生物過濾器處理惡臭氣體的研究進展
摘要：惡臭污染是一種感知污染，已成為危害人類健康的一大公害。生物過濾器高效、廉價的特點是解決惡臭污染的一種有效途徑。填料的選擇和填料濕度及其操作工藝是影響生物過濾器性能的主要因素。概述了近幾年生物過濾器主要的動力學模型及其應用現狀和發展前景。
關鍵詞：生物過濾器 惡臭氣體 處理措施
惡臭污染是一種感知污染，它不僅給人感覺器官以刺激產生厭惡感，而且含有的某些有害物質能直接危害人體的健康，已被認為是僅次于噪聲污染的六大公害之一[1]。憑人的嗅覺即能感覺到的惡臭物質有4 000多種[2]，其中H2S 和NH3是工業生產過程中廣泛存在的廢氣主要成分，如食品加工、皮革業、畜牧業以及污水處理廠等，它們都是具有刺激性、嗅閾值很低的臭味物質，其嗅閾值分別為0.000 75、0.004 5 mg/m3[3]。
生物過濾器處理惡臭氣體就是利用微生物對惡臭物質進行生物降解，通過微生物自身的代謝作用把惡臭氣體轉化為維持生命活動所需要的能源和養分，同時把代謝產物排除體外的一個過程[4]。惡臭氣體經過加壓預濕后，進入過濾塔并與填料層表面的生物膜接觸，微生物消化吸收惡臭氣體后產生的代謝物再作為微生物的養料，繼續吸收消化，如此循環使惡臭物質降解，轉化為CO2 、水和其他小分子物質，消除惡臭氣味后被排放。
1 影響生物過濾器性能因素
微生物的活性是影響生物過濾器性能的主要因素[5]，因此微生物生長的環境條件都會影響其性能，主要包括填料的選擇、填料的濕度、反應器內的溫度、pH、微生物的營養物質、填料內的氧氣含量和需要處理的污染物濃度等。
1.1 填料的選擇
常用的過濾器填料有泥煤、高肥力的土壤、堆肥等，這些填料能提供比較好的持水性、充足的養分和豐富的微生物種群等[6]。李建軍[7]以陶粒和活性炭為填料的生物滴濾池系統對人工合成的甲苯廢氣進行了凈化處理試驗，結果表明，添加活性炭能提高填料柱的處理性能，陶粒和活性炭組成的復合填料能有效地處理含甲苯的廢氣，當進氣甲苯質量濃度為2.35 g/m3時，甲苯去除率可達95%以上，填料柱對甲苯的去除能力為130 g/（m3?h）。RAMIREZ-LOPEZ等[8]用5種農副產品(花生殼、稻米外殼、椰子外殼、甘蔗渣、玉米茬)作為生物過濾器的填料，發現花生殼潛在的應用性最高。MAESTRE等[9]在不同運行條件下4種填料的性能研究中，比較了椰子纖維、廢水處理站的消化淤泥、泥煤、松樹葉作為生物過濾甲苯的填料的適應性，指出真菌微生物適合處理高負荷的苯，椰子纖維堆肥生物過濾器在去除能力和長期的穩定性方面有更好的性能。
1.2 填料的濕度
填料層濕度是生物法處理廢氣性能的一個主要影響因素，75％的生物過濾系統問題由填料含濕量引起的。填料的濕度是保持生物過濾器最佳性能的最重要的操作參數，微生物的活動是以水為介質，如果填料的濕度太低，則會使微生物失活，并且填料會干燥開裂，產生氣體短路，從而降低過濾器的性能；但是濕度太高，不僅會使氣體通過濾床的壓降增高，而且由于氧氣不能進入，形成局部厭氧區域，使得降解速率降低。RANASINGHE等 [10]分別從填料層干燥和增濕過程兩方面研究填料含濕量對污染物去除效果的影響，認為污染物去除效果主要受填料含濕量影響；孫玉梅等 [11]研究發現，填料層的初始濕度由70％下降至30％時，其表面的總微生物量從4×107 個下降至3×107個，且達到最大去除率時的濕度增加。王家德等[12]為了優化BF廢氣處理系統設計，研究了填料濕度、pH對BF系統處理H2S廢氣的影響，結果表明，填料層的濕度變化會影響BF系統對H2S的去除率，當濕度小于45%時，BF系統對H2S去除率呈下降態勢，從BF系統長期穩定運行角度看，適宜的濕度范圍是50%～70%。
1.3 操作工藝
操作工藝包括惡臭氣體進氣速度及濃度、空床停留時間、填料的pH、噴淋條件等。不同氣體對去除性能的影響取決于氣體的水溶性和微生物降解性。不同的氣體的水溶性可能相差很大，影響了惡臭氣體從氣相進入到液相的速度，從而影響了微生物的降解。
郭兵兵[13]在實驗室研究了生物填料塔工藝凈化含H2S和甲苯的惡臭廢氣的生物降解特性，結果表明：降解H2S的微生物馴化期為16 d，降解甲苯的微生物馴化期為32 d，在停留時間為28 s、pH為6～7、每立方米填料的噴淋水量為0.80～1.92 m3/d時，H2S去除率均可達到97.9%以上，甲苯的去除率平均達到91.3%。
王晨昊等[14]采用不銹鋼絲網作為生物滴濾器的載體材料，用以苯為唯一碳源馴化而得的微生物菌種進行苯廢氣的凈化實驗，結果表明，在相同的進氣苯濃度下，隨著停留時間的增加，苯的消除能力和凈化效率迅速提高，停留時間為33.9 s時，苯凈化效率達98％；在進氣苯負荷為30～40 mg/（L.?h）水平下的凈化效率隨循環液流量的變化而變化，實驗中最佳的液體流量為0.8 L/h。進氣口處污染物濃度對生物滴濾器的凈化效率和所需的填料層高度有較大的影響。
張春燕[15]采用了兩個串聯的填充堆肥、樹皮和火山巖混合物的三段式生物過濾器連續處理某煉油污水廠浮選池的惡臭廢氣，結果表明，空床停留時間66 s、非甲烷總烴、苯、甲苯及二甲苯的進口質量濃度分別為5.1～1 081.8、0.1～328.8、0.2～91.8、0.2～48.2 mg/m3時，非甲烷總烴、苯、甲苯及二甲苯的平均去除率分別為79.7％、98.9％、98.8％、99.6％。
費麗[16]采用微生物菌種對生物膜填料塔進行掛膜作業，以低濃度甲醛廢氣為研究對象，對生物膜填料塔凈化甲醛廢氣進行了研究，考察了入口氣體甲醛濃度、氣體流量、循環液噴淋量各因素對甲醛凈化效率和生化去除量的影響，結果表明，隨著入口處氣體中甲醛濃度的增加，甲醛凈化效率呈下降趨勢，而生化去除率卻隨之增加；氣體流量增加時，甲醛凈化效率較穩定，基本維持在65％左右，同時生化去除率隨之增加；當液體噴淋量由10 L/h增至20 L/h時，甲醛凈化效率由40％左右增至約80％，再繼續增加液體噴淋量時，凈化效率的增加卻漸趨平緩；當液體噴淋量增至40 L/h時，甲醛凈化效率則為90％左右；生化去除量隨著液體噴淋量的增加而增加，當增至20 L/h時，增加趨勢增大。
2 生物過濾器動力學模型研究
生物過濾器通常最有利的處理條件是促進微生物數量積聚。在這過程中首先發生堵塞的地方是高生物量密集的圓柱入口處，微生物的積聚導致填料粒子空隙減少，堵塞溝渠，增加壓降[17]。近年來主要通過傳統的動力學模型來研究生物過濾器堵塞現象，主要有基質降解動力學、微生物增長動力學、基質降解與生物增長量、滲流理論等幾種模型。
HE等 [18]通過不同的包裝填料和圓錐型的設計來改進生物過濾器的設計，其中一個設計觀念包括利用異質包裝系統在入口階段增加更多的生物學上活動的微粒，減少出口階段的小的活動微粒，這一改進更好地分配微生物的活動和污染物的降解，從而減少總的壓降；另一個設計觀念是利用幾何學上的圓錐型的生物過濾器代替慣例的圓柱型的過濾器，這種改變通過可組合的面積來抵消微生物活動的不均勻性，因而達到了生物過濾器壓力大小的一致性。MORGAN-SAGASTUME等[19]研究表明，生物過濾器總的壓降的增加能夠增加不同種類生物數量分布不均勻性，這種分配不均勻性更導致總的壓降的不均勻性，總壓降的不均勻性歸結于包裝填料的不均勻性，指明生物過濾器中均勻的微生物數量的分配能夠減少總的壓降。
有研究表明，由于填料中甲苯和二甲苯的比率不同，觀察到高的微生物繁殖是導致壓降過多下降的原因。認為預防和補救生物過濾器堵塞，本質上是防止微生物的過量積聚。也可以認為，在生物過濾器中過多的生物數量與包裝填料、洗滌物、分解的化學藥品、控制限制性營養、顛倒氣流方向等無關。YANG等[20]創建了一個數學模型，運用滲流理論解釋生物過濾器的堵塞現象。滲流理論預測多孔滲水填料的個別氣孔在平均范圍內堵塞的概率。應用滲流理論的三大理由是：它描述堵塞的分布狀態和開放狀態，估計總水分損失，并預測比表面積和生物膜厚度的處理效率。JIN 等[21]的研究也表明，堆肥生物過濾器中氣態氨的移除與堆肥填料的含水率呈極顯著關系。
3 國內外生物過濾器的應用現狀
生物過濾器最早的研究報道是在1957年。美國人R.D.Paneray在1957年利用土壤微生物處理H2S廢氣并獲得了專利。D.A.Carlson在1966年運用土壤脫臭也取得了進展[22]。20世紀70 年代后各國在這個領域中進行了廣泛的研究，80 年代以來已有各類微生物除臭方法應用于化工、石油、屠宰、污水處理中，并取得了明顯的效果。我國在該領域的研究起步較晚，20世紀80年代末、90年代初才開始這方面的實驗室研究。
王曉輝等 [23]用泥炭和接種活性污泥為填料的生物過濾器去除甲硫迷（DMS）惡臭氣體，微生物學分析表明，生物過濾器中去除DMS的優勢種群是來源于活性污泥的非嗜酸化能自養型硫氧化菌。
馬梅榮等[24]初步探索了在城市生活垃圾堆肥廠采用生物除臭法的效果以及相關工藝參數，但這些研究都還僅僅局限于對某一單一環節的探索，并沒有進行系統化的深入研究。HONG等[25]研究了木屑生物膜處理H2S氣體，結果表明，木屑為載體固定微生物不需要長時間的掛膜時間，生物濾池啟動后的48 h內H2S進氣質量濃度迅速提高到641 mg／m3，H2S的去除率達到了100％。徐曉軍等 [26]用海藻酸鈉作為包埋劑固定優勢菌種（枯草芽孢桿菌、白曲霉菌、葡萄球菌）處理NH3和H2S，考察了氣體流量、NH3和H2S氣體濃度、循環液噴淋量對NH3和H2S去除效果的影響，得出固定化生物滴濾反應器最佳運行條件為氣體流量1.0 m3/h、循環液噴淋量8.88 L/h、進氣H2S質量濃度低于51.85 mg/m3、進氣NH3質量濃度低于57.21 mg/m3。
于非凡[27]用生物滴濾法處理低濃度H2S惡臭氣體，研究分析了噴淋水量、pH、停留時間對H2S去除率的影響，結果表明，當進氣H2S質量濃度小于30 mg/m3時，循環液pH在0.5～2.0、噴淋水量為10 L/h、氣體停留時間為30 s左右的條件下，H2S的去除率可以達100%。
4 結 語
近年來國內外對生物過濾技術的研究比較活躍，主要研究方向為：提高微生物對有機污染物的降解速率，以便使生物過濾器的體積減小；改善過濾材料的物理性能和使用壽命，以節省基建投資和能耗；尋找最佳工藝條件并實現自動控制，以降低故障發生概率。然而，從近些年國內外的眾多報道來看，雖然采用生物方法（如生物濾池、生物洗滌塔、生物反應器等）消除惡臭氣體的工藝流程已基本成熟，同時也在諸多具體環節上取得了一定的研究成果，但綜觀這些研究的側重點以及該方法的整個發展現狀，可以發現還有一些環節有待提高和優化。
（1）在復合微生物菌劑的研究和開發方面，國內外對生物除臭過程中微生物種群的比例、種間關系、變化規律等基礎研究較少，并且都只做了簡單的分離、鑒定、應用實驗，而沒有對其種間關系、變化規律進行進一步的研究。所生產的菌劑主要是少數幾種微生物的簡單混合，沒有形成優勢互補、生態關系穩定、功能強大的菌群。
（2）在填料的選擇上過分沿襲了以前的傳統材料，吸附層主要為陶粒、活性污泥，堆肥等。雖然近年來也嘗試性地使用了纖維性材料，表現出了一定的優越性，但也僅僅局限用于單一除臭菌的反應體系中；
（3）設施投入仍然偏大，位置固定，占地面積和重量大，使用不方便，運行費用高，在臭氣面源污染情況下使用受到很大限制。
（4）由于生物反應器的吸附層層次太少，填料類型不夠豐富，生物多樣性貧乏，處理效果仍然較差。
（5）由于設施固定，填料更替時操作極不方便。
因此，要進一步提高生物除臭效率，應當在考慮臭源物質的生物去除可能性和去除效率的基礎上，首先做好除臭生物馴化工作，然后進行工藝的革新，才能提高除臭效率。以后的研究重點一方面應集中選育具有高效穩定的除臭菌株、探索能處理復雜組分臭氣的復合菌體系，確定菌體最適生長繁殖的環境條件等參數，另一方面加強新型填料的選擇應用以及對多吸附層、模塊化、重量小、可移動高效除臭生物反應器系統的開發，以便靈活處理養殖企業和中小型廢物處理廠的惡臭氣體，解決空氣面源污染問題。
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