废气生物处理填料的特点与选择依据

李 琳，李慧丽，刘俊新

(1.中国科学院 生态环境研究中心，北京 100085;2.北京排水集团 清河再生水厂，北京 100085)

专论与综述

废气生物处理填料的特点与选择依据

李 琳1，李慧丽2，刘俊新1

(1.中国科学院 生态环境研究中心，北京 100085;2.北京排水集团 清河再生水厂，北京 100085)

介绍了去除挥发性有机污染物及恶臭物质的生物反应器中常用填料的种类和性质，比较了它们的特点和适用条件，阐述了实际应用中填料的含水率、pH和压力损失等的控制方法。

挥发性有机污染物;恶臭物质;生物反应器;填料;废气处理

对于大流量、低浓度的挥发性有机污染物及恶臭物质，生物处理方法具有投资少、运行费用低、不产生二次污染等特点。生物滤池、生物洗涤塔和生物滴滤池是3种主要的废气生物处理技术。早期的生物处理方法主要用于减少恶臭气味。近几十年，其应用范围已扩展到去除易被生物降解的挥发性有机污染物方面［1-4］。据报道，1987年日本城市污水厂治理恶臭物质的脱臭装置约有166座［5-6］。至2000年，超过7 500座废气生物处理系统和相关设施在欧洲建立，最大处理规模超过200 000 m3/h。其中，荷兰城市污水处理厂80%的臭味气体处理设施采用生物技术［7］。

处理挥发性有机污染物及恶臭物质的生物反应器中一般都装有一定厚度的填料作为微生物的载体，使微生物形成的生物膜能够附着在填料颗粒上，而且还能向微生物提供必须的营养。生物填料的材质、比表面积的大小、布气性能、强度和密度等因素直接影响废气的处理效率和生物反应器的运行可靠性。为了提高废气处理能力和设备运行稳定性，20世纪70年代以来，国内外学者在填料的选择和改进方面进行了大量的研究。

本文介绍了常用填料的种类和特性，阐述了在实际操作中选择理想填料应考虑的因素，并就生物填料的研究进展、存在问题和发展方向进行了探讨。

1 常用填料的种类和特点

填料的种类有很多，根据其组成可分为活性填料、惰性填料和混合填料。

1.1 活性填料

活性填料通常为天然有机填料，如堆肥［8-9］、泥煤块［4，10］、有浸透性的土壤［10］、树皮［11］、木片［9，11］、麦壳［12］等。其中土壤、麦壳等因粒径小、易腐烂、易板结、压力损失大等原因，目前很少使用。而堆肥、泥煤块、树皮、木片等因其良好的物理化学性能和低廉价格而沿用至今。

活性填料的吸附能力和持水能力强，良好的表面性质能够为微生物提供理想的生长环境。通常，活性填料自身带有大量的、多种多样的活性微生物，并且含有丰富的有机营养物质，用作填料时无需接种菌种，使反应器可以立即工作。填料内的有机物质还可以在生物反应器运行期间给微生物提供必需的碳源。活性填料通常用于生物滤池。

活性填料的缺点是易腐烂、易变形、机械性能差，长期使用会发生填料层压缩现象，引起压力损失升高、能耗增加。多数活性有机填料是疏水性物质，干燥后很难再润湿。当不能及时补充水分、养分时，填料层因干燥也会产生裂缝，影响气体在反应器内的均匀分布。一些活性有机填料的自身降解产物会改变填料的pH，使反应器的去除效果降低。与惰性填料相比，活性有机填料的使用期限短。

1.2 惰性填料

根据材料的来源，惰性填料包括珍珠岩［13-14］、火山岩［15-16］、煤粒［13］等天然材料，以及活性炭［17］、陶粒［18-22］、聚氨酯［23-26］、聚乙烯［27］、不锈钢环［28］等合成材料。

惰性填料具有耐化学腐蚀、机械强度高、长时间使用不分解、不变形、结构疏松不易堵塞反应器、气体压力损失低、使用时间长等优点。有些惰性填料如二氧化硅，其表面对蛋白质、氨基酸有亲和力，易于吸收和保存微生物所需的有机养分。用搀有黏结剂的剩余污泥制成的陶粒填料与装有混合肥的土壤、珍珠岩等填料相比，装有陶粒的生物滤池处理甲苯能力更高［18］。

但是惰性填料一般不带有活性微生物，用做填料时，需要预先在填料上接种菌种。此外惰性填料本身不含有营养物质，需要及时添加氮、磷、钾等营养物质以维持微生物的生长繁殖。添加方式主要有两种:一种是预先将氮、磷、钾按一定的比例(分别占干填料质量的0.4%，0.15%，0.15%)［29］与填料混合均匀，再装入反应器中;另一种是将营养物质配制成溶液，定期喷淋填料，可同时补充养分和水分。惰性填料主要用于生物滴滤池。

1.3 混合填料

由于活性填料和惰性填料各有优缺点，因此，20世纪90年代中期又发展了混合填料，即将小颗粒的活性材料如堆肥与珍珠岩［30］、火山岩［31］、活性炭［32］、聚合物［12，33］等惰性材料按一定比例混合。

混合填料兼具活性填料和惰性填料两方面的优点，一方面，由于填料中有惰性材料，提高了填料的机械性能，减少了反应器的压力损失，使用寿命长［31］;另一方面，由于活性填料带有大量多种活性微生物，无需接种菌种，并且填料内的有机物质可以使微生物快速生长繁殖。活性-惰性混合填料既可用于生物滤池又可用于生物滴滤池。但是，使用混合填料需分层装填，活性填料部分易腐烂，填料更换繁琐，微生物驯化期长，反应器启动慢，并且，混合填料的成本较高。

2 选择理想填料应考虑的因素

2.1 填料的表面性质

用于废气生物处理的填料应具有较大的比表面积，便于污染物与微生物接触;应具备一定的孔隙率，利于布气和减小阻力;应具有一定的结构强度和防腐蚀能力;应具有易于获得且使用寿命长等性质。

填料的表面性质可以用比表面积、粒径、孔隙率描述。将填料颗粒视为球形时，比表面积、粒径、孔隙率之间的关系见式(1)［29］。

式中:as为比表面积，m2/m3;a为颗粒的表面积，m2;V为颗粒的体积，m3;ε为孔隙率，%;dp为颗粒直径，m。由式(1)可见，大粒径、大孔隙率的颗粒比表面积小。常用填料的性质见表1。

研究发现填料的粒径和比表面积是影响反应器去除能力的主要因素。在相同条件下，反应器的最大去除能力随填料粒径增大而减小，随填料比表面积增大而提高。大量报道显示，活性填料中，堆肥和泥煤的比表面积通常为20～180m2/m3和40～85 m2/m3;在惰性填料中，因合成过程中易于控制粒径和孔径大小，合成材料往往具有较大的比表面积。

微生物在填料表面的附着、生长状况以及填料的持水能力与填料的表面结构、孔隙率、粒径密切相关。表面粗糙、多孔以及亲水的填料更适合微生物的附着和生长繁殖。表面光滑的填料，在喷淋时，其表面生长的微生物易被淋洗液带走。

填料的高孔隙率可以使反应器内的气流分布均匀，还可以给微生物的氧化降解提供充足的氧气。填料颗粒大小一般以既能提供合理的吸附表面，又具有满意的滞流性为宜。颗粒太大，总吸附表面小;颗粒过小，气流通过滤池时为克服阻力需要消耗过多能量。通常，填料的孔隙率为40% ～80%，颗粒直径为1～20 mm较适宜。

表1 常用填料的性质

2.2 填料的含水率及保湿方法

填料保持适宜的湿度有利于维持微生物的活性，保证了生物反应器的正常运行。有些填料是疏水性的如泥炭、堆肥等，相对于亲水性的材料聚氨酯、聚乙烯等，疏水性材料一旦发生干燥，再次润湿比较困难。有些堆肥开始运行时是亲水性的，一旦干燥后就变成疏水性的［5］。通常活性有机填料须维持较高的含水率，堆肥为40% ～70%、泥炭为60%～90%、木片为70%;惰性填料的含水率可以略低，火山岩、活性炭为30% ～40%，合成材料为40%～50%，聚氨酯为65%;活性-惰性混合填料的含水率控制在前两者之间，如堆肥-惰性混合填料为40%～65%。

保持填料湿度的方法包括预湿气体和定期喷淋填料两种。在生物反应器内流动的气体会带走填料上的水分，反应器出口气体的相对湿度与填料的含水率密切相关，一般，进出口气体相对湿度减少1%，则填料的含水率减少10%。与测定填料的含水率相比，气体相对湿度的监测较为容易，因此，通常用生物反应器进出口气体的相对湿度反映填料的含水率。当反应器进口处气体的相对湿度为98.5%、出口处的相对湿度为99.5%时，水分被气体带走，反应器正逐渐减少水分;当反应器内的水分减少速度低于50 g/(m3·h)时，可手动补加水分;在50～180 g/(m3·h)时，反应器应安装喷淋设备，定期补充水;180～400 g/(m3·h)时，应设自动监控系统，反应器含水率低时能够自动及时补加水;大于400 g/(m3·h)时，填料的保水性很差，应慎重选择［29］。

2.3 压力损失

气体流过反应器内的填料时，因各种阻力造成的压力降为压力损失。压力损失的大小与填料的性质有关，小颗粒或小孔隙率的填料压力损失大，小颗粒的填料引起的压力损失可能是大颗粒的10倍。常用填料的适宜温度、pH、湿度以及压力损失见表2。

表2 常用填料的适宜温度、pH、湿度以及压力损失

Devinny等［29］认为:堆肥的粒径小于1 mm时，压力损失严重;粒径大于4 mm时，才能够减少反应器的压力损失。大粒径的填料不仅减少因压实引起的压力损失，还有利于气体通过反应器，提高供氧率。

高比表面积的填料有利于微生物的附着和生长繁殖。微生物的过度生长繁殖也会堵塞填料，增加压力损失。Groenestijn等［15］用真菌生物滤池净化甲苯废气时，对两种惰性填料火山岩和珍珠岩进行了比较，结果表明:填料为火山岩的反应器其气体压力损失远大于珍珠岩为填料的反应器，这是由于火山岩更适于真菌生成菌丝，过度生长的菌丝塞满孔隙，增大了填料层的阻力。

压力损失还与填料的机械性能相关。机械性能差的填料，压力损失大。与黏土粒、堆肥等活性填料相比，惰性填料如珍珠岩、海绵块引起的压力损失小。将小颗粒的堆肥材料与泥煤、木片、活性炭、聚合物等压力损失小的材料按一定比例混合，使用混合填料代替单一活性填料，可有效地降低填料层的压力损失。

引起压力损失的另一个原因是填料中的水分。填料保持适宜的湿度有利于维持微生物的活性，保证生物反应器的正常运行，但湿度过大会大幅度提高反应器的压力损失，增加能耗。

2.4 生物反应器内的温度和pH

温度是微生物的重要生存因子。在适宜的温度范围内，微生物的代谢速率和生长速率均可相应提高。一般地，生物反应器的温度高，则去除能力也高。但是，温度过高会减少填料的含水率，引起填料干燥等问题。通常，大多数填料的适宜温度为常温。在一些特殊条件下，则惰性材料具有活性填料无法比拟的优点。在处理有机合成过程中排出的废气时，由于废气排出口的温度往往高达60～90℃，混合肥料、泥煤等材料不适于在高温(高于40℃)下使用，此时使用耐高温的陶粒填料和嗜热微生物可在60～71℃条件下运行，无需增加降温设备，减少了投资和运行费用［19］。

微生物的生命活动、物质代谢与pH密切相关。大多数细菌的最适pH为6.5～7.5。大多数的活性填料为中性材料，使用时无需调节pH。有些活性填料如木片，pH通常为3～4，并且自身缓冲能力弱，反应器运行前需要先在填料中加入碱、石灰、贝壳粉等作为pH调节剂。一些活性填料的自身降解产物会改变填料的pH，使反应器的去除效果降低。惰性填料因本身无营养物质需额外补加营养液，通过添加营养液，在补充养分和水分的同时还可以调节填料的pH，创造适宜微生物生长的微环境。

2.5 填料的机械性能及填充方式

填料层的结构应稳固结实，底层的填料应能够承受重力，中间的填料可以较重，软的填料应填充在上部。填料的填充密度与填料自身的机械性能有关。在生物反应器运行期间，良好的机械性能可以使填料不发生分解、压缩、堵塞、收缩等现象。机械性能低的填料如堆肥、聚氨酯泡沫，填充过高或填充密度过大时，底层填料容易被压实，导致布气不均匀、压力损失增高等问题。通常，填充高度为1.0～1.5 m，填充密度为300～500 kg/m3(堆肥)、20～40 kg/m3(聚氨酯泡沫)。活性炭、火山岩、分子筛、陶粒等材料因机械强度高，填充高度可以达到5 m，填充密度大于600 kg/m3。体积相同时，增加填料的填充高度能够有效减少反应器的占地面积。质轻的填料如珍珠岩、聚氨酯则更适于多层填充的生物反应器。

2.6 填料的投资控制及使用期限

填料应容易获得，价格较为便宜，尽量减少其在投资运行费用中所占的比例。相对而言，天然材料最便宜，一般只需支付运费;堆肥或堆肥-惰性填料约为50～500元/m3;合成材料最贵［41］。就近取材是降低填料成本的有效途径之一。欧洲森林资源丰富，填料多采用木材加工的副产品——木片和树皮;有些沿海国家则采用贝壳作填料。理想的填料应当能够正常使用2至4年。合成材料的使用期最长，至少10年。在实际应用中，应根据各种填料的优缺点、适用条件以及实际需要做出选择。

3 填料的改进与发展趋势

填料的改进是废气生物处理的核心技术之一，对填料进行适当的亲水与生物亲和改性，能够大大提高填料的传质性能、挂膜性能和废气处理效果。经过改进的大孔径的发泡聚氨酯作为填料处理挥发性有机污染物和恶臭物质，处理效果普遍比活性填料好，得到更多的实际应用［7］。北京某污水处理厂，生物除臭池内原有的填料是按一定比例混合的木片和树皮，使用2年后部分木片和树皮腐烂，填料层发生板结和塌陷，导致除臭池内的压力损失升高，能耗增大。腐烂的填料散发出臭味，加重了污染。将除臭池内的填料全部更换为聚氨酯泡沫后，新填料孔隙率大，透气性好，压力损失小;保水性强，减少喷淋水的用量;并且不易腐烂，没有异味［44］。

荷兰是最早采用生物方法处理挥发性有机物和恶臭物质的国家之一，至2000年，荷兰使用最多的4种填料是火山岩(占38%)、椰壳纤维(31%)、堆肥(30%)以及合成材料(1%)［7］。由于在实际使用过程中出现很多问题，堆肥材料正逐步被火山岩或合成材料所代替。美国、加拿大、印度、中国等国家在处理挥发性有机物和恶臭物质的研究和实际应用中，也越来越多地使用合成材料作为生物反应器的填料［24-26，44-45］。

4 结语

近几年，废气生物处理填料的开发与研究侧重于改进合成材料的比表面积、结构以及填料的布气性能和机械性能。陶粒、聚氨酯、聚乙烯等合成材料的机械性能往往优于天然材料，通过改变和控制生产工艺，可以控制填料的形状、孔径、粒径、孔隙率等，得到的填料更具保水性，其孔径和孔隙率也更适合微生物附着生长，更有利于与污染物的充分接触，提高处理效果。合成材料重量轻、颗粒小且均一，比较容易形成自动化的大规模生产，与装有其他填料的生物反应器相比，采用这种填料的生物滤池能够长期稳定的运行，并且不易发生堵塞。可以预计，在不久的将来，合成材料定能在废气生物处理中得到更广泛的应用。

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Characteristics and Selection Basis of Packing for Waste Gas Bio-treatment

Li Lin1，Li Huili2，Liu Junxin1

(1.Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China; 2.Qinghe Water Reclamation Plant，Beijing Drainage Group Co.Ltd.，Beijing 100085，China)

The types and properties of common packings in bioreactor for removal of volatile organic compounds and malodorousmatters are introduced.Their characteristics and application conditions are compared with each other.Themethods for control of packing water content，pH and pressure loss in practical application are expounded.

volatile organic compound;malodorous matter;bioreactor;packing;waste gas treatment

X5

A

1006-1878(2011)06-0490-07

2011-06-16;

2011-07-13。

李琳(1966—)，女，广东省大埔县人，博士，副研究员，主要从事挥发性有机物及恶臭物质生物处理技术与设备研究。电话010-62923543，电邮leel@rcees.ac.cn。

国家自然科学基金资助项目(50978249)。

(编辑 张艳霞)