生物过滤

概述:生物(wù)过滤是利用微生物的氧化(huà)代谢作(zuò)用将废(fèi)气(qì)中的有(yǒu)机污染物分解为无害或者低(dī)害(hài)类的物质,生物过(guò)滤器(qì)内(nèi)部含有填料,为微生物的生长繁殖提供附着位点,废气(qì)流经填料床,通过填料的扩散作用到达生物膜,与微生物(wù)接触并发(fā)生氧化代(dài)谢反应,进(jìn)而(ér)达(dá)到有机废气降(jiàng)解的目(mù)的。挥发性有机物( VOCs) 排入大气中,会产生(shēng)严重的(de)环境问题(tí),如雾霾、光化学(xué)烟雾(wù)、破坏臭氧(yǎng)层导致全球变暖等,降低环境中VOCs 浓度是(shì)实现可持续发展的关键(jiàn)因素。传统的处理工艺包括物理法( 如活性(xìng)炭吸附、洗涤) 、化学法(fǎ),尽管有(yǒu)一定的(de)去除效率,但(dàn)它们会(huì)产(chǎn)生(shēng)二(èr)次污(wū)染,如(rú)活性炭吸附饱和后需要进行(háng)脱附或(huò)者直接焚(fén)烧处(chù)理,造成成本增加,化学法(fǎ)用(yòng)到的一(yī)些(xiē)化(huà)学(xué)试剂不能直接排(pái)入(rù)到环境(jìng)中,需(xū)经(jīng)过二次处(chù)理达标后排(pái)放(fàng),工艺复杂。其他的一些工艺如燃烧或者膜分离法都具(jù)有较高(gāo)的处理效(xiào)率(lǜ),适于处(chù)理高浓度的有机废气,但对于低浓度废气处理优势(shì)不明显,投(tóu)资成本及运行成本较高。生物法是利(lì)用微(wēi)生物的氧化代谢作用(yòng)处理VOCs,具有成本低、除臭效果好(hǎo)、无二次污染等优点,受到广泛关注。基于生物法的(de)优势,目前(qián)应用领域较广泛,利用生(shēng)物(wù)法(fǎ)处(chù)理橡胶(jiāo)废(fèi)气,对臭味的(de)去除效果较好; 应(yīng)用于污(wū)水处理厂臭(chòu)味处理(lǐ),极大地降低了投资成本。

生物法(fǎ)处理技术最早可(kě)以追溯(sù)到1950年,起先主要是(shì)用(yòng)于降解(jiě)空气中的低浓度恶臭物质(zhì)。1957美国科学(xué)家申请(qǐng)了(le)第一个生物法(fǎ)处理废(fèi)气专利。1970-1980年,生物法(fǎ)在废气处(chù)理(lǐ)中的应用引起了世界各国的重视(shì),并(bìng)在欧洲和日本等发达(dá)国家(jiā)得到了迅速发展。近(jìn)年来,荷兰、德(dé)国、日本等(děng)国(guó)家已经有相当数量工(gōng)业规模的各类生(shēng)物处理废气(qì)装置并且投入工业化运(yùn)行(háng),实(shí)际(jì)运行的生物法处(chù)理废气装(zhuāng)置对污染物的去除率可达90%以上。国(guó)内许多研究机构包括清华大学等也对(duì)生物法处理有机废(fèi)气进行了深入研究,但(dàn)目前基本都处于试(shì)验室阶段,还(hái)未(wèi)能实现大(dà)规模的工业化推广。不过,未(wèi)来生物法在我国具有较为可观(guān)的应用(yòng)前景。

目前主(zhǔ)流(liú)的生物处理废气工艺有三种。按照微生物群落和液相形式(shì),可分为生物(wù)过滤、生物滴滤和生物洗涤工艺。同时还有(yǒu)转鼓生物过滤器、生(shēng)物板式塔和(hé)膜生物膜法等新型工艺。

生物过(guò)滤工(gōng)艺

生物过滤工艺是利用有较强吸(xī)附(fù)能力的填料如(rú)松树皮、活性炭、陶(táo)粒、堆肥等完成对废气污染物的吸附,填料(liào)中有大(dà)量的(de)微生(shēng)物(wù),微生物通过吸收捕获废气(qì)中(zhōng)的污染物,通(tōng)过微生(shēng)物(wù)的代(dài)谢作用完成对污染物的降解。

在生物(wù)过滤(lǜ)器工艺中,废气先通过加(jiā)湿(shī),然后进(jìn)入生物过滤床。湿润的污(wū)染气(qì)流通过固定有混合菌种的多孔填(tián)料,经(jīng)净化后(hòu)气体被排出生物过滤(lǜ)器系统。生物过滤器一般不需要额(é)外补(bǔ)充营养物质(zhì)(营养不足(zú)时,可(kě)以(yǐ)偶尔喷洒,主要(yào)是补充(chōng)氮源或者是磷源),这是因为生物过滤器(qì)的(de)填料通常是土壤,堆肥,泥(ní)炭,木屑,树皮,颗粒活性炭和塑料材料或(huò)者数种材(cái)料(liào)混合使用(yòng),所以(yǐ)本身就为(wéi)微生物的生(shēng)长提供了足够(gòu)的营养(yǎng)以及微量(liàng)营(yíng)养素(sù)。生物过滤器中填料大多(duō)包(bāo)含丰富的菌种,当(dāng)然也可(kě)以额外接种微生(shēng)物。生(shēng)物过滤(lǜ)工艺的核心是生物过滤床,理(lǐ)想的生物过滤床应有如下重要特征:(1)用于微生物膜生长以及气/生物膜(mó)传质的高比表面积;(2)高(gāo)空隙率(lǜ),以促进气体均勾分布;(3)良(liáng)好的保水能(néng)力,避免床层干燥;(4)存(cún)在有效的固有(yǒu)营养物(wù)质;(5)存(cún)在密(mì)集的和多样化的固有菌群。

生物过滤工(gōng)艺处理废气具有工艺简单、操作方便、运行成本低和处理效果好等优点,而且菌种附着在固(gù)定填料(liào)上比较稳定(dìng)不(bú)易流失。当然,生物过滤工艺(yì)也有着(zhe)自身的局限性,只适合(hé)处理溶解度高、易生化降解的VOCs,尤其是对高浓度废气处(chù)理效果较差(chà),耐冲击负荷能(néng)力弱,滤床需要定期更换等缺(quē)点。

 

生物洗涤工艺

生物(wù)洗涤工艺(yì)是一(yī)个由装有惰性填(tián)料的吸收器和一个活性污泥反(fǎn)应(yīng)器组(zǔ)成的悬浮(fú)活性污泥处理系统,吸收(shōu)器内的惰(duò)性(xìng)填充材料,其(qí)主要用于增加气(qì)液相的(de)接(jiē)触面积,而不是(shì)作为生物相的载(zǎi)体(tǐ)。洗(xǐ)涤循(xún)环液从吸收室顶部喷淋(lín)而下,使废气中(zhōng)的(de)污(wū)染物和氧气(qì)通过溶解和吸附作用实现从(cóng)气相至液(yè)相(xiàng)的转移,部分的有机物(wù)被直接降(jiàng)解,大(dà)部分(fèn)的有机物进入到活性污泥处理系统,通过活性污(wū)泥系统实现有机物(wù)的降解,洗涤(dí)循环液在活性污泥系统中通过曝气再生(shēng)。目(mù)前,大多(duō)数生物洗(xǐ)涤器的运行是以污(wū)水处理厂的(de)活性污泥(ní)作为接种。

生物洗涤工艺的(de)优点(diǎn)是阻力小压降低、填料由(yóu)于具有较大的孔隙(xì)率(lǜ)因此不易堵塞,不需要(yào)定期更换填料,运(yùn)行过程和反应条件易于控(kòng)制。但是,其适合治理易溶VOCs,如醇(chún)、酮类(Henry系数<0.01),污(wū)染物(wù)浓度一般(bān)低于5000 mg/Nm3、气液传(chuán)质(zhì)的比表面积(jī)较小(通(tōng)常<300 m2·m-3);由于生(shēng)物洗涤工(gōng)艺所需的运(yùn)行(háng)设备较多,运行成本较高(gāo),且不宜处理进气流量较(jiào)大(dà)的废气,在(zài)一定程(chéng)度限制(zhì)了(le)生物洗涤工艺在处理工业废气中的应用。

 

生物滴滤(lǜ)工艺

生物滴滤池,是一种介于生(shēng)物过滤法和生物洗涤法之(zhī)间的处(chù)理工艺(yì)。相比生物过滤器,生物(wù)滴滤器中(zhōng)所用的填(tián)料是陶(táo)瓷、木(mù)炭、聚丙(bǐng)烯小(xiǎo)球、颗粒活性炭(tàn)等惰性材料,其不能提(tí)供微生物生存以及生长(zhǎng)的营养物质(zhì)。填料只是作为生物生长(zhǎng)的(de)载体,但其填料空隙率比生(shēng)物过滤器高,使用(yòng)寿命更长,流体阻力小。生物滴滤器整(zhěng)个系统的正常工作必须要有营养液(yè),并通过循环泵将营养(yǎng)液喷淋(lín)到吸(xī)收塔内(nèi)的(de)填料上,营养液(yè)中一些营养物质(主(zhǔ)要是氮(dàn)源,磷源以(yǐ)及一些痕量元素(sù))外,还(hái)起到了调节pH和控制塔内湿度的作用。有机气体(tǐ)在进入吸(xī)收(shōu)塔(tǎ)前也(yě)需(xū)要加湿,然后被惰性载体上的生物吸(xī)附并降解。

相比而(ér)言,生物滴滤器能处理范围更广的污(wū)染物(wù),承受更大的(de)污染负荷(hé)。这是(shì)因为(wéi)生(shēng)物滴滤(lǜ)器内(nèi)的环境条件更好控制,而且潜在的有毒、顽(wán)固代谢产物会(huì)从系统中被清除出去。需要(yào)注意的是,生物滴滤器基(jī)于滴流的(de)机(jī)制,因此这种工艺更(gèng)适合(hé)于水溶性(xìng)VOCs(Henry系数<0.1),当然由(yóu)于(yú)微生(shēng)物和污染物(wù)之间的接(jiē)触是同(tóng)时发生的,所以对于VOCs在水中溶解度没(méi)有生物洗涤器要求(qiú)那(nà)么高。另外,由(yóu)于微生物和污染物之(zhī)间(jiān)的(de)接触发生(shēng)在VOCs扩散到液膜之后,所以对生物滴滤(lǜ)器运行而言,液体流速和循环速度被(bèi)认为是影响其性(xìng)能的重要参数。

生物滴滤池(chí)的优(yōu)点在(zài)于其运营(yíng)和投(tóu)入(rù)成本低;日常操作简便;可以人为投加必(bì)须的营养物(wù),并调节pH值;适合(hé)中高浓度的污(wū)染物气(qì)体净化。但(dàn)也有自身(shēn)的局限性,比如因为(wéi)塔内微(wēi)生(shēng)物的快速繁殖导致的填料层(céng)堵塞,压降(jiàng)升高,生物滴(dī)滤系统(tǒng)的(de)运行效率下降,必须采取反冲洗等方法来恢复生物滴滤系统的功能,目前(qián)常用的(de)防治(zhì)填料层(céng)堵塞的方法(fǎ)有漫(màn)灌冲洗法、酸/碱反冲洗、营养限制等(děng)。

 

生物板式塔

生(shēng)物板式塔的(de)基本结(jié)构类似于生物滴(dī)滤池,与其(qí)不同的是在吸收塔(tǎ)内不(bú)是(shì)填(tián)料而是一(yī)堆在边(biān)界上有孔(kǒng)的平行圆(yuán)板,相邻(lín)两个圆板的放置必(bì)须(xū)使孔(kǒng)交(jiāo)替(tì)平行。通过(guò)这种(zhǒng)方式,营养液不断改变方向自上而下的流(liú)经每块塔(tǎ)板,气相(含VOCs废气)则以逆向自下而上流(liú)动。生物膜则平行生长在每块塔板上(shàng),塔板表面一般较(jiào)为(wéi)粗糙,这样有助于生物膜粘附。

生物板式塔(tǎ)根据所(suǒ)需(xū)要(yào)的操(cāo)作时间可以调节总(zǒng)的表面积(jī)和塔(tǎ)板(bǎn)之间的空间,同(tóng)时由于(yú)其恒定的表面接触面积(jī)使过(guò)程中更(gèng)容易建膜和规模扩大(dà)化。相(xiàng)比生物过滤器、生(shēng)物滴滤器而言,其对(duì)于生物相(xiàng)的分析更为方便,且不容易(yì)发(fā)生由于微生物过度生长而引起的堵塞等问题,即使当塔(tǎ)板生物膜的(de)厚度达到最大(dà)值(zhí)时(shí)也易于替(tì)换,性能更稳(wěn)定(生物活性稳定),能长时间地工作,操作也更加(jiā)方便。

 

转鼓生(shēng)物过滤(lǜ)器

与(yǔ)生物洗(xǐ)涤类似,转鼓生(shēng)物(wù)过滤器也(yě)是由废水(shuǐ)生物处理(lǐ)技术所演化而来。它的设计在一定程度上解决了生物过滤器中(zhōng)固有的问题。

转鼓(gǔ)生物过滤器的(de)主体为水平圆筒,其安(ān)装在两端固定的转轴(中空(kōng))上,圆筒约(yuē)有30%至40%的面积浸没在水槽中,微生物则附着在转筒上。污染物气体进入密封的反(fǎn)应器后,进而吸附在转筒介质上(shàng)(如活性炭,海绵等)。当(dāng)转筒转动时,微生物经过水(shuǐ)域并获(huò)得其它营养物质后(hòu)将污染物分解,并由中空转轴排出(chū)反应器。结构上多(duō)盘式和单(dān)盘(pán)式类似,只是在微(wēi)生物的载体以多片同心水(shuǐ)平(píng)圆(yuán)筒代替单个水平圆(yuán)筒。混合式转(zhuǎn)鼓生(shēng)物过滤器可以看作多转盘式鼓生物过滤器与活性污(wū)泥工(gōng)艺的结合,不同于(yú)多盘式的是其将污染(rǎn)物进气口设在(zài)水(shuǐ)面(miàn)以下。

一般而言(yán),转鼓生(shēng)物(wù)过(guò)滤器中生物质主(zhǔ)要分布(bù)在最外层。其中单(dān)盘(pán)式筒体最外层上生物质分(fèn)布均匀,但生物(wù)质随着筒体深(shēn)度而(ér)呈现出非(fēi)均(jun1)匀(yún)分(fèn)布(bù)。而多盘(pán)式除了在最外层,内层生(shēng)物质分布也相当均匀(yún),这表明其能够有(yǒu)效防(fáng)止气(qì)体短路,从而获得更好的性能(néng)。多盘式(shì)转鼓生物过滤(lǜ)器可以长期运行在较(jiào)髙的污(wū)染(rǎn)物负荷(hé)以及有介质(zhì)清洗(xǐ)的(de)情况下。但(dàn)尚未有该项技术在(zài)实际应用的实例(lì)。

 

膜生(shēng)物膜(mó)反应器

在典型的膜(mó)生(shēng)物(wù)膜反应器中,微生物依附(fù)在膜的一侧,膜作为微生物群(qún)落生长的载体(tǐ),并为氧(yǎng)气和挥发性有机(jī)物的传(chuán)质提供了巨大的(de)比表(biǎo)面(miàn)积。膜被生(shēng)物膜(mó)所覆盖的那一侧浸(jìn)润在液相中(zhōng),液相提供营养物质,进而可以控制生物相(xiàng)。而气相中(zhōng)的污染物通过纤维膜微(wēi)孔扩散到达生物(wù)相(生(shēng)物膜),然后好氧微生(shēng)物以氧气为电子受体(tǐ)将(jiāng)VOCs降解。膜生物膜法处理(lǐ)废(fèi)气(qì)有如下优势:

(1)不会发生气相阻(zǔ)塞,压力降小(xiǎo),但在传统的生(shēng)物法堵塞问题较为严重,尤其是生物(wù)过滤器;

(2)可(kě)以持续(xù)不断(duàn)地去除过剩生(shēng)物质,因此(cǐ)在VOCs负荷较高的情(qíng)况(kuàng)下(xià)可以防止反应器(qì)堵塞;

(3)耐冲击负荷(hé)能力较强,但最大污染(rǎn)负荷受到膜极限的(de)限制,而传统生物法耐冲击负(fù)荷能力差,与营养状态有关,最大污染物负荷(hé)速率为50-300 g/(m3·h),50- 2000ppmv;

(4)可以去除(chú)生物降解过(guò)程(chéng)中所(suǒ)产生副产(chǎn)物,可以添加pH缓冲剂(jì)中和酸性代谢产物和(hé)提供微生(shēng)物(wù)生长的营养物质,并提(tí)供微生物(wù)群落生(shēng)长的载体。

(5)可以去除水溶(róng)性较低的(de)污染(rǎn)物如NO或甲烷,而传统生物法(fǎ)则由于传(chuán)质受限导致去除率低;

(6)微生物与气相(xiàng)分离(lí),防(fáng)止了载体中的微生(shēng)物进入空气,因而可以(yǐ)应用于室内控制的治理;

(7)处于气流的最佳湿度,普通(tōng)生物其则需(xū)要额外(wài)加湿装置;

(8)气、液相独(dú)立控制,进而(ér)防止了溢流(liú)或发泡,而传统生物法则很大程度上取决于(yú)操作过程。

相比传统的(de)三大生物反应器(生物过滤器,生物洗(xǐ)涤塔(tǎ)和生物滴滤池(chí)),膜生物(wù)膜(mó)法虽拥有诸多优势,但(dàn)目前仍停留在实验室(shì)研究阶段。

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