生物法处理有机废气

在塑料、橡胶加工、油漆生产、汽车喷漆和涂料生产等诸多工业领域中，工业品的生产和加工过程产生了大量含有挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）的废气（VOC废气）。

这些废气未经处理排入大气，在一定条件下会形成光化学污染，影响大气质量，影响动植物生长和人类的健康。

某些有毒VOC废气有致残、致畸、致癌作用，对长期暴露其中的人体造成严重伤害。

为此，各国颁布了相应的法令，限制该类气体的排放，我国于1997年颁布并实施的《大气污染综合排放标准》，限定33种污染物的排放限值，其中包括苯、甲苯、二甲苯等挥发性有机物。

对VOC废气的治理，有多种处理技术可供使用。

但对于VOC浓度低、风量大的废气，传统工艺存在投资运行费用高、处理效率低和处理后存在二次污染等问题。

近年来，逐渐发展的废气生物处理技术作为一种新型的空气污染控制技术，得到日益广泛的应用。

该项技术与传统的燃烧法、催化氧化法、吸收法、吸附法相比，对VOC低含量废气的处理有明显的优势。

本文主要介绍现行的德国废气生物处理技术，以期对我国相应技术的推广应用起到借鉴作用。

1 废气生物处理工艺1.1 生物处理原理废气的生物处理技术首先应用于农业生产过程中异味气体的处理，例如养殖业中动植物加工产生的臭气、堆肥发酵和生物污泥废气处理等。

随着工业生产中产生的挥发性有机气体的污染日益严重，这项技术逐步应用到工业废气净化领域。

其净化的基本原理是：有机废气或异味气体流经带有液体吸收剂的处理器；在处理器中，由于废气中的污染物在气、液相之间存在浓度梯度，浓度差使其从气相转移到液相，被生存其中的微生物吸附；通过微生物的代谢作用，有机物被分解、转化为生物质和无机物。

1.2 反应处理工艺分类生物处理技术的基本工艺流程以生物过滤为例，如图1所示，废气经过一定的除尘、温度和湿度调节，进入生物处理单元，经过微生物的处理，气体可以达标排放。

图1 有机废气的生物处理工艺流程图根据处理运行方式不同，处理工艺主要分为生物滤床工艺和生物洗提工艺两种。

生物滤床废气流经生物滤床（见图2）中的活性滤层，有机物被滤料上的湿润水膜吸收，通过滤料上生活的微生物的代谢作用而降解。

（a）生物滤床示意图（b）多层布置的生物滤床图2 生物滤床生物滤床主要由进气系统、布气承托层、生物滤层和维护装置组成。

在生物滤床处理废气过程中，微生物的活性和数量对处理效果具有决定意义，它们取决于如下因素：进气流量、温度和湿度；废气中物质组成；浓度的稳定性和水溶性；氧气和营养物的供给；滤床的布置和温度、湿度保持；滤料的选择；滤床中的pH控制等。

滤料影响微生物的生长，从而直接影响净化效果。

滤料选择必须考虑滤料的孔隙率、孔径分布、比表面积、亲水性、自身气味、pH等参数。

在工程实践中，一般可选择有机滤料或无机滤料。

无机滤料选择比表面积大，有一定强度的无机填料，如加气混凝土、多孔陶粒、熔岩颗粒或矿渣等。

有机滤料主要有腐殖树皮、植物根须、枝杈、锯末、泥炭等及其混合物。

由于有机滤料廉价易得，获得广泛的应用。

有机滤料滤层一般高度在0.5～1.2 m。

运行3～5年后，由于密实度增大造成阻力增大，应进行更换；更换滤料时，宜分次进行，以保持滤料中微生物种群的稳定。

生物洗提工艺生物洗提工艺采用了污染物的液体吸收和生物处理的联合作用。

废气首先被液体（吸收剂）有选择地吸收形成混合污水，再通过微生物的作用将其中的污染物降解。

根据污水处理的方式（吸收剂再生方式）不同，可分为活性污泥法和生物膜法（生物滴滤池），构筑物示意图如图3、图4所示。

图3 生物洗提—活性污泥法示意图图4 生物滴滤池示意图从图3中可以看出，生物洗提-活性污泥法是将吸收剂（水和微生物的混合液）和废气在吸收塔内采用通过喷淋、填料填充或曝气等方式进行混合，溶解于水的有机物被微生物吸附，排入活性污泥反应器后进一步被降解，吸收剂得到净化再生和重复使用。

因为吸收剂的再生速度不受处理负荷和吸收速度的影响，所以这种方法适用于处理生物降解速度较慢的有机物。

图4所示滴滤池中的填料上生长有大量生物膜，当废气通过其间，有机物被生物膜表面的水层吸收后被微生物吸附和降解，得到净化再生的水被重复使用。

在生物洗滤过程中，吸收剂的再生效率影响废气的吸收、净化效果和系统的能耗高低，这主要取决于污水处理效率的高低。

而影响生物洗提工艺处理效果的因素有：废气中有机物水溶性和生物降解难易程度；进气温度、粉尘和有毒物质含量；对微生物的曝气和营养物质供给（如N、P等）；水的温度、pH、含盐量和新鲜淡水的补充情况。

2 生物反应器的应用和经济技术比较2.1 应用范围与设计参数确定废气生物处理的主要适用范围是：去除异味气体和含VOC废气浓度较低的废气，废气中TOC（总有机碳）<1000 mg/m3；气体流量≤50000 m3/h，气流均匀且连续；废气的温度一般≤40 ℃，生物滤床工艺同时要求进气湿度>95%；废气组分易溶于水，易生物降解。

对废气中各种组分的降解情况如表1所示，可作为工艺设计的选择依据。

工程设计中，需要同时考虑废气中气体组分的种类、浓度，反应器中有效接触时间。

反应器的尺寸由面积负荷：m3气体/（m2过滤面积·h）；接触时间：s；体积负荷：ｇTOC/ (m3过滤体积·h)；或：气味单位GE/（m3过滤体积·h）；或：m3气体/（m3过滤体积·h）等参数确定。

实际工程中，反应器尺寸可参考同类生产企业的经验值估算，并应进行中试实验，以优化设备尺寸，降低投资。

表2、表3分别给出不同种类企业应用生物滤床和生物洗提工艺的情况。

从两种工艺的应用可以看出，生物滤床工艺对气味和易溶性有机气体去除效率较高，而生物洗提能够用于生物降解性较差的VOC 废气处理。

2.2 与其他工艺的经济技术比较在对含VOC废气处理工艺的选择中，在技术领域应考虑如下因素：VOC 的去除效率；废气性质（废气中有机物的组成、VOC含量、废气流量、气味指标）；可用建设面积；技术经济使用期；必要的附属设施建设（如：水蒸气生产设施）；与原有治污设备的配套；有机溶剂的回收等。

经济上主要考虑投资、运行费用和财务风险。

各种工艺的初步选择依据如表4所示。

表4 VOC气体处理技术措施的适用范围及其经济指标++ 很适用，+ 适用，0 不太适用，-不适用高流量负荷下低浓度VOCs废气的生物法处理摘要：高流量负荷下生物膜填料塔净化低浓度甲苯废气的实验结果表明，当气体流量在0.8m3/h，入口气体甲苯浓度为105mg/m3,停留时间18.3s时，甲苯的净化效率可达到61.9%，出口气体甲苯浓度低于国家对现有企业的排放标准(≤60mg/m3)。

适宜的操作温度应控制在20~25℃之间，氮磷营养添加量的配比应控制为C:N:P=200:5:1。

依据实验结果数据，对相关的机理问题进行了分析探讨。

关键词：生物膜填料塔高流量负荷低浓度甲苯废气废气净化低浓度VOCs废气的特点是废气量大、浓度低，按目前工程应用的废气流量负荷运行并达到国家排放标准的要求，工业净化设备体积就显得过于庞大。

从进一步减小设备体积、节省投资的需要出发，开展高流量负荷下低浓度VOCs 废气的生物法净化处理应用条件研究。

本实验以低浓度甲苯废气(VOCs的代表物)为对象，对生物膜填料塔净化处理高流量负荷下低浓度VOCs废气技术的可行性进行了实验研究，考察了入口气体甲苯浓度、温度和营养物添加量等因素对高流量负荷下低浓度甲苯废气去除效果的影响。

1 实验装置与方法实验用生物膜填料塔由内径为72mm的有机玻璃管制成，总高度为1.4m，其中填料分为2层，每层高度为500mm，中间间隔100mm。

依据经济性及前期对填料特性的研究[7]，采用轻质陶块作为填料，其直径为10~15mm，比表面积170~ 200m2/m3，堆积密度约为200kg/m3。

实验均在常温下(7~26℃)进行。

生物膜填料塔入口气体甲苯浓度95~320mg/m33/(m3h)，气体空塔停留时间18.3s，生物膜填料塔的运行阻力降为58.8~215.6Pa。

实验装置如图1所示。

图1 生物膜填料塔装置流程示意实验中生物膜填料塔采用逆流操作。

低浓度甲苯废气采用动态法配制。

甲苯废气浓度采用甲苯检知管法(检测范围50~1000mg/m3)，其精确度已在相关的研究中得到了验证[5]。

生物膜填料塔的运行阻力降采用U型压力计测定。

2 结果与分析2.1 生物膜填料塔的挂膜3/h(比以往实验的高4倍，停留时间缩短3倍)条件下，对生物膜填料塔进行挂膜操作，并同时观察填料表面被生物膜覆盖的情况、运行阻力降以及低浓度甲苯废气净化效率的变化。

定时对进出口气体的甲苯浓度进行取样分析，并计算气体中甲苯的净化效率，结果见图2。

3/(m3h)，入口气体甲苯浓度为95~ 320mg/m3时，生物膜填料塔的填料生物挂膜过程历时16d完成。

在挂膜初期的5~8d，由于填料表面上的生物膜覆盖面不大且作用也不太稳定，净化效率在6.7%~35.7%范围内波动。

在随后的6~8d里，随着生物膜的生长逐渐成熟和覆盖范围增加，生物膜填料塔对甲苯的生物净化作用也随之逐步增强，甲苯净化效率迅速上升，最后几天基本稳定在60%左右。

图2 挂膜期间的净化效率与阻力降曲线—□—净化效率，—△—阻力降3/h，入口气体甲苯浓度95-320mg/m3判断生物膜的生长是否成熟，可以从微观和宏观两个方面加以判定。

微观上，当填料表面上的生物膜增长到一定厚度并趋于稳定，从生物膜上脱落和自溶的微生物菌体数量与其附着在生物膜上的菌体数量趋于平衡时，生物膜的生长即已趋向成熟;宏观上，生物膜填料塔在其生物挂膜期间的运行阻力降有一个从上升到逐步趋于稳定的变化，这是生物膜生长趋于成熟的外部表现[9]。

因此，可以由生物塔的运行阻力降的变化来判断生物膜的生长是否成熟。

由图2可见，在挂膜初期，运行阻力降是上升的，约11d后阻力降趋于稳定，基本保持在167Pa左右，这标志着塔内填料表面的生物膜已基本生长成熟。

2.2 气体流量的影响由图3可以看出，随着气体流量的增加，生物膜填料塔对甲苯废气的净化效率是下降的。

造成这一现象有2个原因，一是由于气体流量的增加使甲苯废气在塔内停留时间减少，不能满足生物膜中微生物菌种对废气中甲苯分子的捕捉、吸收和生化降解的时间要求，许多甲苯分子尚未与塔内的生物膜接触即被排出塔外，从而导致净化效率下降。

二是随着气体流量的增加，气相主体对生物膜的切线冲刷力也相应增加，使部分已被生物膜吸附但结合力不是很牢的甲苯分子重新从生物膜上脱附，进入气相主体。

这一结果表明，增加气体流量会对生物膜填料塔的处理运行效果产生不良影响。

因此，要结合实际情况及要求，以企业的废气排放标准为目标确定生物膜填料塔的适宜气体流量。