生物法净化挥发性有机物反应器的研究进展

2016-01-08卢雨奇,张长平

化学与生物工程 2015年9期

关键词：挥发性有机物

生物法净化挥发性有机物反应器的研究进展

卢雨奇,张长平

(河北工业大学能源与环境工程学院,天津 300401)

摘要：综述了目前生物法净化挥发性有机物的3种典型反应器——生物洗涤器、生物过滤器以及生物滴滤器。对3种生物反应器的应用领域和优缺点进行了总结，指出了存在的问题，并展望了生物反应器未来的研究方向。

关键词：挥发性有机物(VOCs)；生物洗涤器；生物过滤器；生物滴滤器

基金项目：河北省科技计划项目(13213703)

收稿日期：2015-04-24

作者简介：卢雨奇(1991-)，女，天津人，硕士研究生，研究方向：微生物处理污染物，E-mail:494302565@qq.com；通讯作者：张长平，副教授，E-mail：469407048@qq.com。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.09.001

中图分类号：X 511文献标识码：A

挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)是一类常见的大气污染物，不仅严重危害人类身体健康，而且对动植物包括农作物的生长也带来不良影响。生物法通过微生物把VOCs降解为二氧化碳、水、无机盐和生物质，以降低其对环境的危害。生物法降解VOCs设备简单，温度、压力、湿度、含氧量、营养物质等条件容易控制；降解性能稳定，营养物质和填料等消耗物质容易获得；运行成本相对较低，其工作原理也决定了该方法的二次污染很小。生物净化技术所使用的主要生物反应器包括生物洗涤器、生物过滤器以及生物滴滤器。作者在此介绍了上述3种生物反应器的应用领域及优缺点，并指出了生物反应器未来的研究方向。

1生物洗涤器

生物洗涤器适合吸收负荷较高、可溶、低流量的VOCs，如乙醇、乙醚等，但不适用于难溶的VOCs。杨汉祥等[1]探索了生物洗涤器的净化效果，发现其在高浓度下净化效果较好，对污染物的处理效率可达52.7%～78.6%。刘玉红等[2]用生物洗涤器处理含苯酚的废气也取得了较好的效果。

2生物过滤器

传统生物过滤器对乙醇、乙醛、丙酮和一些结构简单的芳香族化合物的去除效果非常明显，而对具有复杂化学键的污染物的去除则非常困难。

孙玉梅等[3]采用生物过滤法去除废气中的乙酸乙酯，在pH值 6.5、室温条件下运行80 d，乙酸乙酯去除率达99%以上。刘永慧[4]分别研究了生物过滤法处理乙酸乙酯废气、甲苯废气以及乙酸乙酯和甲苯混合废气的效率，结果显示，该方法对乙酸乙酯的去除率超过90%，去除甲苯的最大负荷可达50 g·m-3·h-1。

曹阳等[5]将生物过滤技术与其它方法联合(如紫外-生物过滤技术)处理难溶难降解的VOCs，在传统的生物过滤器装置前端设置了紫外预处理段，解决了难降解VOCs水溶性差的问题，将其变为水溶性好、生化较高的有机物。经过滤池时能有效降低臭氧浓度和生物毒性，并且联合装置的抗冲击能力也得到增强。

3生物滴滤器

生物滴滤器与生物过滤器的最大区别是生物滴滤器顶部设有喷嘴，外加营养液从上方喷淋到填料表面，提供了氮、磷等微生物所需的营养元素。生物滴滤器性能的主要影响因素有底物、填料、微生物种类及运行工艺等。

3.1　底物

早期研究主要集中在以甲苯、苯乙烯等为代表的VOCs。如王丽萍等[6]开发了净化甲苯的高性能生物滴滤器。吴献花等[7]利用生物滴滤塔净化苯乙烯废气。

随着研究对象范围的不断扩大，除研究单种类的VOCs外，国外学者也开始重视对VOCs混合物的研究。我国虽然起步较晚，但也已经广泛开展了相关研究。马红等[8]利用生物滴滤器去除甲苯、乙苯、二甲苯混合气体。徐磊[9]通过细菌、真菌两段式生物滴滤器降解“三苯”(苯、甲苯和二甲苯)。王娟等[10]对低质量浓度甲苯、二甲苯混合废气微生物降解的研究发现，二甲苯净化率明显低于甲苯。

3.2　填料

填料在生物滴滤器的组成中扮演着重要角色，选用性能更好的填料可以减少实际操作中遇到的填料易堵塞、营养液与VOCs分布不均、填料更换难等问题。常用的生物填料包括陶瓷类填料、活性炭、沸石、矿渣等。

目前新型填料的研究与使用也非常广泛。王军等[11]对单一填料和组合填料的压降和吸附性能进行对比研究，发现组合填料的性能优于单一填料；组合填料的阻力小，液泛几率减少，对VOCs 的去除率高于98%。秦慧娟[12]对改性的泡沫陶瓷填料与陶粒填料进行对比研究，采用2个完全相同实验室规模的生物滴滤塔净化VOCs，结果表明，泡沫陶瓷填料塔的各项参数均优于陶粒填料塔。余关龙[13]采用整块网状聚氨酯海绵材料作为生物滴滤器的填料，处理以甲苯为代表的VOCs，表现出传质效率高并且动态挂膜快的特点，甲苯降解性能优越。王中[14]同样以整块开孔网状的聚氨酯海绵材料为载体的生物滴滤器处理苯乙烯。马红等[8]进行了以纤维附着活性炭和不锈钢丝网为填料的甲苯、乙苯、二甲苯混合气体的降解性能研究。结果表明，在高负荷运行时，虽然也会由于过剩的生物质积累而引起装置堵塞、压降增加的现象，但由于载体采用丝网结构，在较长时间内净化效果保持良好。苑宏英等[15]采用环境友好型焦炭填料进行研究，在进气浓度为50～114 mg·m-3时，去除率为30%～45%，VOCs去除率最高可达90%左右，废弃后的填料还可以作为燃料。

3.3　微生物种类

微生物驯化过程中，需要筛选出降解效果明显的优势菌。徐磊[9]对比研究了真菌和细菌降解苯的能力，研究发现，在苯浓度低于1 000 mg·cm-3时，真菌有明显的降解优势。王丽萍等[16]以甲苯作为唯一碳源对焦化废水活性污泥进行驯化，筛选出适宜的有高生化降解能力的微生物菌种，镜检结果表明，生物膜中的优势菌种是短杆菌。Reardon等[17]采用实验室分离的PseudomonasputidaF1菌种去除废气中的苯、甲苯和乙醇。王娟等[18]研究发现，高温条件下降解甲苯的优势菌种是球形菌。

3.4　运行工艺

影响生物滴滤器去除效果的工艺因素包括填料的比表面积、孔隙率、高度以及营养液的流量、营养液中氮和磷的含量、进气时气体流量、入口气体浓度等。

周敏等[19]对甲苯气体进行了研究，结果表明，随着进气甲苯浓度的增大，净化效率逐渐降低，而生化去除量随之增大；停留时间的延长有利于净化效率的提高。羌宁等[20]采用生物滴滤器处理憎水性VOCs时发现，适宜的温度有利于气体的传质和微生物酶活性的提高，在25～35 ℃，生物反应器运行良好，35 ℃是好氧微生物的最佳生长温度。关晓辉等[21]研究了滴滤塔填料高度对含苯废气降解效果的影响，结果发现，增加填料高度可以提高VOCs的去除率。Hassan等[22]通过生物滴滤器控制生物量，发现反冲洗、饥饿和停滞期3个过程中，停滞期效率最高。

4结语

生物洗涤器可以用于处理气量小、浓度大、易溶解、代谢速率较慢的VOCs，但安装成本较高，从经济角度考虑不是最佳选择。而且在运行过程中控制处理的VOCs流量不能过大，否则易出现堵塞现象。因此，生物洗涤器只能针对性地处理某类VOCs，具有局限性。

生物过滤器在处理有机废气和恶臭物质等方面具有广阔的应用前景。生物过滤处理技术虽然能够以较低的成本很好地处理中低浓度、易降解的 VOCs，但生物过滤器仍有其局限性。当入口 VOCs 负荷超过 50 g·m-3·h-1或为难降解 VOCs 时，去除效果较差。生物过滤器在处理多组分复杂 VOCs 混合废气，特别是高负荷或难生物降解的 VOCs 方面还有很大发展空间。

越来越多的学者投入到新型生物过滤器的研究中，如在传统生物过滤器的基础上发展研制出了转鼓生物过滤器、复合式转鼓生物过滤器等。

生物滴滤器相较于生物过滤器而言，以其独特的外加喷淋装置显示出其性能优越性：(1)反应条件易于控制，通过调节循环液的pH值、温度，就可以控制反应器的pH值和温度。因此，生物滴滤器在处理卤代烃、含硫、含氮等在微生物降解过程中会产生酸性代谢产物及产能较大的污染物时，较其它反应器更有优势；(2)喷淋液还可以避免高负荷造成堵塞和填料易干化的问题；(3)生物滴滤器由于填料具有刚性特质，可采用增加塔高的方法，在增大设备处理能力的同时不增加用地。

目前，生物滴滤器的研究方向主要集中在污染物性质、生物反应器运行工况的研究、生物填料的优化选择、动力学研究以及高效菌种的驯化和筛选。

参考文献：

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[3]孙玉梅,全燮,陈景文,等.生物过滤法去除废气中乙酸乙酯及填料性质研究[J].大连理工大学学报，2002,42(1):51-55.

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[5]曹阳,刘音,林培真,等.紫外-生物过滤法处理工业挥发性有机物的研究进展[J].化学与生物工程，2013,30(10):7-9.

[6]王丽萍,周敏,何士龙,等.高性能生物滴滤器净化甲苯气体的试验研究[J].环境工程，2004,22(3):73-75.

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[9]徐磊.细菌与真菌两段生物滴滤塔净化挥发性有机废气(VOCs)的试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2007.

[10]王娟,钟秦,郑曼曼,等.生物膜法净化甲苯二甲苯混合废气的研究[J].环境科学与技术，2006,29(6):91-92.

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Research Progress in Biological Treatment Reactor of Volatile Organic Compounds

LU Yu-qi，ZHANG Chang-ping

(SchoolofEnergyandEnvironmentalEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China)

Abstract：This review focuses on three typical reactor for biological treatment of volatile organic compounds(VOCs):bioscrubber，biofilter and biotrickling filter.The applications,advantages and disadvantages of three bioreactors were summarized,the existing problems were pointed out,and the future research directions of bioreactors were indicated.

Keywords：volatile organic compounds(VOCs);bioscrubber;biofilter;biotrickling filter