工業(yè)廢氣的生物治理技術（專題研究）

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專題研究 工業(yè)廢氣的生物治理技術,廢氣主要來源,燃料燃燒 工業(yè)生產活動，例如化工、冶金、生物制品、屠宰、污水處理及垃圾處理等工廠所產生的廢氣。 農業(yè)生產活動 交通污染源,廢氣的處理,廢氣處理是環(huán)境污染控制的一個重要方面。,廢氣處理方法： 理化法：目前主要采用的方法，如掩蔽、吸附、燃燒、氧化等。工藝或設備較復雜，運行費用較高；用于處理某些惡臭廢氣時，效果不甚理想。 生物法：具有處理效率較高、適應性較廣、工藝較簡單以及費用較省等優(yōu)點。,廢氣的微生物處理于1957年在美國獲得專利，但到1970年代才開始引起重視，直到1980年代才在德國、日本、荷蘭等國家有相當數量工業(yè)規(guī)模的各類生物凈化裝置投入運行。 廢氣生物反應器處理對許多一般性的空氣污染物的去除率可達到90％以上。,一、廢氣生物處理的特點,適應范圍廣 揮發(fā)性有機化合物 (volatile organic compounds，VOCs)以及其它有毒或有臭味的氣體，如NH3和H2S等。 化工、制藥、電鍍、噴漆、印刷等行業(yè)產生的有害污染物(hazardous air pollutants，HAPs)以及廢水處理廠、堆肥廠、垃圾填埋廠產生惡臭(odor)等。,去除效率高 一般的空氣污染物去除效率超過90％。 投資少，運行費用低 不需要投入額外的化學品; 化學法則需加催化劑和氧化劑等，如次氯酸鹽、過氧化氫、二氧化氯等。,4、污染少 生物處理的產物是生物量，很容易處理。 5、耗能低 生物反應在常溫常壓下進行，能量來自微生物利用VOCs成分本身產生的能量。,水溶性強 主要有無機物如H2S和NH3等、醇類、醛類、酮類以及簡單芳烴(如BTEX)等有機物。,適宜處理的污染氣體應具有的特點：,易降解 分子被吸附在生物膜上必需被降解，否則將導致污染物濃度增高，毒害生物膜或影響傳質，降低生物濾器效率，或使處理完全失敗。,二、生物法處理廢氣的機理,有機廢氣生物凈化是利用微生物以廢氣中的有機組分作為其生命活動的能源或其他養(yǎng)分，經代謝降解，轉化為簡單的無機物(C02、水等)及細胞組成物質。 與廢水生物處理過程最大區(qū)別在于：廢氣中的有機物質首先要經歷由氣相轉移到液相(或固體表面液膜)中的傳質過程，然后由液相(或固體表面液膜)被微生物吸附降解。,,,,生物反應器處理廢氣一般經歷以下三個階段： 溶解過程 廢氣與水或固相表面的水膜接觸，污染物溶于水中成為液相中的分子或離子，完成由氣膜擴散進入液膜的過程。,吸著過程,有機污染物組分溶解于液膜后，在濃度差的推動下進一步擴散到生物膜，被微生物吸附、吸收，污染物從水中轉入微生物體內。作為吸收劑的水被再生復原，繼而再用以溶解新的廢氣成分。,生物降解過程,進入微生物細胞的污染物作為微生物生命活動的能源或養(yǎng)分被分解和利用，從而使污染物得以去除。 烴類和其它有機物成分被氧化分解為CO2和H2O，含硫還原性成分被氧化為S、SO42-，含氮成分被氧化分解成NH3，NO2-和NO3-等。,三、廢氣生物處理的基本形式,根據介質性質不同，分為： 生物洗滌(bioscrubbing) 生物洗滌器(bioscrubber)內是液態(tài)介質。 生物過濾 (biofiltration) 生物過濾采用是固態(tài)介質 生物濾池(biofilters) 生物滴濾池(biotrickling filters),1．微生物吸收工藝（微生物洗滌）,生物洗滌裝置一般由洗滌器和生物反應器兩部分組成，吸收器和生物反應器分開設置。 吸收主要是物理溶解過程，采用的吸收設備有噴淋塔、篩板塔、鼓泡塔等，吸收過程進行很快，水在吸收設備中的停留時間僅約幾秒鐘；,生物反應的凈化過程較慢，吸收了揮發(fā)性氣體的廢水在反應器中一般需要停留十幾小時。 生物反應器中可進行好氧處理，活性污泥法和生物膜法。,,,生物懸浮液(循環(huán)液)自吸收塔頂部噴淋而下．使廢氣中的污染物和氧轉入液相(水相)。吸收了廢氣中有機組分的生物懸浮液進入再生反應器(活性污泥池)中，通入空氣充氧再生。被吸收的有機物通過微生物的氧化作用．最終被再生池中活性污泥懸液除去。 一般,當活性污泥濃度控制在5000-10000mg/L,氣速小于200m/h，去除較理想,生物洗滌裝置,2．生物滴濾池,在生物滴濾池內充滿了惰性填料, 微生物在填料表面附著生長并形成生物膜。 生物膜中微生物以有機廢氣為碳源和能源, 以在循環(huán)液中的營養(yǎng)物質為氮源, 進行生命活動。一部分有機廢氣通過微生物的分解代謝被轉化為無害的水和二氧化碳,并為微生物提供能量; 另一部分有機污染物通過合成代謝被轉化為微生物自身的生命物質。,,廢氣經過預處理室去除顆粒物和增濕后進入濾床底部。 濾料使用惰性材料，如陶瓷、塑料或碎石。,生物滴濾池具有以下特點：,內裝有惰性填料,它只起生物載體作用，其孔隙率高、阻力小、使用壽命長,不需頻繁更換； 設有循環(huán)液裝置，可調節(jié)濕度和pH值，供給營養(yǎng)和微量元素，生物相靜止而液相流動，因而填料上可生存世代周期長、降解特殊氣體的菌群，可承受比生物過濾器更大的處理負荷，且抗沖擊負荷能力強,填料不易堵塞、壓降小； 污染物的吸收和生物降解在同一反應器內進行，設備簡單，操作條件可靈活控制。 安裝有溫度控制裝置，當內部氣體溫度顯示下降至微生物的正常生長溫度時，控制系統(tǒng)發(fā)信號給熱風機，使其工作以提高池內的溫度。當氣體低于20OC時，熱風機開始運轉，直至溫度達到微生物適宜溫度為止，一般為25OC左右。,3．生物濾池（微生物過濾工藝）,生物濾池內的固態(tài)介質是一些有生物活性的天然材料，常用的固體顆粒有土壤和堆肥，這些材料為微生物的附著和生長提供表面，微生物可以吸收廢氣中的污染物將其轉化為無害物質。,,具有一定溫度的有機廢氣進人生物濾池，通過約o．5—1m厚的生物活性填料層，有機物從氣相轉移到生物層，進而被氧化分解。生物濾池的填料層是具有吸附件的濾料(如土壤、堆肥、活性炭等)。生物濾池因其較好的通氣性和適度的通水和持水性，以及豐富的微生物群落，能有效地去除烷烴類化合物，如丙烷、異丁烷．酯類及乙醇等．生物易降解物質的效果更佳。,,土壤濾池 堆肥濾池 微生物過濾箱,,,影響生物濾池性能的因素,1、填料選擇 堆肥 原料常用污水處理廠污泥、有機垃圾和畜糞以及植物凋落物。須篩選，濾層要均勻、疏松，空隙率40％，濾料須保持濕潤，濾層含水量不低于40％，但不能有積水。濾層保持適當的溫度。 土壤 腐殖土為好，其它土質需要改良，有效厚度不應小于50cm，土壤水分40％~70％， 草炭 其通氣性能良好，適于微生物生長，除臭效果比用土壤好。,,2、填料濕度 微生物生命活動的必要成分； 吸收廢氣的溶劑。 采用土壤或堆肥等固態(tài)處理系統(tǒng)時，適宜的水分含量可保證氧與水分的供給。 40％~60％為適宜的含水量。 通常預處理需要加濕，防止濾料變干。,3．溫 度,廢氣生物處理多用中溫條件(25～35℃)，少用高溫。 土壤或堆肥處理廢氣時通常采用自然溫度，如果微生物分解基質放熱造成溫度過高則需采取降溫措施。,4．氧氣,廢氣處理多用異養(yǎng)型好氧微生物； 氧的供給量與供給方式對處理效率的影響很大，微生物數量、基質濃度和溫度等因素也會影響供氧。 少數厭氧條件，例如著色菌處理硫化氫，則需控制無氧條件，以氨氣取代反應系統(tǒng)的氧氣。,5、酸堿度,以中性或微堿性（7-8）為宜。 廢氣生物處理中的細菌多數適應于中性至微堿性環(huán)境，只有少數種類對酸堿度要求比較特殊， 例如氧化硫硫桿菌最適pH為2.6~2.8，最低為pH1.0，最高為pH4.0~6.0。,針對有機堆肥臭氣去除的生物濾池,四 廢氣生物處理技術的現狀和展望,有機廢氣生物處理是一項新的技術，由于生物反應器涉及到氣、液、固相傳質及生化降解過程，影響因素多而復雜，有關的理論研究及實際應用還不夠深入、廣泛，需要進一步探討和研究。 廢氣動態(tài)負荷的研究 反應動力學模式的研究 填料特性的研究 設備的研究開發(fā) 微生物菌種的改造 應用范圍的進一步拓展,,1．反應動力學模式研究通過反應機理的研究，提出決定反應速度的內在依據，以便有效地控制和調節(jié)反應速度，最終提高污染物的凈化效率。盡管oMe“8raf等提出了較著名的生物膜理論，但該理論的提出是建立在以生物濾池為研究基礎上的，對生物吸收法和牛物滴濾池凈化處理有機廢氣過程機理的描述不適合。在實際研究中發(fā)現，許多實驗數據小能與ottengraf理論模型相吻合，一些現象也難以用上述理論作出解釋。 這主要是由于生物濾他中存在相對較穩(wěn)定的液膜、而生物吸收法和生物滴濾池小由于循環(huán)液的流動性，無法產生類似的穩(wěn)定液膜。,,2．填料特性研究對于生物濾池和生物滴濾池來說，深入研究填料的一些特性是非常必要的。填料的比表面積、孔隙率與單位體積填充量不僅與生物量有關，還直接影響著整個填充床的壓降及填充床是否易堵塞等。更重要的一點是，氣態(tài)污染物降解要經歷一個氣相到液—因相傳質過程，污染物在兩相中的分配系數是整個裝置可行性的一個決定因素。有資料表明，填料對分配系數有較大的影響，Hodge等用生物濾池處理乙醇蒸氣時發(fā)現，顆?；钚蕴孔魈盍蠒r乙醇的分配系數是以堆肥作填科時的2一3倍。,,3．動態(tài)負荷研究目前，絕大多數研究報道中采用的是單一組分(或幾個簡單組分組合)氣體作為實驗對象，氣體負荷的變化也是非常有順序的、平穩(wěn)的，氣速也是很“溫柔”的。而對于非常態(tài)負荷氣流、多組分復雜混合氣的研究較少，事實上，這種動態(tài)負荷的研究是非常有實際意義的，特別是可以解決一系列實際運用中遇到的問題。,五、處理廢氣的微生物,多為混合微生物，因為： ①含有多種成分的混合廢氣，需要多種微生物分別降解； ②有的成分需要幾種微生物的相繼作用才能分解轉化為無害物質， 氨先經硝化細菌再經反硝化作用細菌才能成為分子態(tài)氮；,,③一些難降解的成分要由幾種微生物聯合作用才能被完全降解； 鹵代有機化合物先經厭氧微生物還原脫鹵，再被好氧微生物徹底分解； ④工藝需要，盡管廢氣成分能夠被單一微生物分解，但還需利用其它微生物， 在硫化氫氧化中，為了使自養(yǎng)型脫氮硫桿菌(Thiobacillus denitrificans)凝絮持留于反應器內，需與活性污泥中的異養(yǎng)型微生物—起共培養(yǎng)。,紫紅紅球菌(Rhodococcus rhodochrous),,Rhodococcus rhodochrous CF 222,惡臭的原位處理,一、惡臭污染物和污染源 惡臭污染物(odor pollutants)指一切刺激嗅覺器官引起人們不愉快及損害生化環(huán)境的氣體物質。,,畜禽場是重要的污染源 O'Neil和Phillips從養(yǎng)豬場中分離鑒定到160種化合物，主要成分有氨、胺、含硫化合物、揮發(fā)性脂肪酸、吲哚類、糞臭類、酚類、醇類和羰基類化合物。,我國規(guī)定的惡臭污染物 (GBl4554-93),氨、三甲胺、硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫醚、二硫化碳、苯乙烯。 惡臭物質的發(fā)臭原因與分子結構有關： 如兩個烷基同硫結合時，就會變成二甲基硫醚和甲基乙基硫醚等帶有異臭的硫醚。若再改變某些化合物分子結構中S的位置，其臭味的性質也會改變。,,各種化合物分子結構中的硫(=S)、巰基(-SH和硫氰基(-SCN)是形成惡臭的原子團，通稱“發(fā)臭團”。 有些有機物如苯酚、甲醛、丙酮等，其分子結構含有羥基、醛基、羰基和羧基，也散發(fā)各種臭味，起發(fā)臭團的作用。,二、惡臭的控制,①焚燒，如對垃圾和食品加工廠的殘渣等可燃性物質焚燒； ②氧化，氧化劑有臭氧、氯氣和高錳酸鉀等； ③吸附，吸附劑有活性炭、硅膠、活性氧化鋁等； ④酸堿處理，稀酸處理堿性惡臭物質(如三甲胺)，稀堿處理酸性惡臭物質(如硫化氫)： ⑤生物氧化，利用生物酶的催化氧化作用； ⑥掩蔽，不便處理的低濃度臭氣施放有香氣的物質來掩蔽臭氣，如果濃度太高則不起作用。,惡臭的原位微生物處理,產生惡臭的微生物多是一些動物腸道細菌，包括埃希氏菌屬、擬桿菌屬、檸檬酸桿菌屬、假單胞菌屬和變形菌屬。 微生物除臭機理： 將惡臭物質轉化為非惡臭物質； 利用惡臭物質為細胞物質。,原位微生物處理優(yōu)良菌種應具備的特征,(1)有分解含硫或含氨和有機酸等惡臭化合物的能力： (2)不產生含硫、含氨和有機酸等惡臭化合物； (3)能夠在不適宜的環(huán)境下存活并在適宜環(huán)境下快速繁殖； (4)能夠產生抗生素等抑菌物質抑制和殺死有害微生物。,除臭微生物種類,細菌：芽孢桿菌、鏈霉菌和光合細菌等; 真菌：青霉、曲霉、木霉和酵母菌。微生物制劑的使用： 直接噴撒到堆肥、家畜場； 添加到飼料中在動物腸道就發(fā)揮作用。,,謝謝觀看,