李 超,趙東風,張慶冬,趙朝成,劉 駿
(中國石油大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266555)
近年來,揮發(fā)性有機物(VOCs)引發(fā)的環(huán)境問題已逐漸成為人們關(guān)注的焦點。受環(huán)保法規(guī)的影響,部分化工企業(yè)已進行了工藝和管理的改進,一定程度上削減了VOCs的排放量,但無組織排放VOCs仍是惡臭治理的難點[1]。在眾多的無組織排放源中,以煉油和化工行業(yè)的污水處理廠最為典型,污水在處理過程中會不斷排放VOCs,盡管產(chǎn)生的VOCs含量較低(一般小于1 000 mg/m3),然而持續(xù)揮發(fā)出的VOCs會嚴重影響企業(yè)生產(chǎn)人員及周圍居民的健康[2-3],因此必須予以治理。在選擇處理方法時,既要保證VOCs的去除效果,又要考慮投入成本和運行費用。相對于物理法和化學(xué)法,生物過濾法以去除率高、操作容易和能耗低的特點被廣泛用于VOCs的治理,并被認為是最適合工業(yè)化推廣的技術(shù)之一。
自1987年Ottengraf在美國申請了生物過濾法處理廢氣的專利以來,生物過濾技術(shù)在歐洲和北美等地區(qū)已有幾十年的研究和使用經(jīng)驗,如今已被廣泛用于化工、養(yǎng)殖、制藥、垃圾填埋、污水處理等領(lǐng)域的惡臭治理中。但目前國內(nèi)僅在石化和污水處理等行業(yè)有少量建成的廢氣工業(yè)化生物過濾裝置運行,且在運行過程中還存在著諸多問題[4]。
本文介紹了近年來國內(nèi)外生物過濾裝置在運行中存在的問題及相應(yīng)的研究情況,從而為生物過濾法在我國的工業(yè)化應(yīng)用提供一定的參考和指導(dǎo)。
生物過濾法處理VOCs的工藝流程見圖1。由圖1可見,低濃度的VOCs首先經(jīng)過去除懸浮顆粒物、調(diào)節(jié)氣體溫度和濕度等預(yù)處理措施,再通過氣體輸送裝置進入到裝填有負載著微生物的多孔介質(zhì)(又稱填料,通常包括堆肥、木屑、沸石、珍珠巖等)的生物床層中,通過營養(yǎng)添加、pH調(diào)節(jié)等手段使生物濾池達到最佳的運行條件,保證微生物可以最大化地將進入到生物床層中的VOCs分解成CO2和H2O等無害物質(zhì),外排至大氣中。在生物反應(yīng)過程中,附著在介質(zhì)上的微生物一直保持著靜止和固定的狀態(tài),而被處理的VOCs氣體則處于變化和流動的狀態(tài)[5]。
圖1 生物過濾法處理VOCs的工藝流程
生物濾池中發(fā)生的反應(yīng)是一個生化過程,見式(1)。
然而,要保證生物濾池能持續(xù)穩(wěn)定地運行,還受到諸多因素的限制。大量資料顯示,在最優(yōu)的操作條件下,生物濾池的去除效率可達95%以上。但大多數(shù)情況下,生物濾池都無法在最佳的條件下進行生物降解反應(yīng),這主要受以下因素的制約。
微生物作為生物過濾反應(yīng)的主體,是決定生物濾池性能的主要因素。生物濾池中的微生物主要是從活性污泥中篩選馴化而來的,大量的研究顯示,在篩選和馴化的過程中考察微生物的降解性能及其動力學(xué),有助于了解微生物在生物過濾反應(yīng)中的作用,同時為工程菌的制備提供資源[6-7]。目前,具有降解VOCs能力的微生物主要包括細菌和真菌,生物過濾反應(yīng)中降解VOCs的微生物見表1[8]。目前,對生物濾池中微生物的研究還是以細菌為主,對真菌的研究較少,這是由于真菌生物濾池具有如下的缺點:1)啟動時間較長;2)床層阻力逐漸增大;3)產(chǎn)生孢子污染[9]。然而,真菌對疏水性VOCs較強的吸附降解能力,因此近年來對真菌的研究逐漸增多。其中,Vergara-Fernández等[10]以腐皮鐮刀菌(Fusarium solani)為對象,分別考察了溫度和濕度對孢子產(chǎn)生的影響,進氣負荷、空塔停留時間和填料對孢子擴散的影響[11],以及不同填料對正戊烷-生物相分配系數(shù)的影響[12]??梢灶A(yù)料,隨著研究不斷深入,真菌生物濾池的應(yīng)用前景會越來越好。
表1 生物過濾反應(yīng)中降解VOCs的微生物
由表1可見,每一種VOCs都有一或多種降解菌與其對應(yīng)。因此,對于一種VOCs,單一菌種就可以取得較好的處理效果;而在處理多組分VOCs時,則須通過微生物群落(即多種菌株的共生群體)的協(xié)同作用來實現(xiàn)污染物的降解。如煉油和化工企業(yè)污水處理過程中揮發(fā)的VOCs包含多種組分,為了獲得較好的去除效果,通常會選用活性污泥掛膜。許多學(xué)者對污泥中的微生物群落結(jié)構(gòu)進行了研究。謝冰等[13]分析了生物過濾法處理惡臭氣體(H2S、NH3和其他VOCs)過程中填料表面的微生物群落結(jié)構(gòu),實驗結(jié)果表明,生物膜中的微生物主要由異養(yǎng)細菌和真菌組成,其中異養(yǎng)細菌占優(yōu)勢地位;細菌中芽孢桿菌屬為優(yōu)勢菌種,占細菌總量的62.5%;真菌中青霉菌屬為優(yōu)勢菌種,占真菌總量的25.7%。Fu等[14]在進氣負荷為0.26~3.76 g/(m3·h)的條件下,考察了混合菌群對乙烯的處理效果(去除率接近100%),并通過微生物群落結(jié)構(gòu)分析確定生物膜主要由β-變形菌,γ-變形菌、桿菌和放線菌等組成。目前,微生物分析手段主要有變性梯度凝膠電泳(DGGE)、溫度梯度凝膠電泳(TGGE)、單鏈構(gòu)象多態(tài)性檢測(SSCP)等,通過這些手段可以更好地了解微生物群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。
填料作為微生物在生物濾池中生長代謝的承托結(jié)構(gòu),為生物膜的形成提供了骨架和基質(zhì),有利于生物降解反應(yīng)的進行。因此,理想的填料要具備以下特點:1)較大的比表面積;2)一定的機械強度;3)較強的保水能力;4)較高的孔隙率。目前常用的填料根據(jù)性質(zhì)可分為兩類:1)有機填料,主要包括堆肥、泥炭、木片等;2)無機填料,主要包括沸石、珍珠巖、泡沫材料、活性炭等。
2.2.1 有機填料
堆肥是研究最為廣泛的有機填料,因為堆肥可以為微生物的生長提供豐富的有機質(zhì),從而提高VOCs的處理效果;但缺點也很明顯,隨著微生物不斷增殖,床層孔隙率會逐漸降低,引起床層堵塞和壓降增大,從而增大系統(tǒng)的能耗。
同堆肥一樣,泥炭亦含有大量的有機質(zhì),可為微生物的生長提供充足的營養(yǎng),但泥炭缺乏足夠的機械強度(堆肥也是如此),當床層填料較多時,易發(fā)生壓實。木片含有的生物量和有機質(zhì)較堆肥和泥炭相對偏少,但卻遠大于無機填料,同時具有無機填料的高機械強度,可以保證不會因為床層壓實產(chǎn)生溝流現(xiàn)象和厭氧環(huán)境[15]。研究表明,選用合適的木片做填料可以獲得較高的VOCs去除率。Chen等[16]選用西部雪松(WC)和硬木(HW)兩種木片作為填料對惡臭及H2S和NH3的混合氣體進行生物降解,結(jié)果顯示HW和WC對惡臭的去除率分別為70.1%和82.3%,對H2S的去除率分別為81.8%和88.6%,對NH3的去除率分別為43.4%和74%。
2.2.2 無機填料
與有機填料相比,無機填料機械強度大,不會產(chǎn)生床層壓實問題,但無機填料本身不含有機質(zhì),無法為微生物生長提供營養(yǎng),因此還需要額外添加營養(yǎng)液。目前,泡沫材料和活性炭被廣泛用于生物過濾研究。
Baltr?nas等[17]對比了泡沫材料與其他填料的保水能力,結(jié)果顯示,保水能力大小順序為泡沫>木片>沸石。此外,具有高孔隙率的泡沫材料可以給微生物的生長提供更大的空間[18]。
活性炭對氣體有很強的吸附能力,當活性炭的表面附著上微生物以后,吸附和生物降解的雙重作用提高了VOCs的去除性能[19]。Aizpuru等[20]在處理由乙醇、甲酮、酯類和芳香族化合物組成的廢氣時發(fā)現(xiàn)負載微生物的活性炭比無微生物負載的活性炭對廢氣的去除效率要高很多(85%和55%)。
2.2.3 復(fù)合填料
近年來,研究人員針對有機填料和無機填料各自的特點,根據(jù)優(yōu)勢互補的原則,通過混合不同的填料來處理VOCs,顯示了較好的去除性能。Dixit等[21]考察了復(fù)合填料(堆肥和木片)對甲苯和丙醇的處理效果,經(jīng)過長期的運行實驗,對甲苯的降解率為70~100%(0~165 d)、對丙醇的降解率為100%(166~200 d)。呂明杰等[22]使用有機復(fù)合填料(木片、木屑和泥炭按一定比例混合)處理甲苯,在進氣量為0.4 m3/h、甲苯質(zhì)量濃度為400 mg/m3的條件下,其生物降解負荷可達30.6 g/(m3·h)。
水是微生物生存的基本環(huán)境,在床層中保持一定的水分有助于微生物獲取生長代謝所需的基質(zhì)和營養(yǎng),并保持細胞膜內(nèi)外的電解質(zhì)平衡[23]。因此,床層濕度是影響生物濾池性能的關(guān)鍵因素之一[24]。相關(guān)研究表明,對于大部分的填料,床層濕度的最佳范圍是35%~80%[25],在此范圍內(nèi)微生物的降解速率可以達到最大。當床層濕度過小時,填料就會出現(xiàn)板結(jié)和干裂的現(xiàn)象,導(dǎo)致微生物失活,進而降低生物濾池對VOCs的去除能力;而當床層濕度過大時,過多的水分會降低床層的孔隙率,導(dǎo)致床層的壓降升高,并增大VOCs和氧氣在氣液傳質(zhì)過程中的阻力,甚至在床層的局部形成厭氧環(huán)境,同樣不利于生物過濾反應(yīng)的進行。因此,在生物濾池的運行過程中維持一定的床層濕度是十分必要的。大量研究表明,75%的生物濾池運行失敗的原因是由低效的濕度控制引起的[26-27]??梢娫谏a(chǎn)過程中,要把生物床層的濕度控制在理想的范圍內(nèi)是非常困難的。
尋找有效的濕度控制手段要建立在對生物床層濕度深刻理解的基礎(chǔ)上。影響床層濕度的因素有很多,例如進氣的濕度、床層的噴淋頻率和噴淋量、微生物在床層中的分布情況、微生物的氧化產(chǎn)熱、填料的保水能力等[28]。在這些因素當中,進氣的濕度和微生物的氧化產(chǎn)熱會導(dǎo)致生物床層的濕度顯著降低。首先,氣體在床層內(nèi)的流動會減少填料表面的水分,而水分不飽和的氣體則會加劇這一過程;此外,微生物在生物氧化過程中產(chǎn)生的熱量也會導(dǎo)致生物床層的溫度升高,加大填料表面水分的蒸發(fā),降低床層的濕度。針對這兩種現(xiàn)象,目前生物床層的保濕方法主要有以下2種:1)在氣體進入生物床層之前,對VOCs進行預(yù)加濕(通常保證氣體的相對濕度在95%左右),據(jù)研究顯示,在處理高濃度VOCs時,氣流和生物降解產(chǎn)熱導(dǎo)致的床層濕度降低比例可達到70 g/kg[12],盡管給氣體預(yù)加濕是控制床層濕度的有效手段,但缺點是該方式會增大系統(tǒng)的能耗;2)通過噴淋的方式對生物床層進行加濕,這種方式比進氣預(yù)加濕的效果更直接、成本也更小,但這種噴淋方式不易控制,很容易因為噴淋過量而造成床層的濕度過高,微生物數(shù)量減少,且不利于生物床層內(nèi)水分的均勻分布。因此,如何優(yōu)化床層的加濕手段是未來值得深入研究的課題。
目前,生物濾池大都在常溫下運行,這主要是因為大多數(shù)在生物濾池中起作用的微生物屬于嗜中溫菌,只有少部分屬于嗜熱菌。相關(guān)研究表明,當生物濾池的床層溫度保持在20~30 ℃時,生物濾池的VOCs去除性能會保持在一個較高的水平上,并且不發(fā)生顯著的變化[29]。一般來說,影響生物床層溫度變化的因素有2個,環(huán)境溫度和生物產(chǎn)熱。環(huán)境對生物床層溫度的影響主要表現(xiàn)在季節(jié)的變化上,外界氣溫的變化會影響進氣的溫度;而生物降解的過程是一個放熱反應(yīng),產(chǎn)熱的多少取決于進氣的有機負荷,相關(guān)研究指出,生物降解反應(yīng)會導(dǎo)致床層升溫2~4 ℃,如果VOCs的負荷過高,床層的溫度甚至?xí)?0 ℃[23]。當進氣溫度為常溫(春、夏、秋季)時,微生物代謝產(chǎn)熱和外界氣溫的共同作用會導(dǎo)致生物床層逐漸升溫,因此,可適當增大進氣量,加速生物床層的散熱;而當進氣溫度較低(冬季)時,床層溫度受氣量的影響較為明顯,大量的低溫廢氣通過床層會加速傳熱過程,從而使床層降溫,同時降低微生物對VOCs的去除性能。因此,在冬季需要采取一定的氣體增溫手段和生物濾池的保溫措施,才能保證床層中微生物正常的代謝過程。
同溫度一樣,生物床層的最佳pH范圍也是由微生物決定的。不同的是,微生物對pH的敏感性要遠大于溫度,一旦床層pH超過了其適應(yīng)范圍,微生物活性會迅速降低。床層pH在生物濾池的運行過程中產(chǎn)生波動主要是由于微生物在代謝過程中不僅生成了CO2和H2O,同時還產(chǎn)生了很多的副產(chǎn)物,這些物質(zhì)主要包括有機酸(乙酸)、因鹵代有機物和還原性硫化物(H2S)等發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的無機酸[30]、雜原子化合物轉(zhuǎn)變成的酸性產(chǎn)物[31]等。這些酸性產(chǎn)物不僅會降低床層的pH、影響微生物的去除性能,而且還會腐蝕設(shè)備和管線。目前,生物濾池中已發(fā)現(xiàn)的微生物大都屬于嗜中性菌,其生長代謝的最適pH范圍為6~9。要保持生物床層最適的pH范圍,就需要向濾池中投加一定量的堿性藥劑,最常見的手段是投加石灰石粉末。但固體粉末無法均勻覆蓋到整個床層,因此,將其配成弱堿性溶液并通過噴淋的方式來提高床層的pH值,這樣做的好處是可同時給床層增濕。
營養(yǎng)物質(zhì)對微生物的代謝作用至關(guān)重要。生物濾池中具有降解作用的微生物都屬于異養(yǎng)性微生物,這類微生物在代謝過程中除了要保證充足的氧氣和碳源,還需要氮、磷、鉀以及一些必要的微量元素。對于由堆肥、泥炭等有機填料組成的生物床層,床層本身含有豐富的有機質(zhì),一般不需再額外添加營養(yǎng)物質(zhì);而對于沸石、珍珠巖、泡沫材料等無機填料組成的生物床層,則需要定期向床層中補充營養(yǎng)物質(zhì)。相關(guān)研究顯示,在營養(yǎng)物質(zhì)中,氮源的作用僅次于碳源,充足的氮源可以顯著提高生物濾池的性能。Delhoménie等[32]認為,營養(yǎng)物質(zhì)中C和N(尿素作為氮源)的化學(xué)計量比在lg(C/N)為0.6左右時,生物濾池對甲苯的去除能力可由0~10 g/(m3·h)提高至40~50 g/(m3·h)。此外,在生物濾池的啟動階段添加適量的微量元素,例如磷、硫、鉀等,可以有效地促進微生物的生長,縮短啟動周期。
自20世紀80年代至今,生物過濾的工藝研究已相當成熟。但生物過濾技術(shù)在工業(yè)化的過程中卻出現(xiàn)了諸多問題,限制了生物過濾法的應(yīng)用和推廣。針對這些問題,今后生物過濾技術(shù)的研究重點應(yīng)著重在以下4個方面:1)微生物工程菌的篩選和強化;2)生物濾池的溫濕度控制技術(shù);3)新型填料的研發(fā);4)生物過濾裝置的自控系統(tǒng)研究。
近年來,隨著國內(nèi)環(huán)保要求的日益嚴格,高濃度、有回收價值的VOCs可以被重新加以富集和利用,而低濃度、無回收價值的VOCs則迫切需要一種經(jīng)濟、有效的技術(shù)加以處理,生物過濾法作為一種易操作、低成本的環(huán)保技術(shù)必然成為VOCs處理的首選工藝。因此,進一步加強生物過濾技術(shù)的工業(yè)化研究必將有助于推進該技術(shù)的應(yīng)用和推廣,也可更好地解決相關(guān)企業(yè)的VOCs污染問題。
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