生物过滤器处理恶臭气体的研究进展
摘要：恶臭污染是一种感知污染，已成为危害人类健康的一大公害。生物过滤器高效、廉价的特点是解决恶臭污染的一种有效途径。填料的选择和填料湿度及其操作工艺是影响生物过滤器性能的主要因素。概述了近几年生物过滤器主要的动力学模型及其应用现状和发展前景。
关键词：生物过滤器 恶臭气体 处理措施
恶臭污染是一种感知污染，它不仅给人感觉器官以刺激产生厌恶感，而且含有的某些有害物质能直接危害人体的健康，已被认为是仅次于噪声污染的六大公害之一[1]。凭人的嗅觉即能感觉到的恶臭物质有4 000多种[2]，其中H2S 和NH3是工业生产过程中广泛存在的废气主要成分，如食品加工、皮革业、畜牧业以及污水处理厂等，它们都是具有刺激性、嗅阈值很低的臭味物质，其嗅阈值分别为0.000 75、0.004 5 mg/m3[3]。
生物过滤器处理恶臭气体就是利用微生物对恶臭物质进行生物降解，通过微生物自身的代谢作用把恶臭气体转化为维持生命活动所需要的能源和养分，同时把代谢产物排除体外的一个过程[4]。恶臭气体经过加压预湿后，进入过滤塔并与填料层表面的生物膜接触，微生物消化吸收恶臭气体后产生的代谢物再作为微生物的养料，继续吸收消化，如此循环使恶臭物质降解，转化为CO2 、水和其他小分子物质，消除恶臭气味后被排放。
1 影响生物过滤器性能因素
微生物的活性是影响生物过滤器性能的主要因素[5]，因此微生物生长的环境条件都会影响其性能，主要包括填料的选择、填料的湿度、反应器内的温度、pH、微生物的营养物质、填料内的氧气含量和需要处理的污染物浓度等。
1.1 填料的选择
常用的过滤器填料有泥煤、高肥力的土壤、堆肥等，这些填料能提供比较好的持水性、充足的养分和丰富的微生物种群等[6]。李建军[7]以陶粒和活性炭为填料的生物滴滤池系统对人工合成的甲苯废气进行了净化处理试验，结果表明，添加活性炭能提高填料柱的处理性能，陶粒和活性炭组成的复合填料能有效地处理含甲苯的废气，当进气甲苯质量浓度为2.35 g/m3时，甲苯去除率可达95%以上，填料柱对甲苯的去除能力为130 g/（m3?h）。RAMIREZ-LOPEZ等[8]用5种农副产品(花生壳、稻米外壳、椰子外壳、甘蔗渣、玉米茬)作为生物过滤器的填料，发现花生壳潜在的应用性最高。MAESTRE等[9]在不同运行条件下4种填料的性能研究中，比较了椰子纤维、废水处理站的消化淤泥、泥煤、松树叶作为生物过滤甲苯的填料的适应性，指出真菌微生物适合处理高负荷的苯，椰子纤维堆肥生物过滤器在去除能力和长期的稳定性方面有更好的性能。
1.2 填料的湿度
填料层湿度是生物法处理废气性能的一个主要影响因素，75％的生物过滤系统问题由填料含湿量引起的。填料的湿度是保持生物过滤器最佳性能的最重要的操作参数，微生物的活动是以水为介质，如果填料的湿度太低，则会使微生物失活，并且填料会干燥开裂，产生气体短路，从而降低过滤器的性能；但是湿度太高，不仅会使气体通过滤床的压降增高，而且由于氧气不能进入，形成局部厌氧区域，使得降解速率降低。RANASINGHE等 [10]分别从填料层干燥和增湿过程两方面研究填料含湿量对污染物去除效果的影响，认为污染物去除效果主要受填料含湿量影响；孙玉梅等 [11]研究发现，填料层的初始湿度由70％下降至30％时，其表面的总微生物量从4×107 个下降至3×107个，且达到最大去除率时的湿度增加。王家德等[12]为了优化BF废气处理系统设计，研究了填料湿度、pH对BF系统处理H2S废气的影响，结果表明，填料层的湿度变化会影响BF系统对H2S的去除率，当湿度小于45%时，BF系统对H2S去除率呈下降态势，从BF系统长期稳定运行角度看，适宜的湿度范围是50%～70%。
1.3 操作工艺
操作工艺包括恶臭气体进气速度及浓度、空床停留时间、填料的pH、喷淋条件等。不同气体对去除性能的影响取决于气体的水溶性和微生物降解性。不同的气体的水溶性可能相差很大，影响了恶臭气体从气相进入到液相的速度，从而影响了微生物的降解。
郭兵兵[13]在实验室研究了生物填料塔工艺净化含H2S和甲苯的恶臭废气的生物降解特性，结果表明：降解H2S的微生物驯化期为16 d，降解甲苯的微生物驯化期为32 d，在停留时间为28 s、pH为6～7、每立方米填料的喷淋水量为0.80～1.92 m3/d时，H2S去除率均可达到97.9%以上，甲苯的去除率平均达到91.3%。
王晨昊等[14]采用不锈钢丝网作为生物滴滤器的载体材料，用以苯为唯一碳源驯化而得的微生物菌种进行苯废气的净化实验，结果表明，在相同的进气苯浓度下，随着停留时间的增加，苯的消除能力和净化效率迅速提高，停留时间为33.9 s时，苯净化效率达98％；在进气苯负荷为30～40 mg/（L.?h）水平下的净化效率随循环液流量的变化而变化，实验中最佳的液体流量为0.8 L/h。进气口处污染物浓度对生物滴滤器的净化效率和所需的填料层高度有较大的影响。
张春燕[15]采用了两个串联的填充堆肥、树皮和火山岩混合物的三段式生物过滤器连续处理某炼油污水厂浮选池的恶臭废气，结果表明，空床停留时间66 s、非甲烷总烃、苯、甲苯及二甲苯的进口质量浓度分别为5.1～1 081.8、0.1～328.8、0.2～91.8、0.2～48.2 mg/m3时，非甲烷总烃、苯、甲苯及二甲苯的平均去除率分别为79.7％、98.9％、98.8％、99.6％。
费丽[16]采用微生物菌种对生物膜填料塔进行挂膜作业，以低浓度甲醛废气为研究对象，对生物膜填料塔净化甲醛废气进行了研究，考察了入口气体甲醛浓度、气体流量、循环液喷淋量各因素对甲醛净化效率和生化去除量的影响，结果表明，随着入口处气体中甲醛浓度的增加，甲醛净化效率呈下降趋势，而生化去除率却随之增加；气体流量增加时，甲醛净化效率较稳定，基本维持在65％左右，同时生化去除率随之增加；当液体喷淋量由10 L/h增至20 L/h时，甲醛净化效率由40％左右增至约80％，再继续增加液体喷淋量时，净化效率的增加却渐趋平缓；当液体喷淋量增至40 L/h时，甲醛净化效率则为90％左右；生化去除量随着液体喷淋量的增加而增加，当增至20 L/h时，增加趋势增大。
2 生物过滤器动力学模型研究
生物过滤器通常最有利的处理条件是促进微生物数量积聚。在这过程中首先发生堵塞的地方是高生物量密集的圆柱入口处，微生物的积聚导致填料粒子空隙减少，堵塞沟渠，增加压降[17]。近年来主要通过传统的动力学模型来研究生物过滤器堵塞现象，主要有基质降解动力学、微生物增长动力学、基质降解与生物增长量、渗流理论等几种模型。
HE等 [18]通过不同的包装填料和圆锥型的设计来改进生物过滤器的设计，其中一个设计观念包括利用异质包装系统在入口阶段增加更多的生物学上活动的微粒，减少出口阶段的小的活动微粒，这一改进更好地分配微生物的活动和污染物的降解，从而减少总的压降；另一个设计观念是利用几何学上的圆锥型的生物过滤器代替惯例的圆柱型的过滤器，这种改变通过可组合的面积来抵消微生物活动的不均匀性，因而达到了生物过滤器压力大小的一致性。MORGAN-SAGASTUME等[19]研究表明，生物过滤器总的压降的增加能够增加不同种类生物数量分布不均匀性，这种分配不均匀性更导致总的压降的不均匀性，总压降的不均匀性归结于包装填料的不均匀性，指明生物过滤器中均匀的微生物数量的分配能够减少总的压降。
有研究表明，由于填料中甲苯和二甲苯的比率不同，观察到高的微生物繁殖是导致压降过多下降的原因。认为预防和补救生物过滤器堵塞，本质上是防止微生物的过量积聚。也可以认为，在生物过滤器中过多的生物数量与包装填料、洗涤物、分解的化学药品、控制限制性营养、颠倒气流方向等无关。YANG等[20]创建了一个数学模型，运用渗流理论解释生物过滤器的堵塞现象。渗流理论预测多孔渗水填料的个别气孔在平均范围内堵塞的概率。应用渗流理论的三大理由是：它描述堵塞的分布状态和开放状态，估计总水分损失，并预测比表面积和生物膜厚度的处理效率。JIN 等[21]的研究也表明，堆肥生物过滤器中气态氨的移除与堆肥填料的含水率呈极显著关系。
3 国内外生物过滤器的应用现状
生物过滤器最早的研究报道是在1957年。美国人R.D.Paneray在1957年利用土壤微生物处理H2S废气并获得了专利。D.A.Carlson在1966年运用土壤脱臭也取得了进展[22]。20世纪70 年代后各国在这个领域中进行了广泛的研究，80 年代以来已有各类微生物除臭方法应用于化工、石油、屠宰、污水处理中，并取得了明显的效果。我国在该领域的研究起步较晚，20世纪80年代末、90年代初才开始这方面的实验室研究。
王晓辉等 [23]用泥炭和接种活性污泥为填料的生物过滤器去除甲硫迷（DMS）恶臭气体，微生物学分析表明，生物过滤器中去除DMS的优势种群是来源于活性污泥的非嗜酸化能自养型硫氧化菌。
马梅荣等[24]初步探索了在城市生活垃圾堆肥厂采用生物除臭法的效果以及相关工艺参数，但这些研究都还仅仅局限于对某一单一环节的探索，并没有进行系统化的深入研究。HONG等[25]研究了木屑生物膜处理H2S气体，结果表明，木屑为载体固定微生物不需要长时间的挂膜时间，生物滤池启动后的48 h内H2S进气质量浓度迅速提高到641 mg／m3，H2S的去除率达到了100％。徐晓军等 [26]用海藻酸钠作为包埋剂固定优势菌种（枯草芽孢杆菌、白曲霉菌、葡萄球菌）处理NH3和H2S，考察了气体流量、NH3和H2S气体浓度、循环液喷淋量对NH3和H2S去除效果的影响，得出固定化生物滴滤反应器最佳运行条件为气体流量1.0 m3/h、循环液喷淋量8.88 L/h、进气H2S质量浓度低于51.85 mg/m3、进气NH3质量浓度低于57.21 mg/m3。
于非凡[27]用生物滴滤法处理低浓度H2S恶臭气体，研究分析了喷淋水量、pH、停留时间对H2S去除率的影响，结果表明，当进气H2S质量浓度小于30 mg/m3时，循环液pH在0.5～2.0、喷淋水量为10 L/h、气体停留时间为30 s左右的条件下，H2S的去除率可以达100%。
4 结 语
近年来国内外对生物过滤技术的研究比较活跃，主要研究方向为：提高微生物对有机污染物的降解速率，以便使生物过滤器的体积减小；改善过滤材料的物理性能和使用寿命，以节省基建投资和能耗；寻找最佳工艺条件并实现自动控制，以降低故障发生概率。然而，从近些年国内外的众多报道来看，虽然采用生物方法（如生物滤池、生物洗涤塔、生物反应器等）消除恶臭气体的工艺流程已基本成熟，同时也在诸多具体环节上取得了一定的研究成果，但综观这些研究的侧重点以及该方法的整个发展现状，可以发现还有一些环节有待提高和优化。
（1）在复合微生物菌剂的研究和开发方面，国内外对生物除臭过程中微生物种群的比例、种间关系、变化规律等基础研究较少，并且都只做了简单的分离、鉴定、应用实验，而没有对其种间关系、变化规律进行进一步的研究。所生产的菌剂主要是少数几种微生物的简单混合，没有形成优势互补、生态关系稳定、功能强大的菌群。
（2）在填料的选择上过分沿袭了以前的传统材料，吸附层主要为陶粒、活性污泥，堆肥等。虽然近年来也尝试性地使用了纤维性材料，表现出了一定的优越性，但也仅仅局限用于单一除臭菌的反应体系中；
（3）设施投入仍然偏大，位置固定，占地面积和重量大，使用不方便，运行费用高，在臭气面源污染情况下使用受到很大限制。
（4）由于生物反应器的吸附层层次太少，填料类型不够丰富，生物多样性贫乏，处理效果仍然较差。
（5）由于设施固定，填料更替时操作极不方便。
因此，要进一步提高生物除臭效率，应当在考虑臭源物质的生物去除可能性和去除效率的基础上，首先做好除臭生物驯化工作，然后进行工艺的革新，才能提高除臭效率。以后的研究重点一方面应集中选育具有高效稳定的除臭菌株、探索能处理复杂组分臭气的复合菌体系，确定菌体最适生长繁殖的环境条件等参数，另一方面加强新型填料的选择应用以及对多吸附层、模块化、重量小、可移动高效除臭生物反应器系统的开发，以便灵活处理养殖企业和中小型废物处理厂的恶臭气体，解决空气面源污染问题。
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