废气生物处理系统

二、废气生物处理系统

在废气生物处理过程中，微生物的存在形式主要有悬浮生长和附着生长两种。据此可将气态污染物的生物处理分为微生物悬浮生长的生物吸收法和附着生长的生物过滤法两大类。主要工艺则有生物滤池、生物滴滤塔、生物洗涤器等。目前应用最广泛的是生物滤池和生物滴滤塔。

1.生物吸收法

一些文献也将生物吸收法称为生物洗涤法。生物吸收法是先利用吸收剂将气态污染物转移到液相，然后再对吸收液进行生物处理的方法，适合于处理可溶性的气态污染物。

生物吸收法利用由微生物、营养物质和水组成的吸收液处理废气。吸收装置一般由吸收器和废水反应器组成。也有仅由一生物洗涤器构成的生物吸收工艺。废水先经过吸收器，这里主要是物理的吸收作用。然后废水再在废水反应器中进行好氧微生物处理，处理后的废水可以直接进入吸收器重复使用，也可以经过泥水分离后再使用。气相传质速率很快，大于微生物的生化反应速率时，吸收器和废水处理器需分开设置。此时，第一段为吸收器(接触单元)，废气从反应器底部引入悬浮液(水、支撑介质和微生物的混合液)，与悬浮液逆流接触，污染物从气相转入液相，废气得到净化从顶部排出;吸收了污染物的吸收液则进入第二段即生物降解单元，经微生物的生物化学作用使污染物降解，吸收液再生。当生物转化速率和吸收速率相等时，可不另设废水处理器，仅由一生物洗涤器便可实现污染物的转移和降解。

生物洗涤器实际上是一个悬浮活性污泥处理系统，由一个装有惰性填料的传质洗涤器和生物降解反应器组成，出水需设沉淀池。废气首先进入洗涤器，与惰性填料上的微生物及由生化反应器流出的泥水混合液进行传质吸附、吸收，部分有机物在此被降解，液相中的大部分有机物进入生化反应器，通过悬浮污泥的微生物代谢作用被降解，出水进入沉淀池进行泥水分离，上清液排出，污泥回流。其流程见图9-4。

图9-4　生物洗涤器流程图

该工艺的特点是:水相和生物相均循环流动，生物体为悬浮状态，洗涤器中有一定的生物量和生物降解作用，反应条件易控制，填料不易堵塞。但设备较多、需外加营养物、成本较高、填料比表面积小。

2.生物过滤法

生物过滤过程即气态污染物被固体滤料吸附，与附着在滤料表面的生物膜中的微生物接触而被降解的过程。过滤介质在生物滤床中起着支撑生物膜，吸附污染物，蓄水、提供营养物质和缓冲作用，对生物过滤效率有很大的影响。生物滤床常用的过滤介质有土壤和堆肥，近年来也有一些无机材料如活性炭、塑料和陶瓷等作为滤料。

生物过滤器适用范围很广，主要处理化工废气，包括化工工艺过程排放的有机废气及化工污水处理厂释放的恶臭气体等。各种气态有机污染物的生物降解效果见表9-11。

表9-11　　微生物对各气态有机污染物的生物降解效果

在生物过滤器中，经增湿后的废气，通过附有生物膜的填料层时，与附着在过滤材料表面的微生物接触。有机成分被微生物吸收，分解过程由异养性微生物在有氧气存在和中性或微碱性条件下完成。有机物最终被分解为水和二氧化碳，有机氮先被转化为NH₃，继而转化为硝酸根;硫化物先被转化为H₂S，再被氧化为硫酸。净化后的气体排出。工艺流程如图9-5所示。

生物滤床的厚度一般约1m，面积视设计的处理效果和处理气体量而定。过滤材料常选用堆肥、土壤、泥炭以及活性炭等多孔、适宜微生物生长且有较强保水性的材料。其中堆肥是目前应用较多的材料，主要是由生活垃圾、碎木屑、树皮、树叶、干草及谷壳等组成的混合物。它们本身即含有大量各种微生物，不需外加营养物。土壤中也含有大量微生物，作为生物过滤材料，一般需经过特殊筛选。近年来也有一些无机材料如活性炭、塑料和陶瓷等作为滤料。

生物滤池的特点是设备少、操作简单、不需外加营养物，投资运行费用低。

待处理废气应被水蒸气饱和(相对湿度＞95%)，其温度调整至生物过滤器的适宜温度(10～40℃)，有机物质量浓度为1000mg/m³以下，不应高于3000～5000mg/m³，废气与滤层的接触时间大约30～100s，滤床含水量(质量分数)的最佳范围是40%～60%，滤床内pH值一般为7～8。

(1)土壤法

利用土壤去除气态污染物是人类早已熟悉的方法，人类和一些动物都具有利用土壤覆盖污染源去除臭味的本能。土壤中的胶状颗粒可吸附废气中的气态污染物，将污染物浓缩到土壤，从而有利于微生物降解作用的发挥。

图9-5　生物过滤器处理有机废气的工艺流程图

土壤法能有效去除烷烃化合物如丙烷、异丁烷等，对易生物降解的物质如酯和乙醇等的去除效率更高。日本对土壤脱臭技术进行了大量的研究，该技术已广泛用于养殖场、屠宰场、皮革厂、食品加工厂、制药厂、污水处理厂的恶臭气体的净化。德国、荷兰等国也建立了不少土壤净化装置。

土壤法具有设备简单，运行费用低，维护管理方便等优点，土壤上还可种植花草绿化。缺点是占地面积大，开放式场地易受天气等自然因素的影响。

(2)堆肥法

堆肥废气处理装置与土壤法基本相同，其滤料是由泥炭、堆肥、木屑、固体废弃物等混合而成的堆肥层。堆肥层结构疏松，不仅有利于气体流动，还有利于微生物的生长繁殖，因此堆肥中微生物含量比土壤中多。

与土壤法相比，堆肥法对气态污染物的去除效率更高，能大大减少占地面积。但由于堆肥是由可生物降解的物质所构成的，寿命有限，1～5年必须更换一次。此外，开放式堆肥处理系统同样也易受气候等自然因素的影响。为克服这一缺点，增强处理过程的控制能力，一些欧美国家已开发出许多封闭式生物过滤器。

(3)生物过滤器

生物过滤器应用较广泛。气态污染物在生物过滤器中经多种物理化学和生物共同作用被降解(原理见图9-5)。废气经增湿器增湿后进入生物过滤器，在通过过滤介质时，污染物从气相转移到生物膜层而被生物氧化。

生物过滤器的滤料床通常由泥炭、木屑、土壤和堆肥等堆积而成。滤料床上生长的各种细菌、霉菌、酵母菌和微型动物，共同构成了降解污染物的主体。生物过滤器具有工艺简单、操作费用低等优点，适合于不产生酸性副产物、易生物降解的有机化合物的处理。

(4)生物滴滤塔

生物滴滤塔是一种介于生物滤池和生物洗涤器之间的处理工艺，滴滤塔集废气的吸收与液相再生于一体。塔内增设了附着微生物的填料，为微生物的生长、有机物的降解提供了条件。微生物利用溶解于液相中的有机物进行代谢繁殖，并附着于填料表面，形成生物膜。有机废气和氧气经过传输进入生物膜被微生物利用，代谢产物再经扩散作用排出。工艺流程见图9-6。

滴滤塔中的温度，pH值等条件与生物滤池相近。与生物过滤器不同的是:生物滴滤器的支撑滤料通常由惰性材料(如陶瓷、塑料、火山岩和泡沫状多孔材料等)构成，并被含有N、P、K等微生物营养元素的循环滴滤液连续喷淋。循环滴滤液从填料上方喷入滤料，与滤料上固着的生物膜接触，为微生物提供水和矿物营养。因此，可通过滴滤液控制微生物的生长条件，如pH值、矿物营养、盐浓度和传质过程等，进而控制生物滴滤塔的操作过程。

生物滴滤塔的优点是设备少、操作简单，液相和生物相均循环流动，生物膜附着在惰性填料上，压降低，填料不易堵塞，挥发性有机化合物的去除效率高;但需外加营养物，填料比表面积小，运行成本较高，不适合处理水溶性差的化合物。

图9-6　生物滴滤塔流程图

图9-7　气态污染物生物处理的作用机理

当废气流经滤料床时，部分污染物和氧直接被生物膜吸附，部分则先被水吸收，再由微生物吸附降解。与生物过滤器相比，生物滴滤塔的反应条件易控制，微生物产生的有害代谢物能被滴滤液净化。因此，生物滴滤塔能处理的污染物范围更广，对高污染负荷废气的处理效率更高。但由于生物滴滤塔的操作要求和运行费用高，目前生物滴滤塔在气态污染物净化方面的应用少于生物过滤器。