污染气体的生物处理

第四章污染气体的生物处理废气主要来源•人类生产及生活中的燃料燃烧•生产活动，例如化工、冶金、生物制品、屠宰、污水处理及垃圾处理等工厂所产生的废气。废气的处理•废气处理是环境污染控制的一个重要方面。废气处理方法：①理化法：目前主要采用的方法，如燃烧、吸附、吸收和还原等。工艺或设备较复杂，运行费用较高；用于处理某些恶臭废气时，效果不甚理想。②生物法：具有处理效率较高、适应性较广、工艺较简单以及费用较省等优点。•废气的微生物处理于1957年在美国获得专利，但到1970年代才开始引起重视，直到1980年代才在德国、日本、荷兰等国家有相当数量工业规模的各类生物净化装置投入运行。•废气生物反应器处理对许多一般性的空气污染物的去除率可达到90％以上。第一节废气的生物反应器处理一、废气生物处理的特点1.废气或尾气(wastegas，off-gas)在生物反应器内进行。•挥发性有机化合物(volatileorganiccompounds，VOCs)以及其它有毒或有臭味的气体，如NH3和H2S等。•化工、制药、电镀、喷漆、印刷等行业产生的有害污染物(hazardousairpollutants，HAPs)以及废水处理厂、堆肥厂、垃圾填埋厂产生恶臭(odor)等。2.去除效率高一般的空气污染物去除效率超过90％。3.投资少，运行费用低不需要投入额外的化学品;化学法则需加催化剂和氧化剂等，如次氯酸盐、过氧化氢、二氧化氯等。4.污染少生物处理的产物是生物量，很容易处理。⑤耗能低生物反应在常温常压下进行，能量来自微生物利用VOCs成分本身产生的能量。生物处理法消耗的动力只是污染气体进入处理系统时所消耗的能量(正压送风或负压引风)。1.水溶性强兼具有蒸汽压低、亨利定律常数低的特点，向介质表面微生物膜扩散速率高；主要有无机物如H2S和NH3等、醇类、醛类、酮类以及简单芳烃(如BTEX)等有机物。适宜处理的污染气体应具有的特点：2.易降解分子被吸附在生物膜上必需被降解，否则将导致污染物浓度增高，毒害生物膜或影响传质，降低生物滤器效率，或使处理完全失败。二、废气生物处理的基本形式根据介质性质不同，分为：1.生物洗涤(bioscrubbing)生物洗涤器(bioscrubber)内是液态介质。2.生物滤过(biofiltration)生物滤过采用是固态介质①生物滤池(biofilters)②生物滴滤池(biotricklingfilters)1．生物滤池•生物滤池内的固态介质是一些天然材料，常用的固体颗粒有土壤和堆肥，这些材料为微生物的附着和生长提供表面，微生物可以吸收废气中的污染物将其转化为无害物质。•微生物滤池适用于处理肉类加工厂、动物饲养场、污水处理厂和堆肥厂等处产生的废气。•这类废气的主要特点是浓度不高，但带有强烈的臭味。滤料的选择①堆肥原料常用污水处理厂污泥、有机垃圾和畜粪以及植物凋落物。•须筛选，滤层要均匀、疏松，空隙率40％，滤料须保持湿润，滤层含水量不低于40％，但不能有积水。滤层保持适当的温度。②土壤腐殖土为好，其它土质需要改良，有效厚度不应小于50cm，•土壤水分40％~70％，③草炭其通气性能良好，适于微生物生长，除臭效果比用土壤好。2．生物滴滤池•生物滴滤池主要由箱体、生物活性床层、喷水器等组成。•废气经过预处理室去除颗粒物和增湿后进入滤床底部。•滤料使用人工材料，如陶瓷、塑料或金属等，使用颗粒状或有空隙的材料，床层厚度一般在0.5~1.0m，依需要而定。优点：•滤料重量轻、空隙大、表面积大、废气和介质接触时间短(几秒钟)，处理效率高，同时滤料不需更换。•处理的浓度100mg/m3~5g/m3，流量5~50000m3/h。应用微生物过滤床已成功地用于化工厂、食品厂、污水泵站等方面的废气净化和脱臭。污染物包括硫化氢、二硫化碳、苯乙烯、甲苯、丙烷、异丁烷、苯酚、乙醇、四氢呋喃、环已酮、甲基乙基甲酮等。3．生物洗涤生物洗涤装置一般由洗涤器和生物反应器两部分组成，吸收器和生物反应器分开设置。吸收主要是物理溶解过程，采用的吸收设备有喷淋塔、筛板塔、鼓泡塔等，吸收过程进行很快，水在吸收设备中的停留时间仅约几秒钟；生物反应的净化过程较慢，吸收了挥发性气体的废水在反应器中一般需要停留几分钟至十几小时。生物反应器中可进行好氧处理，活性污泥法和生物膜法。生物洗涤装置循环废水的利用①可以直接进入吸收器重复使用；②经过泥水分离后再重复使用。吸收液组成：①微生物、营养物和水；适合处理水溶性强的气态污染物，如醇类、酯类、醛类和酮类等。②污水处理厂剩余活性污泥配制混合液作为吸收剂可用于处理复合型臭气，特别能脱除很难治理的焦臭。德国开发一套二级洗涤装置，臭气浓度由1.110-3降低至510-5，并且抗冲击负荷。三、生物法处理废气的机理生物反应器处理废气一般经历以下三个阶段：1.溶解过程废气与水或固相表面的水膜接触，污染物溶于水中成为液相中的分子或离子，这一过程是物理过程，符合亨利定律。2.吸着过程溶于水中的污染物被微生物吸附、吸收，污染物从水中转入微生物体内。作为吸收剂的水被再生复原，继而再用以溶解新的废气成分。3.生物降解过程进入微生物细胞的污染物作为微生物生命活动的能源或养分被分解和利用，从而使污染物得以去除。烃类和其它有机物成分被氧化分解为CO2和H2O，含硫还原性成分被氧化为S、SO42-，含氮成分被氧化分解成NH3，NO2-和NO3-等。污染物转移的三种可能情况(1)气流→吸附在有机介质上→在水相解析膨解→生物降解(2)气流→在生物膜上直接吸附→生物降解(3)气流→在水相中溶解→生物降解四、处理废气的微生物多为混合微生物，因为：①含有多种成分的混合废气，需要多种微生物分别降解；②有的成分需要几种微生物的相继作用才能分解转化为无害物质，氨先经硝化细菌再经反硝化作用细菌才能成为分子态氮；四、处理废气的微生物③一些难降解的成分要由几种微生物联合作用才能被完全降解；卤代有机化合物先经厌氧微生物还原脱卤，再被好氧微生物彻底分解；④工艺需要，尽管废气成分能够被单一微生物分解，但还需利用其它微生物，在硫化氢氧化中，为了使自养型脱氮硫杆菌(Thiobacillusdenitrificans)凝絮持留于反应器内，需与活性污泥中的异养型微生物—起共培养。紫红红球菌(Rhodococcusrhodochrous)RhodococcusrhodochrousCF222五、废气生物处理的基本条件主要有水分，养分、温度、氧气(有氧或无氧)以及酸碱度等。1．水分微生物生命活动的必要成分；吸收废气的溶剂。采用土壤或堆肥等固态处理系统时，适宜的水分含量可保证氧与水分的供给。50％~70％为适宜的含水量。通常预处理需要加湿，防止滤料变干。2．养分废气可为微生物提供一定的养分，VOCs可以提供碳源和能源，但是需要适当补足其它养分。不同的处理工艺对养分控制有差异，例如生物滴滤池补充营养盐十分重要，但是堆肥生物滤池补给营养盐的次数可以减少，一年补给二次即可。3．温度废气生物处理多用中温条件(25～35℃)，少用高温。土壤或堆肥处理废气时通常采用自然温度，如果微生物分解基质放热造成温度过高则需采取降温措施。4．氧气废气处理多用异养型好氧微生物；氧的供给量与供给方式对处理效率的影响很大，微生物数量、基质浓度和温度等因素也会影响供氧。少数厌氧条件，例如着色菌处理硫化氢，则需控制无氧条件，以氨气取代反应系统的氧气。5、酸碱度以中性或微碱性为宜。废气生物处理中的细菌多数适应于中性至微碱性环境，只有少数种类对酸碱度要求比较特殊，例如氧化硫硫杆菌最适pH为2.6~2.8，最低为pH1.0，最高为pH4.0~6.0。第二节恶臭的原位处理一、恶臭污染物和污染源恶臭污染物(odorpollutants)指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损害生化环境的气体物质。第二节恶臭的原位处理畜禽场是重要的污染源O'Neil和Phillips从养猪场中分离鉴定到160种化合物，主要成分有氨、胺、含硫化合物、挥发性脂肪酸、吲哚类、粪臭类、酚类、醇类和羰基类化合物。我国规定的恶臭污染物(GBl4554-93)氨、三甲胺、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫醚、二硫化碳、苯乙烯。恶臭物质的发臭原因与分子结构有关：如两个烷基同硫结合时，就会变成二甲基硫醚和甲基乙基硫醚等带有异臭的硫醚。若再改变某些化合物分子结构中S的位置，其臭味的性质也会改变。各种化合物分子结构中的硫(=S)、巯基(-SH和硫氰基(-SCN)是形成恶臭的原子团，通称“发臭团”。有些有机物如苯酚、甲醛、丙酮等，其分子结构含有羟基、醛基、羰基和羧基，也散发各种臭味，起发臭团的作用。二、恶臭的控制①焚烧，如对垃圾和食品加工厂的残渣等可燃性物质焚烧；②氧化，氧化剂有臭氧、氯气和高锰酸钾等；③吸附，吸附剂有活性炭、硅胶、活性氧化铝等；④酸碱处理，稀酸处理碱性恶臭物质(如三甲胺)，稀碱处理酸性恶臭物质(如硫化氢)：⑤生物氧化，利用生物酶的催化氧化作用；⑥掩蔽，不便处理的低浓度臭气施放有香气的物质来掩蔽臭气，如果浓度太高则不起作用。畜禽饲养场恶臭的控制1．日粮设计与恶臭控制2．饲料添加剂的应用(1)酶制剂(2)抗生素(3)益生菌(probiotics)(4)酸化剂3．除臭剂(deodourant)的使用(1)化学除臭剂(chemicaldeodoulant)(2)生物除臭剂(biologicaldeodourant)三、恶臭的原位微生物处理产生恶臭的微生物多是一些动物肠道细菌，包括埃希氏菌属、拟杆菌属、柠檬酸杆菌属、假单胞菌属和变形菌属。微生物除臭机理：①将恶臭物质转化为非恶臭物质；②利用恶臭物质为细胞物质。原位微生物处理优良菌种应具备的特征(1)有分解含硫或含氨和有机酸等恶臭化合物的能力：(2)不产生含硫、含氨和有机酸等恶臭化合物；(3)能够在不适宜的环境下存活并在适宜环境下快速繁殖；(4)能够产生抗生素等抑菌物质抑制和杀死有害微生物。Typicalbiofilterinstallation除臭微生物种类细菌：芽孢杆菌、链霉菌和光合细菌等;真菌：青霉、曲霉、木霉和酵母菌。微生物制剂的使用：①直接喷撒到堆肥、家畜场；②添加到饲料中在动物肠道就发挥作用。