VOCs 廢氣的生物技術(shù)處理

高松

（宿遷市泗洪環(huán)境監(jiān)測站，江蘇 泗洪 223900）

大氣揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），通常指沸點(diǎn)界于50 與260℃之間的各類揮發(fā)性有機(jī)物，很多化工產(chǎn)業(yè)都不可避免地排放該類物質(zhì)，如果不能合理地處理，將對大氣造成較大的污染，對人畜以及各類建筑設(shè)施造成一定的傷害。對此我國環(huán)保相關(guān)法律對VOCs 的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格的限制，而相關(guān)企業(yè)也通過各種技術(shù)進(jìn)行處理，包括以吸附處理、液體吸收、膜分離為手段的回收方法，和以催化燃燒、光催化、生物處理為手段的降解方法。

1 生物技術(shù)處理VOCs 廢氣的技術(shù)要點(diǎn)

1.1 基本原理。利用生物技術(shù)進(jìn)行VOCs 的處理，以最常見的反應(yīng)器來分析，其具體的原理是，構(gòu)建一個(gè)反應(yīng)容器，其中最底層是生物膜層，設(shè)置了一定量的微生物群落，其上是以水為主的液體，是為液相，再至上則是氣體空間，是為氣相，含有一定的氧氣。VOCs 從氣相位置被液體吸附，并逐漸融入到液體中，然后再與生物膜接觸并被微生物所降解，對于特定的微生物來說，很多VOCs是一種能量和碳元素的來源。微生物將其降解后，就生成一定的水與二氧化碳，沒有任何毒性，排出到氣體環(huán)境中。在這個(gè)過程中，需要VOCs 從氣相環(huán)境里中通過氣液傳質(zhì)融入到液體環(huán)境中，然后再進(jìn)一步被生物膜吸附。

根據(jù)上述原理我們不難看出，采用生物技術(shù)對VOCs 進(jìn)行消除，其具體的效果，與VOCs 自身的各類物質(zhì)含量、濃度，與容器的結(jié)構(gòu)大小，與微生物的生物活性等有直接的關(guān)系。同時(shí)也與VOCs從氣相到生物膜的兩次傳質(zhì)情況有直接的關(guān)系。

1.2 控制要點(diǎn)。前文已述，在利用生物技術(shù)對VOCs 進(jìn)行處理時(shí)，需要經(jīng)過兩次傳質(zhì)過程，其一是污染氣體從氣相環(huán)境中到液相環(huán)境中，其二是被處理物從液相傳質(zhì)到生物膜。這里引入亨利常數(shù)的概念，亨利常數(shù)，是指一定溫度下溶于定量液體中的氣體量與溶液處于平衡的該氣體分壓的比值。可見在其他條件固定的情況下，不同的VOCs 成分的傳質(zhì)效果取決于其亨利常數(shù)。在實(shí)踐中，如果該常數(shù)低于0.1，則被視為親水物質(zhì)，包括丙酮、二氯乙烷、二甲基硫醚、乙酸乙酯、二甲基二硫醚等；而常數(shù)在0.1 與1 之間者，被稱為適度疏水性物質(zhì)，包括二氯甲烷、異丙苯、苯乙烯等；常數(shù)高于1 者，為疏水物質(zhì)，涵蓋了甲烷、乙烯、己烷等。對于亨利常數(shù)較低的VOC來說，他們可以以較短的時(shí)間內(nèi)被降解；而對于亨利常數(shù)較高的VOC，則需要更長的時(shí)間。具體來說，常數(shù)低于1 的VOC，在2min內(nèi)將得到70%以上的消除率，對于常數(shù)高于1 的VOC，即使將時(shí)間拉長到4min，也只能獲得不足40%的消除率。在這種情況下，就應(yīng)當(dāng)根據(jù)VOCs 的具體所含成分，調(diào)整其輸送的時(shí)間。

1.3 微生物的來源與培養(yǎng)。毫無疑問，不同的微生物所具備的針對VOCs 的降解能力是不同的，通常情況下，我們在實(shí)踐中會(huì)從如下途徑獲得微生物。（1）污水處理廠的活性污泥，這類污泥里有多種類型的微生物，且因?yàn)槲勰嘀杏泻芏郪OCs 成分，就使得其中含有能夠降解VOCs 的微生物類型。（2）堆肥材料。堆肥的作用就是利用微生物將不穩(wěn)定的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無機(jī)物的過程，因此其中同樣含有大量的微生物，用來作為VOCs 的降解原料同樣十分合適。（3）受有機(jī)物污染的土壤。在被有機(jī)物污染的土壤中，受到自然界的影響，會(huì)集聚很多將有機(jī)物作為原料進(jìn)行生存的微生物，由此將其收集起來，同樣有對VOCs 降解的效果。通過上述途徑獲得微生物，成本較低，而復(fù)雜的微生物類型也可以降解各類VOCs 的成分。

上述三種常見的收集微生物的途徑，雖然操作簡單、成本低廉，但針對指定的污染氣體，如果所提供的微生物群落，只留有能夠?qū)υ摎怏w降解的微生物種，顯然能夠提高處理效率，減少浪費(fèi)。另一方面，對于一些特定的污染物，在自然界中找出的微生物群落很難對其進(jìn)行降解，比如氯化物。因此需要采用一定的方式對微生物群落進(jìn)行定向培養(yǎng)和篩選。在實(shí)踐中，通常需要預(yù)先富集多樣化的微生物菌種，使得其活性更強(qiáng)，然后利用動(dòng)力學(xué)的技術(shù)控制其培養(yǎng)基的酸堿度、周邊氣體成分以及壓強(qiáng)，由此使得微生物的降解針對性和強(qiáng)度得到改善。

1.4 生物反應(yīng)器的構(gòu)型。前文已述，不同的微生物反應(yīng)器，會(huì)帶來不同的降解效果。現(xiàn)階段通常使用過濾、洗滌和滴濾的模式設(shè)置生物反應(yīng)器，其中過濾是前文所描述的方法，使得有害氣體通過含有微生物的液體，被微生物降解。典型的過濾裝置如圖1 所示。

圖1 典型的過濾裝置示意圖

洗滌則是將裝有微生物群落的反應(yīng)器通過噴淋的方式洗滌有害氣體，典型的洗滌裝置如圖2 所示。

圖2 典型的洗滌裝置示意圖

滴濾則介于兩者之間，使得微生物群落能夠固定，而液相則流動(dòng)洗滌有害氣體。典型的滴濾裝置如圖3 所示。

圖3 典型的滴濾裝置示意圖

2 生物滴濾裝置對VOCs 廢氣處理的實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。其中實(shí)驗(yàn)的裝置即如圖4 所示，在經(jīng)過預(yù)處理裝置后，把廢氣中的顆粒有效地去除，然后從下向上經(jīng)過填料層，與營養(yǎng)液噴灑下的微生物進(jìn)行接觸，創(chuàng)造降解的條件，最后經(jīng)過多次循環(huán)生成凈化后的氣體。實(shí)驗(yàn)中的VOCs 氣體來自于對某電子工廠中對電子廢品焚燒處理時(shí)所排放的廢氣，含有多種有害物質(zhì)，其中部分物質(zhì)的濃度如表1 所示。表中的TCB、MTCB、DCB、SCB、MTC、RB、CMB 分別指座機(jī)電路板、手機(jī)電路板、顯卡、聲卡、充電器、路由器、計(jì)算機(jī)主板。這些也是主要的電子廢品。

表1 不同電子廢品焚燒后廢氣組成及其濃度（mg/m3）

所選用的微生物菌群來自實(shí)驗(yàn)室長期訓(xùn)化的，面向甲苯、二甲苯和苯乙烯進(jìn)行降解的菌群。選擇好原始種群后，先在30℃、180rpm 搖瓶中停留1 天，隨后置入滴濾裝置中，開啟循環(huán)操作，流速控制在1.7m/s，使得其能夠和培養(yǎng)基獲得有效的相適應(yīng)。持續(xù)3天后可以通入廢氣開啟降解實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)開展。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所在地的天氣所限制，實(shí)驗(yàn)中的溫度和濕度都有所波動(dòng)，這會(huì)對微生物的代謝、生長產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而也會(huì)造成了其對VOCs 處理效果的影響。但整體上其溫度依然在30℃左右徘徊，濕度在60%上下活動(dòng)，處于微生物菌體的適宜生長范圍內(nèi)。

本實(shí)驗(yàn)所導(dǎo)入的VOCs 氣體的成分以及濃度即如表1 所示，廢氣在裝置中的停留時(shí)間約為10s，培養(yǎng)基流速1.8m/s，每天的工作時(shí)長為8h。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最終在運(yùn)行3 個(gè)月中其各個(gè)苯系不同成分的去除效果如圖4 所示。了76.51%，而其他的物質(zhì)的去除率都超過了90%。這已經(jīng)達(dá)到了我們預(yù)期的效果。

圖4 各苯系物的進(jìn)氣濃度對應(yīng)去除率的變化

3 結(jié)論

綜上所述，采用生物技術(shù)來處理VOCs 具有多方面的優(yōu)勢，但單一的采用該技術(shù)則很難將有害氣體完全、高效地消除，對此應(yīng)當(dāng)在掌握各類技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，通過反應(yīng)器創(chuàng)新、微生物的定向培養(yǎng)、與其他技術(shù)結(jié)合的方式進(jìn)行消除效果的優(yōu)化。通過模仿電子廢品焚燒處理所產(chǎn)生的廢氣的凈化實(shí)驗(yàn)，也印證了生物技術(shù)對VOCs處理的有效性。相信隨著各類技術(shù)的綜合和進(jìn)一步的創(chuàng)新，人們對VOCs 的凈化處理會(huì)越來越游刃有余。