生物過濾
概述：生物過濾是利用微生物的氧化代謝作用將廢氣中的有機(jī)污染物分解為無害或者低害類的物質(zhì)，生物過濾器內(nèi)部含有填料，為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供附著位點(diǎn)，廢氣流經(jīng)填料床，通過填料的擴(kuò)散作用到達(dá)生物膜，與微生物接觸并發(fā)生氧化代謝反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到有機(jī)廢氣降解的目的。揮發(fā)性有機(jī)物( VOCs) 排入大氣中，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題，如霧霾、光化學(xué)煙霧、破壞臭氧層導(dǎo)致全球變暖等，降低環(huán)境中VOCs 濃度是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的處理工藝包括物理法( 如活性炭吸附、洗滌) 、化學(xué)法，盡管有一定的去除效率，但它們會(huì)產(chǎn)生二次污染，如活性炭吸附飽和后需要進(jìn)行脫附或者直接焚燒處理，造成成本增加，化學(xué)法用到的一些化學(xué)試劑不能直接排入到環(huán)境中，需經(jīng)過二次處理達(dá)標(biāo)后排放，工藝復(fù)雜。其他的一些工藝如燃燒或者膜分離法都具有較高的處理效率，適于處理高濃度的有機(jī)廢氣，但對(duì)于低濃度廢氣處理優(yōu)勢(shì)不明顯，投資成本及運(yùn)行成本較高。生物法是利用微生物的氧化代謝作用處理VOCs，具有成本低、除臭效果好、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。基于生物法的優(yōu)勢(shì)，目前應(yīng)用領(lǐng)域較廣泛，利用生物法處理橡膠廢氣，對(duì)臭味的去除效果較好; 應(yīng)用于污水處理廠臭味處理，極大地降低了投資成本。
生物法處理技術(shù)最早可以追溯到1950年，起先主要是用于降解空氣中的低濃度惡臭物質(zhì)。1957美國(guó)科學(xué)家申請(qǐng)了第一個(gè)生物法處理廢氣專利。1970-1980年，生物法在廢氣處理中的應(yīng)用引起了世界各國(guó)的重視，并在歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了迅速發(fā)展。近年來，荷蘭、德國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量工業(yè)規(guī)模的各類生物處理廢氣裝置并且投入工業(yè)化運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行的生物法處理廢氣裝置對(duì)污染物的去除率可達(dá)90％以上。國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)包括清華大學(xué)等也對(duì)生物法處理有機(jī)廢氣進(jìn)行了深入研究，但目前基本都處于試驗(yàn)室階段，還未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化推廣。不過，未來生物法在我國(guó)具有較為可觀的應(yīng)用前景。
目前主流的生物處理廢氣工藝有三種。按照微生物群落和液相形式，可分為生物過濾、生物滴濾和生物洗滌工藝。同時(shí)還有轉(zhuǎn)鼓生物過濾器、生物板式塔和膜生物膜法等新型工藝。
生物過濾工藝
生物過濾工藝是利用有較強(qiáng)吸附能力的填料如松樹皮、活性炭、陶粒、堆肥等完成對(duì)廢氣污染物的吸附，填料中有大量的微生物，微生物通過吸收捕獲廢氣中的污染物，通過微生物的代謝作用完成對(duì)污染物的降解。
在生物過濾器工藝中，廢氣先通過加濕，然后進(jìn)入生物過濾床。濕潤(rùn)的污染氣流通過固定有混合菌種的多孔填料，經(jīng)凈化后氣體被排出生物過濾器系統(tǒng)。生物過濾器一般不需要額外補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（營(yíng)養(yǎng)不足時(shí)，可以偶爾噴灑，主要是補(bǔ)充氮源或者是磷源），這是因?yàn)樯镞^濾器的填料通常是土壤，堆肥，泥炭，木屑，樹皮，顆?；钚蕴亢退芰喜牧匣蛘邤?shù)種材料混合使用，所以本身就為微生物的生長(zhǎng)提供了足夠的營(yíng)養(yǎng)以及微量營(yíng)養(yǎng)素。生物過濾器中填料大多包含豐富的菌種，當(dāng)然也可以額外接種微生物。生物過濾工藝的核心是生物過濾床，理想的生物過濾床應(yīng)有如下重要特征：(1)用于微生物膜生長(zhǎng)以及氣/生物膜傳質(zhì)的高比表面積；(2)高空隙率，以促進(jìn)氣體均勾分布；(3)良好的保水能力，避免床層干燥；(4)存在有效的固有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；(5)存在密集的和多樣化的固有菌群。
生物過濾工藝處理廢氣具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行成本低和處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，而且菌種附著在固定填料上比較穩(wěn)定不易流失。當(dāng)然，生物過濾工藝也有著自身的局限性，只適合處理溶解度高、易生化降解的VOCs，尤其是對(duì)高濃度廢氣處理效果較差，耐沖擊負(fù)荷能力弱，濾床需要定期更換等缺點(diǎn)。
生物洗滌工藝
生物洗滌工藝是一個(gè)由裝有惰性填料的吸收器和一個(gè)活性污泥反應(yīng)器組成的懸浮活性污泥處理系統(tǒng)，吸收器內(nèi)的惰性填充材料，其主要用于增加氣液相的接觸面積，而不是作為生物相的載體。洗滌循環(huán)液從吸收室頂部噴淋而下，使廢氣中的污染物和氧氣通過溶解和吸附作用實(shí)現(xiàn)從氣相至液相的轉(zhuǎn)移，部分的有機(jī)物被直接降解，大部分的有機(jī)物進(jìn)入到活性污泥處理系統(tǒng)，通過活性污泥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的降解，洗滌循環(huán)液在活性污泥系統(tǒng)中通過曝氣再生。目前，大多數(shù)生物洗滌器的運(yùn)行是以污水處理廠的活性污泥作為接種。
生物洗滌工藝的優(yōu)點(diǎn)是阻力小壓降低、填料由于具有較大的孔隙率因此不易堵塞，不需要定期更換填料，運(yùn)行過程和反應(yīng)條件易于控制。但是，其適合治理易溶VOCs，如醇、酮類(Henry系數(shù)<0.01)，污染物濃度一般低于5000 mg/Nm3、氣液傳質(zhì)的比表面積較小(通常<300 m2·m-3)；由于生物洗滌工藝所需的運(yùn)行設(shè)備較多，運(yùn)行成本較高，且不宜處理進(jìn)氣流量較大的廢氣，在一定程度限制了生物洗滌工藝在處理工業(yè)廢氣中的應(yīng)用。
生物滴濾工藝
生物滴濾池，是一種介于生物過濾法和生物洗滌法之間的處理工藝。相比生物過濾器，生物滴濾器中所用的填料是陶瓷、木炭、聚丙烯小球、顆?；钚蕴康榷栊圆牧?，其不能提供微生物生存以及生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。填料只是作為生物生長(zhǎng)的載體，但其填料空隙率比生物過濾器高，使用壽命更長(zhǎng)，流體阻力小。生物滴濾器整個(gè)系統(tǒng)的正常工作必須要有營(yíng)養(yǎng)液，并通過循環(huán)泵將營(yíng)養(yǎng)液噴淋到吸收塔內(nèi)的填料上，營(yíng)養(yǎng)液中一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(主要是氮源，磷源以及一些痕量元素)外，還起到了調(diào)節(jié)pH和控制塔內(nèi)濕度的作用。有機(jī)氣體在進(jìn)入吸收塔前也需要加濕，然后被惰性載體上的生物吸附并降解。
相比而言，生物滴濾器能處理范圍更廣的污染物，承受更大的污染負(fù)荷。這是因?yàn)樯锏螢V器內(nèi)的環(huán)境條件更好控制，而且潛在的有毒、頑固代謝產(chǎn)物會(huì)從系統(tǒng)中被清除出去。需要注意的是，生物滴濾器基于滴流的機(jī)制，因此這種工藝更適合于水溶性VOCs（Henry系數(shù)<0.1），當(dāng)然由于微生物和污染物之間的接觸是同時(shí)發(fā)生的，所以對(duì)于VOCs在水中溶解度沒有生物洗滌器要求那么高。另外，由于微生物和污染物之間的接觸發(fā)生在VOCs擴(kuò)散到液膜之后，所以對(duì)生物滴濾器運(yùn)行而言，液體流速和循環(huán)速度被認(rèn)為是影響其性能的重要參數(shù)。
生物滴濾池的優(yōu)點(diǎn)在于其運(yùn)營(yíng)和投入成本低；日常操作簡(jiǎn)便；可以人為投加必須的營(yíng)養(yǎng)物，并調(diào)節(jié)pH值；適合中高濃度的污染物氣體凈化。但也有自身的局限性，比如因?yàn)樗?nèi)微生物的快速繁殖導(dǎo)致的填料層堵塞，壓降升高，生物滴濾系統(tǒng)的運(yùn)行效率下降，必須采取反沖洗等方法來恢復(fù)生物滴濾系統(tǒng)的功能，目前常用的防治填料層堵塞的方法有漫灌沖洗法、酸/堿反沖洗、營(yíng)養(yǎng)限制等。
生物板式塔
生物板式塔的基本結(jié)構(gòu)類似于生物滴濾池，與其不同的是在吸收塔內(nèi)不是填料而是一堆在邊界上有孔的平行圓板，相鄰兩個(gè)圓板的放置必須使孔交替平行。通過這種方式，營(yíng)養(yǎng)液不斷改變方向自上而下的流經(jīng)每塊塔板，氣相(含VOCs廢氣)則以逆向自下而上流動(dòng)。生物膜則平行生長(zhǎng)在每塊塔板上，塔板表面一般較為粗糙，這樣有助于生物膜粘附。
生物板式塔根據(jù)所需要的操作時(shí)間可以調(diào)節(jié)總的表面積和塔板之間的空間，同時(shí)由于其恒定的表面接觸面積使過程中更容易建膜和規(guī)模擴(kuò)大化。相比生物過濾器、生物滴濾器而言，其對(duì)于生物相的分析更為方便，且不容易發(fā)生由于微生物過度生長(zhǎng)而引起的堵塞等問題，即使當(dāng)塔板生物膜的厚度達(dá)到最大值時(shí)也易于替換，性能更穩(wěn)定(生物活性穩(wěn)定)，能長(zhǎng)時(shí)間地工作，操作也更加方便。
轉(zhuǎn)鼓生物過濾器
與生物洗滌類似，轉(zhuǎn)鼓生物過濾器也是由廢水生物處理技術(shù)所演化而來。它的設(shè)計(jì)在一定程度上解決了生物過濾器中固有的問題。
轉(zhuǎn)鼓生物過濾器的主體為水平圓筒，其安裝在兩端固定的轉(zhuǎn)軸(中空)上，圓筒約有30%至40%的面積浸沒在水槽中，微生物則附著在轉(zhuǎn)筒上。污染物氣體進(jìn)入密封的反應(yīng)器后，進(jìn)而吸附在轉(zhuǎn)筒介質(zhì)上(如活性炭，海綿等)。當(dāng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，微生物經(jīng)過水域并獲得其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后將污染物分解，并由中空轉(zhuǎn)軸排出反應(yīng)器。結(jié)構(gòu)上多盤式和單盤式類似，只是在微生物的載體以多片同心水平圓筒代替單個(gè)水平圓筒?；旌鲜睫D(zhuǎn)鼓生物過濾器可以看作多轉(zhuǎn)盤式鼓生物過濾器與活性污泥工藝的結(jié)合，不同于多盤式的是其將污染物進(jìn)氣口設(shè)在水面以下。
一般而言，轉(zhuǎn)鼓生物過濾器中生物質(zhì)主要分布在最外層。其中單盤式筒體最外層上生物質(zhì)分布均勻，但生物質(zhì)隨著筒體深度而呈現(xiàn)出非均勻分布。而多盤式除了在最外層，內(nèi)層生物質(zhì)分布也相當(dāng)均勻，這表明其能夠有效防止氣體短路，從而獲得更好的性能。多盤式轉(zhuǎn)鼓生物過濾器可以長(zhǎng)期運(yùn)行在較髙的污染物負(fù)荷以及有介質(zhì)清洗的情況下。但尚未有該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例。
膜生物膜反應(yīng)器
在典型的膜生物膜反應(yīng)器中，微生物依附在膜的一側(cè)，膜作為微生物群落生長(zhǎng)的載體，并為氧氣和揮發(fā)性有機(jī)物的傳質(zhì)提供了巨大的比表面積。膜被生物膜所覆蓋的那一側(cè)浸潤(rùn)在液相中，液相提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而可以控制生物相。而氣相中的污染物通過纖維膜微孔擴(kuò)散到達(dá)生物相(生物膜)，然后好氧微生物以氧氣為電子受體將VOCs降解。膜生物膜法處理廢氣有如下優(yōu)勢(shì)：
(1)不會(huì)發(fā)生氣相阻塞，壓力降小，但在傳統(tǒng)的生物法堵塞問題較為嚴(yán)重，尤其是生物過濾器；
(2)可以持續(xù)不斷地去除過剩生物質(zhì)，因此在VOCs負(fù)荷較高的情況下可以防止反應(yīng)器堵塞；
(3)耐沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，但最大污染負(fù)荷受到膜極限的限制，而傳統(tǒng)生物法耐沖擊負(fù)荷能力差，與營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)，最大污染物負(fù)荷速率為50-300 g/（m3·h），50- 2000ppmv；
(4)可以去除生物降解過程中所產(chǎn)生副產(chǎn)物，可以添加pH緩沖劑中和酸性代謝產(chǎn)物和提供微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并提供微生物群落生長(zhǎng)的載體。
(5)可以去除水溶性較低的污染物如NO或甲烷，而傳統(tǒng)生物法則由于傳質(zhì)受限導(dǎo)致去除率低；
(6)微生物與氣相分離，防止了載體中的微生物進(jìn)入空氣，因而可以應(yīng)用于室內(nèi)控制的治理；
(7)處于氣流的最佳濕度，普通生物其則需要額外加濕裝置；
(8)氣、液相獨(dú)立控制，進(jìn)而防止了溢流或發(fā)泡，而傳統(tǒng)生物法則很大程度上取決于操作過程。
相比傳統(tǒng)的三大生物反應(yīng)器(生物過濾器，生物洗滌塔和生物滴濾池)，膜生物膜法雖擁有諸多優(yōu)勢(shì)，但目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。
