基于生物技術(shù)的有機過氧化物生產(chǎn)廢氣治理研究進(jìn)展

＊楊樹榮

（蘭州助劑廠股份有限公司 甘肅 730000）

1.研究背景與意義

有機過氧化物是一類常見的有機化合物，在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的廢氣。這些有機過氧化物廢氣具有強烈的刺激性氣味，并且含有許多對環(huán)境和人體健康具有潛在危害的物質(zhì)，例如，揮發(fā)性有機化合物（VOCs）和臭氧等。因此，對于有機過氧化物廢氣的治理顯得非常重要。

傳統(tǒng)的有機過氧化物廢氣治理方法包括物理吸附、化學(xué)吸收以及催化氧化等，但這些方法存在著一些缺點，比如高能耗、高成本、副產(chǎn)品產(chǎn)生等。生物技術(shù)作為一種新興的廢氣治理技術(shù)，具有許多優(yōu)勢，如低成本、無二次污染、操作簡便等。在生物技術(shù)中，微生物可以通過新陳代謝作用將有機過氧化物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，從而實現(xiàn)廢氣的凈化。

2.研究現(xiàn)狀

（1）微生物處理廢氣。利用具有降解能力的微生物菌株，通過其新陳代謝將有機過氧化物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。常見的微生物包括細(xì)菌、真菌和藻類等。研究人員通過優(yōu)化生物反應(yīng)器的設(shè)計和操作條件，以提高廢氣處理效果。

（2）生物濾池和生物膜反應(yīng)器。生物濾池和生物膜反應(yīng)器是常見的生物技術(shù)廢氣處理裝置。通過在濾料或膜上固定生物膜，利用微生物的附著生長來降解有機過氧化物。這些裝置具有高效率、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在工業(yè)實際中得到廣泛應(yīng)用。

（3）生物吸附劑。生物吸附劑是一種通過微生物附著作用來去除廢氣中有機過氧化物的材料。這些吸附劑可以通過調(diào)整其表面性質(zhì)和微生物菌群的組成，來提高吸附能力和降解效率。

3.相關(guān)概述

（1）有機過氧化物的種類和特性。有機過氧化物是一類具有氧氣中的氧-氧鍵（O-O鍵）的化合物，常見的有機過氧化物包括過氧乙酸（PAA）、過氧乙酮（MEKP）、過氧化丙酮（MPK）等。它們在許多工業(yè)過程中產(chǎn)生，并且具有刺激性氣味和對環(huán)境和人體健康有潛在危害的成分，如揮發(fā)性有機化合物（VOCs）和臭氧（O3）。

（2）已有的廢氣治理方法和其限制。傳統(tǒng)的有機過氧化物廢氣治理方法包括物理吸附、化學(xué)吸收和催化氧化等。物理吸附方法是利用吸附劑吸附有機過氧化物，但存在著吸附劑選擇性、再生成本高等問題。化學(xué)吸收方法通過溶液中的化學(xué)反應(yīng)將有機過氧化物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，但存在廢液處理和操作復(fù)雜的問題。催化氧化方法使用催化劑催化有機過氧化物氧化降解，但催化劑選擇和催化劑壽命等方面的限制較多。

（3）生物技術(shù)在廢氣治理中的應(yīng)用概述。近年來，生物技術(shù)作為一種新興的廢氣治理技術(shù)，受到了廣泛關(guān)注。生物技術(shù)利用微生物的降解能力將有機過氧化物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。研究表明，通過合適的生物反應(yīng)器設(shè)計和優(yōu)化操作條件，可以實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、環(huán)保的有機過氧化物廢氣處理。生物濾池和生物膜反應(yīng)器等裝置通過固定生物膜降解有機過氧化物，具有高效率和穩(wěn)定性好的特點。

4.廢氣成分分析

我國的有機合成工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)正在迅速發(fā)展，這導(dǎo)致大氣中的有機化合物逐漸增多，其中包括各種揮發(fā)性有機物，如有機硫化物和有機氯化物。翟海濤等人[1]認(rèn)為這些有機化合物會對人體的感官產(chǎn)生刺激，某些物質(zhì)甚至具有毒性，對周圍環(huán)境和公眾健康造成嚴(yán)重危害。在這種情況下，人們越來越重視對這些污染物的控制，并開始廣泛關(guān)注生物技術(shù)的應(yīng)用。

（1）有機過氧化物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的主要廢氣。有機過氧化物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的主要廢氣成分包括有機溶劑、揮發(fā)性有機化合物（VOCs）、顆粒物和氮氧化物等。VOCs是產(chǎn)生有機過氧化物過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機化合物，包括苯、甲醛、乙烯等，具有較強的刺激性和毒性。顆粒物是指空氣中的固體或液體顆粒，主要由可燃物質(zhì)和非可燃物質(zhì)組成，對環(huán)境和人體健康造成直接的污染。氮氧化物是指氮氣和氧氣在高溫下反應(yīng)生成的化合物，包括一氧化氮、二氧化氮等，具有較強的臭氧形成潛力和毒性。典型工業(yè)揮發(fā)性有機物的組成和含量因具體行業(yè)和生產(chǎn)過程的不同而有所差異。

（2）廢氣成分對環(huán)境和人體健康的影響評估。廢氣成分對環(huán)境和人體健康的影響主要包括空氣污染、氣候變化和人體健康的影響。廢氣中的有機溶劑和VOCs會導(dǎo)致空氣中揮發(fā)性有機物濃度升高，對大氣環(huán)境造成污染，并可能在一定條件下形成臭氧，對大氣層臭氧層的破壞和地球氣候變化產(chǎn)生負(fù)面影響。顆粒物對環(huán)境和人體健康的影響較為直接，高濃度的顆粒物會導(dǎo)致霧霾和光學(xué)污染，對空氣質(zhì)量造成影響，并可能導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病和心血管疾病等健康問題。

5.生物技術(shù)在有機過氧化物生產(chǎn)廢氣治理中的應(yīng)用

陳建孟、王家德等人[2]認(rèn)為有機廢氣生物凈化是利用微生物將廢氣中的有機組分作為其生命活動的能源或其他養(yǎng)分，通過代謝降解，將其轉(zhuǎn)化為簡單的無機物（如CO2、水等）和細(xì)胞組成物質(zhì)。與廢水的生物處理過程相比，有機廢氣處理過程的最大區(qū)別在于，廢氣中的有機物質(zhì)首先需要經(jīng)歷由氣相轉(zhuǎn)移到液相（或固體表面液膜）的傳質(zhì)過程，然后在液相（或固體表面生物層）中通過微生物的吸附和降解來完成轉(zhuǎn)化（如圖1）。

圖1 微生物凈化有機廢氣模式圖

（1）微生物處理廢氣的機制和原理。岳玉妍[3]認(rèn)為微生物也可以對廢氣進(jìn)行凈化。首先，需要將廢氣轉(zhuǎn)移到液相環(huán)境中，并通過液相中的微生物進(jìn)行降解。在這個過程中，微生物會產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，其中一部分可以作為細(xì)胞的代謝能源，而另一部分，例如二氧化碳，則會被釋放到液相環(huán)境中。例如，通過微生物來凈化二甲苯的廢氣可以在室溫下進(jìn)行。廢氣中二甲苯的濃度范圍通常在每立方米250mg至2500mg之間，氣流量為每小時100L至400L。廢氣在處理裝置中停留的時間約為28s至83s，處理裝置的阻力通常在12.8Pa至40.9Pa之間。根據(jù)實驗結(jié)果，用生物膜填料塔來處理含有二甲苯的廢氣具有良好的效果，總有效去除率可達(dá)到90%以上。

（2）生物濾池的構(gòu)建和優(yōu)化。董龍標(biāo)，馮偉銘等人[4]認(rèn)為生物過濾法是一種用于處理VOCs（揮發(fā)性有機化合物）的廢氣的方法，這些廢氣主要來自工業(yè)生產(chǎn)、市政污水以及污泥處理等。為了解決惡臭氣體污染問題，生物過濾法被提出并廣泛應(yīng)用。

生物濾池是一種常見的微生物處理廢氣的裝置，其構(gòu)建和優(yōu)化涉及床層材料的選擇、填料層的設(shè)計和通氣方式的調(diào)控等。構(gòu)建生物濾池時，可以選擇高效的床層材料，如活性炭、生物降解塑料等，以提供良好的微生物生長環(huán)境。填料層的設(shè)計應(yīng)考慮到填料的比表面積和孔隙度，以提高廢氣的接觸面積和微生物附著量。通氣方式的優(yōu)化可采用上流式、下流式或交流式通氣，以提供充足的氧氣和維持適宜的溫度和濕度條件。

（3）生物膜反應(yīng)器的設(shè)計和運行。生物膜反應(yīng)器是一種利用微生物附著在載體表面形成生物膜進(jìn)行廢氣處理的裝置。其設(shè)計和運行涉及載體選擇、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和水質(zhì)管理等方面。載體的選擇應(yīng)具有高比表面積、良好的附著性和可再生性。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計可以考慮填料的布置方式、廢氣進(jìn)出口的設(shè)置和氣液分離裝置的采用。水質(zhì)管理包括定期清洗載體、調(diào)節(jié)水質(zhì)和監(jiān)測微生物生長狀態(tài)等。

（4）生物吸附劑的選取和性能評價生物吸附劑是利用微生物或其產(chǎn)物作為吸附劑對廢氣中的有機物進(jìn)行吸附和去除。選取合適的生物吸附劑應(yīng)考慮其吸附容量、吸附速度和再生性等性能。常用的生物吸附劑包括活性炭、殼聚糖、纖維素等。性能評價可以通過實驗室試驗和現(xiàn)場應(yīng)用來進(jìn)行，包括吸附效果、吸附動力學(xué)和再生效率的評估。

6.生物技術(shù)在有機過氧化物生產(chǎn)廢氣治理中的效果評價和優(yōu)化

（1）廢氣處理效率的評估。評估廢氣處理效率可通過測定有機污染物去除率、濃度變化和微生物活性等指標(biāo)。連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測處理過程中的參數(shù)，并傳輸至計算機進(jìn)行處理。采樣分析可通過采集廢氣樣品，經(jīng)前處理后進(jìn)行分析，常見方法包括吸附管法、冷凝法和膜法。現(xiàn)場實測可使用環(huán)境監(jiān)測設(shè)備對排放口進(jìn)行監(jiān)測。綜合以上方法和數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計，可對廢氣處理效率進(jìn)行評估。評估過程需考慮影響因素，并對結(jié)果進(jìn)行合理解釋和比較，以確保準(zhǔn)確性和可靠性。

（2）不同生物技術(shù)處理方案的效果對比。處理和統(tǒng)計方法可對比不同生物技術(shù)處理方案的效果。廢氣處理效率是評估不同生物技術(shù)處理方案效果的重要指標(biāo)，可通過測定有機污染物去除率和濃度變化來評估。在實驗室規(guī)模的試驗中，可以設(shè)立對照組和實驗組，采用不同處理方案，對廢氣樣品進(jìn)行采樣和分析，以比較不同方案的效果。在工程規(guī)模的試驗中，可以在實際廢氣處理系統(tǒng)中使用不同處理方案，進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和采樣分析，獲取更真實可靠的數(shù)據(jù)。

（3）影響生物技術(shù)效果的關(guān)鍵因素分析和優(yōu)化策略。關(guān)鍵因素分析可通過實驗室和工程規(guī)模的試驗進(jìn)行。設(shè)立對照組和實驗組，改變廢氣特性、微生物種類和活性、溫濕度等條件，比較處理效果。監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)，如有機物去除率、微生物菌群結(jié)構(gòu)和活性，找出影響效果的主要因素。基于關(guān)鍵因素分析，制定優(yōu)化策略，如分階段處理、增加微生物數(shù)量或引入新種類、改善培養(yǎng)條件、調(diào)節(jié)反應(yīng)器參數(shù)或增加輔助控制系統(tǒng)等。

7.生物技術(shù)在有機過氧化物生產(chǎn)廢氣治理中的挑戰(zhàn)與解決

（1）生物技術(shù)處理過程中的操作問題及解決。在生物技術(shù)處理過程中可能會遇到操作問題，例如微生物失活、反應(yīng)器堵塞、產(chǎn)生異味等。這些問題，可采取以下解決方法：①選擇適宜的微生物種類和培養(yǎng)條件，提高微生物的生長活性和抗逆能力。②確保適宜的溫度和濕度條件，避免過熱或過濕導(dǎo)致微生物失活。③定期清洗和維護反應(yīng)器設(shè)備，防止堵塞和污染。④使用活性炭等吸附劑來減少或消除異味。

（2）對微生物群落的影響和穩(wěn)定性。微生物群落的結(jié)構(gòu)和活性對處理效果有重要影響。為解決外界環(huán)境和處理條件的不穩(wěn)定性對微生物群落的影響，可以選擇適應(yīng)性強的微生物種類、優(yōu)化培養(yǎng)條件，并采用連續(xù)流動反應(yīng)器等操作方式。評估生物技術(shù)在廢氣治理中的經(jīng)濟性和可行性，包括投資成本、處理效果、處理能力和適用范圍等方面。進(jìn)行經(jīng)濟性分析、風(fēng)險評估和實地應(yīng)用監(jiān)測，以確定技術(shù)的可行性和可持續(xù)性。

8.結(jié)論與前景

(1)研究結(jié)論

本研究主要探討了生物技術(shù)在有機過氧化物生產(chǎn)廢氣治理中的應(yīng)用。我們了解到生物技術(shù)可以有效降低有機過氧化物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣對環(huán)境和健康的影響。生物技術(shù)處理廢氣的關(guān)鍵是利用微生物群落對有機過氧化物進(jìn)行降解和轉(zhuǎn)化。然而，生物技術(shù)在這一領(lǐng)域面臨著操作問題、微生物群落影響和穩(wěn)定性問題，以及經(jīng)濟性和可行性評估等挑戰(zhàn)。為了克服這些挑戰(zhàn)，需要選擇適應(yīng)性較強的微生物種類，優(yōu)化培養(yǎng)條件，并進(jìn)行經(jīng)濟性和可行性評估。

(2)應(yīng)用前景

生物技術(shù)在有機過氧化物生產(chǎn)廢氣治理中具有廣闊的應(yīng)用前景。首先，生物技術(shù)可以實現(xiàn)對有機過氧化物的高效降解和轉(zhuǎn)化，從而減少有害廢氣的排放。其次，生物技術(shù)可以根據(jù)不同的廢氣成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高處理效果和穩(wěn)定性。此外，生物技術(shù)還具有較低的投資和運營成本，以及較小的對環(huán)境的二次污染風(fēng)險。因此，生物技術(shù)在有機過氧化物生產(chǎn)廢氣治理領(lǐng)域具有廣闊的市場前景和應(yīng)用潛力。

(3)未來研究方向的建議

未來的研究可以進(jìn)一步探索生物技術(shù)在有機過氧化物生產(chǎn)廢氣治理中的優(yōu)化和創(chuàng)新，以實現(xiàn)更高效、穩(wěn)定和可行的廢氣治理技術(shù)。