1、第八章 生物法净化气态污染物,废气的处理,废气处理是环境污染控制的一个重要方面。,废气处理方法： 理化法：目前主要采用的方法，如掩蔽、吸附、燃烧、氧化等。工艺或设备较复杂，运行费用较高；用于处理某些恶臭废气时，效果不甚理想。 生物法：具有处理效率较高、适应性较广、工艺较简单以及费用较省等优点。,废气的微生物处理于1957年在美国获得专利，但到1970年代才开始引起重视，直到1980年代才在德国、日本、荷兰等国家有相当数量工业规模的各类生物净化装置投入运行。 废气生物反应器处理对许多一般性的空气污染物的去除率可达到90以上。,一、废气生物处理的特点,适应范围广 挥发性有机化合物 (volatil
2、e organic compounds，VOCs)以及其它有毒或有臭味的气体，如NH3和H2S等。 化工、制药、电镀、喷漆、印刷等行业产生的有害污染物(hazardous air pollutants，HAPs)以及废水处理厂、堆肥厂、垃圾填埋厂产生恶臭(odor)等。,去除效率高 一般的空气污染物去除效率超过90。 投资少，运行费用低 不需要投入额外的化学品; 化学法则需加催化剂和氧化剂等，如次氯酸盐、过氧化氢、二氧化氯等。,4、污染少 生物处理的产物是生物量，很容易处理。 5、耗能低 生物反应在常温常压下进行，能量来自微生物利用VOCs成分本身产生的能量。,一、原理与微生物相,一、基本原理
3、,液相或固相介质,二氧化碳、水等,气体有机物,微生物降解,转移,乙醇、硫醇酚、甲酚、吲哚 脂肪酸、乙醛、酮、二硫化碳 氨和胺,悬浮生长系统 附着生长系统,二、微生物相 挥发性有机污染物-异养型微生物 无机污染物-自养型微生物,水溶性强 主要有无机物如H2S和NH3等、醇类、醛类、酮类以及简单芳烃等有机物。,适宜处理的污染气体应具有的特点：,易降解 分子被吸附在生物膜上必需被降解，否则将导致污染物浓度增高，毒害生物膜或影响传质，降低生物滤器效率，或使处理完全失败。,一、废气生物处理的原理 生物处理的前体条件：溶于水的，可以生物降解的，对微生物生长没有抑制作用的。 污染物气体与水接触,由气相转入液
4、相或固相表面的液膜中； 污染物在液相或固相表面被微生物吸附或吸收在生物体内，当溶液流经填料表面时，溶解在水中的气态污染物被栖息在填料上的生物所吸附，由液相转移到生物相，此阶段遵循一般生物化学反应速度。 传质速率取决于填料表面的物理性质、挥发性物质的性质及浓度。技术开发主要强化传质和控制有利于转化的反应过程。,传递过程 有机物同水接触并溶解于水中； 在浓度差的推动作用下扩散到生物膜，被微生物捕获&吸收； 微生物利用有机物,用通常的吸收和吸附方法进行废气的非生物处理已被证明是一个非常复杂的过程，特别是由于其中的液体和固体需要再生。 这种再生过程可以由微生物来实现，所以，废气的生物处理不需要常用方法
5、那样的复杂设备，费用也低。,二、废气生物处理的微生物两大类：自养菌和异养菌。 自养菌特别适用于无机物的转化。但是，由于能量转换过程缓慢，这些细菌生长的速度非常慢，因此，工业应用有一定的困难。 异养菌很适宜于有机物的转化。,生物反应器处理废气一般经历以下三个阶段： 溶解过程 废气与水或固相表面的水膜接触，污染物溶于水中成为液相中的分子或离子，完成由气膜扩散进入液膜的过程。,吸着过程,有机污染物组分溶解于液膜后，在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜，被微生物吸附、吸收，污染物从水中转入微生物体内。作为吸收剂的水被再生复原，继而再用以溶解新的废气成分。,生物降解过程,进入微生物细胞的污染物作为微生物生
6、命活动的能源或养分被分解和利用，从而使污染物得以去除。 烃类和其它有机物成分被氧化分解为CO2和H2O，含硫还原性成分被氧化为S、SO42-，含氮成分被氧化分解成NH3，NO2-和NO3-等。,主要影响因素 1、湿度生物滤池中，填料/生物固体水分的最佳含量为40%-60%。 湿度太高时，水分充满滤料的孔隙，减少了气体停留时间，增加阻力；气液界面减少，降低了氧的传递 。 太低时，滤层老化，微生物活性降低，填料干燥、开裂，气体短流。 间歇喷洒保湿度或在进气中喷水。 2、温度：微生物的代谢，溶解度,主要影响因素3、pH生物反应器水相pH 6-9，降解含氯、氮、硫的化合物时，会有酸的积累。可在液相中加
7、碱或加缓 冲物质调节。 4、其他因素污泥浓度、溶解氧、营养盐等。,三、生物净化反应器,根据介质性质不同，分为： 生物洗涤(bioscrubbing) 生物洗涤器(bioscrubber)内是液态介质。 生物过滤 (biofiltration) 生物过滤采用是固态介质 生物滤池(biofilters) 生物滴滤池(biotrickling filters),三、生物净化反应器生物过滤法 生物吸收法 生物滴滤法,1. 生物过滤法,原理：气体经过去尘增湿或降温等预处理工艺后, 从滤床底部由下向上穿过填料层，污染物从气相转移到生物膜表面，被微生物吸收转化分解，得到净化。,因素： 滤料应考虑的因素主要包
8、括多孔、适宜微生物生长、对水分的保持能力较强等,通常选用堆肥、土壤、泥炭、活性炭等 湿度控制不当时过滤床容易干燥、开裂,造成气流短路 pH 值调节不当时容易造成微生物数量下降. 控制pH值的方法是在装填填料时投配适当固体缓冲剂,缓冲剂耗尽后需要更新,或者对滤料进行再生.,水泵,湿度调节,布气管道,生物滤池具体由滤料床层（生物活性填充物）、砂砾层和多孔布气管等组成。 多孔布气管安装在砂砾层中，在池底有排水管排出多余的积水。 按照所用固体滤料的不同，生物滤池分为土壤滤池、堆肥滤池及生物过滤箱。,1、土壤滤池,构造：气体分配层下层由粗石子、细石子或轻质陶粒骨料组成，上部由黄砂或细粒骨料组成，土壤滤层
9、可按黏土、含有机质沃土、细沙土和粗砂按一定比例混配。,特点：土壤对废气中无机气体（SO2、NOX、H2S等）有较强的截留和表面催化氧化能力，其产物会使土壤床酸化，因此，可投加石灰中和。 优点：投资少； 无二次污染； 抗冲击能力强。缺点：占地面积大。,2、堆肥滤池将堆肥（如畜粪、城市垃圾、污水处理厂的污泥等有机废弃物）经好氧发酵、热处理后，盖在废气发生源上，使污染物分解而达到净化的目的。结构：与土壤床相似。,针对有机堆肥臭气去除的生物滤池,特点：与土壤床相比： 处理相同量废气时，占地面积少； 去除率高，反应时间短（土壤床1/41/2，约20s），适用于废气量大的场合； 有结块趋势，需周期性搅动；
10、 有使用年限。工艺成熟，在欧洲已有500多座投入实际应用中。,3、微生物过滤箱封闭式装置，由箱体、生物活性床层、喷水器等组成。微生物一部分附着于载体表面，一部分悬浮于床层水体中。,应用： 比其他气态有机污染物控制技术低。 德国和荷兰已有500 多座生物滤池投入应用, 它们 中的大多数用于家禽和食品加工工业。近几年已逐渐用于化学工业产生的难降解恶臭物质的处理。采用该法处理H2S 气体、甲醛和氨、有机污染物、脂肪类碳氢化合物等都取得了显著的效果。,微生物吸收法（Microorganism Absorption） 也叫生物洗涤法,一般由废气吸收段和悬浮液再生段两部分组成，废气由吸收设备下部进入，向上
11、流动与吸收设备顶部喷淋而下的生物悬浮液在填料层接触，使废气中的污染物和氧转入液相并被微生物所吸收。,生物悬浮液(循环液)自吸收塔顶部喷淋而下使废气中的污染物和氧转入液相(水相)。吸收了废气中有机组分的生物悬浮液进入再生反应器(活性污泥池)中，通入空气充氧再生。被吸收的有机物通过微生物的氧化作用最终被再生池中活性污泥悬液除去。 一般,当活性污泥浓度控制在5000-10000mg/L,气速小于200m/h，去除较理想,生物洗涤装置,2. 微生物吸收法（Microorganism Absorption）也叫生物洗涤法 原理：利用微生物、营养物和水组成的混合液吸收废气中可溶性的气态污染物，吸收了废气的
12、微生物混合液再进行好氧处理，降解污染物，经处理后的微生物吸收液再循环使用。适合于处理可溶性的气态污染物。 工艺和装置：废气吸收段和悬浮液再生段两部分组成。由吸收设备（物理溶解过程）和再生反应器（生物处理过程）两部分组成。停留时间不同。两个独立单元中进行。,微生物吸收法工艺流程,悬浮液,再生反应池,吸收室,吸收设备采用喷淋塔或鼓泡塔。 一般来说,气相阻力较大时采用喷啉法,液相阻力较大时采用鼓泡法。 喷淋法废气自反应器下部进入，微生物悬浮液（循环液）自吸收器顶部喷淋而下，废气与生物悬浮液在吸收器内充分接触，便于废气中的污染物转入液相。废气净化后从反应器上部排出。吸收了废气污染成分的悬浮液流入再生反
13、应器，在好氧条件下经微生物的氧化用，转变成简单的物质。 鼓泡法将废气作为曝气空气送入吸收室。,吸收是一个物理过程；通常这个过程较快，水的停留时间大约仅有几秒钟。 水的再生是一个生物过程；通常较慢，停留时间从几分钟至十几个小时。由于吸收和再生所需要的时间不同，水的再生就需要用专门的生物反应器；如果时间相等的话，则可免掉生物反应器。,影响去除率的因素与污泥浓度、pH、溶解氧、污泥驯化与否、营养盐的投加量和投加时间有关。,3. 生物滴滤法,与生物滤池法的不同特点： 填料不同：粗碎石、塑料蜂窝状填料、塑料波纹板填料、陶瓷、木炭等。属于惰性填料，不具吸水性。 回流水进行循环喷淋：回流水由生物滴滤池上部喷
14、到填料层上，并沿生物膜滴流而下。 操作调件易于控制：pH、氮磷营养元素等也可通过回流水调节或添加。,生物滴滤法,循环液,有机废气,生物滴滤池与生物滤池相似。区别： 使用填料不同。填料间空隙很大。 在填料上方喷淋循环液。,（2）影响反应器性能的因素 填料选择不仅是生物膜的支撑体，而且还能对微生物胞外酶和废气中的有机物进行吸附富集。理想的填料应具有以下性质：A、最佳微生物生长环境营养物、湿度、pH和碳源的供应不受限制；B、较大的比表面积接触面积、吸附容量、单位体积的反应点更多；C、一定的结构强度； D、高水分持留能力供微生物生长；E、高孔隙率使气体有较长的停留时间；F、较低的密度减小填料压实的可能
15、性。, 湿度低了微生物失活；高了气体通过虑床的阻力增高；空气与水间的界面减少引起供氧不足，形成厌氧区域；通常：4060%, 温度无论自养微生物还是异养微生物，都是中文菌和高温菌占优势。通常：2535温度提高会降低挥发性有机物在水中的溶解和在填料上的吸附，从而影响去除。, pH最佳值：78当因H2S和含硫有机物H2SO4；NH3和含氮有机物HNO3；氯代有机物HCl；高有机负荷有机酸；添加石灰、石灰石和贝壳等来增加缓冲能力。,发展趋势 多点进气沿生物过滤器高度方向分几个点进气；优点：进气更加均匀，防止下端堵塞，布气不均。,生物法工艺比较,生物法工艺比较,气量大且VOCs浓度低的废气采用生物过滤池
16、系统处理较好, 生物吸收法适用于处理气量较小、VOCs浓度较高且水溶性较大的有机废气,如屠宰场、食品加工厂、堆肥厂、污水处理厂等的脱臭处理。 负荷较高且污染物降解后会产生酸性物质的废气采用生物滴滤池系统处理较好。,废气生物处理技术的现状和展望,有机废气生物处理是一项新的技术，由于生物反应器涉及到气、液、固相传质及生化降解过程，影响因素多而复杂，有关的理论研究及实际应用还不够深入、广泛，需要进一步探讨和研究。 废气动态负荷的研究 反应动力学模式的研究 填料特性的研究 设备的研究开发 微生物菌种的改造 应用范围的进一步拓展,1填料特性研究对于生物滤池和生物滴滤池来说，深入研究填料的一些特性是非常必
17、要的。填料的比表面积、孔隙率与单位体积填充量不仅与生物量有关，还直接影响着整个填充床的压降及填充床是否易堵塞等。更重要的一点是，气态污染物降解要经历一个气相到液因相传质过程，污染物在两相中的分配系数是整个装置可行性的一个决定因素。有资料表明，填料对分配系数有较大的影响，Hodge等用生物滤池处理乙醇蒸气时发现，颗粒活性炭作填料时乙醇的分配系数是以堆肥作填科时的2一3倍。,2动态负荷研究目前，绝大多数研究报道中采用的是单一组分(或几个简单组分组合)气体作为实验对象，气体负荷的变化也是非常有顺序的、平稳的，气速也是很“温柔”的。而对于非常态负荷气流、多组分复杂混合气的研究较少，事实上，这种动态负荷
18、的研究是非常有实际意义的，特别是可以解决一系列实际运用中遇到的问题。,五、处理废气的微生物,多为混合微生物，因为： 含有多种成分的混合废气，需要多种微生物分别降解； 有的成分需要几种微生物的相继作用才能分解转化为无害物质， 氨先经硝化细菌再经反硝化作用细菌才能成为分子态氮；,一些难降解的成分要由几种微生物联合作用才能被完全降解； 卤代有机化合物先经厌氧微生物还原脱卤，再被好氧微生物彻底分解； 工艺需要，尽管废气成分能够被单一微生物分解，但还需利用其它微生物， 在硫化氢氧化中，为了使自养型脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)凝絮持留于反应器内，需与活性污泥中的异养型微生物起共培养。,
