voc废气生物处理技术

voc废气生物处理技术（通用6篇）

voc废气生物处理技术 篇1

1 VOC 的`危害及各国对 VOC 控制的法规 继SO2、Nox 和氟里昂后,挥发性有机化合物(VolatiIe Or-ganic Compounds,以下简称 VOC)废气的污染成为世界各国关注的又一焦点.

作 者：冯智星 余炳林 胡勇 谢永恒  作者单位：冯智星,余炳林,胡勇(广东森洋环境保护工程设备有限公司)

谢永恒(天华化工机械及自动化研究设计院瑞玛公司)

刊 名：广东科技 英文刊名：GUANGDONG SCIENCE & TECHNOLOGY 年，卷(期)：2008 “”(14) 分类号：X7 关键词： 

voc废气生物处理技术 篇2

关键词：VOCs,沸石浓缩转轮,催化燃烧,溶剂回收,生物降解

1 引言

“十二五”时期,我国工业化和城市化仍在快速发展,资源能源消耗持续增长,大气环境面临前所未有的压力,环境形势十分严峻。汽车涂装行业有机废气排放具有工序多、成分复杂、大风量浓度低、漆雾多等特点,给废气处理工程带来了挑战[1]。

2 有机废气处理技术简介

VOCs处理技术大体可分为回收和消除技术两大类。回收技术主要包括吸附法、吸收法、冷凝法和膜分离法等物理方法,消除技术主要包括燃烧法、生物法、低温等离子体法和催化氧化法等生物、化学方法[2]。根据VOCs处理技术应用状况的分析可知,工业VOCs气体特性对处理技术选择有重要影响。其中,VOCs浓度可作为技术初步筛选的一个重要影响因素。根据研究调查统计结果,对于高浓度(TVOC>10000mg/m3)有回收价值气体,可考虑采用冷凝技术进行处理(VOCs的沸点越高越适宜),对于TVOC浓度2000~10000mg/m3的有回收价值气体,可考虑采用吸附技术处理。对于高浓度气体,当流量不大且温度不高时还可以考虑采用膜分离技术进行回收处理。对于TVOC浓度大于2000mg/m3并没有回收价值的气体,可以采用催化燃烧、热力燃烧等技术进行处理[3]。VOCs成分复杂,浓度、流量等因素不同,每种VOCs处理技术都有其自身的优势和使用限制,如何选择合适的技术是VOCs处理工作者必须面对的问题[4]。

3 汽车涂装VOCs废气的主要成分、特点及技术方案比选

传统溶剂型的汽车涂装过程中,产生的VOCs主要有甲苯、二甲苯、芳香烃、酯、醇、醚、酮等,主要来源是喷漆、流平和烘干等过程[1],其中约15%的VOCs在喷漆和流平过程中挥发,约85%的VOCs在烘干过程中挥发。

烘干室废气的VOCs浓度高、排气量相对较小,且烘干室需要大量热源,所以烘干室产生的有机废气一般采用直接燃烧法进行处理,燃烧温度为800~850℃,以天然气作为辅助燃料,二甲苯、甲苯等有机物净化效率大于90%。经检测,燃烧处理后的烘干有机废气二甲苯浓度在1.5mg/m3左右,苯的浓度在0.3mg/m3左右,甲苯未检出,非甲烷总烃的浓度在1.85~2.32mg/m3之间。

与烘干室不同,喷漆室VOCs的浓度低、风量大,且废气中夹杂着大量漆雾,处理喷漆室的有机废气较为复杂,通常要用几种方式的组合才能达成目标。现介绍几种汽车喷漆行业常用的处理方式。

3.1 预处理+沸石浓缩转轮吸附/脱附+催化燃烧

喷漆房排放出来有机废空气先后经过预处理,滤去废空气中粉尘及漆雾小液滴。

沸石浓缩转轮由若干块单元拼合而成,单元块的加工,先由基材卷制后烧制成陶瓷基体,再将基体放入沸石的合成混合物中,控制溶液的浓度和放置时间,基体表面上就会形成一定厚度的疏水性分子筛膜,分子筛膜是吸附有机废气的关键部分。

陶瓷基体上的沸石分子筛膜,具有均匀微小的孔道和较大的比表面积和吸附容量,同时具有良好的疏水性和再生能力。当有机废气从陶瓷孔穿过时,在浓度梯度的作用下,有机气体分子附着在沸石分子筛膜表面并逐渐向内部扩散,与膜内孔壁充分接触,在分子间的范德华力和静电吸引力作用下,膜内有机气体分子达到一定数量,内外浓度及蒸汽压力开始保持一定的平衡,即达到吸附饱和。当有机气体吸附饱和后,用热空气对陶瓷孔进行吹扫,高温破坏了有机气体分子与沸石分子之间范德华力和静电吸引力,有机气体分子从沸石分子筛膜内微孔道内释放出来,被热空气带走,从而完成脱附。

旋转的浓缩转轮,使以上的吸附、饱和、脱附过程得以连续循环地进行,在实际应用上实现了连续从有机废气中分离出有机气体,达到净化空气的目的。

其工作过程如图1所示,转轮以一定的速度匀速顺时针转动,有机废气穿过吸附区,去除了有机气体的洁净空气直接排放到大气;转轮旋转到脱附区时,热空气将吸附在转轮内的浓缩有机气体带走,送到焚烧炉进行焚烧,之后经换热器换热后排放到大气;当转轮旋转到冷却区时,被有机废气的小量分支冷却,转轮冷却后继续进行吸附;冷却完转轮的废气送去换热器进行加热,加热后送到脱附区用来进行脱附。如此过程,周而复始。

蓄热式热力焚烧系统主要由燃烧机组、炉膛、蓄热室(两室或三室)、流向转换阀门和控制系统等组成。蓄热室内的蓄热陶瓷有很强的蓄热能力,先将流经的高温烟气中大部分热量储存在里面,再把热量传递给流经的有机废气,废气可以被加热到接近裂解的温度,燃烧机组只需要很少的燃料就可以维持系统的运行。在转换阀门的控制下,烟气和废气交替经过每个蓄热室,实现蓄热、放热的循环过程。其突出特点是燃料消耗少,处理温度高,排烟温度低。

近年来,国内“沸石浓缩转轮吸附+催化燃烧”工艺发展迅速,目前许多知名汽车企业有选用此套工艺处理VOCs废气,如:一汽解放、一汽大众、天津华泰、重庆力帆、长安福特、长安汽车、长城汽车等,都采用此工艺。

3.2 预处理+活性炭吸附+催化燃烧

喷漆房排放出来有机废空气先后经过二级或三级预处理,滤去废空气中粉尘及漆雾小液滴。

本法是应用新型活性炭吸附浓缩低浓度的有机废气,吸附接近饱和后引入热空气加热活性炭,使有机废气脱附出来进入催化燃烧床进行燃烧净化处理,热气体在系统中循环使用或增设二级换热器进行热能回收。该法将低浓度的有机废气通过活性炭将其浓缩成高浓度的有机废气再通过催化燃烧彻底净化。该法结合了吸附法和催化燃烧法的优点,克服了单独使用的缺点,解决了治理低浓度、大风量有机废气的难题,是目前国内治理有机废气的成熟、实用方法之一。其大致的工艺流程如图2。

此工艺目前已较为成熟且有广泛推广,已用于电子、化工、制药、鞋业和涂装等各行各业的有机废气治理。相关喷漆行业的应用案例有比亚迪、太平货柜、新华昌、中集等大型企业均有采用此法处理有机废气。

3.3 预处理+活性炭吸附/脱附+溶剂回收

喷漆房排放出来有机废空气先后经过过滤器预处理,滤去废空气中粉尘及漆雾小液滴,再由经过漆雾分离器里的水洗后由高压离心风机抽送进入装有活性炭的吸附槽内。有机废气在通过活性炭层时,被活性炭吸附在孔隙中,空气则透过炭层。达到排放要求的尾气由吸附槽顶部排放口排至大气。吸附槽吸附一定时间,当吸附槽顶部即将穿透时,通入蒸汽加热气体溶剂,使活性炭得到再生。从活性炭表面脱附下来的有机溶剂和水蒸汽进入冷凝器冷凝成液体后,混合液体进入油水分离槽自动分离,分离出来的溶剂液进入储槽,废水直接排到废水处理场。大致的流程如图3所示。

此法目前普遍用于集装箱及厢式货运车喷漆废气处理,如中集、新华昌、太平货柜等大型企业有采用此法,每年可能回收再利用废气中90%左右的有机物,可产生巨大的环境和经济效益。

3.4 生物降解处理法

生物降解处理有机废气的原理主要是利用微生物的代谢活动将VOCs气体转化为CO2、H2O以及细胞组成物的过程,处理工艺主要包括生物过滤池、生物洗涤器、生物滴滤塔以及膜生物反应器[5]。生物降解技术最早出现在美国的研究报道中,至20世纪70年代逐渐在西方各国兴起,而我国相关研究起步较晚。据统计,欧洲21世纪初已有7500多套生物降解处理VOCs装置投入运行[6]。

由于生物降解处理技术在常温、常压下进行,操作条件要求低,能耗、投资和操作费用相对较少,而且无二次污染,因此,该技术在各种环保净化方法中具有较广泛的应用前景。对于VOCs浓度低、风量大的废气,生物法具有设备简单、成本低廉、效果好、操作简便等优点被广泛关注[7]。但生物降解技术也存在一定的局限性,其生物降解速率有限,废气中有机物需能溶于水,对具有生物毒性的物质处理效果较差。汽车涂装的VOCs气体的主要成分是苯系污染物,属难溶或不溶于水的,也可称之为疏水性VOCs。

针对疏水性的VOCs气体,国内外开展了广泛的研究,科学家们大量的实验数据也表明,添加表面活性剂是提高处理效率的方法之一。研究表明:甲苯在表面活性剂浓度小于临界胶束浓度的溶液中增溶明显[8]。王宝庆在用生物过滤法净化乙苯过程中添加的表面活性剂为0.3 mol/L的十六酸钾,可使净化效率提高25.86%[9]。添加表面活性剂促进疏水性有机物增溶和降解,将给工业推广生物降解处理疏水性有机废气带来极大的机遇和发展空间。

4 结论

voc废气生物处理技术 篇3

【关键字】生物膜法；有机废气；处理技术；认识

1.处理有机废气技术发展概况

目前，有机废气的处理技术大致发展为两类：分解消除和浓缩回收。分解消除是利用光、电、热、等离子以及微生物等作用将有機物转化为二氧化碳和水。浓缩回收则是采用吸收、吸附、冷凝及膜分离等方式将有机物浓缩回收后再利用。

分解消除主要处理没有回收利用价值的有机废气，其技术包括直接燃烧法、催化燃烧法、电晕法、等离子法和生物法等。浓缩回收用于处理浓度较高且有回收利用价值的有机废气，其技术有吸收法、吸附法、冷凝法和膜分离法等。

处理没有回收价值的有机废气，如恶臭气体，采用催化燃烧法虽然净化比较彻底，但成本比较高，同时也存在二次污染的问题；电晕法、等离子法等技术有比较好的应用前景，但是实用方面还有一些距离；生物法节能、运行费用低、很少形成二次污染，处理低浓度有机废气（<3g/m-3）效果较好，在欧美、日本等国已投入工业化运营。我国应用生物法处理有机废气虽然起步较晚，但前景广阔，因为在低浓度工业有机废气治理方面缺乏既经济又有实效的措施，生物法可以发挥十分重要的作用。

生物法主要包括生物过滤法、生物洗涤法和生物滴滤法三种型式，其中生物过滤法与生物滴滤法主要通过填料表面生物膜中的微生物净化有机废气，所以这两种方法被合称为生物膜法。

2.利用生物膜法处理有机废气的机理与特点

2.1处理机理

生物膜法处理有机废气的机理最早是荷兰人Ottengraf提出的吸收-生物膜理论，该理论将有机废气的处理过程分成3个步骤：⑴有机废气中的污染物通过扩散由气膜进入液膜；⑵溶解于液膜中的有机物利用浓度差扩散到生物膜，并被微生物捕获和吸收；⑶微生物通过代谢作用将有机污染物分解并转化为无害的二氧化碳和水。

后来孙珮石等人注意到一些不溶于水或微溶于水的有机物，如甲苯等很难用液膜扩散的方法进行解释，故对该理论进行了改进，提出了吸附-生物膜理论，并根据处理低浓度甲苯废气的试验建立了动力学模式。吸附-生物膜理论要点是：⑴有机废气中的污染物通过扩散到达气膜后吸附到润湿的生物膜表面；⑵有机物被微生物捕获和吸收；⑶微生物将有机污染物分解并最终转化为二氧化碳和水。

2.2主要工艺型式

2.2.1生物过滤法。工艺流程是：有机废气→增湿器→生物滤池→净化气体排放。主要设备是增湿器和生物滤池，有机废气在增湿器中润湿，然后进入生物滤池。生物滤池里有附着生物膜的填料层，液相基本上是静止的或以微速流动，可根据需要补充水分、养分或调整pH值，但必须保证气体连贯通过滤池。填料可以是堆肥、土壤、塑料滤料、陶瓷滤料、粒状活性炭、泥炭等，填料厚度一般1m左右，面积由所设计的处理效果和气体流量决定。

2.2.2生物滴滤法。气相流程是：有机废气→生物滴滤塔→净化气体排放；液相流程是：循环液→生物滴滤塔→循环液贮槽→生物滴滤塔（循环）。生物滴滤塔的结构与生物滤池类似，不同的是循环液由上方喷淋而下，流过里面的填料层。有机废气一般由塔底进入，穿过填料层后从顶部排出。由于生物滴滤塔填料孔隙比生物滤池多，所以气体通过床层的阻力较小。由于液相流动而便于控制反应条件，如pH值、营养物浓度等；而且填料的单位体积微生物浓度较高，其处理高负荷有机废气的效果比生物过滤法强。

3.影响生物膜法处理有机废气的设计和工艺参数

3.1填料

生物膜法填料的选择应符合以下条件：⑴填料表面性质较好，适合微生物生长；⑵填料比表面积较大；⑶高孔隙率和较低的体积密度；⑷有一定的结构强度及防腐能力；⑸容易取得且使用寿命长。

目前所采用的填料包括天然填料和人造填料两类。天然填料主要是土壤、泥炭和堆肥等，一般含有营养物；人造填料有硅藻土、活性炭、焦炭、陶粒、聚苯乙烯小球和聚氨酯泡沫等，因不含营养物，使用时要额外添加。一些新开发的填料有ACOF（活性炭附着纤维）、多孔疏水性聚丙烯膜等。此外，传统填料中加入活性炭、焦炭等添加剂，可改善填料性能，延长使用寿命。

操作填料时要控制湿度，填料湿度太低，会导致微生物失活，填料干缩破裂等问题，所以应保持适当的湿度。较合适的湿度范围是40%～60%。可通过向进气中喷水雾等增湿手段保持湿度。

3.2微生物及其适宜的生长条件

生物膜法中的微生物有多种，如细菌、真菌、酵母菌，此外还有少量原生动物、微型后生动物等。随污染物成分、温度、湿度、pH值等条件的差异，生物膜法中的微生物种群也不同，如高湿度、pH值7～8时适合细菌生存；低湿度、pH值3～5时真菌会大量繁殖。利用这一特点，处理不同成分的有机废气时可以控制适宜的条件，以便最有效地去除污染物。对水溶性好的污染物，可利用适合水中生长的细菌进行降解；难溶于水的污染物，一些真菌的处理效果优于细菌。一般生物反应器的温度多在25～35℃运行，35℃是好氧微生物最适宜的生长温度。处理含 废气时，硫杆菌最适合pH值1～2；处理混合废气时，合适的pH为6～7。同时，在共同生长的微生物中类群内部存在着竞争关系，使用生物膜法处理特定成分的废气时培养专用优势菌种可获得更好的处理效果。一些研究表明，生物膜法处理有机废气时气相培育驯化的菌种优于液相法菌种。另外，生物反应器处理污染物的过程中内部条件不是一成不变的，如处理含硫化物时硫酸会积累，处理含氨废气时硝酸会累积，从而导致pH值降低，所以需要添加碱性缓冲物质来调节，例如投加石灰石等。

3.3营养物

微生物处理有机污染物时除了污染物作为养分外，还需要一定成分的无机化合物作为营养物，因此需要添加一定量的无机物，如氮、磷及钾、钠、钙、镁、铁等微量元素。有资料认为BOD：N：P=100：5：1较适合。一般将矿物质加到水中或填料本身提供。

4.结语

VOCs治理主要针对哪几种废气 篇4

VOCs是挥发性有机物的简称，也是统称。然而，不同工厂产生的VOCs的浓度和组分也是不同的。但总体来说，VOCs主要包括苯系物、有机氯化物、氟里昂系列、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸、石油烃化合物等。根据行业划分，废气可大致以分为以下几类：

1、喷漆废气

其中的主要成分有丙酮、二甲苯、丁醇、甲苯、乙酸乙酯以及乙酸丁酯等一些具有挥发性的有机化合物。这种喷漆废气主要存在于需要进行油漆喷涂的行业之中，对于喷漆废气，针对其大风量低浓度的特点，通常采用的VOCs治理方法是分子筛转轮+蓄热焚烧技术。

2、塑料塑胶废气

产生塑料塑胶废气的主要原因是塑料塑胶等粒子在受热之后挥发出来的聚合物单体，由于塑料塑胶中的成分较为复杂，所以废气中的成分也较多，但是通常情况下浓度较低，而且风量大。对于这种废气进行VOCs治理的时候一般会使用较为复杂的预处理工艺。

3、化工有机废气

一些化工企业由于生产的需要会产生一些工业废气，而废气的成分则与企业设计生产的化工产品种类有很大的关系，通常在进行VOCs治理之时，化工企业普遍会采用冷凝回收法以及催化燃烧法来对化工有机废气进行净化回收处理。

4、制药废气

制药行业废气比较复杂，不同产品工艺差异较大，同种产品之间也有不同条件差异，最好的办法就是根据现在情况，专门设计有针对性的废气治理方案，确保排放废气达标。

5、包装印刷废气

印刷及印前、印后工艺中会涉及大量溶剂型原辅材料的使用，如油墨调配过程溶剂挥发、印刷过程油墨溶剂挥发、烘干阶段、复合过程及设备清洗过程等，包括油墨、润版液、清洗剂、胶黏剂、涂布液、稀释剂等有机溶剂。国内包装印刷行业溶剂普遍采用苯系物溶剂。最佳工艺是分子筛转轮+蓄热焚烧技术。

除了上述这几种类型的废气之外，还有化纤产业中产生的定型废气、橡胶轮胎行业等等，每种类型的废气因为产生的原因不同、成分不同，所以需要采取的VOCs治理方法也不相同，而要想达到最佳的治理效果，选择合适的治理方法很重要。

目前常见的有吸附法、吸收法、冷凝法、光催化氧化法、燃烧法、等离子法等。而在实际应用中，单一的方法很难达到理想的处理效果，组合技术的处理效率更适合当今严格的环保标准。

UV光量子光解+光催化氧化+高级氧化剂=多相催化氧化

通过高能紫外线激发催化剂产生的超强氧化活性自由基，将污染物质彻底分解氧化生成无害物质，如水和二氧化碳等。VOCs去除效果可达90%以上，能长时间稳定运行，不受外界温度等因素影响。

等离子技术+催化氧化=等离子催化氧化

铁合金厂废气处理技术 篇5

空气净化技术:

一、铁合金厂的来源及特点

铁合金厂主要来源于矿热电炉、精炼电炉、焙烧回转窑和多层机械焙烧炉，以及铝金属法熔炼炉。铁合金厂的排放量大，含尘浓度高。废气中90％是Si02，还含有SO2、CI2、NOx、CO等有害气体。铁合金厂废气的利用价值较高。

二、矿热电炉废气治理技术 1．半封闭式矿热电炉废气治理

(1)热能干法处理法硅铁矿热电炉废气所含的热能相当于电炉全部能力输入的40％~50％。故一般设置余热锅炉废气显热产生蒸汽，供给工艺或民用。废气从余热锅炉中出来后，进入>袋式净化后排入大气。

(2)非热能回收干法处理法一般变压器容量大于6000kVA的大中型电炉半封闭式烟罩，出口温度控制在450—550℃左右，进入列管自然冷却器，其出口温度小于200℃，然后，进入预扑击火星或直接进入，其废气净化设备采用吸入式或压入式分室反吹；对于变压器容量小于6000kVA的半封闭式矿热电炉，则不设列管冷却器，采用在半封闭式烟罩内混入野风。控制废气温度小于200℃直接进入袋式除尘器，净化后废气的含尘量小于50mg／m3，其可采用机械回转反吹扁袋除尘器。2．封闭式矿热电炉废(煤)气治理(1)湿法电炉废(煤)气治理

①“双文一塔”湿法净化法该法是挪威技术。它采用两级文丘里洗涤器和一级脱水塔对废气加以净化，净化效率高。

②“洗涤机”湿法净化法该流程是德国马克的净化工艺。其洗涤设备主要为多层喷嘴复喷型洗涤塔及蒂森型煤气洗涤机。

③“两塔一文”湿法净化法该法是矿热荒煤气由煤气上升导管导出，经集尘箱除去大颗粒烟尘后,进入喷淋洗涤塔经初步净化,并使煤气温度降至饱和温度,消除了高温、火星，并被初步净化；然后饱和温度下的煤气进入文丘里洗涤器内槽；净化后的气体进入脱水塔使气水分离，并收集夹带于水中的尘粒，使煤气净化。其出口含尘量为40～80mg/m3。煤气洗涤水污水处理设施基本循环使用。

（2）干法电炉费（煤）气治理该法是采用旋风除尘器和袋式除尘器处理废气的方法。干法可消除洗涤废气、污泥等二次污染。

（3）矿热电炉出铁口废气治理对半封闭式矿热电炉，可在出铁口上方设置局部集烟罩，将废气如送入电炉废气治理主系统中，一并净化处理。也可以将废气送入半封闭罩内，作为电炉半封闭工作门的气封源；对封闭式矿热电炉，在出铁口上方设置局部集烟罩，采取独立的净化系统。

三、钨铁电炉废气治理

钨铁电冶炼炉产生的废气主要采用干法净化法加以净化。它采用吸入式低气布比反吹风袋式除尘器

四、钼铁车间废气治理 1．多层机械焙烧废气治理

钼精矿焙烧过程产生的废气含有入炉精矿5％的矿粉，还含有铼和二氧化硫，故处理钼精矿焙烧废气时，设置净化效率高于98％的干式除尘器以回收钼；其次，废气含铼是以氧化生华气态出现，当温度降至100％以下时，大部分铼呈1μm左右的细颗粒，故须设置湿法净化设施，当废气经过它时，废气中的三氧化硫经喷淋除尘器、湿式电除雾器和捕集器后，生成硫酸。硫酸和Re2O7生成铼酸液，再经过二级复喷复挡器的反复多次吸收，当铼酸达到富集浓度后，送制铼工段回收铼。最后，废气中的SO2采用氨为吸收剂吸收除去。2．钼铁熔炼炉废气治理

钼熔炼废气的治理一般采用干法净化设施。净化设备采用大型压入式低气布比反吸风袋式除尘器，除尘器一般配备涤纶针刺毡或涤纶布。

五、矾铁车间回转窑废气治理

矾渣焙烧回转窑废气含有氯气、二氧化硫和三氧化硫等有害气体，以及矾渣和矾精矿粉。故在处理该废气时还需回收矾尘。该废气治理一般有以下两种工艺流程。1．干式处理法

该法是采用旋风分离器和干式电除尘器净化废气中的尘，但是不回收氯气和硫有害物。图22是钒渣焙烧回转窑废气治理不回收CL2和SO2的工艺流程。2．湿式处理法

该法是在干法的基础上，再增加洗涤塔和湿式电除尘器，以再除去氯气和二氧化硫。

六、金属铬熔炼炉废气治理

voc废气生物处理技术 篇6

处理挥发性有机污染物及恶臭物质的生物反应器中一般都装有一定厚度的填料作为微生物的载体,使微生物形成的生物膜能够附着在填料颗粒上,而且还能向微生物提供必须的营养。生物填料的材质、比表面积的大小、布气性能、强度和密度等因素直接影响废气的处理效率和生物反应器的运行可靠性。为了提高废气处理能力和设备运行稳定性,20世纪70年代以来,国内外学者在填料的选择和改进方面进行了大量的研究。

本文介绍了常用填料的种类和特性,阐述了在实际操作中选择理想填料应考虑的因素,并就生物填料的研究进展、存在问题和发展方向进行了探讨。

1 常用填料的种类和特点

填料的种类有很多,根据其组成可分为活性填料、惰性填料和混合填料。

1.1 活性填料

活性填料通常为天然有机填料,如堆肥[8,9]、泥煤块[4,10]、有浸透性的土壤[10]、树皮[11]、木片[9,11]、麦壳[12]等。其中土壤、麦壳等因粒径小、易腐烂、易板结、压力损失大等原因,目前很少使用。而堆肥、泥煤块、树皮、木片等因其良好的物理化学性能和低廉价格而沿用至今。

活性填料的吸附能力和持水能力强,良好的表面性质能够为微生物提供理想的生长环境。通常,活性填料自身带有大量的、多种多样的活性微生物,并且含有丰富的有机营养物质,用作填料时无需接种菌种,使反应器可以立即工作。填料内的有机物质还可以在生物反应器运行期间给微生物提供必需的碳源。活性填料通常用于生物滤池。

活性填料的缺点是易腐烂、易变形、机械性能差,长期使用会发生填料层压缩现象,引起压力损失升高、能耗增加。多数活性有机填料是疏水性物质,干燥后很难再润湿。当不能及时补充水分、养分时,填料层因干燥也会产生裂缝,影响气体在反应器内的均匀分布。一些活性有机填料的自身降解产物会改变填料的pH,使反应器的去除效果降低。与惰性填料相比,活性有机填料的使用期限短。

1.2 惰性填料

根据材料的来源,惰性填料包括珍珠岩[13,14]、火山岩[15,16]、煤粒[13]等天然材料,以及活性炭[17]、陶粒[18,19,20,21,22]、聚氨酯[23,24,25,26]、聚乙烯[27]、不锈钢环[28]等合成材料。

惰性填料具有耐化学腐蚀、机械强度高、长时间使用不分解、不变形、结构疏松不易堵塞反应器、气体压力损失低、使用时间长等优点。有些惰性填料如二氧化硅,其表面对蛋白质、氨基酸有亲和力,易于吸收和保存微生物所需的有机养分。用搀有黏结剂的剩余污泥制成的陶粒填料与装有混合肥的土壤、珍珠岩等填料相比,装有陶粒的生物滤池处理甲苯能力更高[18]。

但是惰性填料一般不带有活性微生物,用做填料时,需要预先在填料上接种菌种。此外惰性填料本身不含有营养物质,需要及时添加氮、磷、钾等营养物质以维持微生物的生长繁殖。添加方式主要有两种:一种是预先将氮、磷、钾按一定的比例(分别占干填料质量的0.4%, 0.15%, 0.15%)[29]与填料混合均匀,再装入反应器中;另一种是将营养物质配制成溶液,定期喷淋填料,可同时补充养分和水分。惰性填料主要用于生物滴滤池。

1.3 混合填料

由于活性填料和惰性填料各有优缺点,因此,20世纪90年代中期又发展了混合填料,即将小颗粒的活性材料如堆肥与珍珠岩[30]、火山岩[31]、活性炭[32]、聚合物[12,33]等惰性材料按一定比例混合。

混合填料兼具活性填料和惰性填料两方面的优点,一方面,由于填料中有惰性材料,提高了填料的机械性能,减少了反应器的压力损失,使用寿命长[31];另一方面,由于活性填料带有大量多种活性微生物,无需接种菌种, 并且填料内的有机物质可以使微生物快速生长繁殖。活性-惰性混合填料既可用于生物滤池又可用于生物滴滤池。但是,使用混合填料需分层装填,活性填料部分易腐烂,填料更换繁琐,微生物驯化期长,反应器启动慢,并且,混合填料的成本较高。

2 选择理想填料应考虑的因素

2.1 填料的表面性质

用于废气生物处理的填料应具有较大的比表面积,便于污染物与微生物接触;应具备一定的孔隙率,利于布气和减小阻力;应具有一定的结构强度和防腐蚀能力;应具有易于获得且使用寿命长等性质。

填料的表面性质可以用比表面积、粒径、孔隙率描述。将填料颗粒视为球形时,比表面积、粒径、孔隙率之间的关系见式(1)[29]。

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式中:as为比表面积,m2/m3;a为颗粒的表面积,m2;V为颗粒的体积,m3;ε为孔隙率,%;dp为颗粒直径,m。由式(1)可见,大粒径、大孔隙率的颗粒比表面积小。常用填料的性质见表1。

研究发现填料的粒径和比表面积是影响反应器去除能力的主要因素。在相同条件下,反应器的最大去除能力随填料粒径增大而减小,随填料比表面积增大而提高。大量报道显示,活性填料中,堆肥和泥煤的比表面积通常为20～180 m2/m3和40～85 m2/m3;在惰性填料中,因合成过程中易于控制粒径和孔径大小,合成材料往往具有较大的比表面积。

微生物在填料表面的附着、生长状况以及填料的持水能力与填料的表面结构、孔隙率、粒径密切相关。表面粗糙、多孔以及亲水的填料更适合微生物的附着和生长繁殖。表面光滑的填料,在喷淋时,其表面生长的微生物易被淋洗液带走。

填料的高孔隙率可以使反应器内的气流分布均匀,还可以给微生物的氧化降解提供充足的氧气。填料颗粒大小一般以既能提供合理的吸附表面,又具有满意的滞流性为宜。颗粒太大,总吸附表面小;颗粒过小,气流通过滤池时为克服阻力需要消耗过多能量。通常,填料的孔隙率为40%～80%,颗粒直径为1～20 mm较适宜。

2.2 填料的含水率及保湿方法

填料保持适宜的湿度有利于维持微生物的活性,保证了生物反应器的正常运行。有些填料是疏水性的如泥炭、堆肥等,相对于亲水性的材料聚氨酯、聚乙烯等,疏水性材料一旦发生干燥,再次润湿比较困难。有些堆肥开始运行时是亲水性的,一旦干燥后就变成疏水性的[5]。通常活性有机填料须维持较高的含水率,堆肥为40%～70%、泥炭为60%～90%、木片为70%;惰性填料的含水率可以略低,火山岩、活性炭为30%～40%,合成材料为40%～50%,聚氨酯为65%;活性-惰性混合填料的含水率控制在前两者之间,如堆肥-惰性混合填料为40%～65%。

保持填料湿度的方法包括预湿气体和定期喷淋填料两种。在生物反应器内流动的气体会带走填料上的水分,反应器出口气体的相对湿度与填料的含水率密切相关,一般,进出口气体相对湿度减少1%,则填料的含水率减少10%。与测定填料的含水率相比,气体相对湿度的监测较为容易,因此,通常用生物反应器进出口气体的相对湿度反映填料的含水率。当反应器进口处气体的相对湿度为98.5%、出口处的相对湿度为99.5%时,水分被气体带走,反应器正逐渐减少水分;当反应器内的水分减少速度低于50 g/(m3·h)时,可手动补加水分;在50～180 g/(m3·h)时,反应器应安装喷淋设备,定期补充水;180～400 g/(m3·h)时,应设自动监控系统,反应器含水率低时能够自动及时补加水;大于400 g/(m3·h)时,填料的保水性很差,应慎重选择[29]。

2.3 压力损失

气体流过反应器内的填料时,因各种阻力造成的压力降为压力损失。压力损失的大小与填料的性质有关,小颗粒或小孔隙率的填料压力损失大,小颗粒的填料引起的压力损失可能是大颗粒的10倍。常用填料的适宜温度、pH、湿度以及压力损失见表2。

Devinny等[29]认为:堆肥的粒径小于1 mm时,压力损失严重;粒径大于4 mm时,才能够减少反应器的压力损失。大粒径的填料不仅减少因压实引起的压力损失,还有利于气体通过反应器,提高供氧率。

高比表面积的填料有利于微生物的附着和生长繁殖。微生物的过度生长繁殖也会堵塞填料,增加压力损失。Groenestijn等[15]用真菌生物滤池净化甲苯废气时,对两种惰性填料火山岩和珍珠岩进行了比较,结果表明:填料为火山岩的反应器其气体压力损失远大于珍珠岩为填料的反应器,这是由于火山岩更适于真菌生成菌丝,过度生长的菌丝塞满孔隙,增大了填料层的阻力。

压力损失还与填料的机械性能相关。机械性能差的填料,压力损失大。与黏土粒、堆肥等活性填料相比,惰性填料如珍珠岩、海绵块引起的压力损失小。将小颗粒的堆肥材料与泥煤、木片、活性炭、聚合物等压力损失小的材料按一定比例混合,使用混合填料代替单一活性填料,可有效地降低填料层的压力损失。

引起压力损失的另一个原因是填料中的水分。填料保持适宜的湿度有利于维持微生物的活性,保证生物反应器的正常运行,但湿度过大会大幅度提高反应器的压力损失,增加能耗。

2.4 生物反应器内的温度和pH

温度是微生物的重要生存因子。在适宜的温度范围内,微生物的代谢速率和生长速率均可相应提高。一般地,生物反应器的温度高,则去除能力也高。但是,温度过高会减少填料的含水率,引起填料干燥等问题。通常,大多数填料的适宜温度为常温。在一些特殊条件下,则惰性材料具有活性填料无法比拟的优点。在处理有机合成过程中排出的废气时,由于废气排出口的温度往往高达60～90 ℃,混合肥料、泥煤等材料不适于在高温(高于40 ℃)下使用,此时使用耐高温的陶粒填料和嗜热微生物可在60～71 ℃条件下运行,无需增加降温设备,减少了投资和运行费用[19]。

微生物的生命活动、物质代谢与pH密切相关。大多数细菌的最适pH为6.5～7.5。大多数的活性填料为中性材料,使用时无需调节pH。有些活性填料如木片,pH通常为3～4,并且自身缓冲能力弱,反应器运行前需要先在填料中加入碱、石灰、贝壳粉等作为pH调节剂。一些活性填料的自身降解产物会改变填料的pH,使反应器的去除效果降低。惰性填料因本身无营养物质需额外补加营养液,通过添加营养液,在补充养分和水分的同时还可以调节填料的pH,创造适宜微生物生长的微环境。

2.5 填料的机械性能及填充方式

填料层的结构应稳固结实,底层的填料应能够承受重力,中间的填料可以较重,软的填料应填充在上部。填料的填充密度与填料自身的机械性能有关。在生物反应器运行期间,良好的机械性能可以使填料不发生分解、压缩、堵塞、收缩等现象。机械性能低的填料如堆肥、聚氨酯泡沫,填充过高或填充密度过大时,底层填料容易被压实,导致布气不均匀、压力损失增高等问题。通常,填充高度为1.0～1.5 m,填充密度为300～500 kg/m3(堆肥)、20～40 kg/m3(聚氨酯泡沫)。活性炭、火山岩、分子筛、陶粒等材料因机械强度高,填充高度可以达到5 m,填充密度大于600 kg/m3。体积相同时,增加填料的填充高度能够有效减少反应器的占地面积。质轻的填料如珍珠岩、聚氨酯则更适于多层填充的生物反应器。

2.6 填料的投资控制及使用期限

填料应容易获得,价格较为便宜,尽量减少其在投资运行费用中所占的比例。相对而言,天然材料最便宜,一般只需支付运费;堆肥或堆肥-惰性填料约为50～500元/m3;合成材料最贵[41]。就近取材是降低填料成本的有效途径之一。欧洲森林资源丰富,填料多采用木材加工的副产品——木片和树皮;有些沿海国家则采用贝壳作填料。理想的填料应当能够正常使用2至4年。合成材料的使用期最长,至少10年。在实际应用中,应根据各种填料的优缺点、适用条件以及实际需要做出选择。

3 填料的改进与发展趋势

填料的改进是废气生物处理的核心技术之一,对填料进行适当的亲水与生物亲和改性,能够大大提高填料的传质性能、挂膜性能和废气处理效果。经过改进的大孔径的发泡聚氨酯作为填料处理挥发性有机污染物和恶臭物质,处理效果普遍比活性填料好,得到更多的实际应用[7]。北京某污水处理厂,生物除臭池内原有的填料是按一定比例混合的木片和树皮,使用2年后部分木片和树皮腐烂,填料层发生板结和塌陷,导致除臭池内的压力损失升高,能耗增大。腐烂的填料散发出臭味,加重了污染。将除臭池内的填料全部更换为聚氨酯泡沫后,新填料孔隙率大,透气性好,压力损失小;保水性强,减少喷淋水的用量;并且不易腐烂,没有异味[44]。

荷兰是最早采用生物方法处理挥发性有机物和恶臭物质的国家之一,至2000年,荷兰使用最多的4种填料是火山岩(占38%)、椰壳纤维(31%)、堆肥(30%)以及合成材料(1%)[7]。由于在实际使用过程中出现很多问题,堆肥材料正逐步被火山岩或合成材料所代替。美国、加拿大、印度、中国等国家在处理挥发性有机物和恶臭物质的研究和实际应用中,也越来越多地使用合成材料作为生物反应器的填料[24,25,26,44,45]。

4 结语