挥发性有机物和臭味的生物过滤处理

张彭义 余 刚 蒋展鹏
(清华大学环境科学与工程系，环境模拟与污染控制国家联合重点实验室，北京100084)


摘要：生物过滤法是一种较新的空气污染控制方法，它利用微生物降解或/转化空气中的挥发性有机物以及硫化氢、氨等恶臭物质。本文主要介绍生物过滤法处理废气的基本原理，讨论填料种类、湿度、pH、温度等影响生物过滤法性能参数。同时综述了生物过滤法的应用范围以及对生物过滤法的改进。
关键词：生物过滤废气处理挥发性有机物臭味

工业生产和畜禽养殖等过程中产生的挥发性有机物和臭味问题已引起人们越来越多的关注。一些发达国家已经立法，严格控制这些气态污染物的排放，要求采取一定的治理措施。活性炭吸附[1]、光催化[2]、催化氧化、焚烧和生物处理等方法被广泛研究以处理空气中的挥发性有机物和臭味物质。其中生物过滤法利用微生物降解气态污染物特别是低浓度的易生物降解物质，具有经济高效的优点而受到较多的关注和实际应用。在我国对挥发性有机物的污染还未给予足够的重视，也很少对生物过滤法去除气态污染物进行研究。因此很有必要介绍这一方法，以期在不久的将来用于挥发性有机物和臭味的控制。
一、废气生物过滤法处理的发展及其原理
用生物法处理空气中的污染物可以追溯到50年代中期，最先是用于处理空气中低浓度的臭味物质[3]。1959年在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。60年代，人们开始采用生物过滤法处理气态污染物，德国和美国开始对此方法进行深入研究。从80年代起，德国和荷兰越来越多地采用生物过滤法控制工业生产过程中产生的挥发性有机物和有毒气体。迄今，在德国和荷兰有500多座大规模的废气生物过滤处理装置，生物过滤反应器的面积一般在10～2000m2之间，废气处理流量达到1000～150000m3/h。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，这促进了包括生物过滤法在内的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。
图1为废气生物过滤反应装置示意图[4]。由图可见，废气首先经过预处理，包括去除颗粒物和调温调湿，然后经过气体分布器进入生物过滤器。生物过滤器中填充了有生物活性的介质，一般为天然有机材料，如堆肥[5，6]、泥煤[7]、谷壳、木片、树皮和泥土等[8]，有时候也混用活性炭[6]和聚苯乙烯颗粒。填料均含有一定的水分，填料表面生长着各种微生物。当废气进入滤床时，废气中的污染物从气相主体扩散到介质外层的水膜而被介质吸收，同时氧气也由气相进入水膜，最终介质表面所附的微生物消耗氧气而把污染物分解/转化为二氧化碳、水和无机盐类。微生物所需的营养物质则由介质自身供给或外加。
二、生物过滤反应器的性能参数及其影响因素[9]
11性能参数
生物过滤反应器的性能参数主要有空床停留时间、表面负荷、质量负荷和去除率，各参数的基本含义及典型范围见表1。这些参数及其范围实际上也是生物过滤反应器的设计依据。其中空床接触时间表示的是废气经过反应器的相对时间，由于床内充满填料，而气体只能在填料孔隙间通过或停留，因此气体的实际停留时间应该是气体流量除以反应器的空隙体积。由表1可知，虽然废气在反应器内的停留时间很短，而处理率却可以高达90%以上。
表1生物过滤反应器的性能参数及其典型范围
参数 含义 计算公式 常用单位 典型范围
空床停留时间 废气在生物滤床中的相对停留时间 V/Q s 15～60
表面负荷 单位滤床面积的废气体积负荷 Q/A m3/m2h 50～200
质量负荷 单位滤床体积的污染物负荷 QCi/V g/m3h 10～160
去除率 污染物的去除程度 (Ci-Ce)/Ci×% % 90～99
注：V—生物过滤反应器的体积，m3；Q—废气的体积流量，m3/s；A—生物过滤反应器面积，m2；Ci—废气中污染物的浓度，g/m3；Ce—废气处理后所含污染物的浓度，g/m3。

21影响反应器性能的因素
生物过滤法主要依靠微生物的作用来去除气体中的污染物，微生物的活性决定了反应器的性能。因此反应器的条件应适合微生物的生长，这些条件包括填料(介质)及其湿度、pH值、营养物质、温度和污染物浓度等。实际上这些因素也是生物过滤反应器设计和运行过程中需要考虑的参数。
(1)填料选择填料是生物过滤反应器设计时要首先考虑的，理想的填料应具有以下性质：
·最佳的微生物生长环境——营养物、湿度、pH和碳源的供应应不受限制；
·较大的比表面积——接触面积、吸附容量、单位体积的反应点更多；
·一定的结构强度——防止填料压实，后者会使压降升高、气体停留时间缩短；
·高水分持留能力——水分是维持微生物活性的关键因素；
·高孔隙率——使气体有较长的停留时间；
·较低的体密度——减小填料压实的可

三、生物过滤法的应用范围
生物过滤法可去除空气中的异味、挥发性物质(VOCs)和有害物质。具体应用范围包括控制/去除城市污水处理设施中的臭味[13～15]、化工过程中的生产废气、受污染土壤和地下水中的挥发性物质、室内空气中低浓度物质等。生物过滤法可以降解C4-C18的大多数挥发性和半挥发性的烷烃、烯烃和芳烃，这些物质一般具有可生物降解性和水溶性较大的特点。已被试验可用生物过滤法去除的物质包括：氨[7]、一氧化碳、硫化氢[5]、甲烷、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、22乙基己醇、丙烷[16]、异戊烷[17]、己烷[18]、丁醛、丙酮、甲基乙基酮[19]、乙酸丁酯、乙酸酯、二乙胺、三乙胺[20]、二甲基二硫化物、粪臭素、吲哚、甲硫醇、氯甲烷(一、二、三取代)[21]、乙烯[22]、三氯乙烯[23，24]、四氯乙烯、氮氧化物、二甲硫、噻吩、苯、甲苯、二甲苯、乙苯[25，26]、苯乙烯等。
LesonG等曾经评估了生物过滤法处理炼油厂产生废气的经济性，并与先进的燃烧技术、活性炭吸附技术的成本进行比较，结果见表3[27]。一般来说，生物过滤法可与任一种废气处理技术相比，如焚烧、吸附、催化氧化、洗涤等。生物过滤的优势在于初期投资、操作和维护费用低，尤其在污染物浓度较低(小于1000ppm)时十分有效。
表3 炼油厂废气处理技术的经济性比较
控制技术 总投资 年折旧 年运行费 一年总费用
千美元 千美元/年 千美元/年 千美元/年
(1)生物过滤 去除95%VOC 7000-12000 1100-1900 1000-3000 2100-4900
去除98%的苯 500-1150 80-185 40-120 120-305
去除98%的臭味 250-420 40-70 40-85 80-155
(2)先进的燃烧技术 800-1000 130-160 200 300-360
(3)活性炭吸附(用蒸气再生) 840 134 135 270
注：假设设备寿命为10a，年利率10%，废气处理量为40000m3/h，其中含400ppmC的VOC(250ppmC为脂肪烃类，150ppmC为芳烃)，苯含量为25ppmC，臭味组成为：2ppmvH2S，0.5ppmv甲硫醇和5ppmv氨。

四、生物过滤法的发展与完善
传统的生物过滤器在运行中会碰到一些问题，如填料降解需要更新、酸化导致pH升高、负荷过高发生堵塞、废气湿度低使得填料干化等。针对这些问题，人们对生物过滤法作了不少改进和发展，如多点进气、生物滴滤反应器[10，21，25]、生物洗涤法[28，29]、膜生物反应器[30～32]等。
所谓多点进气就是沿生物过滤器高度方向分几个点进气，与传统的底部一点进气相比，这种方式进气更加均匀，可以避免或减缓生物过滤器下端容易堵塞、微生物沿生物过滤器高度分布不均等现象，使得填料的损耗较为均匀而延长使用寿命。
生物滴滤法和生物洗涤法实际上是与生物过滤法相并行的处理方法。与生物过滤反应器相比，生物滴滤反应器有以下优势：避免产生生物过滤反应器中的填料压实、短流及填料降解等现象；营养物和pH缓冲溶液可以方便地通过回流液体投加；微生物代谢产物也可以通过更换回流液体而去除；对于处理含卤化合物、硫化氢和氨等会产生酸/碱性代谢物的污染物，生物滴滤反应器更容易调整pH值，因此生物滴滤反应器比生物过滤反应器更能有效地处理上述这些污染物。生物洗涤法则是先用水洗涤废气，气体中的污染物转移到水中而得到净化，而转移到水中的污染物则按通常的生物法处理。这种形式适合于负荷较高、污染物水溶性较大的情况，过程的控制也更为方便。
膜生物反应器则是利用憎水性的多孔中空纤维膜将气体中的污染物溶解在液相中，而在液相中添加营养物、pH缓冲盐等来控制生物过程。由于多孔纤维膜较高的透气性和比表面积，有利于气态污染物扩散在水中；但低水溶性的污染物则不易传输到液相从而影响去除效率。
五、结语
生物过滤法处理挥发性有机物或臭味在欧洲和美国已得到广泛的应用，设备及工艺都较为成熟。而在我国，这方面的研究还不多，自有技术的应用就更少。但是化工厂、炼油厂、溶剂/油品储运、大规模畜禽养殖等场所挥发性有机物和臭味污染问题十分严重，随着重污染、中等污染问题的逐步解决以及经济的发展，这些虽不致人死命但影响面大而广的污染问题将被人们重视，生物过滤法将凭借其高效经济的优势在市场上大行其道。对于生物过滤法的研究与开发，我们应在吸收国外成果的基础上，注重设备的研究开发，包括过程参数自动控制系统、布水/布气系统、填料等，为实现生物过滤器产品的成套化、系列化、标准化奠定基础。

涤清将军，这那时砖头，简直就是一块和田玉！
能否介绍一下工程实例？

哈哈！
我的本科论文写的就是这个。我的导师是专门研究这个，做了不少这样的工程，我看到过，不过没有文本资料，真是可惜啊。现在好象挺流行用生物处理的，不过做的工艺好象还不是很成熟。

有请多介绍一点！

对，请普通朋友多介绍一下。你的不经意可能就是金玉良言！怎么联系？
我的qq 25946381 asaintiger@163.com

我的论文是生物过滤塔的温湿度的研究，我也不知道该介绍些什么？
我导师的工程只是看到过，没有参与啊！
就我的浅薄的见解，我认为生物处理臭气在填料的选择上是比较关键的一向，我导师的研究生就对此专门做了不少实验，外文的资料也有许多关于填料的介绍，当然我做的温湿度也是生物处理的控制要求。
其实作了一个学期的实验，从根本上来说，大部分的处理还是水的作用，所以处理效率一定在80%以上否则是填料或其他问题了。真正的靠生物处理是靠后期和长期的时间作用，使生物对吸附在生物表面的废气做消化分解。至此气相与液相间的传质，液相与生物膜的传质，以及生物的处理成为整个气态污染物生物处理系统的控制点。
以上是小弟的一些拙见，请指教，还有多多参与讨论，谢谢！

这一篇值得一看，可惜因为“安全性”设置无法转换！
以活性污泥洗涤法处理排气中挥发性有机物质之研究pdf（台湾的研究成果）
——一般人我不告诉他！

生物法的菌种还待改进~~

9楼的文件看不懂耶