生物法凈化揮發(fā)性有機(jī)物反應(yīng)器的研究進(jìn)展

盧雨奇,張長(zhǎng)平

(河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,天津 300401)

摘要：綜述了目前生物法凈化揮發(fā)性有機(jī)物的3種典型反應(yīng)器——生物洗滌器、生物過(guò)濾器以及生物滴濾器。對(duì)3種生物反應(yīng)器的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，指出了存在的問(wèn)題，并展望了生物反應(yīng)器未來(lái)的研究方向。

關(guān)鍵詞：揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)；生物洗滌器；生物過(guò)濾器；生物滴濾器

基金項(xiàng)目：河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(13213703)

收稿日期：2015-04-24

作者簡(jiǎn)介：盧雨奇(1991-)，女，天津人，碩士研究生，研究方向：微生物處理污染物，E-mail:494302565@qq.com；通訊作者：張長(zhǎng)平，副教授，E-mail：469407048@qq.com。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.09.001

中圖分類(lèi)號(hào)：X 511文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compounds，VOCs)是一類(lèi)常見(jiàn)的大氣污染物，不僅嚴(yán)重危害人類(lèi)身體健康，而且對(duì)動(dòng)植物包括農(nóng)作物的生長(zhǎng)也帶來(lái)不良影響。生物法通過(guò)微生物把VOCs降解為二氧化碳、水、無(wú)機(jī)鹽和生物質(zhì)，以降低其對(duì)環(huán)境的危害。生物法降解VOCs設(shè)備簡(jiǎn)單，溫度、壓力、濕度、含氧量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等條件容易控制；降解性能穩(wěn)定，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和填料等消耗物質(zhì)容易獲得；運(yùn)行成本相對(duì)較低，其工作原理也決定了該方法的二次污染很小。生物凈化技術(shù)所使用的主要生物反應(yīng)器包括生物洗滌器、生物過(guò)濾器以及生物滴濾器。作者在此介紹了上述3種生物反應(yīng)器的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)缺點(diǎn)，并指出了生物反應(yīng)器未來(lái)的研究方向。

1生物洗滌器

生物洗滌器適合吸收負(fù)荷較高、可溶、低流量的VOCs，如乙醇、乙醚等，但不適用于難溶的VOCs。楊漢祥等[1]探索了生物洗滌器的凈化效果，發(fā)現(xiàn)其在高濃度下凈化效果較好，對(duì)污染物的處理效率可達(dá)52.7%～78.6%。劉玉紅等[2]用生物洗滌器處理含苯酚的廢氣也取得了較好的效果。

2生物過(guò)濾器

傳統(tǒng)生物過(guò)濾器對(duì)乙醇、乙醛、丙酮和一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的芳香族化合物的去除效果非常明顯，而對(duì)具有復(fù)雜化學(xué)鍵的污染物的去除則非常困難。

孫玉梅等[3]采用生物過(guò)濾法去除廢氣中的乙酸乙酯，在pH值 6.5、室溫條件下運(yùn)行80 d，乙酸乙酯去除率達(dá)99%以上。劉永慧[4]分別研究了生物過(guò)濾法處理乙酸乙酯廢氣、甲苯廢氣以及乙酸乙酯和甲苯混合廢氣的效率，結(jié)果顯示，該方法對(duì)乙酸乙酯的去除率超過(guò)90%，去除甲苯的最大負(fù)荷可達(dá)50 g·m-3·h-1。

曹陽(yáng)等[5]將生物過(guò)濾技術(shù)與其它方法聯(lián)合(如紫外-生物過(guò)濾技術(shù))處理難溶難降解的VOCs，在傳統(tǒng)的生物過(guò)濾器裝置前端設(shè)置了紫外預(yù)處理段，解決了難降解VOCs水溶性差的問(wèn)題，將其變?yōu)樗苄院谩⑸^高的有機(jī)物。經(jīng)過(guò)濾池時(shí)能有效降低臭氧濃度和生物毒性，并且聯(lián)合裝置的抗沖擊能力也得到增強(qiáng)。

3生物滴濾器

生物滴濾器與生物過(guò)濾器的最大區(qū)別是生物滴濾器頂部設(shè)有噴嘴，外加營(yíng)養(yǎng)液從上方噴淋到填料表面，提供了氮、磷等微生物所需的營(yíng)養(yǎng)元素。生物滴濾器性能的主要影響因素有底物、填料、微生物種類(lèi)及運(yùn)行工藝等。

3.1　底物

早期研究主要集中在以甲苯、苯乙烯等為代表的VOCs。如王麗萍等[6]開(kāi)發(fā)了凈化甲苯的高性能生物滴濾器。吳獻(xiàn)花等[7]利用生物滴濾塔凈化苯乙烯廢氣。

隨著研究對(duì)象范圍的不斷擴(kuò)大，除研究單種類(lèi)的VOCs外，國(guó)外學(xué)者也開(kāi)始重視對(duì)VOCs混合物的研究。我國(guó)雖然起步較晚，但也已經(jīng)廣泛開(kāi)展了相關(guān)研究。馬紅等[8]利用生物滴濾器去除甲苯、乙苯、二甲苯混合氣體。徐磊[9]通過(guò)細(xì)菌、真菌兩段式生物滴濾器降解“三苯”(苯、甲苯和二甲苯)。王娟等[10]對(duì)低質(zhì)量濃度甲苯、二甲苯混合廢氣微生物降解的研究發(fā)現(xiàn)，二甲苯凈化率明顯低于甲苯。

3.2　填料

填料在生物滴濾器的組成中扮演著重要角色，選用性能更好的填料可以減少實(shí)際操作中遇到的填料易堵塞、營(yíng)養(yǎng)液與VOCs分布不均、填料更換難等問(wèn)題。常用的生物填料包括陶瓷類(lèi)填料、活性炭、沸石、礦渣等。

目前新型填料的研究與使用也非常廣泛。王軍等[11]對(duì)單一填料和組合填料的壓降和吸附性能進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)組合填料的性能優(yōu)于單一填料；組合填料的阻力小，液泛幾率減少，對(duì)VOCs 的去除率高于98%。秦慧娟[12]對(duì)改性的泡沫陶瓷填料與陶粒填料進(jìn)行對(duì)比研究，采用2個(gè)完全相同實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物滴濾塔凈化VOCs，結(jié)果表明，泡沫陶瓷填料塔的各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)于陶粒填料塔。余關(guān)龍[13]采用整塊網(wǎng)狀聚氨酯海綿材料作為生物滴濾器的填料，處理以甲苯為代表的VOCs，表現(xiàn)出傳質(zhì)效率高并且動(dòng)態(tài)掛膜快的特點(diǎn)，甲苯降解性能優(yōu)越。王中[14]同樣以整塊開(kāi)孔網(wǎng)狀的聚氨酯海綿材料為載體的生物滴濾器處理苯乙烯。馬紅等[8]進(jìn)行了以纖維附著活性炭和不銹鋼絲網(wǎng)為填料的甲苯、乙苯、二甲苯混合氣體的降解性能研究。結(jié)果表明，在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，雖然也會(huì)由于過(guò)剩的生物質(zhì)積累而引起裝置堵塞、壓降增加的現(xiàn)象，但由于載體采用絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)凈化效果保持良好。苑宏英等[15]采用環(huán)境友好型焦炭填料進(jìn)行研究，在進(jìn)氣濃度為50～114 mg·m-3時(shí)，去除率為30%～45%，VOCs去除率最高可達(dá)90%左右，廢棄后的填料還可以作為燃料。

3.3　微生物種類(lèi)

微生物馴化過(guò)程中，需要篩選出降解效果明顯的優(yōu)勢(shì)菌。徐磊[9]對(duì)比研究了真菌和細(xì)菌降解苯的能力，研究發(fā)現(xiàn)，在苯濃度低于1 000 mg·cm-3時(shí)，真菌有明顯的降解優(yōu)勢(shì)。王麗萍等[16]以甲苯作為唯一碳源對(duì)焦化廢水活性污泥進(jìn)行馴化，篩選出適宜的有高生化降解能力的微生物菌種，鏡檢結(jié)果表明，生物膜中的優(yōu)勢(shì)菌種是短桿菌。Reardon等[17]采用實(shí)驗(yàn)室分離的PseudomonasputidaF1菌種去除廢氣中的苯、甲苯和乙醇。王娟等[18]研究發(fā)現(xiàn)，高溫條件下降解甲苯的優(yōu)勢(shì)菌種是球形菌。

3.4　運(yùn)行工藝

影響生物滴濾器去除效果的工藝因素包括填料的比表面積、孔隙率、高度以及營(yíng)養(yǎng)液的流量、營(yíng)養(yǎng)液中氮和磷的含量、進(jìn)氣時(shí)氣體流量、入口氣體濃度等。

周敏等[19]對(duì)甲苯氣體進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著進(jìn)氣甲苯濃度的增大，凈化效率逐漸降低，而生化去除量隨之增大；停留時(shí)間的延長(zhǎng)有利于凈化效率的提高。羌寧等[20]采用生物滴濾器處理憎水性VOCs時(shí)發(fā)現(xiàn)，適宜的溫度有利于氣體的傳質(zhì)和微生物酶活性的提高，在25～35 ℃，生物反應(yīng)器運(yùn)行良好，35 ℃是好氧微生物的最佳生長(zhǎng)溫度。關(guān)曉輝等[21]研究了滴濾塔填料高度對(duì)含苯廢氣降解效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加填料高度可以提高VOCs的去除率。Hassan等[22]通過(guò)生物滴濾器控制生物量，發(fā)現(xiàn)反沖洗、饑餓和停滯期3個(gè)過(guò)程中，停滯期效率最高。

4結(jié)語(yǔ)

生物洗滌器可以用于處理氣量小、濃度大、易溶解、代謝速率較慢的VOCs，但安裝成本較高，從經(jīng)濟(jì)角度考慮不是最佳選擇。而且在運(yùn)行過(guò)程中控制處理的VOCs流量不能過(guò)大，否則易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。因此，生物洗滌器只能針對(duì)性地處理某類(lèi)VOCs，具有局限性。

生物過(guò)濾器在處理有機(jī)廢氣和惡臭物質(zhì)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。生物過(guò)濾處理技術(shù)雖然能夠以較低的成本很好地處理中低濃度、易降解的 VOCs，但生物過(guò)濾器仍有其局限性。當(dāng)入口 VOCs 負(fù)荷超過(guò) 50 g·m-3·h-1或?yàn)殡y降解 VOCs 時(shí)，去除效果較差。生物過(guò)濾器在處理多組分復(fù)雜 VOCs 混合廢氣，特別是高負(fù)荷或難生物降解的 VOCs 方面還有很大發(fā)展空間。

越來(lái)越多的學(xué)者投入到新型生物過(guò)濾器的研究中，如在傳統(tǒng)生物過(guò)濾器的基礎(chǔ)上發(fā)展研制出了轉(zhuǎn)鼓生物過(guò)濾器、復(fù)合式轉(zhuǎn)鼓生物過(guò)濾器等。

生物滴濾器相較于生物過(guò)濾器而言，以其獨(dú)特的外加噴淋裝置顯示出其性能優(yōu)越性：(1)反應(yīng)條件易于控制，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)液的pH值、溫度，就可以控制反應(yīng)器的pH值和溫度。因此，生物滴濾器在處理鹵代烴、含硫、含氮等在微生物降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生酸性代謝產(chǎn)物及產(chǎn)能較大的污染物時(shí)，較其它反應(yīng)器更有優(yōu)勢(shì)；(2)噴淋液還可以避免高負(fù)荷造成堵塞和填料易干化的問(wèn)題；(3)生物滴濾器由于填料具有剛性特質(zhì)，可采用增加塔高的方法，在增大設(shè)備處理能力的同時(shí)不增加用地。

目前，生物滴濾器的研究方向主要集中在污染物性質(zhì)、生物反應(yīng)器運(yùn)行工況的研究、生物填料的優(yōu)化選擇、動(dòng)力學(xué)研究以及高效菌種的馴化和篩選。

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Research Progress in Biological Treatment Reactor of Volatile Organic Compounds

LU Yu-qi，ZHANG Chang-ping

(SchoolofEnergyandEnvironmentalEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China)

Abstract：This review focuses on three typical reactor for biological treatment of volatile organic compounds(VOCs):bioscrubber，biofilter and biotrickling filter.The applications,advantages and disadvantages of three bioreactors were summarized,the existing problems were pointed out,and the future research directions of bioreactors were indicated.

Keywords：volatile organic compounds(VOCs);bioscrubber;biofilter;biotrickling filter

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