隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，帶來的揮發(fā)性有機(jī)廢氣(VOCs)排放到大氣中，逐漸增加的VOCs已成為當(dāng)今關(guān)注的重要環(huán)境問題之一。生物凈化VOCs具有易操作、維護(hù)方便、凈化效率高、運行費用低、安全性高、無二次污染等優(yōu)點而備受世界各國的廣泛關(guān)注。

VOCs廢氣生物處理技術(shù)原理是將有機(jī)污染物在微生物作用下轉(zhuǎn)換為無害或者低害的物質(zhì)，而微生物則起到了至關(guān)重要的作用。綜述了生物濾池、生物滴濾、生物洗滌3種凈化工藝的原理和研究進(jìn)展，將3種反應(yīng)器優(yōu)缺點進(jìn)行了對比;最后論述了該技術(shù)當(dāng)前存在問題及發(fā)展趨勢。

隨著國內(nèi)各領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多工業(yè)制造的廢氣、有害場所、地下水治理設(shè)施等[1-3]均含有揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)，可引起光化學(xué)煙霧，破壞生態(tài)環(huán)境，并且具有致癌性，嚴(yán)重威脅著人們的健康。

由于生物工程領(lǐng)域的進(jìn)步，相應(yīng)的技術(shù)也逐步應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代各國競相開始研究生物法處理揮發(fā)性有機(jī)廢氣，主要研究凈化設(shè)備及優(yōu)化條件，優(yōu)勢菌群的馴化與培養(yǎng)，代謝原理及降解過程，動力學(xué)模型分析等。

相比于傳統(tǒng)方法，生物法處理低濃度有機(jī)廢氣具有易操作、維護(hù)方便、凈化效率高、運行費用低、安全性高、二次污染小等優(yōu)點[4-6]。本研究針對VOCs處理技術(shù)的3種生物凈化工藝原理及研究進(jìn)展進(jìn)行了較詳細(xì)的探討，并提出該領(lǐng)域存在的問題及發(fā)展趨勢。

1生物法處理VOCs廢氣的基本理論

生物法處理VOCs廢氣機(jī)理前人已做許多研究，世界較為流行的是荷蘭學(xué)者[7]提出的“吸收-生物膜”理論:VOCs廢氣經(jīng)水吸收，在溶入濃度梯度的作用下擴(kuò)散至生物膜上，進(jìn)而與微生物接觸被降解吸收，將污染物經(jīng)代謝分解成簡單小分子物質(zhì)、CO2和H2O。

之后孫珮石等人[8]在前人基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，針對低濃度VOCs廢氣的處理提出新型“吸附-生物膜”理論，強調(diào)污染物經(jīng)擴(kuò)散被直接吸附在生物膜表面，而與微生物接觸被降解吸收，污染物作為能源和營養(yǎng)物質(zhì)被微生物分解，最終轉(zhuǎn)化為簡單小分子物質(zhì)、CO2和H2O。其核心重在吸附降解過程，完善修正了國外的理論，詮釋了國外學(xué)者對液膜存在與否的質(zhì)疑[9]。

2VOCs廢氣的生物法處理技術(shù)生物法處理油煙廢氣主要是將廢氣由氣態(tài)轉(zhuǎn)移到液態(tài)或固態(tài)表面的液膜上，利用微生物的新陳代謝作用對其進(jìn)行降解轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的無機(jī)物(CO2、H2O)、有機(jī)小分子以及自身細(xì)胞組成物質(zhì)，進(jìn)而使油煙廢氣得以凈化，其過程如圖1所示。

圖1微生物降解廢氣過程

與傳統(tǒng)的物理化學(xué)廢氣處理技術(shù)比較，生物法凈化技術(shù)具有操作簡單、易維護(hù)、投資運行費用低、安全性好、處理效率高、無二次污染等特點，特別在凈化低濃度、生物可降解性好的廢氣中更為突出。目前用于廢氣生物凈化的主要工藝設(shè)備有:生物濾池、生物滴濾塔和生物洗滌器裝置等。其設(shè)備性能如表1所示。

表1油煙廢氣生物凈化裝置的性能

2.1生物濾池

生物濾池處理廢氣是通過過濾器去除廢氣中的顆粒物，再經(jīng)調(diào)濕調(diào)溫后進(jìn)入填充的具有吸附性濾料的生物濾池中，通過生物填料層時，廢氣污染物和氧氣從氣相擴(kuò)散至載體外層的水膜，有機(jī)物被微生物作為碳源、能量[10]，氧化分解為無害簡單的有機(jī)物、H2O和CO2等[11]。

可見微生物量在處理VOCs廢氣過程中起著至關(guān)重要的地位[12-13]，生物濾池能較好地處理單環(huán)芳烴、醇、羧酸、醛、酮、酯類等VOCs廢氣[14-16]，其工藝流程如圖2所示，生物濾池適用于質(zhì)量濃度低于1000mg/m3的VOCs廢氣處理，具有無水相，設(shè)備簡單易操作，生物膜固定比表面積大，二次污染小等優(yōu)點。

圖2生物濾池工藝流程

但濾池面積大，基質(zhì)濃度增大會直接引起微生物快速繁殖而堵塞濾料[17]，影響其傳質(zhì)效果。目前生物濾池已被廣泛應(yīng)用于有機(jī)廢氣處理，并取得一定的研究成果。鄭連英[18]等人篩選出以甲苯作唯一碳源的高效降解菌并，設(shè)計了生物濾池裝置，結(jié)果表明:在溫度為30℃、相對濕度80%、進(jìn)口濃度1500mg/m3的最佳操作條件下，甲苯的最高降解率可達(dá)89.7%。

曹旭等人[19]進(jìn)行了生物過濾塔凈化工業(yè)有機(jī)氣體的實驗研究，結(jié)果表明:

有機(jī)廢氣入口濃度小于25mg/m3時，其凈化效率在97%以上，當(dāng)濃度大于25mg/m3時，凈化效率隨著進(jìn)口氣體流量的增加而逐漸下降，由入口流量為0.2m3/h增至0.8m3/h時，其對應(yīng)的凈化效率也由97.2%下降到73.0%，濕度對凈化效率的影響較大，當(dāng)濕度大于40%時，反應(yīng)器有良好的去除效果;Cao等人[20]利用預(yù)反硝化生物濾池去除鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯和氮，結(jié)果表明，當(dāng)水力負(fù)荷為1.1m3/(m2·h)時，DEHP的去除率穩(wěn)定在48%，將水力負(fù)荷提高到2.2m3/(m2·h)時，DEHP的去除率可達(dá)82%。無論是反硝化生物濾池和硝化生物濾池均表現(xiàn)出了相似的DEHP去除性能，整體DEHP去除率為83.8%，其中生物降解占72.3%，在系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵作用。

2.2生物滴濾塔

生物滴濾塔主體部分為一層或多層填料的填充塔，填料表面附有馴化培養(yǎng)的生物膜?？扇苄詿o機(jī)鹽營養(yǎng)液于塔上自上而下均勻的噴灑在填料層之上，后由塔底排出循環(huán)利用。生物滴濾處理VOCs工藝流程如圖3所示，VOCs廢氣經(jīng)塔底進(jìn)入塔內(nèi)與濕潤的生物膜接觸而被微生物分解凈化，處理后的氣體由塔頂釋放，代謝產(chǎn)物隨廢液排出。

圖3生物滴濾塔工藝流程

據(jù)文獻(xiàn)[21-23]報道，生物滴濾塔易處理碳?xì)浠衔?、鹵代烴、醇、酮類等VOCs廢氣，具有操作簡單，易控制反應(yīng)條件，能耗低，生物相與液相循環(huán)流動，壓降小，凈化效率高等優(yōu)點，但填料定期更換，生物量堵塞難以控制，設(shè)備易腐蝕。國外生物滴濾池已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)還處于研究階段。

任愛玲等人[24]利用菌絲體熱解炭為填料，在生物滴濾塔中分別填裝熱解炭-木屑和木屑單一填料，并聯(lián)進(jìn)行微生物凈化苯乙烯氣體實驗，結(jié)果表明:混合填料比單一的掛膜速度快，當(dāng)入口濃度為50～450mg/m3，停留時間為21.6～43.2s，氣液比為110.7～55.3時，凈化效率可達(dá)92%以上。

何覺聰?shù)萚25]人采用生物滴濾塔處理苯酚氣體，結(jié)果表明:生物滴濾塔對苯酚氣體的去除率達(dá)99.5%，最佳條件為停留時間20.6s，循環(huán)液pH值中性，噴淋密度為1.67m3/(m2·h)。

2.3生物洗滌器

生物洗滌器是由傳質(zhì)洗滌器及生物降解反應(yīng)器組成，洗滌器內(nèi)存在呈懸浮狀態(tài)的微生物群，生物相和水相均以循環(huán)方式流動。常用的洗滌懸浮液是活性污泥，處理廢氣后再生需要一定的時間。生物洗滌處理VOCs工藝流程如圖4所示，該反應(yīng)器操作條件易控制[26]，生物填料不易堵塞;但處理氣量小，因其亨利系數(shù)小于0.01，處理化合物濃度小于5000mg/m3，不適于處理難溶性廢氣。

圖4生物洗滌工藝流程

國內(nèi)研究生物洗滌處理油煙廢氣方面起步較晚，依然處于研發(fā)階段。李國文等人[27]利用活性污泥為介質(zhì)，研究了氯苯廢氣經(jīng)過洗滌塔的生物降解性能，結(jié)果表明:當(dāng)負(fù)荷F<1mg/(g3·h)時，比降解速率隨F的增加而增大，F(xiàn)=1.0～2.0mg/(g3·h)時比降解速率達(dá)到最大值0.9mg/(g3·h)，當(dāng)F<0.8mg/(g3·h)時，氯苯降解速率在90%左右。

劉玉紅等人[28]采用生物洗滌處理含苯酚有機(jī)廢氣，結(jié)果表明:當(dāng)苯酚負(fù)荷為30g/(m3·h)左右時，長時間運行的去除效率約在97%左右，當(dāng)其負(fù)荷量超過50g/(m3·h)時，苯酚在洗滌液中會累積，影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，含酚氣體的高負(fù)荷降解需進(jìn)一步開展研究。

齊國慶等人[29]采用生物洗滌和生物滴濾技術(shù)處理煉油污水場惡臭氣體，具有運行穩(wěn)定、抗沖擊性強、處理效率高的特點。結(jié)果表明:出口氣中H2S小于0.06mg/m3，NH3小于1.5mg/m3，CH3SH小于0.004mg/m3，臭氣濃度小于20，達(dá)GB14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的一級廠界要求。

3國內(nèi)外生物法處理VOCs廢氣的研究進(jìn)展

生物法在德國、荷蘭已得到了廣泛的應(yīng)用，最普遍的技術(shù)是生物滴濾和生物過濾[30-31]。Rene等人[32]進(jìn)行了以堆肥和陶瓷珠為填料生物濾池去除甲苯廢氣的研究，當(dāng)甲苯廢氣濃度為2.3～3g，進(jìn)氣流速為0.024～0.144m3/h時，去除率為40%～95%。

Singh等人[33]利用木豆秸稈作濾料，通過控制甲苯入口濃度為2.56～34.73g/m3，體積流速為0.18～0.24m3/h，7d系統(tǒng)穩(wěn)定后，隨甲苯濃度的增加去除率下降，而去除量增加并趨于恒定。

Pagans等人[34]以城市固體廢物和動物副產(chǎn)品的有機(jī)成分作生物濾池濾料，對廢氣中的NH3和VOCs的去除進(jìn)行了研究，NH3、VOCs負(fù)荷分別為846～67100mg/(m3·h)、0.55～28.8g/(m3·h)時，其去除率對應(yīng)為94.7%、82%。

Moussavi等[35]人研究了紫外-生物過濾對甲苯和鄰二甲苯混合物的處理，去除效果在95%以上。Kim等人[36-37]研究了生物濾池和生物滴濾塔的氣、液膜傳質(zhì)性能參數(shù)并進(jìn)行了測定，利用修正的Onda-type方程的氣、液體流速對傳質(zhì)系數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行研究，充分詮釋了氣體靈敏度、質(zhì)量傳遞速度以及濾料濕潤效果的影響。

20世紀(jì)90年代我國出現(xiàn)了生物法處理有機(jī)廢氣的研究，許多學(xué)者以含有某一類有機(jī)物的廢氣為研究對象，利用生物化學(xué)處理有機(jī)廢氣。孫佩石等[38]人利用微生物菌種掛膜接種的生物膜填料塔處理低濃度甲苯廢氣，當(dāng)入口氣體甲苯濃度為0.183～1.803mg/L，氣體流量為86.4～190.8L/h時，增加入口甲苯濃度和流量，能提高甲苯生化去除量，每升體積的填料對甲苯的生化去除量最大為157.13mg/h。

馬艷玲[39]利用長期受油煙污染的土壤中分離篩選假單胞菌，再以活性炭為填料制成填料床生物反應(yīng)器，結(jié)果表明:當(dāng)油煙進(jìn)氣濃度小于100mg/L，氣體流速小于8L/h，停留時間大于30s，容積負(fù)荷為2.3～18.9g/(m3·h)時，反應(yīng)器凈化效率達(dá)95%以上。國內(nèi)的研究主要處于反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)條件的實驗階段，實際過程中所產(chǎn)生的VOCs廢氣種類、濃度、溫度等均不穩(wěn)定，因此，提高該設(shè)備的應(yīng)用性是今后的研究重點。

4前景及展望

生物處理技術(shù)以其易操作、運行維護(hù)費用低、凈化效率高、安全性高、二次污染小等優(yōu)勢受到了各國的重視，目前，國內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)廢氣VOCs生物處理技術(shù)還未成熟，通常涉及不同反應(yīng)器規(guī)格提供的環(huán)境處理效果存在差異。同時，牽涉到氣、液傳質(zhì)及生化降解影響因素繁多，實際應(yīng)用不夠深入，仍需要在以下幾方面進(jìn)行深入研究:

1)生物處理技術(shù)應(yīng)用于中低濃度的廢氣處理，對于高濃度有機(jī)廢氣的處理需進(jìn)一步研究。

2)針對生物難降解的有機(jī)污染物，需馴化培養(yǎng)或購買專屬菌種配合提高凈化處理效果，完善微生物的代謝體制，實現(xiàn)凈化裝置的高效運行。

3)采用分子生物學(xué)技術(shù)，研究微生物優(yōu)勢菌株組成特征，為降解對應(yīng)污染物提供菌源依據(jù)。

4)應(yīng)用GC-MS鑒定有機(jī)污染物組分，解析污染物成分及生化降解效果，由本質(zhì)問題尋找方法提高凈化工藝性能。

5)針對填料長期使用過程中，尋求填料堵塞、壓實、使用壽命短等解決問題的方法。

6)實際生產(chǎn)中，污染源不同，溫度高，VOCs濃度不一，研究技術(shù)需注重實際模擬對應(yīng)條件下的分析與探索。