挥发性有机物和臭味的生物过滤处理

删 『(f 第 1卷第 1期 2 00 O年 2月 环境污染治理技术与设备 Techniques and Equipment for Environmenta]Pollutk~n Control v01．1．No．1 Feb ．，20 00 一 挥发性有机物和臭味的生物过滤处理 l一十 义 蒋展鹏 7吖 ● — —— 一 (清华大学环境科学与I程 系，环境模拟与污染控制国家联合重点，北京 100084) 摘 要 填斟种类、湿度、pH、温度等髟响生物过滤法性能参敦。同时综述 了生物过滤法的应用范围 及对生物过滤法的改进。 关麓诃：圭塑苎苎鏖墨些里．堡墨乌皇 塑垦生 工业生产和畜禽养殖等过程中产生的挥发性有机物和臭味问题已引起人们越来越多 的关注。一些发达国家已经立法，严格控制这些气态污染物的排放，要求采取一定的治理 措施。活性炭吸附n】、光催化 ]、催化氧化、焚烧和生物处理等方法被广泛研究以处理空 气中的挥发性有机物和臭味物质。其中生物过滤法利用微生物降解气态污染物特别是低 浓度的易生物降解物质，具有经济高效的优点而受到较多的关注和实际应用。在我国对 挥发性有机物的污染还未给予足够的重视，也很少对生物过滤法去除气态污染物进行研 究。因此很有必要介绍这一方法，以期在不久的将来用于挥发性有机物和臭味的控制。 一 、废气生物过滤法处理的发展及其原理 用生物法处理空气中的污染物可以追溯到 50年代中期，最先是用于处理空气中低浓 度的臭味物质 J。1959年在德国的一个污水处理厂建立了一个填充土壤的生物过滤床． 用于控制污水输送管散发的臭味。6O年代，人们开始采用生物过滤法处理气 态污染物． 德国和美国开始对此方法进行深入研究。从 80年代起．德国和荷兰越来越多地采用生物 过滤法控制工业生产过程中产生的挥发性有 机物和有毒气体。迄今，在德国和荷兰有 500多座大规模的废气生物过滤处理装置，生物过 滤反应器的面积一般在 10～2000 m2 之间，废气处理流量达到 1000～150000m ／h。美国 1990年通过的清洁空气法修正案严 格限制了 189种危险空气污染物(其中 7O％是挥发性有机物)的排放，这促进 了包括生物 过滤法在内的废气控制技术的研 究和应用，大规模的生物过滤装置开始被建立用来处理 各种污染气体。 图 1为废气生物过滤反应装置示意图【|J。由图可见，废气首先经过预处理，包括去除 颗粒物和调温调湿，然后经过气体分布器进入生物过滤器。生物过滤器中填充了有生物 维普资讯 http://www.cqvip.com 2 张彭义等 ：挥发性 有机物和臭味的生物过滤处理 1卷 活性的介质，一般 为天然有机材料，如堆 肥 · 、泥煤 ”、谷壳、木 片、树皮和 泥土 等 。有时候也混用活性炭【6 J和聚苯乙烯 颗粒。填料均含有一定的水分，填料表面 生长着各种微生物。当废气进入滤床时， 废气中的枵染物从气相主体扩散 到介质 外层的水膜而被介质吸收，同时氧气也由 气相进入水膜，撮终介质表面所附的微生 物消耗氧气而把荇染物分解／转化为二氧 化碳、水和无机盐类。微生物所需的营养 物质则由介质自身供给或外加。 疆厘 调 节 二、生物过滤反应器的性能 过 嚣 参数及其影响因素l9] 一 1．性能参数 生物过滤反应器的性 能参数 主要有 术 ．譬养曲戚pH爰冲藏 ’ ! 一— ’ l一 、、 处理后气体 ／ l 、 苎墨查垦匡兰量薹薹兰 萋蔓 ’ ：．‘⋯ ⋯ ：⋯ ：·：⋯ 图 1 废气的生物过滤处理系统 空床停留时间、表面负荷、质量负荷和去除率，各参数的基本含义及典型范围见表 l。这 些参数及其范围实际上也是生物过滤反应器的设计依据。其中空床接触时间表示的是废 气经过反应器的相对时问，由于床内充满填料，而气体只能在填料孔隙间通过或停留，因 此气体的实际停留时间应该是气体流量除以反应器的空隙体积。由表 1可知，虽然废气 在反应器内的停留时间很短，而处理率却可以高达 9096以上。 衰 1 生物过滤反应器的性能参数殛其典型范啊 注：y一生钫过撼反应器的悻积． ；0一废气的悻积流量．m~／s；A一生物过滤反应器面积．m ；C．一废气中污染物 的浓度．g／ Ic，一废气处理后所古污染物的浓度 ．g／叫’。 2．影响反应螽性能的因素 生物过滤法主要依靠微生物的作用来去除气体中的污染物，微生物的活性决定了反 应器的性能。因此反应器的条件应适合微生物的生长，这些条件包括填料(介质)及其湿 度．pH值、营养物质、温度和污染物浓度等。实际上这些因素也是生物过滤反应器设计和 运行过程中需要考虑的参数。 (1)填料选择 填料是生物过滤反应器设计 时要首先考虑的，理想的填料应具有以下 性质： ， · 最佳的微生物生长环境——营养物、湿度、pH和碳源的供应应不受限制 ； 维普资讯 http://www.cqvip.com 1期 张彭义等 挥发性有机物和臭睐的生物过滤处理 3 ． 较大的比表面积——接触面积、吸附容量、单位体积的反应点更多 ； ． 一 定的结构强度——防止填料压实，后者会使压降升高、气体停留时问鳍短； ． 高水分持留能力——水分是维持微生物活性的关键因素 ； · 高孔隙率——使气体有较长的停留时间； · 较低的体密度——减小填料压实的可能性。 常用的堆肥、泥煤等能基本符合以上要求，但是其中含有的有机物会逐渐降解，这不 仅使填料压实，还要在一定时闻后更换，郎有寿命限制。将有机填料和惰性的填充剂混合 使用寿命可高达 5a，一般为 2--4a。为了提高填料性 能、降低压降，一般要求 60％的填料 颗粒直径大于 4ram。 (2)填料的湿度(含水量) 填料的湿度是生物过滤器最重要的操作参数。水是微生 物生长不可缺少的条件，如果填料的湿度太低，则会使微生物失活，并且填料会收缩破裂 而产生气体短流；然而如果填料的湿度太高，则不仅会使气体通过滤床的压降增高、停留 时间降低，而且由于空气／水界面的减少而引起供氧不足，形成厌氧区域从而产生臭味并 使得降解速率降低。大多数试验表咀，填料的湿度在40％～60％(湿重)范围内时生物滤 膜的性 能较为稳定；对于致密的、排水困难的填料和憎水性 VOC，最佳含水量在 40％附 近 ；而对于密度较小、多孔性的填料和亲水性 VOC，则最佳湿度为 60％或更多。 然而要 保持填 料 的最佳 湿度 并不 容 易，因为有 许多 过程 和 因素影 响填 料 的湿 度[to-t2]。如表 2所示，影响填料湿度变化的主要因素有 ：湿度未饱和的进气、生物氧化、 与周 围温度进行热交换等。其中当未饱和进气经过滤床时与填料充分接触从而吸收填料 的水分，最终达到饱和；生物氧化作用是 由于污染物氧化反应为放热反应，使废气和填料 温度升高，一方面填料中的水分蒸发，另一方面废气的含水能力随温度升高而增高。 裹 2 影响生袖过滤器气体沮鏖【△Tl、!焓( 1和沮鏖【Arnc1变化的因素 影 响 因 素 AT 总 (℃ ) (kJ／m A h蒸发 △mc 反应时间 kl／IrL )c (g／IrL ) (d)。 湿度 T ：20℃．rH：50％ 95％ 5 8 0 6．7 2 7 3．5～7 来饱 rH=95％ 100％ 0 6 0 0 7 0 3 35～70 和的 T =40℃．rH=50％一95％ 一9 8 0 10 3 4 3 2 5～5 进 气 rH=95％一100％ 一0 8 0 l 0 0+4 20～40 生物 C ：0 1gVOC／m 0．7 2 8 1 6 0 7 15--30 氧化 cJ。=0 5gVOC／m 3 2 14 9+3 3 8 3-6 20℃ 巳 =1 0gVOC／ 6 28 17 7 1 5～3 环境热 lT￡：20℃ T =19℃ 1 4 0 2 6 ±1 1 10～20 交换 i TI：40℃ T ：39℃ ±1 8 9 6 8 ±2 9 3 5～7 介质降解 0．I-0 2 0 5～1 0 35～0 7 0 14-0 28 75 注 ：n一气体总的焙变； 一蒸发枯变 ；c一指在宴际温度下湿气体的体积；d一气体所古水分的变化； 一在此期 问由 于滤料古水量变化 30L／m 从而需要作出反应；，__绝熟玲却同时湿度由50％增加到 95％；g一 预湿气体完全饱和； 一^气体的最大热值 =27 5MJ／kg； 一 由于生物滤床与周围环境发生热交换而 f起的气体冷凝或增谩； 一 气体在进 口处完垒饱和引起的温度变化。 (3)温度 如处理 VOC则生物过滤器中为异养微生物，如处理无机物则是化学 自养 微生物，这两种情况下，均是中温、高温菌占优势。--~tgi物过滤器可在 25～35℃下运 ． 维普资讯 http://www.cqvip.com 4 张彭义等：挥发性有机物和臭味的生物过滤处理 1卷 行。很多研 究表明35℃是好氧微生物的最佳温度。但是温度的提高会降低 VOC在 水中 的溶解以及在填料上的吸附，从而影响气相中 VOC的去除。 (4)DH 同通常的好氧生物处理相同，生物过滤器的最佳 pH是 7～8。由于在一些 有机物的降解中会产生酸性物质，一是 H2S和含硫有机物导致 H2SO4的积累；二是 NH3 和含氯有机物导致 HNO 的积累 ；三是氯代有机物导致的 HCI积累，这些过程均会使生 物过滤器的 pn环境发生变化。一般地是采取在填料中添加石灰、大理石、贝壳增加缓冲 能力，当然由于添加量总是有限的，这使得生物过滤器的寿命受到限制。此外，高有机负 荷引起的不完全氧化也会导致 乙酸等有机 酸的生成，也影响 pH值。 三、生物过滤法的应用范 围 生物过滤法可去除空气中的异昧、挥发性物质(V0Cs)l和有害物质。具体应用范围包 括控制／去除城市污水处理设施中的臭味[13~15]、化工过程中的生产废气、受污染土壤和 地下水中的挥发性物质 、室 内空气中低浓度物质等。生物过滤法可以降解 c4一C。 的大 多数挥发性和半挥发性的烷烃、烯烃和芳烃，这些物质一般具有可生物降解性和水溶性较 大的特点。已被试验可用生物过滤法去除的物质包括 ：氨_7】、一氧化碳 、硫化氢_5】、甲烷、 甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、2．乙基己醇、丙烷[163、异戊烷【”】、己烷[ j、丁醛、丙酮、甲基乙 基酮【”】、乙酸丁酯、乙酸酯、二乙胺、三 乙胺【20】、二 甲基二硫化物、粪臭素、吲哚、甲硫醇、 氯甲烷(一、二、三取代)[2t】、乙烯【 、三氯乙烯 24]、四氯乙烯 、氮氧化物、二甲硫、噻吩、 苯、甲苯、二甲苯、乙苯[25,26]、苯乙烯等。 Leson G等曾经评估了生物过滤法处理炼油厂产生废气 的经济性，并与先进的燃烧 技术、活性炭吸附技术的成本进行比较，结果见表 3_2 。一般来说，生物过滤法可与任一 种废气处理技术相 比，如焚烧、吸附、催化氧化、洗涤等。生物过滤的优势在于初期投 资、 操作和维护费用低，尤其在污染物浓度较低(小于 1000ppm)时十分有效。 裹 3 炼油厂废气处理技术的经济性比较 注：假设设备寿命为 10a，年利率 10％，废气处理量为 4000~m ／h．其中含 400ppmC的 VOC(250ppmC为脂肪烃类 150ppmC为芳烃)．荤含量为 25ppmC，臭味组成为 ：2ppmV s．0．5ppmv甲硫醇和 5ppmv氨。 四、生物过滤法的发展与完善 传统的生物过滤器在运行中会碰到一些问题，如填料降解需要更新、酸化导致 pH升 高、负荷过高发生堵塞、废气湿度低使得填料干化等。针对这些 问题，人们对生物过滤法 维普资讯 http://www.cqvip.com 1期 张彭义等 ：挥发性有机物和臭昧的生物过滤处理 5 作了不少改进和发展。如多点进气、生物滴滤反应器t ·。 、生物洗涤法[。 ’ 、膜生物反 应器(∞-32 等。 所谓多点进气就是沿生物过滤器高度方向分几个点进气。与传统的底部一点进气相 比，这种方式进气更加均匀。可以避免或减缓生物过滤器下端容易堵塞、微生物沿生物过 滤器高度分布不均等现象，使得填料的损耗较为均匀而延长使用寿命。 生物滴滤法和生物洗涤法实际上是与生物过滤法相并行的处理方法。与生物过滤反 应器相 比，生物滴滤反应器有以下优势 ：避免产生生物过滤反应器中的填料压实、短流及 填料降解等现象 ；营养物和 pH缓冲溶液可以方便地通过回流液体投加 ；微生物代谢产物 也可以通过更换回流液体而去除；对于处理含卤化舍物、硫化氢和氨等会产生酸／碱性代 谢物的污染物。生物滴滤反应器更容易调整 pH值。因此生物滴滤反应器比生物过滤反应 器更能有效地处理上述这些污染物。生物洗涤法则是先用水洗涤废气，气体 中的污染物 转移到水中而得到净化。而转移到水中的污染物则按通常的生物法处理。这种形式适合 于负荷较高、污染物水溶性较大的情况。过程的控制也更为方便。 膜生物反应器则是利用憎水性的多孔中空纤维膜将气体 中的污染物溶解在液相中， 而在液相中添加营养物、pH缓冲盐等来控制生物过程。由于多孔纤维膜较高的透气性和 比表面积，有利于气态污染物扩散在水中；但低水溶性的污染物则不易传输到液相从而影 响去除效率。 五、结 语 生物过滤法处理挥发性有机物或臭味在欧洲和美国已得到广泛的应用，设备及工艺 都较为成熟。而在我国，这方面的研究还不多，自有技术的应用就更少。但是化工厂、烁 油厂、溶剂／油品储运、大规模畜禽养殖等场所挥发性有机物和臭味污染问题十分严重，随 着重污染、中等污染问题的逐步解决以及经济的发展，这些虽不致人死命但影响面大而广 的污染问题将被人们重视，生物过滤法将凭借其高效经济的优势在市场上大行其道。对 于生物过滤法的研究与开发，我们应在吸收国外成果的基础上，注重设备的研究开发，包 括过程参数自动控制系统、布水／布气系统、填料等，为实现生物过滤器产品的成套化、系 列化、标准化奠定基础 。 参 考 文 献 [1]VanOsde]l D W．Owen M K．Jaffe L B，et ．VOC Removal 8t Low Contaminam Concem~rion Using Granular Acti rated Carbon．Journs1 of the Air＆ W aste Martagemem A~oeiation．1996，46：883～ B90 [2]Jao~hvW A．BlakeDM，Fetmell JA．et ．Heterogeo~usPh眦o∞t yslsforC,mtrot QlVoLatileOrganicCompounds m Indoor Air Jotwnal of the Ai r＆ W aste M且I。晖en瑚 t Association，1996．46：891～898 [3]Pomeroy R D De-odorizing of Gas Streams by the u靶of Microbial Growths．U S Patent 2793096，1957 L4 JLesonG．w⋯ AM Blofattation ~anItmovad~ Air polludemContmtT~ehttology VOCEmise~ Journal ofthe Air＆ Wasce Management A．~oda6on．1 1．4l(8)：1045～1054 [5】Rand s M H D E C0oper．㈣ 01．Compost Filters f0r S R~ oval trom Anaerobic Digestion and Rendenng Exhausts+ Journal ofthe、 Ⅱ【er PoUutionControl Federation．198l、53：185～ 189 [6】Webster T S，De~rmy J S．Tom s E M．er aL，MierdoiaI Ecosystems in Cc~post and Granular Activated Carbon 维普资讯 http://www.cqvip.com 6 张彭义等 ：挥发性有机物和臭味的生物过滤处理 1卷 ~Jo~1J．ters BJotechno~ y and Bioengineering，1997．53(3)：296～303 [7]T钿越 I，M Suzuki，et a1． Remo of NH3 by a Peat Biofiher Without and with Nhrifier，Joumal of Fermentation Technology，1986，64(5)：425～432 [8】Cbou M—S．Cheng，W —H ，Scr~n ofBiofilterlngMaterialforVOCTreatment．Journal ofthe Ah"＆ WasteMan- ngement Association，1997．47：674～681 [9]Swanson W J．Loehr R C．．BIOfihration：F帅d日唧 协b．Design and()perm ∞ Principl~．and Applicatkms of BjolD ． APC Technology，Jou 0f Environmental Engineering．1997．123(6)：538～546 [10]Augia R，Aycnguer A C．Devinny J S，Influence of Water Content on Degradati~ Ratas for Ethanol in Iliofiltration． Jo哪 0ftheAir＆ W asteManagement．A~ochtion．1998．48：65～ 70 [11]Lith C V．Leson G，Michelsen R． Evaluating Design Optiol~for Bioflhers Jou~a of the Air＆ Waste Management Associafon，1997．47：37～48 [12]Gostomskl PA，si J B．ChertyR S．WaterContentDynamicsin Biofdtration：the RoleOfHumidity and Micr~ial Heat Generation Journal of the Air＆ Waste Management Associati~，1997．47：936～944 [13】AndoS．．OdorControl ofWa~．tewatea"Treatment Plants．Journal oftheWaterPo[1mio~Control Fedemfon．1980，52 (5)：9064913 [14] MarkE．RomddA Jnger，OdorControlforMLmlcipal S~udgeComposting．Biocye[e．1992．33(8)：76480．82 ～ 85 [15]Clark CRieherd．Wr,orowsklAhxsandm U ．Biofiitersfor SewerPump StationVents Influe fMatrix Formda． rioas on the Capacity and Eff~iency of OdorttYlt Removal an Exper；a~enta]Biofihe~．Biotechnklues for Ai r Pollution A~teffr；ent and Odour Control Policies，A J Dragt．J 蚍 Ham，eds ．ELsevier Beience Publishers，Amsterdam．The Nethedan ds．1992，183～ 186 [16]EhmgerM H，H L B。IIn．RW Puls，PropaneR~ valfrom Propane AirMixtures by SoilBeds，Jou~aiofthe Air Po[1utiott Control Associatic~，1987．37(12)：1486～1489 [17]Zhao Wang，Govind R t Biofih~ation of Isop*mtane in Peat and Compost packed Beds，AIChE Journal：En'n~ entaI and E Engineering．1997，43(5)：1348～1356 [18]Morgenroth E，Schl"o~er E D，Chang D P Y，et ．Nutrient Limitation in a Compost Biofilte~Degrading Hexane． Jou~atofthe Ai r＆ w船忙M日n rr嘲IlAssociation．1996，46：300～308 [19]ChouM S Huang J—J，TreatmentofMethyethylketoneinAirStream by Biotrickfing Fdters．Jou~at ofEnviron— mental Edglneerlng ．1997，123(6)：569～576 [20]TangHaiu—Mu．Hwen~Shyh—Jye．Huwang 一ChwLm，WasteG越 Tre=unentin Biofdters．Jourr=l ofthe Air＆ ．W aste Manng emem Association，1996．46}349 354 [21]Harm~ms S，T Tramper，Diehloromethane Removal from w Gase㈣ ith Tficue一 Bioreactor．Bioprccess En． gineering ．I991，6(3)：83～92 [22]De Heyder B．E Smet et ．Biotechnolngical Removal of Ethene from Waste gases．Itiotechniqties for r Pollution A— hatement and Od～ Cc4ntrd Policies．A J Dragt．J van Ham．Ms，ELsevier Se~aee Publishers．AFfisterdam．The Ne山erhnd 1992．309～ 313 [23]Nd— M J．SOMontgomery．et a1．Pdtehard Biodegradatio~ofTriehloroethyleneandInvolvem~tof anArceaaric BiodegradafdvePathway，Journal ofAppliedand EnvironmentalMicmbioIngy．1987，53(5)：9494954 [24]Uchiyama Hirco．Kaztthlto Ogari．et a1．Traihloroethyleae~e；gradation I— ob Resting CeUs of M枷 斌 sp M in a Gas—solM bbr郫吐0r．Bioteehnolngy Letters，1992．14(7)：619～622 [25]SorialGA．SmithFL．SuidanM T．PanditA．et ．Eval~tion Trickle BedAirBiofiherPerformancefor BTEX Removal，Journal ofEn-nm~3ental Eng ineering，1997．I23(6)：530～537 [26]Ngu0ten H D，Sato C．W u J．et ．．Modehng Biofiltrati~n of G越 Streams Co ntaining TEX Compon~ts．Journal 0f Environmental Engineering．1997．I23(6)：615一--621 [27】 G．Smith B J PetrolenmEnv~ enta]Research Forum Study∞ BiofiltersforCo ntrol v可a61eHydzoear． 维普资讯 http://www.cqvip.com 1期 张彭义等 ：挥发性有机物和臭味的生物过滤处理 7 hons。Journal of Environme~to]Enaineerln8，1997。123(6)：556～562 [2alKokHIG．，B fII ofAirc。n恤II_咖 幛 with蛐gI1 岫蜘HBti咖 ofH ∞催rb啮。Ⅸ吐 q嘲 f盯AirPol lution Abatement and od0ur Control Poli~ie*。A J Dragt．J Van Ha m，e(h ．Elsevier Sden。e Publishers．Amsterdam． The Netherlaads， 1992．77～82 i291 HarLsen G Niels，Kim Rindel。RL~ettt Experleaee with Biological Scmbb~ For Air Po0utioa Control in Den ． mark， Bi呲。cl qu∞ for Air Pollution Ab~tentent and Odour Control Polifi~，A J Dragt．J v丑n Ham。eds．Elsevier S~eace Publishers．Amsterdam．The Nesh~hnds,1992， lI3～ 154 【30 Jl-lm~mana s．LeenenE J T M。Voskuilen G T H 。Membrene Bioreactorwith Po咖 3Hydmphobio Me~nbmnesfor Waste Gas Treatment．Bioteehniqu~ for Air PoOufion Abatement and OdoLIl"Ccoatro[Polices，A J Draft．JⅧn Ham． eds．，E1sevierSC ie~ce Publishen Bv。ArrIs【㈣da 。TIleNether~nds． 1992．103一l06 i 311 Parvat[yerM G．GovindR，B h印 DF ，Biodegradatibn ofToluenein aMembmne 。矗Il盯。JourtlaI ofMembrane Sde~ce ．1996．119：17-- 24 【321 E~,as S JI McGrathM S． MembraneBioreactorforControl ofVolatileOtgaaicComl~undEmissions，工。um o￡E兀_ vLronmental Engineerln8，1997。123(6)：593～598 TREATM ENT OF VOLATILE ORGANIC CoM PoUNDS AND ODOUR BY BIoFITRATIoN Zhang Pengyi Yu Gang Jiang Zhangpe ng (Environment S／muLation and Pollution Comml State Key Joint Laboratoy， Depamne~t of En ror曲印“ Science and Engineerin~．Tsinghua Univezmty．Belilng 1OO084) Biofiltration is an innovative method for control of air pollution，which degrade and／or transform volatile organic compo unds and od orous gas including hydrogen sulfide an d amino— nia．This paper mainly introduced the basic principle of biofiltration to treat waste gas，and the influences of operation parameters such aS filter media，moisture，pH and temperature on the hiofiltration perform ance were discussed．Application and improvement of biofihration were also revieWed ． Keyword~ biofitration；waste gas treatment；volatile organ ic compo unds；od or 维普资讯 http://www.cqvip.com