環(huán)境生物技術(shù)在廢氣及大氣污染治理中的應(yīng)用以及發(fā)展前景.doc

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生物技術(shù)體系采用生物技術(shù)控制和處理廢氣，將廢氣中的有機污染物或惡臭物質(zhì)降解或轉(zhuǎn)化為無害或低害類物質(zhì)，從而凈化空氣，是一項空氣污染控制的新技術(shù)。目前采用的方法主要有生物過濾、生物洗滌和生物吸附法等，所采用的生物反應(yīng)器為生物凈氣塔、滲濾器和生物濾池等。2.1 生物過濾法隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展， 大量的揮發(fā)性有機化合物(Vocs)被排放到大氣中。Vocs以其來源廣、危害大的特點而成為僅次于顆粒污染物的第二大大氣污染物。大氣中逐漸增加的Vocs已經(jīng)成為當今關(guān)注的重要環(huán)境問題之一。傳統(tǒng)處理Vocs廢氣方法主要有燃燒、冷凝、吸附、吸收等。生物過濾法是一個相對較新的處理大氣量、可生化Vocs的廢氣處理技術(shù)。憑簡單高效、費用低、無二次污染等特點。生物過濾法成為一簡單、高效及具有前景的Vocs廢氣處理技術(shù)。生物過濾法是在生物濾池內(nèi)部填充活性填料，廢氣經(jīng)加壓預濕后從底部進人生物濾池，氣體中的無機污染物、有機污染物或惡臭物質(zhì)與填料上附著生成的生物膜(微生物)接觸，被生物膜吸收，最終被降解為水和二氧化碳或其它成分，處理過的氣體從生物濾池的頂部排出。該方法的特點是設(shè)備少、操作簡單、不需外加營養(yǎng)物、投資運行費用低、去除效率高，但反應(yīng)條件較難控制、占地面積較大。其主要用于各行業(yè)的有機物廢氣的處理以及污水處理廠等工廠的惡臭氣體的處理，總的來說，就是一些硫醇，胺類，酚類等有機物以及氨氣，硫化氫，二氧化硫等無機惡臭氣體。最早提出采用微生物處理廢氣構(gòu)想的是Bach，他于1923年曾利用土壤過濾床處理污水處理廠散發(fā)的含H2S 惡臭氣體2。使此想法得到進一步發(fā)展的是Pomeroy，他于1957 年在集美國申請了“開放式生物濾池”3專利，并在歐洲(主要是德國和荷蘭)運用生物過濾技術(shù)處理惡臭、有機和無機氣態(tài)污染物4，同時真正將生物過濾法應(yīng)用到處理Vocs廢氣始于20世紀80年代。相對于國外中國生物過濾法處理廢氣的起步較晚，于20世紀90年代初才開始這方面的研究。孫佩石5等用生物法處理甲苯， 并嘗試生物法處理工業(yè)廢氣。李國文等6開展了生物過濾凈化有機廢氣與動力學方面的研究。王燦7研究了白腐真菌生物過濾塔對氯苯氣體的去除情況。劉永慧等8開發(fā)設(shè)計分段式生物過濾床， 可成功凈化甲酸乙酯混合廢氣。對于NH3廢氣的生物處理， 陳英旭等9取得了積極的成果。朱國營等10對處理乙硫醇廢氣生物濾池中的微生物進行了初步鑒定；席勁瑛等11研究了微生物種群的代謝特性， 而系統(tǒng)地對微生物菌落的分布及特性的研究極少。目前， 國內(nèi)外有關(guān)生物過濾處理Vocs廢氣的研究主要集中于生物過濾法在實際應(yīng)用中最佳參數(shù)系統(tǒng)的篩選與影響因素的評價、高濃度或難生物降解Vocs處理、微生物菌落特征、動力學等方面。雖然生物過濾處理在處理既無回收價值又嚴重污染環(huán)境的中低濃度、生物降解性好的Vocs時具有良好的適用性和經(jīng)濟性，但其在處理Vocs仍存在較多的問題， 如對高濃度或難降解Vocs的去除效率差，填料使用壽命短、酸化、壓實、營養(yǎng)缺乏等，從而影響Vocs生物處理性能。影響因素包括底物的性質(zhì)，底物Vocs結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是生物法處理Vocs中至關(guān)重要的影響因素；填料，填料是生物過濾器的主體部分，生物過濾器處理Vocs的成功主要依賴于填料它可以為微生物提供最佳的生存環(huán)境以達到和維持高的生物降解速率；濕度，填料濕度是生物過濾法處理Vocs的一個關(guān)鍵參數(shù)，Ranasinghe等12指出，填料濕度是最可能影響生物過濾器性能的參數(shù)；ph13，微生物在生物過濾反應(yīng)器處理Vocs中起著主導作用，從而影響微生物生長的pH值成為生物過濾法處理Vocs廢氣的重要影響因素；營養(yǎng)度14，填料中的營養(yǎng)是生物反應(yīng)器中微生物生長代謝和保持良好活性的重要條件。營養(yǎng)物質(zhì)主要包括氮、磷和無機鹽，對于有機填料來說，磷和無機鹽一般不會產(chǎn)生嚴重缺乏，在生物過濾處理Vocs過程中，由于可溶性氮(主要為NH3和NO3-)被利用消耗，并有部分可溶性氮通過瀝濾液損失掉，而且有機氮的礦化速率小于可溶性氮被利用速率，因此常出現(xiàn)氮的限制，目前對填料營養(yǎng)的研究主要集中在氮的研究；溫度15，溫度也影響生物過濾反應(yīng)器的性能。一般可接受的生物過濾器床層溫度為l042，最佳的微生物活性溫度范圍是3035；氧氣，氧氣是否是生物過濾法處理Vocs廢氣的限制因素有不同的研究報道16 17。所以，在一些方面，仍然是需要加強和研究的，比如：1)多組分復雜Vocs混合廢氣的去除，特別是高負荷或難生物降解Vocs的處理；2)復雜的微生物生態(tài)研究，包括微生物菌落分布及特征、微觀結(jié)構(gòu)及特性、生物量定量等；3)污染物、營養(yǎng)物質(zhì)(如氮)和氧氣的利用與平衡循環(huán)；4)生物過濾法處理實際廢氣過程中填料的壽命(酸化、壓實、營養(yǎng)缺乏等)、最佳工藝運行參數(shù)的篩選與確定；5)生物降解機制及動力學研究，尤其是微觀動力學方面的研究。2.2 生物洗滌法目前廢氣處理的生物法如上所述主要有3種：生物過濾，生物滴濾，生物洗滌。一般觀點認為生物洗滌比較適合于可溶性有機氣體的治理，在洗滌塔中發(fā)生的主要是污染物氣體洗滌吸收，降解污染物的過程主要發(fā)生在有活性污泥存在的再生池中. 18生物洗滌法分為廢氣吸收和懸浮液再生兩個階段，通常由一個裝有填料的洗滌器(吸收設(shè)備)和一個裝有活性污泥或生物膜的生物反應(yīng)器(再生反應(yīng)器)構(gòu)成。廢氣從吸收設(shè)備底部進入，向上流動，與頂部噴淋向下的生物懸浮液在填料床中相互接觸，經(jīng)傳質(zhì)過程進入液相，再進入微生物細胞內(nèi)或經(jīng)微生物分泌的胞外酶作用分解，凈化后的氣體從吸收設(shè)備頂部排出。吸收了廢氣的牛物懸浮液從再生反應(yīng)池的底部進入，通入空氣充氧，廢氣被微生物氧化利用的過程也就是懸浮液的再生過程，再生后的懸浮液再進入吸收設(shè)備進行頂部噴淋，吸收與再生兩個過程反復進行。該方法的特點是反應(yīng)條件易控制、壓降低、填料不易堵塞，但設(shè)備較多，需外加營養(yǎng)，成本較高，對溶解度小的化合物難以處理。我國在生物洗滌技術(shù)起步以后，進行了一系列研究，取得了一些成就。吸收的過程即是在研究化工原理的單元操作時所研究的，在此不再贅述，同時，國內(nèi)發(fā)展研究的重點，亦是吸收以后的廢水處理。在這里介紹的，亦是吸收廢水的處理步驟的技術(shù)進展。曹可可19研究了采用生物-電解-絮凝法處理吸收污水。他主要是從三維電極的原理出發(fā), 配以催化氧化技術(shù)。當污水流經(jīng)電解復合床時, 在一定的操作條件下, 裝置內(nèi)便產(chǎn)生具極強性能的羥基及新生態(tài)的混凝劑，發(fā)生諸如氧化分解、混凝、吸附等反應(yīng)，進而在水中加入催化劑和凝聚輔助劑產(chǎn)生高效化學作用, 并經(jīng)過濾器的吸附沉淀后, 污水中的有機物迅速去除。劉玉紅20研究了主要由氣體發(fā)生系統(tǒng)、填料吸收塔和循環(huán)液槽組成的系統(tǒng)中用生物洗滌處理含苯酚廢氣,取得良好的結(jié)果。董占峰21研究了采用物化法(組合氣浮)和生化法(水解-接觸氧化)的相結(jié)合的工藝處理服裝洗滌廢水,運行結(jié)果表明,該工藝具有良好的處理效果,且運行費用較低。黃芳22亦對生物接觸法處理工藝的應(yīng)用做出了研究, 本文用SBR小試裝置、生物接觸氧化-MBR和MBR中試裝置進行鐵路洗滌廢水處理實驗研究,并且投加LAS降解菌于SBR和MBR裝置中,進行了工藝參數(shù)的確定、處理效果考察、投菌前后對比、SBR和MBR放大設(shè)計和經(jīng)濟技術(shù)對比以及膜污染狀況等方面的初步研究,為鐵路洗滌廢水處理設(shè)施的設(shè)計和運行提供了一些參考依據(jù)。同時，在生物接觸氧化的方法上，陳雯23在他的碩士學位的畢業(yè)設(shè)計時，已作出了詳細的研究。王延華24在他的設(shè)計研究中，亦提到了一種再生膠技術(shù)處理廢水, 他設(shè)計實驗，包括廢水處理技術(shù)及工藝的實驗室小試研究：廢水處理技術(shù)及工藝的初步工業(yè)應(yīng)用試驗研究；工業(yè)應(yīng)用裝置的設(shè)備設(shè)計研究。通過實驗室的小試研究，比較了膠粉、混凝劑、氧化劑和煤渣等對再生 膠脫硫廢氣生物法凈化洗滌冷卻廢水的掙化處理性能。與生物過濾法不同的是，生物洗滌法中的液相(通常帶有懸浮微生物)是流動的，在2個分開部分連續(xù)循環(huán)，這有利于控制反應(yīng)條件，便于添加營養(yǎng)液、緩沖劑和更換液體，除去多余產(chǎn)物。其反應(yīng)溫度和pH等因素也可以監(jiān)測和控制。正是如此能較好的控制其中的過程，污染物的高度集中的轉(zhuǎn)移，更適合于建模，有很高的穩(wěn)定性，填料不易堵塞，相對占地面積也小。但是它的投資較大，運行費用高，設(shè)備多，需要外加營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生的生物量過多，水的處理是一個難題，在吸附階段可能會堵塞。適用于氣量小，濃度高，易溶，生物代謝速度較低的情況。252.3 生物滴濾法研究利用生物化學法凈化空氣中的污染物可以追溯到50 年代中期，最先用于處理空氣中低濃度的致臭性物質(zhì)。由于生物滴濾法具有微生物濃度高、凈化反應(yīng)速度快、停留時間短、空隙率高、阻力小、使用壽命長、反應(yīng)條件（pH 值、營養(yǎng)）易于控制和抗負荷沖擊能力強等特點，受到越來越廣泛的重視。目前，生物滴濾法凈化芳烴類有機廢氣的研究已經(jīng)成為大氣污染控制技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。26生物滴濾法是在生物吸收法基礎(chǔ)上進行的改進，集合了生物過濾法和生物吸收法兩種工藝的優(yōu)點，生物吸收和生物降解同時發(fā)生在一個反應(yīng)裝置內(nèi)。滴濾池內(nèi)裝有填料，填料表面被生物膜覆蓋。循環(huán)水不斷噴灑在填料上，廢氣通過滴濾池時，氣體中的污染物被微生物降解。該方法的特點是只有一個反應(yīng)器、操作簡單、壓降低、填料不易堵塞、污染物去除效率高，比生物過濾法能更有效地處理含鹵化合物、硫化氫或氨等廢氣。但需外加營養(yǎng)、運行成本較高。27現(xiàn)行的研究主要集中于生物滴濾法的操作性能，微生物填料，工業(yè)化應(yīng)用，降解機理等幾個方面。生物滴濾工藝的操作性能具體可分為去除能力、停留時間和降解效率等，這是目前生物滴濾法凈化芳烴類有機廢氣研究得較為廣泛深入的方面，也是衡量生物滴濾系統(tǒng)最終處理效果的重要指標。美國學者Cox 等28 在研究中采用聚丙烯包爾環(huán)為填料凈化甲苯廢氣，去除能力達到83mg/Lh； Shihabudeen 等29采用生物滴濾系統(tǒng)對BTX 氣體的降解性能進行了對比實驗等。國內(nèi)比較系統(tǒng)的研究有孫珮石等進行的生物膜填料塔凈化甲苯廢氣初步研究，研究主要集中在機理探討和動力學方面。重慶大學的陳蓉等30在毛細管模型的基礎(chǔ)上，研究了分段進氣、氣液兩相流量、塔填料的比表面積、孔隙率、生物膜覆蓋率和甲苯進口濃度等參數(shù)對生物滴濾塔凈化效率的影響。在填料方面，目前生物滴濾器所用的填料多為卵石、木炭陶瓷、塑料、不銹鋼微粒、碳素纖維及海綿等惰性材料，一方面能避免生物滴濾器中因天然填料不均勻充填而產(chǎn)生的壓實、短路及填料降解等現(xiàn)象，另一方面也可為微生物生長提供載體，并提高生物滴濾器內(nèi)空隙率，同時惰性填料結(jié)構(gòu)堅固，使用壽命長、阻力小。近年來， 國內(nèi)外研究了很多新型填料，如William 等31 研制的聚氨酯泡沫，已應(yīng)用于甲苯廢氣處理實驗。周衛(wèi)列32等學者對生物滴濾塔凈化甲苯系統(tǒng)中采用陶瓷、塑料以及金屬波紋板等填料對形成生物膜的厚度、空隙率、壓降等特性參數(shù)進行了測定等。微生物生物滴濾的實質(zhì)是通過微生物的生理活動，將有機物分解轉(zhuǎn)化進而降解的過程。凈化的生物滴濾器內(nèi)較為常見的是假單胞屬短桿菌近年來有研究發(fā)現(xiàn)，真菌對有機物也有明顯的去除能力, 且真菌耐低濕度、酸性條件的能力明顯強于細菌。今后有可能以真菌作為主體降解有機物。王娟等33 選用以甲苯為底物馴化的石化污泥和白腐真菌做菌源，研究其對苯、甲苯、二甲苯的生物降解規(guī)律。郭曉芬等34從土壤中分離篩選出以甲苯為惟一碳源的5種細菌菌株，測定菌體濃度隨時間變化曲線，采用紫外誘變獲得優(yōu)勢誘變菌株ZD5A。Prado等35 對填裝惰性填料生物滴濾器營養(yǎng)鹽供給最適量進行了研究；William 等36研究了氮源限制對生物滴濾器內(nèi)微生物的影響。總之，今后生物滴濾法的相關(guān)研究將轉(zhuǎn)向更深層次的基礎(chǔ)理論研究，以指導生物滴濾系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用，滿足芳烴類有機廢氣處理的實際需要。包括對中間代謝產(chǎn)物的研究，使得深入對生物降解機理理解；關(guān)于生物滴濾系統(tǒng)在保持高去除能力的同時，生物量的過量增長而造成床層堵塞問題；研究它的動力學模型，將多相相間傳遞過程與生化降解過程這個復雜系統(tǒng)作為一個整體考慮，建立降解動力學模型，為生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計及其工業(yè)化應(yīng)用提供理論指導；模擬現(xiàn)實工業(yè)環(huán)境中的芳烴類有機廢氣排放進行生物滴濾系統(tǒng)凈化效能的研究，以逐步形成工程化應(yīng)用系列技術(shù)并開發(fā)出成套設(shè)備等。373 總結(jié)總之，有機廢氣生物處理是一項新的技術(shù)，由于反應(yīng)器涉及到氣、液固相傳質(zhì)及生化降解過程，影響因素多而復雜，有關(guān)的理論研究及實際應(yīng)用還不夠深人、廣泛，許多問題需要進一步探討和研究。例如目前，生物法僅限用于處理低濃度有機廢氣，如何將這些技術(shù)和方法用于高濃度有機廢氣的治理有待于研究；影響污染物去除率的關(guān)鍵過程是將污染物從氣相轉(zhuǎn)移到液相中，目前的大部分研究是對于易溶物和易降解污染物進行處理，在實際應(yīng)用中將會受到一定的限制；利用基因工程技術(shù)開發(fā)出高效的降解菌種；添加一定的有機溶劑提高疏水性污染物的溶解性；生物法所用填料的比表面積、孔隙率等直接影響反應(yīng)器的生物量以及整個填充床的壓降及填充床是否易堵塞問題。因此，改善生物濾料、填料的物理性能和使用壽命，以節(jié)省投資和能耗；實現(xiàn)自動控制，提高對各運行參數(shù)的控制能力，降低維護費用和發(fā)生故障的次數(shù)；在原有菌種的基礎(chǔ)上通過選擇最佳生長條件，篩選出能高效降解各種惡臭有毒氣體的優(yōu)勢菌種，從而縮短反應(yīng)啟動時間，加快生物反應(yīng)進程，提高處理效率是必然的方向。隨著科技的進步，生物科學和生物工程、以及生物技術(shù)將被越來越廣泛地應(yīng)用于生物多樣性保護、人類健康、環(huán)境污染防治和環(huán)境、經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展，同時在攻克環(huán)境保護的科技難關(guān)中有廣闊的發(fā)展前景。2l世紀，實現(xiàn)生物多樣性保護，合理開發(fā)生物資源，有效利用生物技術(shù)，必將是本世紀的重要課題。我國是污染嚴重的國家，我們要構(gòu)建一個有利于現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)保中應(yīng)用的良好環(huán)境，同時最大限度地減少和預防與這些技術(shù)伴生的對人類和環(huán)境的危害?！緟⒖嘉墨I】1 孟小雄環(huán)境生物技術(shù)J生物技術(shù)通報，2002(1)：4950.2 Bath H. 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