挥发性有机化合物废气的生物处理技术及其工程应用
摘要：介绍了含有挥发性有机化合物废气（VOC废气）的生物处理原理和技术应用。对在德国应用较广的生物滤池和生物洗提工艺的工作原理、适用范围、工艺设计的基本要求进行了说明。通过和其他VOC废气处理工艺进行的经济技术对比，表明了生物处理工艺在其适用范围内的优越性。
关键词：挥发性有机化合物 废气生物处理 生物滤床 生物洗提反应器
在塑料、橡胶加工、油漆生产、汽车喷漆和涂料生产等诸多工业领域中，工业品的生产和加工过程产生了大量含有挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）的废气（VOC废气）。这些废气未经处理排入大气，在一定条件下会形成光化学污染，影响大气质量，影响动植物生长和人类的健康。某些有毒VOC废气有致残、致畸、致癌作用，对长期暴露其中的人体造成严重伤害。为此，各国颁布了相应的法令，限制该类气体的排放，我国于1997年颁布并实施的《大气污染综合排放标准》，限定33种污染物的排放限值，其中包括苯、甲苯、二甲苯等挥发性有机物。
对VOC废气的治理，有多种处理技术可供使用。但对于VOC浓度低、风量大的废气，传统工艺存在投资运行费用高、处理效率低和处理后存在二次污染等问题。近年来，逐渐发展的废气生物处理技术作为一种新型的空气污染控制技术，得到日益广泛的应用。该项技术与传统的燃烧法、催化氧化法、吸收法、吸附法相比，对VOC低含量废气的处理有明显的优势。本文主要介绍现行的德国废气生物处理技术，以期对我国相应技术的推广应用起到借鉴作用。
1 废气生物处理工艺
1.1 生物处理原理
废气的生物处理技术首先应用于农业生产过程中异味气体的处理，例如养殖业中动植物加工产生的臭气、堆肥发酵和生物污泥废气处理等。随着工业生产中产生的挥发性有机气体的污染日益严重，这项技术逐步应用到工业废气净化领域。其净化的基本原理是：有机废气或异味气体流经带有液体吸收剂的处理器；在处理器中，由于废气中的污染物在气、液相之间存在浓度梯度，浓度差使其从气相转移到液相，被生存其中的微生物吸附；通过微生物的代谢作用，有机物被分解、转化为生物质和无机物。
1.2 反应处理工艺分类
生物处理技术的基本工艺流程以生物过滤为例，如图1所示，废气经过一定的除尘、温度和湿度调节，进入生物处理单元，经过微生物的处理，气体可以达标排放。
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图1 有机废气的生物处理工艺流程图
根据处理运行方式不同，处理工艺主要分为生物滤床工艺和生物洗提工艺两种。
1.2.1 生物滤床
废气流经生物滤床（见图2）中的活性滤层，有机物被滤料上的湿润水膜吸收，通过滤料上生活的微生物的代谢作用而降解。
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（a）生物滤床示意图 （b）多层布置的生物滤床 |
图2 生物滤床
生物滤床主要由进气系统、布气承托层、生物滤层和维护装置组成。
在生物滤床处理废气过程中，微生物的活性和数量对处理效果具有决定意义，它们取决于如下因素：进气流量、温度和湿度；废气中物质组成；浓度的稳定性和水溶性；氧气和营养物的供给；滤床的布置和温度、湿度保持；滤料的选择；滤床中的pH控制等。
滤料影响微生物的生长，从而直接影响净化效果。滤料选择必须考虑滤料的孔隙率、孔径分布、比表面积、亲水性、自身气味、pH等参数。在工程实践中，一般可选择有机滤料或无机滤料。无机滤料选择比表面积大，有一定强度的无机填料，如加气混凝土、多孔陶粒、熔岩颗粒或矿渣等。有机滤料主要有腐殖树皮、植物根须、枝杈、锯末、泥炭等及其混合物。由于有机滤料廉价易得，获得广泛的应用。有机滤料滤层一般高度在0.5～1.2 m。运行3～5年后，由于密实度增大造成阻力增大，应进行更换；更换滤料时，宜分次进行，以保持滤料中微生物种群的稳定。
1.2.2 生物洗提工艺
生物洗提工艺采用了污染物的液体吸收和生物处理的联合作用。废气首先被液体（吸收剂）有选择地吸收形成混合污水，再通过微生物的作用将其中的污染物降解。根据污水处理的方式（吸收剂再生方式）不同，可分为活性污泥法和生物膜法（生物滴滤池），构筑物示意图如图3、图4所示：
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图3 生物洗提—活性污泥法示意图
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图4 生物滴滤池示意图
从图3中可以看出，生物洗提-活性污泥法是将吸收剂（水和微生物的混合液）和废气在吸收塔内采用通过喷淋、填料填充或曝气等方式进行混合，溶解于水的有机物被微生物吸附，排入活性污泥反应器后进一步被降解，吸收剂得到净化再生和重复使用。因为吸收剂的再生速度不受处理负荷和吸收速度的影响，所以这种方法适用于处理生物降解速度较慢的有机物。
图4所示滴滤池中的填料上生长有大量生物膜，当废气通过其间，有机物被生物膜表面的水层吸收后被微生物吸附和降解，得到净化再生的水被重复使用。
在生物洗滤过程中，吸收剂的再生效率影响废气的吸收、净化效果和系统的能耗高低，
这主要取决于污水处理效率的高低。而影响生物洗提工艺处理效果的因素有：废气中有机物水溶性和生物降解难易程度；进气温度、粉尘和有毒物质含量；对微生物的曝气和营养物质供给（如N、P等）；水的温度、pH、含盐量和新鲜淡水的补充情况。
2 生物反应器的应用和经济技术比较
2.1 应用范围与设计参数确定
废气生物处理的主要适用范围是：去除异味气体和含VOC废气浓度较低的废气，废气中TOC（总有机碳）<1000 mg/m3；气体流量 ≤50000m3/h，气流均匀且连续；废气的温度一般 ≤40 ℃，生物滤床工艺同时要求进气湿度>95%；废气组分易溶于水，易生物降解。对废气中各种组分的降解情况如表1所示，可作为工艺设计的选择依据。
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工程设计中，需要同时考虑废气中气体组分的种类、浓度，反应器中有效接触时间。反应器的尺寸由面积负荷：m3气体/（m2过滤面积·h）；接触时间：s；体积负荷：ｇTOC/ (m3过滤体积·h)；或：气味单位GE/（m3过滤体积·h）；或：m3气体/（m3过滤体积·h）等参数确定。
实际工程中，反应器尺寸可参考同类生产企业的经验值估算，并应进行中试实验，以优化设备尺寸，降低投资。表2、表3分别给出不同种类企业应用生物滤床和生物洗提工艺的情况。从两种工艺的应用可以看出，生物滤床工艺对气味和易溶性有机气体去除效率较高，而生物洗提能够用于生物降解性较差的VOC废气处理。
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2.2 与其他工艺的经济技术比较
在对含VOC废气处理工艺的选择中，在技术领域应考虑如下因素：VOC的去除效率；废气性质（废气中有机物的组成、VOC含量、废气流量、气味指标）；可用建设面积；技术经济使用期；必要的附属设施建设（如：水蒸气生产设施）；与原有治污设备的配套；有机溶剂的回收等。经济上主要考虑投资、运行费用和财务风险。各种工艺的初步选择依据如表4所示。
表4 VOC气体处理技术措施的适用范围及其经济指标
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3 结 语
随着国内对环境质量的要求不断提高，挥发性有机废气的治理工作正逐步开展。生物处理方法利用微生物的代谢作用，对中、低浓度有机废气进行处理，具有适应性强，投资、运行费用低，二次污染小等优点，是一种自然的污染治理技术。这种方法的不足主要有：对气体水溶性和生物降解性有要求，反应器启动、微生物驯化、处理过程持续时间较长，运行中必须提供足够的营养元素和氧气等。今后的研究工作应主要集中在填料选择、适宜菌种筛选和固定化、反应器优化设计及其组合应用等方面，为工艺的进一步推广应用提供技术参数。
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