基于生物濾池的城市大氣污染物去除技術(shù)研究

摘要：生物濾池作為一種新型大氣污染物處理技術(shù)，在城市空氣質(zhì)量改善中具有廣闊的應(yīng)用前景。以山東省某工業(yè)園區(qū)為研究對象，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套生物濾池系統(tǒng)，針對PM2.5、SO2、NOx等主要大氣污染物開展去除效果研究。通過控制試驗(yàn)，分析不同微生物菌種、填料類型、水氣比等關(guān)鍵參數(shù)對污染物去除效率的影響。結(jié)果表明，優(yōu)化后的生物濾池系統(tǒng)對PM2.5、SO2和NOx的平均去除率分別達(dá)到85%、92%和88%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)處理工藝。研究結(jié)論為生物濾池技術(shù)在城市大氣污染治理中的推廣應(yīng)用提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：生物濾池；大氣污染物；去除效率；微生物；填料

中圖分類號：X51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）03-0-03

Research on the Removal Technology of Urban Air Pollutants

Based on Biofilters

LIU Gang

（Yishui County Branch of Linyi Ecological Environment Bureau， Linyi 276499， China）

Abstract： As a new type of air pollutant treatment technology， biofilters have broad application prospects in improving urban air quality. A biofilter system was designed and constructed in an industrial park in Shandong province to study the removal efficiency of major atmospheric pollutants such as PM2.5， SO2， and NOx. By conducting controlled experiments， analyze the impact of key parameters such as different microbial strains， filler types， and water gas ratios on pollutant removal efficiency. The results showed that the optimized biofilter system achieved average removal rates of 85%， 92%， and 88% for PM2.5， SO2， and NOx， respectively， which were significantly better than traditional treatment processes. The research conclusion provides important reference for the promotion and application of biofilter technology in urban air pollution control.

Keywords： biofilter; air pollutant; removal efficiency; microorganism; filler

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快和工業(yè)化水平的提高，大氣污染問題日益嚴(yán)重。生物濾池利用微生物的降解作用去除空氣中的污染物，具有能耗低、無二次污染、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，在城市大氣污染治理領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。

1 城市大氣污染治理現(xiàn)狀

近年來，我國城市大氣污染問題日益嚴(yán)峻。以山東省為例，PM2.5、SO2、NOx等主要污染物的濃度常年超標(biāo)，嚴(yán)重影響居民健康和生活質(zhì)量。傳統(tǒng)的大氣污染物處理技術(shù)如活性炭吸附、化學(xué)洗滌等，雖在一定程度上改善了空氣質(zhì)量，但存在能耗高、二次污染等問題[1]。生物濾池作為一種新興的生物處理技術(shù)，能夠有效去除空氣中的污染物。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 裝置設(shè)計(jì)

針對山東省某工業(yè)園區(qū)的大氣污染特征，設(shè)計(jì)一套小型生物濾池系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由進(jìn)氣裝置、預(yù)處理單元、生物濾池主體及尾氣處理單元組成。進(jìn)氣裝置采用變頻風(fēng)機(jī)，確保氣流穩(wěn)定；預(yù)處理單元使用除塵器和增濕器調(diào)節(jié)進(jìn)氣濕度；生物濾池主體是直徑為30 cm、高為2 m的有機(jī)玻璃柱，內(nèi)部設(shè)有3層填料床和4個(gè)采樣口；尾氣處理單元配備活性炭吸附裝置，防止二次污染。整套系統(tǒng)配備了自動監(jiān)測儀器，能夠?qū)崟r(shí)記錄溫度、濕度、pH值等關(guān)鍵參數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)密封良好，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 微生物菌種篩選

從山東省多個(gè)污染嚴(yán)重區(qū)域采集土壤和大氣樣本，分離培養(yǎng)出50株潛在的降解菌。通過實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模篩選，選出5株對PM2.5、SO2和NOx具有高效降解能力的菌株。進(jìn)一步通過16S rRNA基因測序鑒定這些菌株，包括假單胞菌屬、芽孢桿菌屬和硫桿菌屬的代表性菌種。最終選擇3株降解能力最強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性最好的菌株組成復(fù)合菌劑，用于后續(xù)試驗(yàn)。

2.3 填料選擇與優(yōu)化

考慮到生物濾池的特殊要求，選擇活性炭、火山巖、聚氨酯泡沫作為填料。通過單因素試驗(yàn)，分別測試這些填料的比表面積、孔隙率、吸水性及微生物附著能力。結(jié)果顯示，混合填料效果最佳[2]。最終確定的填料配方：下層40 cm為活性炭，中層80 cm為火山巖，上層40 cm為聚氨酯泡沫。這種組合既保證了良好的吸附性能，又為微生物生長提供了理想環(huán)境。

2.4 運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了生物濾池的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)?？沾矚馑僭O(shè)定為50～150 m/h，水氣比在1∶500、1∶1 000、1∶1 500、1∶ 2 000，pH值維持在6.5～8.5，溫度設(shè)置為20～35 ℃。同時(shí)，設(shè)置不同的污染物進(jìn)氣濃度，用于模擬實(shí)際工況。通過連續(xù)30 d的運(yùn)行測試，確定了最佳參數(shù)組合：空床氣速為100 m/h，水氣比為1∶1 000，pH值為7.5，溫度為28 ℃。這組參數(shù)在保證高去除效率的同時(shí)確保了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 污染物去除效率測定方法

采用標(biāo)準(zhǔn)的大氣污染物檢測方法評估系統(tǒng)性能。PM2.5濃度使用β射線法連續(xù)監(jiān)測，SO2采用紫外熒光法測定，NOx通過化學(xué)發(fā)光法檢測。在生物濾池入口和出口分別設(shè)置采樣點(diǎn)，每2 h采樣一次，連續(xù)監(jiān)測72 h。同時(shí)，使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的組分變化。污染物去除效率根據(jù)入口和出口濃度差計(jì)算得出。為確保數(shù)據(jù)可靠性，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為最終結(jié)果。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同微生物菌種對污染物去除效率的影響

試驗(yàn)比較了3種單一菌株（假單胞菌、芽孢桿菌、硫桿菌）和復(fù)合菌劑對主要污染物的去除效果。結(jié)果顯示，復(fù)合菌劑在各項(xiàng)指標(biāo)上均優(yōu)于單一菌株。不同菌種對污染物的去除效率如表1所示。復(fù)合菌劑對PM2.5、SO2和NOx的平均去除率分別達(dá)到82.3%、89.7%和85.1%，均高于最佳單一菌株（芽孢桿菌）的去除率。這主要?dú)w因于不同菌株間的協(xié)同作用，假單胞菌對顆粒物吸附能力強(qiáng)，硫桿菌對SO2的降解效果好，芽孢桿菌則在NOx去除方面表現(xiàn)突出。復(fù)合菌劑充分發(fā)揮了各菌株的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了對多種污染物的高效去除。

3.2 填料類型對生物濾池性能的影響

對比3種單一填料和優(yōu)化后的混合填料對系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果如表2所示?；旌咸盍显诟黜?xiàng)指標(biāo)上均表現(xiàn)最佳，尤其在處理效率和壓降方面具有明顯的優(yōu)勢。這是因?yàn)榛旌咸盍辖Y(jié)合了各種材料的優(yōu)點(diǎn)：活性炭提供了大比表面積，增強(qiáng)了吸附能力；火山巖改善了水分保持能力和微生物附著效果；聚氨酯泡沫提高了系統(tǒng)的透氣性，降低了壓降?；旌咸盍系氖褂檬沟孟到y(tǒng)在保持高去除效率的同時(shí)，大幅降低了能耗。

3.3 水氣比對污染物去除效率的影響

研究5個(gè)不同水氣比（1∶500、1∶1 000、1∶1 500、1∶2 000、1∶2 500）對系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果如表3所示。隨著水氣比的增加，PM2.5和SO2的去除效率先升后降，NOx的去除效率則持續(xù)下降。最佳水氣比為1∶1 000，此時(shí)3種污染物的去除效率均達(dá)到最高。這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)乃钟欣谌芙馕廴疚铮^多的水分會造成填料層厭氧，抑制某些好氧菌的活性。因此，維持適當(dāng)?shù)乃畾獗葘?yōu)化系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

3.4 溫度和pH值對系統(tǒng)性能的影響

通過正交試驗(yàn)，研究了溫度和pH值對系統(tǒng)性能的綜合影響，結(jié)果如表4所示。系統(tǒng)在溫度為28 ℃、pH值為7.5時(shí)表現(xiàn)最佳，綜合去除效率達(dá)到88.3%。這主要是因?yàn)樵摋l件最接近所用微生物的最適生長環(huán)境。溫度過高或過低都會抑制微生物的活性，而pH值偏離中性則會影響某些關(guān)鍵酶的活性。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，需要精確控制2個(gè)參數(shù)，以確保系統(tǒng)的最佳性能。

4 工程應(yīng)用分析

4.1 生物濾池系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)

基于實(shí)驗(yàn)室是研究結(jié)果，設(shè)計(jì)一套適用于山東省某工業(yè)園區(qū)的大型生物濾池系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括6個(gè)并聯(lián)的濾池單元，每個(gè)單元直徑為2 m，高為6 m。填料采用優(yōu)化后的3層結(jié)構(gòu)：底層1.5 m為活性炭，中層3 m為火山巖，頂層1.5 m為聚氨酯泡沫。系統(tǒng)配備自動控制裝置，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水氣比、pH值及溫度。處理能力為100 000 m3/h，占地面積約200 m2。建設(shè)成本約500萬元，年運(yùn)行費(fèi)用約50萬元。

4.2 與傳統(tǒng)技術(shù)的對比優(yōu)勢

將設(shè)計(jì)的生物濾池系統(tǒng)與常用的活性炭吸附和化學(xué)洗滌技術(shù)進(jìn)行了對比。結(jié)果顯示，生物濾池在多個(gè)方面具有顯著優(yōu)勢。生物濾池的初始投資高于活性炭吸附，但運(yùn)行成本僅為后者的1/3。與化學(xué)洗滌相比，生物濾池?zé)o須使用大量化學(xué)藥劑，大大降低了二次污染風(fēng)險(xiǎn)[3]。在處理效率方面，生物濾池對多種污染物均有良好的去除效果，尤其是對NOx的處理效果優(yōu)于其他2種技術(shù)。此外，生物濾池具有占地面積小、能耗低、無須頻繁更換填料等優(yōu)勢，更適合長期穩(wěn)定運(yùn)行。這些優(yōu)勢使得生物濾池技術(shù)在城市大氣污染治理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

通過對山東省某工業(yè)園區(qū)生物濾池系統(tǒng)的深入研究，證實(shí)了該技術(shù)在城市大氣污染物去除方面的顯著效果。優(yōu)化后的系統(tǒng)對PM2.5、SO2、NOx等主要污染物的去除率均在85%以上，且具有良好的長期運(yùn)行穩(wěn)定性。研究結(jié)果為生物濾池技術(shù)的工程化應(yīng)用提供了重要支撐。未來研究方向包括開發(fā)新型高效微生物菌種、優(yōu)化填料結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力等。隨著技術(shù)的不斷完善，生物濾池將在城市空氣質(zhì)量改善中發(fā)揮越來越重要的作用，為建設(shè)宜居城市做出積極貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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