揮發性有機化合物廢氣的生物處理技術及其工程應用
摘要：介紹了含有揮發性有機化合物廢氣（VOC廢氣）的生物處理原理和技術應用。對在德國應用較廣的生物濾池和生物洗提工藝的工作原理、適用范圍、工藝設計的基本要求進行了說明。通過和其他VOC廢氣處理工藝進行的經濟技術對比，表明了生物處理工藝在其適用范圍內的優越性。
關鍵詞：揮發性有機化合物 廢氣生物處理 生物濾床 生物洗提反應器
在塑料、橡膠加工、油漆生產、汽車噴漆和涂料生產等諸多工業領域中，工業品的生產和加工過程產生了大量含有揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）的廢氣（VOC廢氣）。這些廢氣未經處理排入大氣，在一定條件下會形成光化學污染，影響大氣質量，影響動植物生長和人類的健康。某些有毒VOC廢氣有致殘、致畸、致癌作用，對長期暴露其中的人體造成嚴重傷害。為此，各國頒布了相應的法令，限制該類氣體的排放，我國于1997年頒布并實施的《大氣污染綜合排放標準》，限定33種污染物的排放限值，其中包括苯、甲苯、二甲苯等揮發性有機物。
對VOC廢氣的治理，有多種處理技術可供使用。但對于VOC濃度低、風量大的廢氣，傳統工藝存在投資運行費用高、處理效率低和處理后存在二次污染等問題。近年來，逐漸發展的廢氣生物處理技術作為一種新型的空氣污染控制技術，得到日益廣泛的應用。該項技術與傳統的燃燒法、催化氧化法、吸收法、吸附法相比，對VOC低含量廢氣的處理有明顯的優勢。本文主要介紹現行的德國廢氣生物處理技術，以期對我國相應技術的推廣應用起到借鑒作用。
1 廢氣生物處理工藝
1.1 生物處理原理
廢氣的生物處理技術首先應用于農業生產過程中異味氣體的處理，例如養殖業中動植物加工產生的臭氣、堆肥發酵和生物污泥廢氣處理等。隨著工業生產中產生的揮發性有機氣體的污染日益嚴重，這項技術逐步應用到工業廢氣凈化領域。其凈化的基本原理是：有機廢氣或異味氣體流經帶有液體吸收劑的處理器；在處理器中，由于廢氣中的污染物在氣、液相之間存在濃度梯度，濃度差使其從氣相轉移到液相，被生存其中的微生物吸附；通過微生物的代謝作用，有機物被分解、轉化為生物質和無機物。
1.2 反應處理工藝分類
生物處理技術的基本工藝流程以生物過濾為例，如圖1所示，廢氣經過一定的除塵、溫度和濕度調節，進入生物處理單元，經過微生物的處理，氣體可以達標排放。
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圖1 有機廢氣的生物處理工藝流程圖
根據處理運行方式不同，處理工藝主要分為生物濾床工藝和生物洗提工藝兩種。
1.2.1 生物濾床
廢氣流經生物濾床（見圖2）中的活性濾層，有機物被濾料上的濕潤水膜吸收，通過濾料上生活的微生物的代謝作用而降解。
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（a）生物濾床示意圖 （b）多層布置的生物濾床 |
圖2 生物濾床
生物濾床主要由進氣系統、布氣承托層、生物濾層和維護裝置組成。
在生物濾床處理廢氣過程中，微生物的活性和數量對處理效果具有決定意義，它們取決于如下因素：進氣流量、溫度和濕度；廢氣中物質組成；濃度的穩定性和水溶性；氧氣和營養物的供給；濾床的布置和溫度、濕度保持；濾料的選擇；濾床中的pH控制等。
濾料影響微生物的生長，從而直接影響凈化效果。濾料選擇必須考慮濾料的孔隙率、孔徑分布、比表面積、親水性、自身氣味、pH等參數。在工程實踐中，一般可選擇有機濾料或無機濾料。無機濾料選擇比表面積大，有一定強度的無機填料，如加氣混凝土、多孔陶粒、熔巖顆粒或礦渣等。有機濾料主要有腐殖樹皮、植物根須、枝杈、鋸末、泥炭等及其混合物。由于有機濾料廉價易得，獲得廣泛的應用。有機濾料濾層一般高度在0.5～1.2 m。運行3～5年后，由于密實度增大造成阻力增大，應進行更換；更換濾料時，宜分次進行，以保持濾料中微生物種群的穩定。
1.2.2 生物洗提工藝
生物洗提工藝采用了污染物的液體吸收和生物處理的聯合作用。廢氣首先被液體（吸收劑）有選擇地吸收形成混合污水，再通過微生物的作用將其中的污染物降解。根據污水處理的方式（吸收劑再生方式）不同，可分為活性污泥法和生物膜法（生物滴濾池），構筑物示意圖如圖3、圖4所示：
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圖3 生物洗提—活性污泥法示意圖
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圖4 生物滴濾池示意圖
從圖3中可以看出，生物洗提-活性污泥法是將吸收劑（水和微生物的混合液）和廢氣在吸收塔內采用通過噴淋、填料填充或曝氣等方式進行混合，溶解于水的有機物被微生物吸附，排入活性污泥反應器后進一步被降解，吸收劑得到凈化再生和重復使用。因為吸收劑的再生速度不受處理負荷和吸收速度的影響，所以這種方法適用于處理生物降解速度較慢的有機物。
圖4所示滴濾池中的填料上生長有大量生物膜，當廢氣通過其間，有機物被生物膜表面的水層吸收后被微生物吸附和降解，得到凈化再生的水被重復使用。
在生物洗濾過程中，吸收劑的再生效率影響廢氣的吸收、凈化效果和系統的能耗高低，
這主要取決于污水處理效率的高低。而影響生物洗提工藝處理效果的因素有：廢氣中有機物水溶性和生物降解難易程度；進氣溫度、粉塵和有毒物質含量；對微生物的曝氣和營養物質供給（如N、P等）；水的溫度、pH、含鹽量和新鮮淡水的補充情況。
2 生物反應器的應用和經濟技術比較
2.1 應用范圍與設計參數確定
廢氣生物處理的主要適用范圍是：去除異味氣體和含VOC廢氣濃度較低的廢氣，廢氣中TOC（總有機碳）<1000 mg/m3；氣體流量 ≤50000m3/h，氣流均勻且連續；廢氣的溫度一般 ≤40 ℃，生物濾床工藝同時要求進氣濕度>95%；廢氣組分易溶于水，易生物降解。對廢氣中各種組分的降解情況如表1所示，可作為工藝設計的選擇依據。
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工程設計中，需要同時考慮廢氣中氣體組分的種類、濃度，反應器中有效接觸時間。反應器的尺寸由面積負荷：m3氣體/（m2過濾面積·h）；接觸時間：s；體積負荷：ｇTOC/ (m3過濾體積·h)；或：氣味單位GE/（m3過濾體積·h）；或：m3氣體/（m3過濾體積·h）等參數確定。
實際工程中，反應器尺寸可參考同類生產企業的經驗值估算，并應進行中試實驗，以優化設備尺寸，降低投資。表2、表3分別給出不同種類企業應用生物濾床和生物洗提工藝的情況。從兩種工藝的應用可以看出，生物濾床工藝對氣味和易溶性有機氣體去除效率較高，而生物洗提能夠用于生物降解性較差的VOC廢氣處理。
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2.2 與其他工藝的經濟技術比較
在對含VOC廢氣處理工藝的選擇中，在技術領域應考慮如下因素：VOC的去除效率；廢氣性質（廢氣中有機物的組成、VOC含量、廢氣流量、氣味指標）；可用建設面積；技術經濟使用期；必要的附屬設施建設（如：水蒸氣生產設施）；與原有治污設備的配套；有機溶劑的回收等。經濟上主要考慮投資、運行費用和財務風險。各種工藝的初步選擇依據如表4所示。
表4 VOC氣體處理技術措施的適用范圍及其經濟指標
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3 結 語
隨著國內對環境質量的要求不斷提高，揮發性有機廢氣的治理工作正逐步開展。生物處理方法利用微生物的代謝作用，對中、低濃度有機廢氣進行處理，具有適應性強，投資、運行費用低，二次污染小等優點，是一種自然的污染治理技術。這種方法的不足主要有：對氣體水溶性和生物降解性有要求，反應器啟動、微生物馴化、處理過程持續時間較長，運行中必須提供足夠的營養元素和氧氣等。今后的研究工作應主要集中在填料選擇、適宜菌種篩選和固定化、反應器優化設計及其組合應用等方面，為工藝的進一步推廣應用提供技術參數。
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