工業(yè)廢氣的生物治理技術(shù)（專題研究）

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專題研究 工業(yè)廢氣的生物治理技術(shù),廢氣主要來源,燃料燃燒 工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，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(chǎn)生的廢氣。 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng) 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(gè)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(shè)備較復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用較高；用于處理某些惡臭廢氣時(shí)，效果不甚理想。 生物法：具有處理效率較高、適應(yīng)性較廣、工藝較簡(jiǎn)單以及費(fèi)用較省等優(yōu)點(diǎn)。,廢氣的微生物處理于1957年在美國(guó)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(guó)、日本、荷蘭等國(guó)家有相當(dāng)數(shù)量工業(yè)規(guī)模的各類生物凈化裝置投入運(yùn)行。 廢氣生物反應(yīng)器處理對(duì)許多一般性的空氣污染物的去除率可達(dá)到90％以上。,一、廢氣生物處理的特點(diǎn),適應(yīng)范圍廣 揮發(fā)性有機(jī)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(chǎn)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(chǎn)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(yùn)行費(fèi)用低 不需要投入額外的化學(xué)品; 化學(xué)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(chǎn)物是生物量，很容易處理。 5、耗能低 生物反應(yīng)在常溫常壓下進(jìn)行，能量來自微生物利用VOCs成分本身產(chǎn)生的能量。,水溶性強(qiáng) 主要有無機(jī)物如H2S和NH3等、醇類、醛類、酮類以及簡(jiǎn)單芳烴(如BTEX)等有機(jī)物。,適宜處理的污染氣體應(yīng)具有的特點(diǎn)：,易降解 分子被吸附在生物膜上必需被降解，否則將導(dǎo)致污染物濃度增高，毒害生物膜或影響傳質(zhì)，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(jī)理,有機(jī)廢氣生物凈化是利用微生物以廢氣中的有機(jī)組分作為其生命活動(dòng)的能源或其他養(yǎng)分，經(jīng)代謝降解，轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無機(jī)物(C02、水等)及細(xì)胞組成物質(zhì)。 與廢水生物處理過程最大區(qū)別在于：廢氣中的有機(jī)物質(zhì)首先要經(jīng)歷由氣相轉(zhuǎn)移到液相(或固體表面液膜)中的傳質(zhì)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(yīng)器處理廢氣一般經(jīng)歷以下三個(gè)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(kuò)散進(jìn)入液膜的過程。,吸著過程,有機(jī)污染物組分溶解于液膜后，在濃度差的推動(dòng)下進(jìn)一步擴(kuò)散到生物膜，被微生物吸附、吸收，污染物從水中轉(zhuǎn)入微生物體內(nèi)。作為吸收劑的水被再生復(fù)原，繼而再用以溶解新的廢氣成分。,生物降解過程,進(jìn)入微生物細(xì)胞的污染物作為微生物生命活動(dòng)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(jī)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(jù)介質(zhì)性質(zhì)不同，分為： 生物洗滌(bioscrubbing) 生物洗滌器(bioscrubber)內(nèi)是液態(tài)介質(zhì)。 生物過濾 (biofiltration) 生物過濾采用是固態(tài)介質(zhì) 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(yīng)器兩部分組成，吸收器和生物反應(yīng)器分開設(shè)置。 吸收主要是物理溶解過程，采用的吸收設(shè)備有噴淋塔、篩板塔、鼓泡塔等，吸收過程進(jìn)行很快，水在吸收設(shè)備中的停留時(shí)間僅約幾秒鐘；,生物反應(yīng)的凈化過程較慢，吸收了揮發(fā)性氣體的廢水在反應(yīng)器中一般需要停留十幾小時(shí)。 生物反應(yīng)器中可進(jìn)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(zhuǎn)入液相(水相)。吸收了廢氣中有機(jī)組分的生物懸浮液進(jìn)入再生反應(yīng)器(活性污泥池)中，通入空氣充氧再生。被吸收的有機(jī)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(dāng)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(nèi)充滿了惰性填料, 微生物在填料表面附著生長(zhǎng)并形成生物膜。 生物膜中微生物以有機(jī)廢氣為碳源和能源, 以在循環(huán)液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為氮源, 進(jìn)行生命活動(dòng)。一部分有機(jī)廢氣通過微生物的分解代謝被轉(zhuǎn)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(jī)污染物通過合成代謝被轉(zhuǎn)化為微生物自身的生命物質(zhì)。,,廢氣經(jīng)過預(yù)處理室去除顆粒物和增濕后進(jìn)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(diǎn)：,內(nèi)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(zhǎng),不需頻繁更換； 設(shè)有循環(huán)液裝置，可調(diào)節(jié)濕度和pH值，供給營(yíng)養(yǎng)和微量元素，生物相靜止而液相流動(dòng)，因而填料上可生存世代周期長(zhǎng)、降解特殊氣體的菌群，可承受比生物過濾器更大的處理負(fù)荷，且抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),填料不易堵塞、壓降?。?污染物的吸收和生物降解在同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作條件可靈活控制。 安裝有溫度控制裝置，當(dāng)內(nèi)部氣體溫度顯示下降至微生物的正常生長(zhǎng)溫度時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)信號(hào)給熱風(fēng)機(jī)，使其工作以提高池內(nèi)的溫度。當(dāng)氣體低于20OC時(shí)，熱風(fēng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，直至溫度達(dá)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(nèi)的固態(tài)介質(zhì)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(zhǎng)提供表面，微生物可以吸收廢氣中的污染物將其轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。,,具有一定溫度的有機(jī)廢氣進(jìn)人生物濾池，通過約o．5—1m厚的生物活性填料層，有機(jī)物從氣相轉(zhuǎn)移到生物層，進(jìn)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(zhì)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(jī)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(rùn)，濾層含水量不低于40％，但不能有積水。濾層保持適當(dāng)?shù)臏囟取?土壤 腐殖土為好，其它土質(zhì)需要改良，有效厚度不應(yīng)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(zhǎng)，除臭效果比用土壤好。,,2、填料濕度 微生物生命活動(dòng)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(shí)，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(yù)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(shí)通常采用自然溫度，如果微生物分解基質(zhì)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(duì)處理效率的影響很大，微生物數(shù)量、基質(zhì)濃度和溫度等因素也會(huì)影響供氧。 少數(shù)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(yīng)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(xì)菌多數(shù)適應(yīng)于中性至微堿性環(huán)境，只有少數(shù)種類對(duì)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(duì)有機(jī)堆肥臭氣去除的生物濾池,四 廢氣生物處理技術(shù)的現(xiàn)狀和展望,有機(jī)廢氣生物處理是一項(xiàng)新的技術(shù)，由于生物反應(yīng)器涉及到氣、液、固相傳質(zhì)及生化降解過程，影響因素多而復(fù)雜，有關(guān)的理論研究及實(shí)際應(yīng)用還不夠深入、廣泛，需要進(jìn)一步探討和研究。 廢氣動(dòng)態(tài)負(fù)荷的研究 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式的研究 填料特性的研究 設(shè)備的研究開發(fā) 微生物菌種的改造 應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓展,,1．反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式研究通過反應(yīng)機(jī)理的研究，提出決定反應(yīng)速度的內(nèi)在依據(jù)，以便有效地控制和調(diào)節(jié)反應(yīng)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(chǔ)上的，對(duì)生物吸收法和牛物滴濾池凈化處理有機(jī)廢氣過程機(jī)理的描述不適合。在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)小能與ottengraf理論模型相吻合，一些現(xiàn)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(duì)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(dòng)性，無法產(chǎn)生類似的穩(wěn)定液膜。,,2．填料特性研究對(duì)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(guān)，還直接影響著整個(gè)填充床的壓降及填充床是否易堵塞等。更重要的一點(diǎn)是，氣態(tài)污染物降解要經(jīng)歷一個(gè)氣相到液—因相傳質(zhì)過程，污染物在兩相中的分配系數(shù)是整個(gè)裝置可行性的一個(gè)決定因素。有資料表明，填料對(duì)分配系數(shù)有較大的影響，Hodge等用生物濾池處理乙醇蒸氣時(shí)發(fā)現(xiàn)，顆?；钚蕴孔魈盍蠒r(shí)乙醇的分配系數(shù)是以堆肥作填科時(shí)的2一3倍。,,3．動(dòng)態(tài)負(fù)荷研究目前，絕大多數(shù)研究報(bào)道中采用的是單一組分(或幾個(gè)簡(jiǎn)單組分組合)氣體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，氣體負(fù)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(duì)于非常態(tài)負(fù)荷氣流、多組分復(fù)雜混合氣的研究較少，事實(shí)上，這種動(dòng)態(tài)負(fù)荷的研究是非常有實(shí)際意義的，特別是可以解決一系列實(shí)際運(yùn)用中遇到的問題。,五、處理廢氣的微生物,多為混合微生物，因?yàn)椋?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(zhuǎn)化為無害物質(zhì)， 氨先經(jīng)硝化細(xì)菌再經(jīng)反硝化作用細(xì)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(lián)合作用才能被完全降解； 鹵代有機(jī)化合物先經(jīng)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(yīng)器內(nèi)，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(zhì)。,,畜禽場(chǎng)是重要的污染源 O'Neil和Phillips從養(yǎng)豬場(chǎng)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(guó)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(zhì)的發(fā)臭原因與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)： 如兩個(gè)烷基同硫結(jié)合時(shí)，就會(huì)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(jié)構(gòu)中S的位置，其臭味的性質(zhì)也會(huì)改變。,,各種化合物分子結(jié)構(gòu)中的硫(=S)、巰基(-SH和硫氰基(-SCN)是形成惡臭的原子團(tuán)，通稱“發(fā)臭團(tuán)”。 有些有機(jī)物如苯酚、甲醛、丙酮等，其分子結(jié)構(gòu)含有羥基、醛基、羰基和羧基，也散發(fā)各種臭味，起發(fā)臭團(tuán)的作用。,二、惡臭的控制,①焚燒，如對(duì)垃圾和食品加工廠的殘?jiān)瓤扇夹晕镔|(zhì)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(zhì)(如三甲胺)，稀堿處理酸性惡臭物質(zhì)(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(zhì)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(chǎn)生惡臭的微生物多是一些動(dòng)物腸道細(xì)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(jī)理： 將惡臭物質(zhì)轉(zhuǎn)化為非惡臭物質(zhì)； 利用惡臭物質(zhì)為細(xì)胞物質(zhì)。,原位微生物處理優(yōu)良菌種應(yīng)具備的特征,(1)有分解含硫或含氨和有機(jī)酸等惡臭化合物的能力： (2)不產(chǎn)生含硫、含氨和有機(jī)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(chǎn)生抗生素等抑菌物質(zhì)抑制和殺死有害微生物。,除臭微生物種類,細(xì)菌：芽孢桿菌、鏈霉菌和光合細(xì)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(chǎng)； 添加到飼料中在動(dòng)物腸道就發(fā)揮作用。,,謝謝觀看,