VOCs 廢氣的生物技術(shù)處理

金健 中新蘇伊士環(huán)保技術(shù)（蘇州）有限公司

由于揮發(fā)性有機(jī)化合物處理技術(shù)，其在工程應(yīng)用中的廣泛前景和經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了生物處理技術(shù)的發(fā)展和研究趨勢。聯(lián)合生物處理技術(shù)，主要包括紫外光降解技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)、吸附法以及生物聯(lián)合工藝等技術(shù)應(yīng)用。雖這些生物技術(shù)都有了廣泛的應(yīng)用，但在運(yùn)行和研究過程中還存在一定的問題。低溫等離子體和化學(xué)法常作為預(yù)處理技術(shù)與生物處理技術(shù)配合使用，能有有效提高降解效果，使反應(yīng)器性能更好。吸附法和燃燒法一般作為最終處理技術(shù)，確保有害氣體達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

一、VOCs 與生物處理技術(shù)和基本原理

（一）VOCs 與生物處理技術(shù)

VOCs 是指在化工或其它有機(jī)合成企業(yè)在制造中，產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物。隨著工業(yè)化的深入，VOCs 的排放已成為大氣環(huán)境污染的主要成分。這種揮發(fā)性氣體不僅在生產(chǎn)過程中存在，同時也在運(yùn)輸過程中也持續(xù)存在。VOCs 廢氣種類繁多，對人體有一定的毒性，威脅著人們的健康。研究人員通過對VOC 處理的不斷總結(jié)，發(fā)現(xiàn)利用生物處理技術(shù)能解決VOC 帶來的污染問題，且應(yīng)用的成本低、投資小，因此目前逐步被廣泛使用。該生物處理技術(shù)最早出現(xiàn)在一些西方國家，我國的研究較晚，但目前也對該處理工藝進(jìn)行了深入研究。包括其VOC 廢氣處理過程中的作用和原理，處理過程中如何進(jìn)行凈化廢氣，以及廢氣處理必需的微生物和處理介質(zhì)等。

（二）基本原則

使用生物技術(shù)處理 VOCs 廢氣，技術(shù)人員同時用反應(yīng)器進(jìn)行分析。其原理是構(gòu)建以微生物為基質(zhì)的反應(yīng)容器，形成水基微生物群落，氣體空間是帶有一定量氧氣的氣相。有機(jī)化合物從氣相中被液體吸附與液體結(jié)合，再通過與生物膜接觸并通過微生物的生化作用進(jìn)行降解。許多VOCs 是利用特定作用的微生物，并被微生物分解后，會產(chǎn)生水和二氧化碳，排放到環(huán)境中，因此對生態(tài)無任何毒性。在這個過程中，VOCs 廢氣須通過氣液從氣相介質(zhì)混合到液體中，才能被生物膜吸附。從該原理看出，生物技術(shù)去除VOCs 的效果與VOCs 物質(zhì)的濃度、容器結(jié)構(gòu)以及生物活性直接相關(guān)。

二、微生物廢氣處理技術(shù)的優(yōu)勢

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，我國環(huán)境處理的能力也在不斷提高，對于廢氣的處理方式也呈現(xiàn)出多樣化。利用生物技術(shù)進(jìn)行廢氣處理，其技術(shù)應(yīng)用具有以低成本、無污染的特點(diǎn)受到各界的關(guān)注。利用生物技術(shù)進(jìn)行廢氣處理，通過微生物將廢氣污染物轉(zhuǎn)化為無害或低分子物質(zhì)，或?qū)U氣中的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害無機(jī)物。通常使用生物洗滌法、過濾法等。利用微生物的代謝作用，將苯或氯苯、醛類、硫醇以及硫化氫等有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為水、二氧化碳等物質(zhì)，以有效達(dá)到凈化和處理廢氣的目的。通過生物技術(shù)進(jìn)行廢氣處理具有許多優(yōu)點(diǎn)，首先，與其他廢氣處理技術(shù)相比，該技術(shù)更符合可持續(xù)發(fā)展的理念。它屬于綠色環(huán)保的新型技術(shù)。在處理過程中的產(chǎn)物，無毒無害。其次，生物處理技應(yīng)用術(shù)的成本較低。如果使用價格合理的離子管或吸附劑，其經(jīng)濟(jì)成本遠(yuǎn)低于其廢氣處理方法。并且生物處理法可在常溫下進(jìn)行操作，無須進(jìn)行氣體加熱。在操作過程中，營養(yǎng)液消耗量也較少，能耗相對較低。最后，生物廢氣處理過程操作和設(shè)備比較簡單。在廢氣處理過程中，關(guān)鍵部分是填料層和加濕系統(tǒng)，且不需要加熱、和溫度控制。工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，對人員的技術(shù)要求不高。

三、VOCs 廢氣生物處理工藝及控制要點(diǎn)

（一）生物洗滌器

裝置由傳質(zhì)洗滌器和降解反應(yīng)器組成，微生物群在設(shè)備懸浮并與水結(jié)合循環(huán)流動。洗滌器內(nèi)部設(shè)有凈化系統(tǒng)，當(dāng)VOCs 氣體進(jìn)入吸收室，懸浮液在頂部噴射，使氣體充分與生物懸浮液接觸。然后生物懸浮液進(jìn)入吸收室底部，由出口裝置進(jìn)入再生槽內(nèi)，再由自然空氣再生。物料反吸進(jìn)入噴片，形成循環(huán)回路。VOCs 經(jīng)微生物凈化后排放至洗滌器。系統(tǒng)的漿液由高度活性的微生物組成，其再生過程需要較長時間，要結(jié)合微生物的性質(zhì)選擇使用的反應(yīng)器。洗滌器的反應(yīng)器操作方便，添加的生物不易堵塞，能達(dá)到更高的氣體處理能力。在應(yīng)用時化合物的一般不能濃度不超過5000 毫克每立方米，否則將不能有效處理VOCs 廢氣。

（二）生物過濾器

VOCs 廢氣凈化裝置要先通過過濾器去除顆粒雜物，后經(jīng)濕度調(diào)節(jié)，使吸附劑隨濾料進(jìn)入生物濾池。濾池內(nèi)充滿填料和活性生物。其層厚必須達(dá)到0.5-1 米，將VOCs 氣體沿管道從池底引至生物填料，以全面提高氣體分解效率和質(zhì)量。廢氣和氧氣將以氣相形式擴(kuò)散到外層水膜。而池中的微生物用有機(jī)物廢氣作為基礎(chǔ)能源。廢氣分解后，V 產(chǎn)生的氮會轉(zhuǎn)化為氨氣，再進(jìn)一步而轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。有機(jī)物會通過微生物處理會轉(zhuǎn)化為二氧化碳。而硫通過生物分解生成硫化氫，再處理可轉(zhuǎn)化為硫酸鹽。目前，生物過濾器對VOC 廢氣的處理應(yīng)用非常多。例如以甲苯為碳源培育高降解性生物菌群。其條件為環(huán)境溫度30°C，濕度80%，入口濃度保持在1500mg/立方米，甲苯氣體分解凈化效率達(dá)到90%。通達(dá)研究人員的試驗發(fā)現(xiàn)，VOCs入口濃度不大于25mg/m3時，可達(dá)到97%的廢氣凈化效率。如果廢氣濃度超過25 毫克，則其凈化效率會呈現(xiàn)一定程度的降低。當(dāng)進(jìn)水量每小時0.2 立方米增到0.7 立方米時，廢氣處理效率會降到73%。另外溫度對VOCs 廢氣凈化也有很大影響。

（三）關(guān)于生物滴濾塔

其主體部分是填充多層生物包裝的塔狀結(jié)構(gòu)，其表面貼有人員進(jìn)行培養(yǎng)的生物膜?？扇苄詿o機(jī)鹽營養(yǎng)液，在塔自上而下噴灑在生物包裝層上，從塔底排出，進(jìn)行回收利用，這就是VOCs 生物滴濾器的基石處理流程，最后使塔和代謝物隨殘液排出。在應(yīng)用過程中，生物滴濾池不含碳?xì)浠衔?、醇類以及酮類等。因此，VOC 廢氣處理操作簡單，反應(yīng)容易控制，且電耗低效益好。同時具有生物液壓降小、凈化率高的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是生物包裝必須定期更換，設(shè)備易磨損。目前國外對于生物滴濾池應(yīng)用比較廣泛，國內(nèi)目前也正處于廣泛推廣階段。如果采用生物滴濾器處理苯酚氣體，對苯酚氣體的去除率達(dá)到99%上，最佳保留時間20 s，并保持中性pH。

（四）混合生物反應(yīng)器處理技術(shù)

由于廢氣的復(fù)雜成分和性質(zhì)，提高廢氣處理的效率非常重要。因此，復(fù)合生物反應(yīng)器應(yīng)運(yùn)而生，表現(xiàn)出多樣化及高效率的應(yīng)用特性，它通常根據(jù)廢氣成分的特性配制。目前常見的反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有復(fù)合反應(yīng)器以及不同反應(yīng)器的串聯(lián)反應(yīng)器、真菌生物反應(yīng)器等。與傳統(tǒng)的反應(yīng)器相比，復(fù)合反應(yīng)器有更高的廢氣處理效率。通過研究混合反應(yīng)器中H2S 的處理，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)部的，懸浮區(qū)和靜止生物反應(yīng)區(qū)的處理效果，優(yōu)于單一廢氣處理區(qū)域。串聯(lián)復(fù)合反應(yīng)器增加了廢氣停留時間，提高了難溶性廢氣的處理效率。如采用串聯(lián)濾池和滴流濾池去除高濃度H2S 和VOCs，去除率分別達(dá)到97%和80%。真菌復(fù)合生物反應(yīng)器對復(fù)雜廢氣處理有極高效率，其方法為畜禽廢氣的處理提供了非常好的解決方案。通過真菌的生物反應(yīng)器去除氨、H2S 等惡臭氣體，其效果尤其明顯。去除率達(dá)到75%以上，證明反真菌微生物具有良好的協(xié)同作用，可以有效去除廢氣中的親水和疏水性污染物。

（五）膜生物反應(yīng)器廢氣處理技術(shù)

它是將傳統(tǒng)的生物廢氣處理方法與生物膜相結(jié)合。原理是氣態(tài)污染物在液相中的一側(cè)通過膜擴(kuò)散，被膜另一側(cè)生物膜分解，然后生成CO2、H2O 以及無機(jī)鹽。該方法對難溶于水的廢氣有顯著的凈化作用。目前，該反應(yīng)器方法是廢氣凈化方法中前景和應(yīng)用比較廣泛的。廢氣處理生物膜反應(yīng)器常用的材料有兩種：微孔膜和致密膜。如采用生物膜反應(yīng)器分解二甲苯，降解率可達(dá)95%，并保持正常運(yùn)行5 個月，而使用空纖維膜去除二甲苯，其有效降觖率也在92%以上。與傳統(tǒng)的生物處理方法相比，膜生物反應(yīng)器技術(shù)具有降解效率高、運(yùn)行可行的特點(diǎn)，且在處理過程中停留時間短，同時也能處理更小體積廢氣的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是生物膜的造價比較高。

（六）生物廢氣處理技術(shù)控制要點(diǎn)

使用生物技術(shù)處理VOCs 時，技術(shù)人員要重點(diǎn)關(guān)注兩個傳質(zhì)過程。一是污染氣體從氣相到液相介質(zhì)的過程，另外是處理物從液相到生物介質(zhì)的傳遞過程。在應(yīng)用該技術(shù)時，引入了亨利常數(shù)的概念，其表示在給定溫度下，溶解的氣體數(shù)量與處于平衡狀態(tài)時的氣體分壓的關(guān)系。在其他恒定條件下，不同VOCs 的傳質(zhì)效果取決于亨利常數(shù)。在實際中，如該常數(shù)小于0.1 二氯乙烷、乙酸乙酯、二甲二硫醚等，認(rèn)為是一種親水物質(zhì)。

0.1和1之間的常數(shù)，認(rèn)為是中等疏水性的物質(zhì)，如二氯甲烷以及苯乙烯等。大于 1 的是屬于疏水物質(zhì)，包括甲烷和己烷等。對于亨利常數(shù)較低的 VOCs 廢氣，其衰減得更快，較高亨利常數(shù)的VOCs 氣體需要的時間會更長些。通常，常數(shù)小于1 的VOCs 廢氣在2 分鐘內(nèi)70%以上會去除。大于1 的VOCs 廢氣，時間延長到4 分鐘，該氣體的去除率也不到41%。因此，在這種情況下，反正處理時間應(yīng)必須根據(jù)VOCs 廢氣含量調(diào)整。

四、生物處理技術(shù)的應(yīng)用前景

微生產(chǎn)廢氣處理技術(shù)，以其使用方便、運(yùn)行成本低、廢氣處理質(zhì)量和效率高、操作安全性以及沒有二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在全面世界許多國家都得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。雖然，國內(nèi)揮發(fā)性廢氣的生物凈化應(yīng)用技術(shù)學(xué)不算完全成熟，但其發(fā)展和應(yīng)用速度也加快。目前的生物反應(yīng)技術(shù)包括使用不同的反應(yīng)器，大氣環(huán)境治理效果不一等問題。同時，在技術(shù)應(yīng)用過程中，也存在影響氣液傳質(zhì)和降解過程的因素也很多，全面應(yīng)用和推廣還不夠深入。因此，還需要研究人員不斷進(jìn)行深入研究。包括生物廢氣處理技術(shù)應(yīng)用于中，低濃度和高濃度有機(jī)廢氣的處理。對于難降解的污染物，要馴化培養(yǎng)特殊的專用菌種，以全面增強(qiáng)廢氣的凈化處理效果，有效改善微生物生存的代謝系統(tǒng)，提升反應(yīng)裝置的運(yùn)行效率。同時還要利用分子生物學(xué)技術(shù)，研究微生物菌株的特性，為降解污染物提供性能更好的菌源。要使用識別有機(jī)污染物成分，分析其成分和降解效應(yīng)，提高核心故障排除的方法。還要尋找生物包裝長期使用中出現(xiàn)的堵塞、短壽命的解決方案。

五、結(jié)束語

總之，VOCs 廢氣的生物技術(shù)處理具有操作方便，安全性高，不會造成二次污染的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于比較發(fā)達(dá)的國家。而該生物處理技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用較晚，但取得非常好的應(yīng)用研究和成果?；谠摷夹g(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，工程技術(shù)人員更要加強(qiáng)對其技術(shù)和應(yīng)用原理的深入研究，培育出效率高的微生物，同時逐步建立完整的廢氣生物處理結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。由于生物處理技術(shù)是最有應(yīng)用前景，來替代燃燒法的新技術(shù)。隨著綠色環(huán)保理念的不斷深入，生物處理技術(shù)的應(yīng)用將越來越多。