[科普中国]-气体生物净化

原理

与废水生物处理工艺相似，生物净化气态污染物过程也同样是利用微生物的生命活动将废气中的污染物转化为二氧化碳、水和细胞物质等；但其与废水生物处理的重大区别在于：气态污染物首先要经历由气相转移到液相或固相表面液膜中的传质过程，然后才能在液相或固相表面被微生物吸收降解。与废水的生物处理一样，气态污染物的生物净化过程也是人类对自然过程的强化与工程控制，其过程的速度取决于：

1 气相向液固相的传质速率(这与污染物的理化性质和反应器的结构等因素有关)；

2 能起降解作用的活性生物质的量；

3 生物降解速率(与污染物的种类、生物生长的环境条件、抑制作用等有关)1。

净化过程因素分析待处理对象待处理对象本身的性质对工艺过程中的传质与生物转化影响很大。如待处理污染物水溶性的差异影响其从气相向液相的传质过程，而降解活动又主要发生在生物膜或液相中，因此待处理污染物的水溶性对其去除效果的影响很大。待处理污染物的可生物降解性则直接影响到生物转化过程，此外水溶性差但易降解的物质在净化过程中也可因生物降解对气体吸收的增强作用而取得较好的净化效果。在某些场合；待处理物质在床层材料或生物膜上的吸附能力对净化效果的好坏也起着关键的作用。

从文献调研的情况看，大多数的研究者进行的是非卤代挥发性有机物的研究，如甲醇、乙醇、甲苯、BETX(苯、甲苯、乙苯、二甲苯混合气)、苯乙烯、甲基乙基酮、甲基硫、二甲基硫、己烷、乙烯、苯酚、丙酮、丁醛及汽油蒸气和甲烷、甲胺、丁烯、二甲基甲酰胺等。另外，还有一些研究者进行了无机恶臭物质的净化研究，如硫化氢、氨等。近几年来，也有一些研究者开展了含氯有机物气体及二硫化碳的生物降解研究。对卤代烃降解机理的研究使人们认识到对卤代烃的好氧降解需要生物的协同代谢作用才能完全，也

可通过厌氧脱卤后再进行好氧降解。近两年来，还有学者开始研究生物过滤器中的脱氮和氮氧化物的还原现象，以期进行生物脱硝。

起降解作用的微生物生物气体净化器主要是利用异养生物对污染物质的代谢过程去除污染物的。目前生物过滤器中通常利用的是土壤、堆肥或泥炭中的自然菌落，也有的投加活性污泥驯化后的菌种，而生物滴滤器的生物相则是通过活性污泥循环挂膜或投加驯化后的专性菌而建立起来的。运转的生物滤器中的微生物种类很多，主要为细菌、放线菌和真菌。对生物滤器内的生物群落的调查表明，在生物器中污染物去除量大的地方生物的密度也大，如进气口处。对于难降解物质的净化通常需要接种经驯化后的菌种。Kirchner采用P．Fluorescens、Rhodococcus的单一菌种进行了丙酮、丙醛、环已烷和甲苯等气体的净化研究。而Raj Mirpuri、Anne R.Pedersen等采用恶臭假单胞54G(PseudomonasPutida 54G)菌种来处理甲苯气体。对专性菌种的研究人员认为：虽然存在竞争和异化现象，但专性菌对设备启动和高效运行作用明显。Van Groenestijn等对专性菌对难降解物质的净化研究进行了综述。近年来，A.R.Pedersen，R.M.M.Diks、H.H.J.Cox等认为生物净化器内存在的是微生物的生态系统，该系统由降解污染物的微生物和大量的其他非直接降解污染物的微生物种群构成，并提出构筑食物链维持净化器内生物的生态平衡的观点。

由于许多产生挥发性有机物的装置并非是连续运行的，Ottengraff、Martin对设备停运和闲置后微生物的活性进行了研究，发现停运两周对生物的活性影响也不大，再次运行后很短的时间内便可恢复。Kirchner研究后认为漓滤器可以采用白天运行、夜间关机的间歇运行的方式运行，其净化性能与连续运行方式没有区别。

填充支撑材料介质对于所有类型的生物净化器而言，理想的填充支撑材料应是良好的传质和发生反应转化的场所，即应具有以下功能:

1 为微生物提供生长表面以提高反应器内单位体积的微生物浓度;

2 对待处理对象具有吸附功能从雨增大向徽生物群落的传质量从而相应提高去除速率;

3 提供良好的流体流动翻传质性能，长期运行无淤塞结块现象，不会造成气体或水分的短流;

4 能提供微生物生长所需的营养物质量和微量元素并具有一定的缓冲能力。对于生物滴滤器而言，以上第4点则不是选择时需考虑的因素。

工艺过程控制因素影响微生物气态污染物净化的工艺过程控制因素有湿度、温度、pH值、营养物质及进口气体的状况、空塔气速等。这些因素或是影响生物生长的环境对生物代谢过程产生影响，或是影响传质过程。

1 湿度对予气态污染物的微生物净化而言，除生物洗涤法外，其他两类设备内的湿度条件至关重要。湿度主要影响微生物的活性和传质过程。设备内湿度对不同水溶性污染物的影响也是不尽相同的。生物过滤器设备内的含湿量低于30%时就基本失去了VOCs的去除能力，含湿量太低会影响气相向生物膜的传质过程及介质的缓冲能力并抑制微生物的增长与代谢作用。生物滴滤器内水分分布的不均匀可能会导致床层内有效生物作用面积的减少而造成净化性能的下降。含湿量非常高时又会导致堵塞及某些类型介质的压缩和厌氧区的形成，还可能形成气流短路通道，对于憎水型的污染气体还会增加传质阻力。净化器持水量过大还会影响生物过滤器内气体的实际停留时间。

2 温度 温度对生物净化器内的传质和生物降解过程都有着重要的作用。微生物净化有机废气过程取决于一些嗜中温性菌及部分嗜高温性菌的生命活动，温度升高有利于生物的降解代谢过程，但会影响到污染物的气液分配系数和生物膜的扩散系数，是否有利于

传质过程要看实际情况而定。温度升高还会加速生物床内水分的蒸发。微生物净化器床层的温度由床内发生的放热生物代谢活动和进口气体温度而定。对于生物净化器的推荐的温度范围为25-35℃，即中温范围。实际运行时，滤床内的温度不应太高以防止设备停运时使已有的起主要净化作用的嗜高温生物群落的消失，从而造成设备再启动的困难。在冬季应保证设备内的温度不低于10℃，以确保设备能达到设计负荷。

3 pH值由于微生物的活动都有其最佳的pH值范围，生物床内pH值的变化会影响微生物的活动。生物床的pH值通常为7～8，即细菌和放线菌的最适范围。但在进行含硫、氮及氯成分化合物的代谢时往往会产生酸性中间产物而降低床层的pH值，进而影响到对VOCs的去除效率。在此情况下，对于生物过滤器通常在滤料申预先加入石灰、泥灰石及贝壳等缓冲剂，而对于生物滴滤器和生物洗涤器则可较容易地通过液相的pH值调节来控制pH值。

4 营养物质和氧气在生物净化器中，微生物所利用的大部分营养物质在细胞死亡和消解后会被循环利用，但总有一部分通过各种途径而流失。如氮，会因为NO3-与NO2-的反硝化作用变成N2而损失。所以与其他的微生物代谢作用一样，生物降解气态有机物时也需要补充氯、磷及微量元素(如S，K，Na，Ca，Mn，Cl及Fe)等营养物质。一般认为BOD5:N:P的比例为100:5:1即可。通常，天然的过滤材料中已含有足够的无机营养物，但有时由于待处理气体成分、滤料介质来源等因素，能否获得一些特殊的营养物就会成为净化过程的控制步骤。如向填料介质中添加营养物后能显著提高甲苯等化合物的降解能力。

5 原始进气状况由于生物净化器可能会被一些有毒的废气成分如SO2及高浓度的进气所毒害，因此需注意待处理原始进气的状况，有时需采取一些措施去除或分流这些有毒有害气体的成分。文献介绍生物法处理的气态污染物浓度以不超过3000-5000mg/m3为宜。另外进气中颗粒物浓度太高会对生物净化器造成以下的一些不利影响：可能会堵塞空气分布系统和滤床系统；在加湿器中产生污泥进而破坏加湿器的性能。对含尘浓度高的废气需进行预除尘。

6 表观气速(空塔气速) 表观气速影响到传质过程、污染的负荷量、设备的阻力及设备内部的气体流动情况等。一般而言，表观气速大有利于减少气膜阻力而加快传质过程。但对于污染物浓度恒定的入口气流而言，表观气速大会增加设备的污染物负荷，减少单位床层高度的停留时间而不利于净化效率。为达到一定的净化效果，不同的表观气速对应着各自的最佳床层高度。表观气速从单位床层阻力和所需的床层高度两方面影响设备的阻力。另外，表观气速较大时往往会在设备内部的角落和器壁处造成局地的高气速而导致局部滤料生物膜的干化和破裂，影响设备的整体效果。对生物过滤床来说，该现象尤其严重。因此表观气速应根据生物填充介质对污染物的消除能力、污染物的入口浓度及设备的允许阻力、占地要求等因素综合考虑确定。通常以堆肥和泥炭为介质的生物过滤床在脱臭时的表观气速控制在300m3/(m2·m0左右。而净化较高浓度的有机气体时，为保证一定的净化效果，表观气速往往控制在150m3/(m2·m）以下。对于一些较难降解或水溶性较差的处理对象，其表观气速往往只能控制在100m3/(m2·m0甚至50m3/(m2·h)以下。

7 生物滴滤器堵塞及生物质控制生物滴滤器在净化气体时的一个经常出现的问题就是由于生物质的积累而导致的装置性能的变化，表现为压降的增加和净化效率的下降。Cox认为生物滴滤器内起降解作用的微生物只需保持合理的量(按载体介质比表面积上覆盖80µm厚生物膜计)便可保持最大消除能力1。