多種因素會影響反應時間和反應效果，主要有有機物質濃度、pH值、溫度等因素。最后，相關人員還要通過監測有機物質處理前后的降解率、有機物質濃度等指標，評估降解效果。

2.3 填料

用于生物處理的填料種類很多，按填料安裝方法分類，生物填料大致可分為固定式、懸掛式、分散型和新型生物填料等幾種類型[10]。

2.3.1 固定式硬性填料

主要分為波紋板狀和蜂窩狀兩種填料，其結構與特性主要為填料輕、孔隙率大、穩定性強，但是該填料的最大缺點是易堵塞。

2.3.2 懸掛式填料

一般分為軟性填料、半軟性填料、組合填料和彈性填料等。其使用壽命長，價格適中，應用比較廣泛，非常具有市場競爭力。

2.3.3 分散型填料

包括堆積式和懸浮式填料。懸浮式填料不需固定與安裝，具有較大的比表面積，容易脫膜，不易堵塞。采用此填料的生化裝置處理效率高、產泥量少。

2.4 pH值、溫度和營養物質

2.4.1 pH值

pH值是生物處理操作的關鍵，一是pH值影響金屬離子的存在方式，造成其不易甚至不被吸收；二是pH值過高或過低都會破壞各類生物大分子的穩定性，從而導致其失去生物活性。在操作運行過程中，由于pH值<4.2或pH值＞8.5會影響微生物的降解活性，所以反應體系中的營養液pH值應控制在6～8.5之間。

2.4.2 溫度

由于溫度影響細胞膜的流動性，也會影響膜的交換和吸收，如水、葡萄糖和各種金屬離子等；溫度也會影響溶質的溶解度，包括吸收及消化方面；同時溫度也會影響酶的活性，造成生化反應的速率下降。根據現場實操經驗，生物處理的環境溫度應控制在15～35 ℃。

2.4.3 營養物質

生物處理一般不需要投加營養物，營養不足時可偶然噴灑，由于生物過濾的填料通常是樹皮、木屑、泥土、堆肥、泥炭、顆粒活性炭和塑料材料或各種材料混合使用，因此投加的營養物一般是氮源和磷源。

3 生物法的應用和比較

3.1 應用案例

高富公司污水處理場VOC處理裝置于2016年5月投運，處理量為10 000 m3/h，對一、二、三、四級氣浮池、隔油池和新集水池進行了廢氣的收集和治理，工藝流程為初步洗滌→深度洗滌→生物過濾→活性炭箱→排放，運行情況見表1。

表1 生物法處理廢氣效果表（單位：mg/Nm3）

3.2 生物法與焚燒法的比較

生物法與焚燒法的投資和運行費用比較見表2。

表2 生物法與焚燒法投資和運行費用比較表

3.3 生物法與其它工藝的比較

各種廢氣處理工藝比較見表3。

表3 廢氣處理工藝對比表

生物法處理廢氣，能夠有效降低臭氣濃度，去除硫化氫、氨、甲烷、三甲胺、甲硫醇、甲疏醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯等污染物質。工程應本著收集方便、儲存安全、處理效率高、能耗低，投資少的原則進行設計[11]。針對VOCs濃度、氣量和成分的不同，各有其最佳的生物凈化系統，在比較決策過程中，相關人員應進行具體投資和運行費用的比較，從而得出最優的廢氣凈化方案。

4 結語

生物法工藝可以使苯、NMHC、二甲苯及甲苯等污染物濃度達到國家排放標準要求，對VOCs廢氣進行有效治理。針對氣量大、臭氣濃度高、VOCs濃度低的廢氣處理，生物法處理為優選，其投資小，運行費用低。大氣量、低濃度的VOCs可以采用生物過濾系統；降解過程易產酸的VOCs則宜采用生物滴濾法，該系統工藝簡單、操作十分方便。生物法的成功應用為石化企業在石化裝車、罐區等高濃度、高危位置的廢氣治理及防范設備腐蝕提供了借鑒和幫助。