生物滴濾塔凈化VOCs的研究現狀與發展

【摘 要】生物滴濾凈化揮發性有機污染物技術是近年發展起來的一項新技術。文章介紹了生物滴濾塔凈化VOCs的機理，分析了凈化效果的影響因素。目前生物滴濾技術需要在以下幾方面完善和發展：提高疏水性或難降解廢氣的處理能力，改進生物滴濾填料性能，提高對各運行參數的控制能力，加強實際廢氣的凈化研究和完善生物滴濾模型。

【關鍵詞】生物滴濾塔；揮發性有機廢氣；凈化機理；影響因素

工業生產過程中排放的低濃度揮發性有機物(volatile organic compounds，VOCs) 不但對人的身體健康具有非常大的危害性，而且對工廠周邊環境及生態造成嚴重的影響。傳統的處理技術存在著投資大、運行成本高等弊端。生物法廢氣凈化技術是近年來發展起來的一項凈化低濃度工業廢氣的新型技術，逐漸發展成為工業廢氣凈化研究的前沿熱點之一。生物凈化技術主要有生物洗滌、生物滴濾和生物過濾。其中生物滴濾塔具有投資省、運行費用低、二次污染小、操作維護簡單、凈化效果好、反應條件易于控制、經濟廉價及環境相容性好等優點而呈現最廣闊的應用前景，在國內外已有較多的研究和應用。目前的研究重點主要集中在:凈化有機廢氣的系統快速啟動，機理探討，動力學分析，高效菌種的馴化和篩選；生物反應器運行工況的研究(氣流量、循環液流量、溫度等)。

1.生物滴濾塔凈化VOCs的原理

生物滴濾的實質是附著在生物填料介質上的微生物在適宜的環境條件下，利用廢氣中的污染物作為碳源和能源，維持其生命活動，并將它們分解為CO2、H2O等無害無機物的過程。廢氣中污染物首先經歷由氣相到固/液相的傳質過程，然后才在固/液相中被微生物降解。目前，主要存在兩種理論來解釋這種傳質過程，一種是荷蘭學者Ottengraf 依據吸收操作的雙膜理論而提出的“吸收-生物膜”理論；一種是pedersen、孫佩石等依據吸附理論而提出的吸附生物膜理論。

2.填料對去除效果的影響

在揮發性有機廢氣生物滴濾塔裝置中，填料既是微生物生長的支撐載體，又是氣液兩相的傳質介質，其性能直接影響污染物的去除效果及處理費用。相關研究結果表明，氣體污染物的去除效率與反應器中填料種類、粒徑、孔隙率和比表面積等特性直接相關。因此，為了實現氣體污染物的高效去除，選擇適合微生物生長、傳質效果良好的高效填料非常必要。

目前，國內外研究中利用生物滴濾塔處理的有機廢氣包括烴類、苯系化合物、低分子脂肪酸和醇類等，采用的填料包括海綿、珊瑚石、陶粒和空心塑料小球等。由于研究報道中采用的填料不同，污染物的去除效率、降解負荷和微生物生長特性相差迥異，因而需要對各種生物滴濾塔填料的性能進行評價。

劉建偉等[1]通過實驗比較了海綿、珊瑚石、陶粒和空心塑料小球4中填料的性能，實驗結果表明:（1）生物滴濾塔啟動時間最短的為海綿生物滴濾塔（約20d），其次為陶粒生物滴濾塔（約25d），啟動時間較長的為珊瑚石生物滴濾塔（約35d）和空心塑料小球生物滴濾塔（約40d）;（2）４種填料生物滴濾塔中的異養細菌數量依次為海綿＞陶粒＞珊瑚石＞空心塑料小球;（3）在相同的進氣流速下，４種填料生物滴濾塔的填料層壓力降依次為珊瑚石＞陶粒＞空心塑料小球＞海綿。最終得出：海綿和陶粒較適宜作為生物滴濾塔的填料。

3.氣、液流量對去除效果的影響

試驗結果表明[2]，無論是在順流還是在逆流操作情況下，進氣流量越高則凈化效率越低，這是因為氣體流量越大則空塔停留時間越短，同時還容易造成液體在填料床中分布不均(形成局部干涸)， 從而降低了微生物的代謝能力， 所以凈化效率降低。在一定的氣體流量下，增大液體流量則凈化效率降低。這是因為增加液體流量會導致填料表面液膜加厚，增大了傳質阻力，所以去除率降低。

徐峰等[3]利用生物滴濾塔對低質量濃度甲苯廢氣的脫除進行實驗研究。實驗結果表明，入口甲苯的質量濃度低于11.7mg/ L時，甲苯的凈化率可保持在97%以上，但超過11.7mg/ L時，凈化率迅速下降。王鵬飛等[4]采用裝有ZAT-2型專利填料的生物滴濾塔反應器，進行“三苯”（苯、甲苯、二甲苯）廢氣處理的連續流實驗研究，結果表明，在溫度為20～25℃、pH 值為6.3～6.9、苯、甲苯和二甲苯的入口氣體質量濃度分別為2.140、2.026和2.017mg/ L時，可獲得“三苯”廢氣的最大去除量。

液氣比的大小直接影響設備投資及運行費用，是一個重要的操作參數。液氣比過大，不僅會使塔內填料層中空隙率減少，造成氣液流通面積減小，而且會增加生物膜表面液膜的厚度，直接影響氣體擴散速率以及微生物對廢氣的捕捉效率， 使凈化效率降低。液氣比過小，可能造成填料內液體分配不均，局部微生物可能會因長期缺水和局部干燥而活性下降，甚至死亡。在一定范圍內，隨液氣比的增大，凈化效率有一個先升后降的趨勢。

4.微生物對去除效果的影響

生物滴濾塔處理揮發性有機廢氣是利用微生物的代謝活動，將廢氣中的VOCs轉化為簡單的無機物(CO2，水等)及細胞組成物質的過程。該過程包括兩個階段：首先污染物由氣相進入液相或固相表面的液膜中，進而擴散到生物膜中，再進入微生物細胞內，這屬于污染物從氣相到生物膜的傳質過程;其后通過微生物體的氧化、還原、分解、合成等生化作用，把一部分被吸收的有機物轉化為微生物所需要的營養物質，供給微生物生長繁殖所需，另外一部分有機物質則被氧化分解為CO2和H2O等簡單無機物和部分有機產物，同時釋放出大量的能量。所以生物滴濾塔中的微生物對去除VOCs起到了重要作用。

5.結論與展望

由上綜述可知，目前的研究已處于實驗室深入和工程應用階段，但由于VOCs種類復雜，生物技術日新月異，要想滿足控制VOCs的實際要求，需要繼續在以下幾方面開展研究。

（1）生物滴濾床凈化親水性或易降解的VOCs相對簡單，提高疏水性或難降解VOCs的處理能力是一個難題。故需培養專屬菌種并優化其生存條件；雙液相工藝中增加不與水混溶的第二有機相，提高生物對疏水性化合物的吸附能力；采用微孔膜或半透膜與反應器結合，提高疏水性化合物的處理效果。

（2）改善生物濾料、填料的物理性能和使用壽命，以節省投資和能耗。

（3）實現自動控制，提高對各運行參數的控制能力，降低維護費用和發生故障的次數。

（4）加強實際VOCs 廢氣、混合廢氣的凈化研究。因實際廢氣的氣量、成分經常變化，可能含有難降解或有毒性的物質，對凈化工藝的完善有重要作用。

（5）生物滴濾模型研究通用性差，缺乏可靠的基礎參數，還需完善，這對生物滴濾技術的推廣和應用有重要意義。 [科]

【參考文獻】

［１］劉建偉，王志良.生物滴濾塔處理有機廢氣的填料選擇研究[J].環境污染與防治，2012，34（4）：17-27.

［２］侯長軍，饒佳家等.生物滴濾塔降解甲苯廢氣的操作特性[J].中國給排水，2005，21（12）:50-52.

［３］徐峰，鐘秦.生物滴濾塔凈化甲苯廢氣的研究[J].南京理工大學學報，2004，28（3）:299-302.

［４］王鵬飛，王藝等.生物滴濾塔處理“三苯”廢氣的影響因素研究[J].哈爾濱工業大學學報，2003，35（1）：73-80.