第四章+废气的生物处理

1第四章气体有机污染物的微生物处理技术挥发性有机化合物(volatileorganiccompound，VOC)危害：致癌物，如氯乙烯、苯、多环芳烃等易燃易爆，对生产企业的安全造成威胁对臭氧层具有破坏作用，如氯氟烃(CFC)和含氢氯氟烃(HCFC)来源：石油化工、制药、印刷、制鞋、喷漆等行业排放的废气；人类生产生活中燃烧产生的废气。2美国1990年通过的清洁空气法修正案严格限制了189种危险空气污染物(其中70％是挥发性有机物)的排放，促进了废气控制技术的研究和应用，大规模的生物过滤装置开始被建立用来处理各种污染气体。20世纪80年代，德国、日本、荷兰等国家已有相当数量工业规模的各类生物过滤装置运行。对于一般性的空气污染物，控制效率已达到90％以上。我国1993年颁布了《恶臭污染物排放标准》,制定了氨、三甲胺、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳、苯乙烯等恶臭污染物的排放浓度限值。3一、有机废气的类型与特点恶臭物质：超过4000种由恶臭物质散发的恶臭气体可以按其不同的组成分为5大类恶臭气体分类4恶臭物质对人体的危害①呼吸系统：对人体呼吸产生反射性抑制作用，甚至妨碍正常呼吸功能；②血液循环系统：可导致脉搏和血压变化，使血压先下降后上升；③消化系统：经常接触恶臭气体易使人产生食欲减退、恶心甚至呕吐，严重时还引起消化功能减退；④内分泌系统：经常接触恶臭气体还易使人产生内分泌系统功能紊乱，长期大量接触有些恶臭气体甚至易引起生殖能力减退；⑤神经系统：恶臭易使人心情烦躁，心神不宁，思想难集中，判断力和记忆力下降，甚至导致大脑皮层兴奋与抑制的调节功能失调。5恶臭污染的主要特点①恶臭污染源众多、污染面广、涉及行业多；②恶臭物质一般浓度较低，甚至可以低到ppb级的浓度；③恶臭气体成分复杂，往往含有多种污染成分；④恶臭污染的监测、分析难度大，其治理的难度也较一般的大气污染治理难度更大。6二、有机废气生物处理的基本原理（一）有机废气治理的基本方法（物理法、化学法、生物法）物理法：掩蔽法、稀释扩散法、吸附法、等离子体法等。化学法：燃烧法、臭氧氧化、催化氧化及酸碱吸收法等，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。现行的主要处理方法。生物法：生物处理法是指利用微生物吸附分解有机物能力降解恶臭物质与有机废气的方法。7掩蔽法是利用气体的缓和作用原理，用比恶臭更强烈的令人愉快的气味掩蔽恶臭，如家庭及公共场所常用的各种空气清新剂即属此类。该法宜用于在不适于采用除臭装置的情况与场合。稀释扩散法是将气体由烟囱排向大气扩散，以保证下风向臭源附近人群免受恶臭危害。该法适合于工业有组织排放臭气。吸附法又分化学吸附法和活性炭吸附法，系采用吸附剂吸附恶臭物质的除臭方法，适于低浓度、高净化要求的恶臭气体处理。物理法8化学法燃烧法指通过强氧化反应降解可燃性恶臭物质的方法。适用于高浓度、小气量的可燃性气体处理。优点是净化效率高.分解彻底的特点，缺点是设备易腐蚀、消耗燃料、成本高、处理中可能形成二次污染物的缺点。臭氧氧化法是利用臭氧(O3)作氧化剂氧化恶臭物质的方法。该法适用于中低浓度恶臭物质的处理。臭氧氧化能力强，可彻底氧化分解恶臭物质，但臭氧发生器能耗高，处理费用高。另外需注意臭氧可能对人体和周围动物造成的危害。催化氧化法是利用催化剂降低氧化反应的活化能对恶臭物质进行氧化的方法。如利用Fe3＋作催化剂，可去除高浓度的H2S气体，工艺简单、效率高，但设备较大、投资成本高。酸碱吸收法是利用酸或碱作为吸收剂，对废气中难溶于水的成分进行处理的方法。该法适用于快速消除低浓度恶臭气体及难溶于水恶臭气体的场合，灵活性大，但恶臭气体并未彻底去除，吸收液需进行进一步处理。9主要分生物过滤法和活性污泥法两种。生物过滤法按滤料及过滤方式不同又分为生物滤池法和生物滴滤池法，生物过滤法的特点是微生物处于固着态，实际上属于生物膜法。活性污泥法则按气液接触方式不同又可分为生物曝气法和生物洗涤法。活性污泥法与废水处理的活性污泥法类似，微生物处于悬浮态。废气生物处理具有处理彻底、成本低等特点。生物法10（二）有机废气生物处理法的基本原理①有机废气(臭气)成分是可被吸收的；溶于水；②被吸收的成分是可以生物降解的；③废气成分是没有毒性或对微生物生长有抑制作用的；④具备微生物生长的营养需求；⑤具备微生物生长的最佳环境。1．有机废气生物处理的条件11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．有机废气生物处理的原理12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（2）吸附过程13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。（3）生物降解过程1415生物法吸收净化有机废气过程总的效率取决于气相和液相中有机物的扩散速率(即气膜扩散、液膜扩散)以及固相中生化反应速率。16一般情况下，当不存在生物膜时，有机废气的吸收明显以液膜控制为主，但当存在生物膜时，传质过程则转变为气膜控制。造成这种转变的主要原因是：①待处理废气浓度低、浓度差推动力小，造成气相阻力较大；②生物化学反应为快速反应，废气污染物进入生物膜表面液膜后会立即被微生物捕获并反应消耗掉，从而使液膜层中的反应带变成一个反应面，此反应面逐渐向气液界面移动，更加减小了液相传质阻力。传质过程实际上受气相传质过程控制。17污染物转移的三种可能情况(1)气流→吸附在有机介质上→在水相解析崩解→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18生物滤池法、生物滴滤法、生物洗涤法、生物曝气法三、有机废气生物处理的方法与工艺（一）生物滤池法(biologicalfilter)是生物膜法的一种，是目前研究得最多、工艺最为成熟、在实际中也最为常用的脱臭方法，最早出现于前联邦德国。1959年，在前联邦德国的一个污水处理厂建立了一个填充土壤的生物过滤床，用于控制污水输送管散发的臭味。20世纪60年代，生物过滤开始实际应用于气态污染物的处理，德国和美国则开始对此法进行深入研究开发。在德国和荷兰就有500多座大规模的生物过滤装置，大多数用于家畜和食品加工工业，其废气处理流量为1000～150000m3／h，生物反应器面积介于10～2000m2之间。我国目前只有少数引进国外技术处理有机废气的例子，如北京南宫堆肥厂的废气处理、澳门特区污水处理厂臭气处理等。19废气需经过预处理、去除颗粒物和调温、调湿后方可通过气体分布器进入过滤器中进行生物过滤，生物滤池中装有填料，并通过加入水分、营养物及pH缓冲液来满足微生物生命活动的需要。生物滤池处理系统中最关键的设备是生物滤池。根据滤池中滤料的不同，生物滤池可分为土壤滤池、堆肥滤池以及箱式滤池几种型式。1、工艺流程与滤池类型2021主要滤料是土壤，土壤是一个多相的疏松多孔体，其孔隙率为40％～50％，比表面积为1～100m2／g，土壤中有机物含量为1％～5％，主要分布在无机物表面上。滤料共由2层组成：下层为气体分配层，由粗石子、细石或轻质陶粒滑料组成，上部由黄沙或细粒骨料组成，总厚度约400～500mm；上层为土壤滤层，厚度一般为0.5～1.0m，可按黏土1.2％、有机质沃土15.3％、细砂土53.9％和粗砂29.6％比例混配而成，也可在土壤层中添加3％的鸡粪、2％的膨胀珍珠岩，在保持滤层透气性不变的情况下提高有机物的去除率。(1)土壤滤池土壤中的胶体物质+大量的微生物=土壤自净功能22影响土壤滤池去除效率的主要因素有：①温度，土壤中微生物的活性温度为0～65℃，最佳温度为37℃；②湿度，土壤滤池中，湿度一般要求保持在50％～70％，湿度增加有利于微生物的氧化分解作用，但太高则不利于通气，且水分子与废气中的污染物在土壤表面吸附点产生吸附竞争，不利于污染物的去除；③pH，一般控制pH在7～8的范围，土壤pH会随着使用时间的延长而逐渐酸化，使用1年后需及时用石灰调整pH，这是由于生物化学反应需要消耗碱度，有的反应产生H+造成的；④营养成分，因有机废气中污染物浓度一般都较低，碳源或氮源等营养成分及其比例受土壤中有机质的限制易出现不均衡现象，这时可以加入一些添加剂以改良其性能，提高活性。23土壤滤池处理有机废气的主要优点有：①投资小，一般仅为活性炭吸附法投资的1/5至1/10；②无二次污染，微生物对有机污染物的氧化作用完全，可以将复杂的、有毒化合物转变为无机物或无毒小分子物质，在土壤中没有污染物的积累，也没有污染物向水或其他介质转移的潜在危害；③脱臭率高，土壤滤池适于处理带有强烈臭味的低浓含氨、硫化氢、甲硫醇、二甲基硫、乙醛、三甲胺等的废气，脱臭率可高达99％；24④抗冲击能力较强，土壤中的微生物、营养在种类和数量上都较丰富，当有冲击负荷时，微生物的种类与数量能随废气中有机物迅速变化；⑤服务年限长，土壤滤池处理挥发性有机废气，使用年限可以长达数十年甚至百年以上，华盛顿污水提升站于1964年建造的土壤滤床至今仍在正常工作。主要缺点是占地面积大，易出现酸化现象。2526堆肥滤池的主要滤料是堆肥(compost)。堆肥具有50％～80％的孔隙率、1～l00m2/s的比表面积，含有50％～80％的腐殖化有机质。堆肥的生物活性与土壤类似，也含有大量的各种微生物并具有不同的降解功能(2)堆肥滤池27堆肥滤池的构造是在地面挖浅坑或筑池，池底设排水管，在池的一侧或中央铺设输气总管，总管上接出多孔配以气管，管径约125mm，管上覆盖砂石材料形成气体分配层，厚约50～l00mm，在分配层上再铺设500～600mm厚的堆肥过滤层，保证过滤气速在0.01～0.1m/s。在欧洲已有500多座投入实际运行。28箱式滤池为封闭式装置，其结构主要分为箱体、滤床、喷水器3部分。滤床由多种有机物混合制成的颗粒状载体构成，有较强的生物活性与耐用性，微生物部分附着于载体表面，一部分悬浮于床层水体中。滤床厚度按需要确定，一般为0.5～1.0m。(3)箱式滤池29箱式生物滤池的工作原理废气通过箱式生物滤池时，一部分污染物被载体吸附，一部分污染物被水吸收，然后由微生物对污染物进行降解，其净化过程可按需要控制，故可选择适当的条件充分地发挥微生物的作用。研究表明，箱式生物滤池对易降解碳氢化合物的降解能力约为200g/(m3·h)，过滤负荷高于600m3/(m2·h)，气体通过床层的压降较小，使用1年后，在负荷为110m3/(m2·h)时，床层压降约为200Pa，因此性能优越。30箱式生物滤池已成功地应用于化工厂、食品厂、酿酒厂、屠宰厂、塑料工业和污水泵站等方面的废气净化与脱臭，效果较好。如处理含H2S50mg/m3、SO2150mg/m3的聚合反应废气，在高负荷下H2S的去除率可达99％。处理食品厂高浓度恶臭废气(臭气浓度为6000～10000Nod/m3)，脱臭率可达95％。此外，箱式生物滤池还应用于去除废气中的四氢呋喃、环己酮、甲基乙基甲酮等有机溶剂蒸气。箱式生物滤池应用前景广阔。31（二）生物滴滤法(biologicaltricklingfilter)•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。32与生物滤池法不同点是：一是生物滴滤池利用通过滤层后的废液回流进行循环喷淋；二是填料不同，生物滴滤池所用填料不具吸水性，填料之间空隙大，如粗碎石、塑料蜂窝状填料、塑料波纹板填料、陶瓷、木炭等，这些填料属于惰性材料，不会出现像生物滤池中混合微生物群同时消耗滤料有机质的情况，因而，池内微生物数量大，惰性材料