生物法凈化在工業(yè)廢氣處理中應(yīng)用及前景分析

周克成，饒利軍，梁 敏

（大冶特殊鋼有限公司，湖北 黃石 435000）

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展背景下，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模隨之?dāng)U大，從而帶來(lái)了嚴(yán)重的工業(yè)廢氣污染，威脅著人體健康和自然環(huán)境，而在新時(shí)期可持續(xù)發(fā)展理念下，廢氣處理凈化成為當(dāng)前的重要任務(wù)。生物法凈化誕生后得到了社會(huì)的認(rèn)可，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢氣處理中，該方法已經(jīng)成為全世界范圍內(nèi)廢氣凈化的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，與化學(xué)及物理處理廢氣法相比，生物法凈化的操作維護(hù)更簡(jiǎn)便，且投資少，不會(huì)形成二次污染。

1 工業(yè)廢氣主要危害分析

在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展背景下，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模相繼擴(kuò)大，產(chǎn)生了大量的工業(yè)廢氣，廢氣內(nèi)的各種有害物質(zhì)也隨之被排放至大氣當(dāng)中，從而對(duì)自然生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，并嚴(yán)重威脅著人體健康。在各種廢氣物中，有機(jī)廢棄物會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生較大傷害。

不同類(lèi)型工業(yè)廢氣中所含的有毒物質(zhì)也各不相同，廢氣對(duì)人體的威脅和傷害主要體現(xiàn)在以下方面：第一，工業(yè)廢氣中含有的苯類(lèi)有機(jī)物容易導(dǎo)致人體中樞神經(jīng)出現(xiàn)運(yùn)行障礙，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)致死性急性中毒的問(wèn)題。第二，工業(yè)廢氣中所含的各種有機(jī)磷化合物會(huì)影響人體血液狀態(tài)和細(xì)胞整體活性狀態(tài)，從而導(dǎo)致人體神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)各種功能性障礙。第三，工業(yè)廢氣中含有的烴類(lèi)有機(jī)物會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)意識(shí)喪失、呼吸困難、窒息等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使人直接死亡。這些危害只是眾多有毒氣體危害中的一種，隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，排放的有毒氣體相繼增加，對(duì)人體造成了嚴(yán)重威脅，由此能夠看出工業(yè)廢氣凈化處理的價(jià)值和意義。

2 生物法凈化處理工業(yè)廢氣的原理

生物法凈化屬于某種氧化分解過(guò)程。填料中的各種活性微生物以及廢氣內(nèi)部的有機(jī)組成元素屬于主要養(yǎng)分、能源，能夠進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單細(xì)胞組成的組織和無(wú)機(jī)物質(zhì)。按照生物膜相關(guān)理論分析，生物法凈化在處理廢氣時(shí)主要分為以下環(huán)節(jié)：首先是廢氣內(nèi)部的污染物與水接觸后直接在水中溶解，通過(guò)氣相進(jìn)入液膜。第二是廢氣中的污染物在液膜中的溶解濃度基于濃度差影響進(jìn)一步蔓延擴(kuò)展到生物膜內(nèi)，隨后被內(nèi)部微生物吸收捕獲。污染物融入微生物體內(nèi)，在整體代謝中充當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并與能源一起被進(jìn)一步分解，形成部分代謝物后重新返回液相，而另一部分氣態(tài)物質(zhì)從生物膜中脫離，擴(kuò)展蔓延到大氣環(huán)境中。簡(jiǎn)而言之，生物法在廢氣處理方面分成傳質(zhì)和降解兩個(gè)環(huán)節(jié)，使廢氣內(nèi)的污染物含量持續(xù)降低，從而達(dá)到凈化的目的。比如甲苯屬于微生物碳源，因?yàn)闅庖合嚅g的水溶性作用和有機(jī)物濃度梯度，使有機(jī)物從廢氣內(nèi)轉(zhuǎn)移到填料表層液膜內(nèi)，由微生物所吸收。當(dāng)處于恰當(dāng)條件時(shí)，微生物能夠分解利用甲苯，其中一部分充當(dāng)細(xì)胞物質(zhì)，一部分直接融入液相內(nèi)，使部分二氧化碳被析出并融入大氣環(huán)境。

3 生物法凈化處理工業(yè)廢氣的主要影響要素

盡管應(yīng)用生物法處理污染環(huán)境且沒(méi)有回收利用價(jià)值的中低濃度廢氣，具有較高的降解效率，且投資少、無(wú)二次污染，但營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、微生物、填料以及壓降等元素都會(huì)影響生物法凈化的處理效果。

3.1 填料

填料作為影響整個(gè)廢氣凈化處理成效的主要元素，其中部分填料需要為生物法凈化所用微生物提供基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)其新陳代謝。在選擇各種填料時(shí)，應(yīng)該綜合考慮緩沖能力、持水性、pH值、孔隙率、密度以及比表面積等因素。其中成本是影響填料應(yīng)用效果的主要元素，在滿(mǎn)足各種基礎(chǔ)條件后，材料成本越低越好。主要應(yīng)用的填料包括混合廢木料、珍珠巖、膠原海藻酸鈣、堆肥等混合物，同時(shí)還包括顆?；钚蕴?、泥炭、多孔陶瓷等材料。當(dāng)前形成的擁有更好緩沖性能、最佳pH值以及更高機(jī)械強(qiáng)度的合成填料，內(nèi)含充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，已經(jīng)成為新時(shí)期的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。合成填料的研發(fā)進(jìn)一步擴(kuò)展了填料研究范圍，有效改善了填料長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行所形成的變形和板結(jié)等問(wèn)題，同時(shí)因?yàn)楹铣商盍蠈?shí)際研制、應(yīng)用的時(shí)間相對(duì)較短，導(dǎo)致其目前所應(yīng)用的領(lǐng)域較少，為此需要對(duì)合成填料的實(shí)際應(yīng)用展開(kāi)系統(tǒng)研究。

3.2 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)成分能夠幫助微生物進(jìn)一步縮減馴化掛膜所需的時(shí)間，同時(shí)也能夠促進(jìn)微生物快速恢復(fù)整體活性，提升污染物綜合凈化效率。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是微生物進(jìn)行新陳代謝的基礎(chǔ)，涵蓋各種生長(zhǎng)因子、無(wú)機(jī)鹽、氮源、碳源和水等元素。而水作為整個(gè)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中的重要組成內(nèi)容，在整個(gè)代謝活動(dòng)中具有較大作用。微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中擁有較大的碳源需求，其中存在的各種物質(zhì)都可以充當(dāng)碳源。如果微生物對(duì)相關(guān)氮的進(jìn)一步需求超出了填料整體的供氮量，則相關(guān)操作條件會(huì)受氮的影響和限制，從而削弱了整體的去除效果。為有效改善氮的限制，應(yīng)該保證外部氮源的有效供應(yīng)，進(jìn)一步提升對(duì)污染物的整體去除率。

3.3 微生物

微生物屬于生物法凈化在工業(yè)廢氣處理過(guò)程中的核心，也是廢氣處理的承擔(dān)者，其中存在的大量微生物都具備污染物降解功能，能夠有效分解各種微生物，具體包括放線(xiàn)菌、真菌以及細(xì)菌等。在工業(yè)廢氣內(nèi)部污染物降解處理中，可以把微生物作為催化劑，在將惰性填料投入其中后，需要實(shí)施馴化掛膜。應(yīng)用微生物法進(jìn)行凈化處理時(shí)，需要結(jié)合污染物相關(guān)組分進(jìn)行合理選擇，對(duì)于單組分的污染物可以加入單一對(duì)應(yīng)的微生物。而多組分污染物可以直接應(yīng)用微生物群。相關(guān)生物過(guò)濾處理技術(shù)普遍是以對(duì)細(xì)菌的研究為主。在近幾年發(fā)展中，真菌開(kāi)始進(jìn)入研究學(xué)者的視角，部分研究學(xué)者將黑曲霉接種到生物反應(yīng)器內(nèi)，能夠有效去除廢氣中的己烷，該種絲狀真菌整體比表面積相對(duì)較大，通過(guò)填料表層能夠進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)氣生菌絲以及孢子的繁衍成長(zhǎng)。在兩個(gè)月試驗(yàn)期內(nèi)，系統(tǒng)擁有良好的穩(wěn)定性和操作的高效性。此外，相關(guān)研究證明，因?yàn)闊o(wú)法合理構(gòu)建穩(wěn)態(tài)模型，真菌在生物反應(yīng)器內(nèi)生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)系數(shù)會(huì)出現(xiàn)一定變化。

當(dāng)前，大部分研究學(xué)者開(kāi)始對(duì)純種微生物進(jìn)行研究，判斷純種微生物對(duì)污染物的降解能力。高效純種微生物能夠?qū)U氣中的污染物進(jìn)行有效降解，但對(duì)環(huán)境因素變化十分敏感，需要保持良好的環(huán)境條件。相關(guān)研究證明，菌種選擇并非純度越高越好，因此可以選擇活性污泥充當(dāng)混合菌種，進(jìn)一步提升其在外部環(huán)境中的適應(yīng)能力。但因?yàn)橥瑫r(shí)混合多種類(lèi)型的菌種，導(dǎo)致各個(gè)菌種之間形成某種競(jìng)爭(zhēng)和抑制關(guān)系，降低了反應(yīng)器的綜合性能。選擇優(yōu)勢(shì)菌種，可以對(duì)微生物進(jìn)行有效馴化，順利得到高效降解微生物，更好地適合各種環(huán)境條件。優(yōu)化反應(yīng)器的綜合性能，已經(jīng)逐漸成為新時(shí)期生物法處理廢氣領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

3.4 壓降

床層壓降屬于重要工藝參數(shù)，涉及操作成本。生物滴濾塔內(nèi)的壓降與填料及微生物膜密切相關(guān)，盡管有機(jī)填料能夠?yàn)榻到夤I(yè)廢氣污染物相關(guān)的微生物提供有效的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但在填料礦化中容易壓緊填料，擴(kuò)大壓降。當(dāng)前，無(wú)機(jī)惰性填料逐漸代替了有機(jī)惰性填料，能夠提升氣體分布的均衡性，優(yōu)化生物接觸性，但需要合理補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)。壓降過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致床層構(gòu)成溝流，使氣體和填料表層微生物膜之間接觸不良，從而降低污染物的整體去除效果。微生物膜中孔隙率縮減以及水分過(guò)多都會(huì)導(dǎo)致生物積累，擴(kuò)大壓降。

4 生物法凈化處理工業(yè)廢氣的工藝技術(shù)

當(dāng)前常用的生物法凈化廢氣處理工藝主要包括生物濾池、生物洗滌、生物滴濾等處理工藝。其中生物濾池在除臭方面具有突出優(yōu)勢(shì)，有機(jī)廢氣處理范圍較小，生物滴濾法對(duì)于有機(jī)廢氣處理的覆蓋范圍更廣，同時(shí)有機(jī)物降解能力較強(qiáng)。不同處理工藝優(yōu)勢(shì)各不相同，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用存在較大差異。

4.1 生物濾池處理工藝

生物濾池屬于一種最早研究的生物法凈化廢氣處理工藝，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，相關(guān)工藝設(shè)備逐漸發(fā)展成熟。生物濾池主要由封閉容器以及敞開(kāi)式容器中的各層多孔填料床構(gòu)成，通常涵蓋天然有機(jī)填料，如樹(shù)皮、木片、骨殼、泥煤、土壤和推肥等，還可以通過(guò)多種填料按照恰當(dāng)比例進(jìn)行混合配置。填料通常擁有較高透氣性、良好的持水性以及適當(dāng)?shù)耐ㄋ?，?nèi)含污染物的廢氣先通過(guò)過(guò)濾器，將大型顆粒物全面去除后，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)溫調(diào)濕處理，隨后廢氣進(jìn)入濾池底部，經(jīng)過(guò)微生物填料時(shí)附著于表層，發(fā)揮出微生物的降解功能，并可對(duì)處理后的污染物進(jìn)行重復(fù)利用。在生物濾池內(nèi)，液相處于一種靜止或按照較小速度流動(dòng)的狀態(tài)，實(shí)際運(yùn)行中可以按照工藝需求進(jìn)行合理補(bǔ)水，以保障氣體能夠連續(xù)通過(guò)。

生物濾池處理技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是所需設(shè)備數(shù)量較少，操作便捷、運(yùn)行投資成本低廉，適用于低濃度、大流量廢氣污染物的處理。在整體運(yùn)行中無(wú)需增加其他營(yíng)養(yǎng)物，但因?yàn)闉V池占地面積較大，微生物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的新陳代謝后會(huì)進(jìn)一步加速填料的礦化分解，再加上各種基質(zhì)的不斷積累，進(jìn)一步降低了傳質(zhì)效果，通常需要在幾年后才能對(duì)填料進(jìn)行更好地處理。除此之外，整個(gè)操作過(guò)程控制難度較大，在調(diào)節(jié)pH值時(shí)，需要在添加濾料環(huán)節(jié)通過(guò)投入適量的固體緩沖劑進(jìn)行控制，而且在用完所有的緩沖劑后，需要即刻補(bǔ)充。

4.2 生物洗滌工藝

生物洗滌塔相關(guān)處理系統(tǒng)主要以活動(dòng)污泥為目標(biāo)，由再生池和洗滌塔等構(gòu)成，無(wú)需其他填料，所以和生物滴濾塔以及生物濾池完全不同。在洗滌塔內(nèi)，廢氣順著底層流入，通過(guò)循環(huán)液噴淋以及鼓泡之間融入液相內(nèi)，再隨懸浮液進(jìn)入再生池，將空氣通入其中并進(jìn)行充氧再生，再生池內(nèi)各種污染物質(zhì)經(jīng)過(guò)池內(nèi)微生物進(jìn)行氧化降解，再生池內(nèi)的流出液被持續(xù)循環(huán)利用。而活性污泥懸浮液屬于一種常用性的生物懸浮液，因?yàn)樵偕臀諘r(shí)間存在差異，通常再生和吸收屬于兩種相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程。生物洗滌塔的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是壓降低、反應(yīng)處理?xiàng)l件方便控制，不會(huì)輕易產(chǎn)生填料堵塞問(wèn)題，但所用設(shè)備較多，需要額外添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以成本較高。為促進(jìn)再生池實(shí)現(xiàn)有序降解，需要應(yīng)用相應(yīng)曝氣設(shè)備，同時(shí)要合理控制pH值以及溫度等因素，以保證微生物擁有良好的應(yīng)用條件。生物洗滌塔能夠同時(shí)對(duì)內(nèi)含的顆粒廢氣進(jìn)行有效處理，而隨著顆粒的大量沉淀將影響整體性能。在處理污染物過(guò)程中，該方法對(duì)具有良好溶解性的污染物具有較高的凈化率。生物洗滌可以對(duì)濃度高、氣量小的污染物質(zhì)進(jìn)行有效處理，整個(gè)操作過(guò)程適合建模，具有良好的穩(wěn)定性和可操作性[1]。

4.3 生物滴濾工藝

生物滴濾塔內(nèi)的填料為微生物的繁衍成長(zhǎng)提供了基礎(chǔ)載體，其擁有較大的孔隙率和比表面積，且擁有良好的持水性。復(fù)合改性填料、聚氨酯泡沫、生物陶粒等惰性填料屬于新時(shí)期的常用填料。廢氣內(nèi)部的污染物順著滴濾床底層進(jìn)入，并順著塔頂噴淋無(wú)機(jī)鹽營(yíng)養(yǎng)液，再順著填料上層的生物膜進(jìn)行滴流，使無(wú)機(jī)污染物在水中溶劑溶解后通過(guò)生物膜方式在填料表層附著，并吸收填料中的微生物。當(dāng)有機(jī)污染物進(jìn)入微生物細(xì)胞后，能夠在微生物體內(nèi)進(jìn)行快速代謝，作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能源物質(zhì)進(jìn)行全面分解和利用，并順著塔底將多余營(yíng)養(yǎng)液順利排出，實(shí)現(xiàn)循環(huán)噴淋。持續(xù)流動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)液能夠順利去除過(guò)厚代謝物和生物膜，避免多余填料出現(xiàn)堵塞[2]。

生物滴濾塔在實(shí)際應(yīng)用中的主要優(yōu)勢(shì)是能夠有效控制反應(yīng)條件，在合理調(diào)節(jié)噴淋液的對(duì)應(yīng)溫度和pH值的基礎(chǔ)上，有效控制反應(yīng)器的對(duì)應(yīng)溫度和pH值，促進(jìn)微生物維持良好的活性狀態(tài)。該方法整體運(yùn)行成本較低，操作簡(jiǎn)便，并擁有較高的凈化效率。生物滴濾塔內(nèi)設(shè)置的反應(yīng)器，可以承受較高的污染負(fù)荷，同時(shí)存在相應(yīng)的緩沖能力。對(duì)應(yīng)代謝產(chǎn)物在生物滴濾塔中會(huì)跟隨循環(huán)液流動(dòng)，并快速排出。此外，生物滴濾塔整體壓降較低，所以生物滴濾法和生物過(guò)濾技術(shù)相比擁有更高的處理效率。生物滴濾法不但能夠?qū)OCs進(jìn)行有效的凈化處理，同時(shí)還能夠順利去除非VOCs，如氨、硫化氫以及甲硫醇等惡臭氣體。

4.4 生物吸收工藝

生物吸收法主要是利用微生物對(duì)各種污染物質(zhì)進(jìn)行氧化分解和吸收的過(guò)程，在實(shí)際處理工業(yè)廢氣時(shí)，各種污染物順著反應(yīng)器下方流入，進(jìn)入反應(yīng)器后，相關(guān)有機(jī)氣體會(huì)與填料液相直接接觸，從最初的氣態(tài)形式轉(zhuǎn)化成液態(tài)，隨后反應(yīng)器內(nèi)的微生物能夠?qū)Ω鞣N污染物質(zhì)進(jìn)行全面分解吸收。相關(guān)處理工藝離不開(kāi)各種先進(jìn)設(shè)備和先進(jìn)技術(shù)的有效支持，且需要針對(duì)微生物額外添加各種養(yǎng)料，因而導(dǎo)致整體投入成本較高，但該種工藝的反應(yīng)條件與其他工藝想比更便于控制[3]。

4.5 電暈法

在科技持續(xù)發(fā)展和時(shí)代進(jìn)步的背景下，在廢氣處理過(guò)程中，開(kāi)始全面推廣應(yīng)用電暈法，該方法主要涉及電暈法反應(yīng)器。在處理工業(yè)廢氣的過(guò)程中，合理應(yīng)用電暈法能夠促使揮發(fā)性有機(jī)氣體有效脫硫和脫氮。在高壓作用下，借助高壓脈沖放電，形成氧和氫氧等活性基，使相關(guān)物質(zhì)能夠進(jìn)一步分解揮發(fā)性有機(jī)氣體，并將其轉(zhuǎn)化為無(wú)毒無(wú)害物質(zhì)。由于該處理技術(shù)目前還處于起步階段，尚未完全發(fā)展成熟，所以還只停留在試驗(yàn)階段，但通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物具有非常好的處理效果[4]。

5 生物法凈化在工業(yè)廢氣處理中的應(yīng)用前景

在相關(guān)研究持續(xù)深入發(fā)展的背景下，進(jìn)一步擴(kuò)大填料研究的范圍，合成填料的融入能夠進(jìn)一步提升填料的支撐性、孔隙率和綜合硬度。甘蔗渣、活性炭顆粒、聚氨酯泡沫以及珍珠巖顆粒等物質(zhì)都具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＴO(shè)計(jì)出擁有較快反應(yīng)凈化速度、良好抗沖擊能力、較高微生物容量、氣體停滯時(shí)間短的滴濾裝置逐漸成為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，因而生物滴濾塔與生物洗滌塔及生物濾池相比擁有更好的發(fā)展前景。

盡管生物法凈化的操作過(guò)程較為環(huán)保、處理過(guò)程簡(jiǎn)單，但依然需要改進(jìn)和完善，尤其是傳統(tǒng)模式下的生物過(guò)濾裝置，在相關(guān)設(shè)計(jì)尺寸持續(xù)擴(kuò)大的情況下，自身去除能力就會(huì)進(jìn)一步下降。反應(yīng)器內(nèi)微生物具有較長(zhǎng)的適應(yīng)期，這也是需要重點(diǎn)解決的內(nèi)容之一，尤其是在VOCs處理方面，單一的生物反應(yīng)器無(wú)法有效去除惡臭氣體及VOCs，因此需要加強(qiáng)對(duì)創(chuàng)新型生物聯(lián)合反應(yīng)裝置的研究設(shè)計(jì)。同時(shí)也要深入研究降解菌，進(jìn)一步促進(jìn)多樣污染物的順利降解[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，工業(yè)廢氣排放的影響也在不斷增加，為此相關(guān)研究領(lǐng)域需進(jìn)一步加大對(duì)廢氣處理技術(shù)的研究力度。生物法凈化的誕生為工業(yè)廢氣的處理提供了全新的思路，為此需要加強(qiáng)生物法凈化相關(guān)處理技術(shù)的研究，提高生物法凈化的實(shí)用性，為后期工業(yè)廢氣處理奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。此外，生物法凈化具有管理簡(jiǎn)單、運(yùn)行投資成本低等優(yōu)勢(shì)，能夠支持工業(yè)領(lǐng)域不斷向現(xiàn)代化方向發(fā)展。