生物法处理有机废气的研究进展

涂燕红，郝双龙，齐水冰，李惠萌

(1 广东环境保护工程职业学院，广东 佛山 528216；2 华润水泥控股有限公司，广东 深圳 518057)



生物法处理有机废气的研究进展

涂燕红1，郝双龙2，齐水冰1，李惠萌1

(1 广东环境保护工程职业学院，广东 佛山 528216；2 华润水泥控股有限公司，广东 深圳 518057)

随着经济的飞速发展，大量挥发性有机废气(VOCs)的排放严重污染了人类的生存环境。生物法处理VOCs具有易操作、维护方便、净化效率高、运行费用低、安全性高、无二次污染等优点而备受世界各国的广泛关注。本文综述了生物法处理VOCs的基本原理、常见处理工艺及特点，并对去除效率的影响因素进行了分析，结合生物法处理VOCs的研究现状对发展前景进行了展望。

挥发性有机废气；生物法；去除效率

挥发性有机废气(Volatile Organic Compounds，VOCs)是指在常温下饱和蒸气压大于70.91 Pa，常压下沸点在50～260 ℃之间的具有刺激性气味的有机化合物。大气中VOCs的主要来源可以分为移动源和固定源[1]。移动源是指以石油产品为燃料的交通运输工具排放的废气；固定源主要来自于各种使用有机溶剂的场合[2-3]。固定源所排放的有机废气是VOCs污染的主要来源，在VOCs治理方面已引起高度重视。

生物法对无回收价值的中、低浓度VOCs具有良好的处理效果[1]。国内外许多学者均对生物法的广泛应用进行了研究，使该技术在VOCs控制和臭气净化方面都取得了良好的效果，从而使气相生物法的应用得到快速增长[4]。本文综述了生物法处理VOCs的基本原理、常见处理工艺及特点，并对去除效率的影响因素进行了分析，结合生物法处理VOCs的研究现状对发展前景进行了展望。

1 生物法处理有机废气的原理

生物法处理有机废气的实质是微生物利用有机废气作为碳源和能源，维持其生命活动，最终将其分解为CO2、H2O和生物质等小分子有机物[3]。此过程涉及有机废气在气相、液相和生物膜相之间的吸收、吸咐、传质及生物降解等一系列复杂过程[5]。其原理如图1所示。

图1 生物法处理原理示意图

生物法降解过程一般包含以下几个步骤[5-6]：

(1)有机废气由气相转移到液相的传质过程；

(2)通过对流和扩散，有机废气从气相传递到生物膜中，或透过液膜表面再传递到生物膜中；

(3)有机废气被吸附在滤床介质上、或被吸附在生物膜上、或与水中的其它有机化合物反应合成新的物质；

(4)有机废气被微生物分解、转化或合成新的生物膜、产生新陈代谢副产物及CO2和H2O等小分子物质。

2 常见生物处理工艺及特点

目前较为常见的生物法处理工艺主要可分生物洗涤、生物过滤器生物滴滤[7]。

2.1 生物洗涤塔

生物洗涤塔(Bioscrubber)通常由生物吸收塔和活性污泥反应器组成，有机废气在吸收塔内完成吸收和吸附，有机物的降解主要在污泥反应器中进行，其结构如图2所示。

图2 生物洗涤器工艺流程

废气首先与营养液和微生物混合、吸附和吸收，部分有机物在此被分解利用，大部分有机废气与液相混合进入活性污泥反应器，在此被微生物分解。生物洗涤法采用液相淹没床层的方式，提高了污染物在液相中的吸附量；另一方面，通过收集洗涤器中流出液体的方式延长微生物消化污染物的时间[6]。

生物洗涤器具有运行管理条件易于控制和占地面积小等优点，但该系统存在一次性投资大、运行维护费用高及易发生堵塞现象等缺点[6]。水溶性较高和蒸汽压较低的污染物一般采用该技术处理。

2.2 生物过滤塔

生物过滤塔(Conventional Biofilters)又称生物过滤床，主要包括进气系统、预处理系统、填料层、布气承托层以及其它控制设备等[7]，如图3所示。

图3 生物过滤器工艺流程图

生物过滤法具有处理效率高、占地面积小、运行费用低及无二次污染等优点，该技术适用于处理浓度低气体量大的有机废气。

近年来学者对生物过滤器的研究主要集中在填料的开发、过程机理和影响因素的研究、微生物相分析、动力学模型研究及应用范围的拓宽几个方面[8]。研究表明，生物法降解效率的高低与填料的选择息息相关，工艺参数设置、微生物菌种及生物膜蓄积等影响因素对提高和改进生物过滤器性能有重要意义[7-8]；通过建立理论模型深入地研究生物过滤器的降解机理。随着该技术的发展和成熟，其应用范围不断扩大。

2.3 生物滴滤塔

生物滴滤塔(Biotrickling Filters, BTFs)又称生物滴滤床。微生物在系统内附着生长，形成具有吸附和生物降解作用的生物膜，循环营养液从填料上方喷淋而下为微生物生长提供必需的营养物质。其工艺流程如图4所示。

生物滴滤塔具有压降小、负荷高、传质阻力小、处理效率高及适用范围广等优点。目前国内外对该技术的应用研究主要集中在处理对象、工艺参数对运行性能的影响、填料类型、微生物群落变化及降解动力学等方面[9]。

图4 生物滴滤工艺流程图

2.4 三种生物技术的比较与具体应用条件

生物洗涤、生物过滤和生物滴滤法处理有机废气技术方法的具体比较见表1[9]。

表1 不同生物法处理有机废气技术方法的比较

3 生物法去除效率的影响因素

生物过滤技术处理效率的影响因素主要有工艺参数、填料选择、微生物相及生物膜蓄积等。

3.1 工艺参数

生物滴滤系统的运行效率在一定程度上决定于系统工艺参数的设置，为寻求稳定的最适环境，国内外许多学者对生物反应器在气体停留时间、进口有机负荷和进气流速等方面进行了研究，为生物反应器在实际工程中的应用奠定了基础[5]。此外，对填料的相对湿度、营养液的pH值以及氮、磷等营养元素的添加剂量进行了系统细致的研究，为规模化工业应用提供了具有参考性的前提条件[3]。

3.2 填料选择

目前用于气相生物过滤系统的填料通常分为有机填料和合成填料两大类[4]。有机填料因其本身具有微生物生长所需的多种营养元素及水分，在传统生物法中应用较多；常用的合成填料有陶瓷粒、活性炭、沸石填料、以及聚氨酯海绵等，因其具有来源广泛、结构稳定性好等优点而被广泛应用[7]。

为提高微生物对有机废气的降解效率，填料需为微生物生长提供最佳的生长环境。填料的选择一般需遵循以下原则：填料必须具有较大的比表面积，以利于微生物对有机废气的吸附和降解；为给微生物的生长提稳定的液相生存环境，填料必须具有一定的持水能力；为防止运行过程中发生堵塞现象，填料必须具有较高的孔隙率；为避免填料发生腐蚀、变形等现象，填料必须具备较好的结构强度；最后，填料对运行环境必须具备良好的缓冲能力[9]。

3.3 微生物相与生物膜蓄积

生物法处理有机废气净化效果的好坏决定于微生物量和活性，生物法净化有机废气时，其生物膜相主要由细菌组成，也含有真菌和放线菌等其他微生物[10]。随着分子生物学技术在微生物领域的应用与发展，分子生物技术从用于微生物的分离、鉴定及微生物的丰度、活度测定，逐步发展到微生物群落结构的研究。虽然微生物是降解VOCs的主力军，但其过度繁殖会造成反应器发生生物膜堵塞现象，进而影响其降解效率。

当附着于填料表面的生物膜的增长速率大于其脱落速率时，生物膜蓄积量将逐步增加。若系统内积聚的生物膜不能及时排除，将导致好氧菌大量死亡，兼氧菌和厌氧菌过度繁殖，最终会使生物膜对有机废气的降解能力大大降低。兼氧菌和厌氧菌的大量繁殖会产生很多的非目标微生物，非目标微生物在生长过程中会与目标微生物竞争营养物质，影响目标微生物的正常生长，使得气态有机污染物不能得到快速有效的去除。微物膜的过度蓄积还将会引起生物膜的不均匀分布，进而导致诸多运行问题的发生，最终引起整个处理系统性能下降[10-11]。

4 前景与展望

目前，生物处理技术在有机废气治理方面的应用还不成熟，不同反应器所表现的去除效率差异较大。同时，涉及到气、液传质及生化降解影响因素较多，该技术的实际应用不够深入，还需做好以下几个方面的工作：

(1)培育针对性强的优势菌种，研究微生物分解有机物的反应机理，发现调控反应速率的关键步骤，缩短处理装置的启动时间，提高去除效率。

(2)建立模型，注重联系实际，在模仿工业条件下研究与分析生物法处理有机废气的应用，对关键的模型参数进行改进，以提高生物处理效率。

(3)加大对填料理化性质的研究，针对填料使用过程中的堵塞、压实、使用寿命短等问题，选择合适且不易老化的填料作为载体。

(4)对现有处理工艺进行优化，实现自动控制，简化操作，降低费用。

[1] Minerdi D, Bossi S, Gullino M L, et al. Volatile organic compounds: A potential direct long-distance mechanism for antagonistic action of Fusarium oxysporum strain MSA 35[J]. Environmental Microbiology, 2009, 11(4): 844-854.

[2] Iranpour R, Cox H H J, Deshusses M A, et al. Literature review of air pollution control biofilters and biotrickling filters for odor and volatile organic compound removal[J]. Environmental Progress, 2005, 24(3): 254-267.

[3] Hunter P, Oyama S T. Control of volatile organic compound emissions: Conventional and emerging technologies[J]. Hoboken, New Jersey: Wiley, 2000: 1-88.

[4] Moe W M, Qi B. Performance of a fungal biofilter treating gas-phase solvent mixtures during intermittent loading[J]. Water Research, 2004, 38(9): 2259 -2268.

[5] 王璐. 表面活性剂及Zn(II)强化生物滴滤器处理有机废气的性能研究[D].长沙:湖南大学, 2014.

[6] 陈宏. 管式生物过滤的性能与机理研究[D].长沙: 湖南大学, 2010.

[7] Devinny J S, Deshusses M A, Webster T S. Biofiltration for air pollution control[J]. Lewis Publishers: Boca Raton, 1999:1-22, 111-140.

[8] Yang C P, Chen H, Zeng G M, et al. Modeling variations of medium porosity in rotating drum biofilter[J]. Chemosphere, 2009, 74(2): 245-249.

[9] Tu Y H, Yang C P, Cheng Y, et al. Effect of saponins on n-hexane removal in biotrickling filters[J]. Bioresource Technology, 2015:175, 231-238.

[10]余关龙. 聚氨酯海绵填料生物滴滤器去除挥发性有机物的研究[D]. 长沙: 湖南大学硕士学位论文, 2008.

[11]涂燕红. 表面活性剂强化生物滴滤器处理正己烷废气的净化效果及机理[D].长沙:湖南大学, 2015.

Research Progress on Biological Treatment Technology for Volatile Organic Compounds

TUYan-hong1,HAOShuang-long2,QIShui-bing1,LIHui-meng1

(1 Guangdong Polytechnic of Environmental Protection Engineering, Guangdong Foshan 528216; 2 China Resources Cement Holdings Limited, Guangdong Shenzhen 518057, China)

With the rapid economy development, a large quantity of volatile organic compounds(VOCs) are released, it is harmful to human health. Biopurification of VOCs has advantages of simple operation, convenient maintenance, high efficiency, low operating cost, high safety and small secondary pollution, and it has received extensive attention of all countries in the world. The principle of biofilter, common process and characteristics were reviewed, and the key factors influenced the performance of biological treatment for VOCs were discussed. Based on research development of biological treatment technology for VOCs，the potential applications of biological methods for VOCs in the future were prospected.

volatile organic compounds(VOCs); biological method; removal efficiency

涂燕红(1989-)，女，硕士研究生，主要研究方向为有机废气治理。

TK411+.5

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1001-9677(2016)023-0030-03