污染氣體的生物處理

1、第四章 污染氣體的生物處理,廢氣主要來(lái)源,人類(lèi)生產(chǎn)及生活中的燃料燃燒 生產(chǎn)活動(dòng)，例如化工、冶金、生物制品、屠宰、污水處理及垃圾處理等工廠所產(chǎn)生的廢氣。,廢氣的處理,廢氣處理是環(huán)境污染控制的一個(gè)重要方面。,廢氣處理方法：理化法：目前主要采用的方法，如燃燒、 吸附、吸收和還原等。工藝或設(shè)備較復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用較高；用于處理某些惡臭廢氣時(shí)，效果不甚理想。生物法：具有處理效率較高、適應(yīng)性較廣、工藝較簡(jiǎn)單以及費(fèi)用較省等優(yōu)點(diǎn)。,廢氣的微生物處

2、理于1957年在美國(guó)獲得專(zhuān)利，但到1970年代才開(kāi)始引起重視，直到1980年代才在德國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)家有相當(dāng)數(shù)量工業(yè)規(guī)模的各類(lèi)生物凈化裝置投入運(yùn)行。廢氣生物反應(yīng)器處理對(duì)許多一般性的空氣污染物的去除率可達(dá)到90％以上。,第一節(jié) 廢氣的生物反應(yīng)器處理,一、廢氣生物處理的特點(diǎn),廢氣或尾氣(waste gas，off-gas)在生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。揮發(fā)性有機(jī)化合物 (volatile organic compounds，VOCs)以及其

3、它有毒或有臭味的氣體，如NH3和H2S等?；?、制藥、電鍍、噴漆、印刷等行業(yè)產(chǎn)生的有害污染物(hazardous air pollutants，HAPs)以及廢水處理廠、堆肥廠、垃圾填埋廠產(chǎn)生惡臭(odor)等。,去除效率高 一般的空氣污染物去除效率超過(guò)90％。投資少，運(yùn)行費(fèi)用低 不需要投入額外的化學(xué)品;化學(xué)法則需加催化劑和氧化劑等，如次氯酸鹽、過(guò)氧化氫、二氧化氯等。,污染少 生物處理的產(chǎn)物是生物量，很容易處理。耗能低

4、生物反應(yīng)在常溫常壓下進(jìn)行，能量來(lái)自微生物利用VOCs成分本身產(chǎn)生的能量。生物處理法消耗的動(dòng)力只是污染氣體進(jìn)入 處理系統(tǒng)時(shí)所消耗的能量(正壓送風(fēng)或負(fù)壓引風(fēng))。,水溶性強(qiáng) 兼具有蒸汽壓低、亨利定律常數(shù)低的特點(diǎn)，向介質(zhì)表面微生物膜擴(kuò)散速率高；主要有無(wú)機(jī)物如H2S和NH3等、醇類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)以及簡(jiǎn)單芳烴(如BTEX)等有機(jī)物。,適宜處理的污染氣體應(yīng)具有的特點(diǎn)：,易降解 分子被吸附在生物膜上必需被降解，否則將導(dǎo)致污染物濃度

5、增高，毒害生物膜或影響傳質(zhì)，降低生物濾器效率，或使處理完全失敗。,二、廢氣生物處理的基本形式,根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)不同，分為：生物洗滌(bioscrubbing)生物洗滌器(bioscrubber)內(nèi)是液態(tài)介質(zhì)。 生物濾過(guò)(biofiltration)生物濾過(guò)采用是固態(tài)介質(zhì)生物濾池(biofilters)生物滴濾池(biotrickling filters),1．生物濾池,生物濾池內(nèi)的固態(tài)介質(zhì)是一些天然材料，常用的固體顆粒有土壤和堆

6、肥，這些材料為微生物的附著和生長(zhǎng)提供表面，微生物可以吸收廢氣中的污染物將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)。,微生物濾池適用于處理肉類(lèi)加工廠、動(dòng)物飼養(yǎng)場(chǎng)、污水處理廠和堆肥廠等處產(chǎn)生的廢氣。這類(lèi)廢氣的主要特點(diǎn)是濃度不高，但帶有強(qiáng)烈的臭味。,濾料的選擇,堆肥 原料常用污水處理廠污泥、有機(jī)垃圾和畜糞以及植物凋落物。須篩選，濾層要均勻、疏松，空隙率>40％，濾料須保持濕潤(rùn)，濾層含水量不低于40％，但不能有積水。濾層保持適當(dāng)?shù)臏囟?。土?腐殖土為好

7、，其它土質(zhì)需要改良，有效厚度不應(yīng)小于50cm，土壤水分40％~70％，草炭 其通氣性能良好，適于微生物生長(zhǎng)，除臭效果比用土壤好。,2．生物滴濾池,生物滴濾池主要由箱體、生物活性床層、噴水器等組成。廢氣經(jīng)過(guò)預(yù)處理室去除顆粒物和增濕后進(jìn)入濾床底部。濾料使用人工材料，如陶瓷、塑料或金屬等，使用顆粒狀或有空隙的材料，床層厚度一般在0.5~1.0m，依需要而定。,優(yōu)點(diǎn)：濾料重量輕、空隙大、表面積大、廢氣和介質(zhì)接觸時(shí)間短(幾秒鐘)，處理

8、效率高，同時(shí)濾料不需更換。處理的濃度100mg/m3~5g/m3，流量5~50000m3/h。,應(yīng)用,微生物過(guò)濾床已成功地用于化工廠、食品廠、污水泵站等方面的廢氣凈化和脫臭。污染物包括硫化氫、二硫化碳、苯乙烯、甲苯、丙烷、異丁烷、苯酚、乙醇、四氫呋喃、環(huán)已酮、甲基乙基甲酮等。,3．生物洗滌,生物洗滌裝置一般由洗滌器和生物反應(yīng)器兩部分組成，吸收器和生物反應(yīng)器分開(kāi)設(shè)置。吸收主要是物理溶解過(guò)程，采用的吸收設(shè)備有噴淋塔、篩板塔、鼓泡塔等，

9、吸收過(guò)程進(jìn)行很快，水在吸收設(shè)備中的停留時(shí)間僅約幾秒鐘；,生物反應(yīng)的凈化過(guò)程較慢，吸收了揮發(fā)性氣體的廢水在反應(yīng)器中一般需要停留幾分鐘至十幾小時(shí)。生物反應(yīng)器中可進(jìn)行好氧處理，活性污泥法和生物膜法。,生物洗滌裝置,循環(huán)廢水的利用可以直接進(jìn)入吸收器重復(fù)使用；經(jīng)過(guò)泥水分離后再重復(fù)使用。,,吸收液組成：微生物、營(yíng)養(yǎng)物和水；適合處理水溶性強(qiáng)的氣態(tài)污染物，如醇類(lèi)、酯類(lèi)、醛類(lèi)和酮類(lèi)等。污水處理廠剩余活性污泥配制混合液作為吸收劑可用于處理

10、復(fù)合型臭氣，特別能脫除很難治理的焦臭。德國(guó)開(kāi)發(fā)一套二級(jí)洗滌裝置，臭氣濃度由1.1?10-3降低至5?10-5，并且抗沖擊負(fù)荷。,三、生物法處理廢氣的機(jī)理,生物反應(yīng)器處理廢氣一般經(jīng)歷以下三個(gè)階段： 溶解過(guò)程 廢氣與水或固相表面的水膜接觸，污染物溶于水中成為液相中的分子或離子，這一過(guò)程是物理過(guò)程，符合亨利定律。,吸著過(guò)程,溶于水中的污染物被微生物吸附、吸收，污染物從水中轉(zhuǎn)入微生物體內(nèi)。作為吸收劑的水被再生復(fù)原，繼而再用以溶解新的廢氣

11、成分。,生物降解過(guò)程,進(jìn)入微生物細(xì)胞的污染物作為微生物生命活動(dòng)的能源或養(yǎng)分被分解和利用，從而使污染物得以去除。烴類(lèi)和其它有機(jī)物成分被氧化分解為CO2和H2O，含硫還原性成分被氧化為S、SO42-，含氮成分被氧化分解成NH3，NO2-和NO3-等。,污染物轉(zhuǎn)移的三種可能情況,(1)氣流→吸附在有機(jī)介質(zhì)上→在水相解析膨解→生物降解(2)氣流→在生物膜上直接吸附→生物降解(3)氣流→在水相中溶解→生物降解,四、處理廢氣的微生物,多為混合

12、微生物，因?yàn)椋孩俸卸喾N成分的混合廢氣，需要多種微生物分別降解；②有的成分需要幾種微生物的相繼作用才能分解轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)，氨先經(jīng)硝化細(xì)菌再經(jīng)反硝化作用細(xì)菌才能成為分子態(tài)氮；,四、處理廢氣的微生物,③一些難降解的成分要由幾種微生物聯(lián)合作用才能被完全降解；鹵代有機(jī)化合物先經(jīng)厭氧微生物還原脫鹵，再被好氧微生物徹底分解；④工藝需要，盡管廢氣成分能夠被單一微生物分解，但還需利用其它微生物，在硫化氫氧化中，為了使自養(yǎng)型脫氮硫桿菌(Thi

13、obacillus denitrificans)凝絮持留于反應(yīng)器內(nèi)，需與活性污泥中的異養(yǎng)型微生物—起共培養(yǎng)。,紫紅紅球菌(Rhodococcus rhodochrous),,Rhodococcus rhodochrous CF 222,五、廢氣生物處理的基本條件,主要有水分，養(yǎng)分、溫度、氧氣(有氧或無(wú)氧)以及酸堿度等。 1．水 分微生物生命活動(dòng)的必要成分；吸收廢氣的溶劑。采用土壤或堆肥等固態(tài)處理系統(tǒng)時(shí)，適宜的水分含量可保證氧與

14、水分的供給。50％~70％為適宜的含水量。通常預(yù)處理需要加濕，防止濾料變干。,2．養(yǎng) 分,廢氣可為微生物提供一定的養(yǎng)分，VOCs可以提供碳源和能源，但是需要適當(dāng)補(bǔ)足其它養(yǎng)分。不同的處理工藝對(duì)養(yǎng)分控制有差異，例如生物滴濾池補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)鹽十分重要，但是堆肥生物濾池補(bǔ)給營(yíng)養(yǎng)鹽的次數(shù)可以減少，一年補(bǔ)給二次即可。,3．溫 度,廢氣生物處理多用中溫條件(25～35℃)，少用高溫。土壤或堆肥處理廢氣時(shí)通常采用自然溫度，如果微生物分解基質(zhì)放熱造

15、成溫度過(guò)高則需采取降溫措施。,4．氧氣,廢氣處理多用異養(yǎng)型好氧微生物；氧的供給量與供給方式對(duì)處理效率的影響很大，微生物數(shù)量、基質(zhì)濃度和溫度等因素也會(huì)影響供氧。少數(shù)厭氧條件，例如著色菌處理硫化氫，則需控制無(wú)氧條件，以氨氣取代反應(yīng)系統(tǒng)的氧氣。,5、酸堿度,以中性或微堿性為宜。廢氣生物處理中的細(xì)菌多數(shù)適應(yīng)于中性至微堿性環(huán)境，只有少數(shù)種類(lèi)對(duì)酸堿度要求比較特殊，例如氧化硫硫桿菌最適pH為2.6~2.8，最低為pH1.0，最高為pH4.0~

16、6.0。,第二節(jié) 惡臭的原位處理,一、惡臭污染物和污染源 惡臭污染物(odor pollutants)指一切刺激嗅覺(jué)器官引起人們不愉快及損害生化環(huán)境的氣體物質(zhì)。,第二節(jié) 惡臭的原位處理,畜禽場(chǎng)是重要的污染源O'Neil和Phillips從養(yǎng)豬場(chǎng)中分離鑒定到160種化合物，主要成分有氨、胺、含硫化合物、揮發(fā)性脂肪酸、吲哚類(lèi)、糞臭類(lèi)、酚類(lèi)、醇類(lèi)和羰基類(lèi)化合物。,我國(guó)規(guī)定的惡臭污染物 (GBl4554-93),氨、三甲胺、硫化

17、氫、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫醚、二硫化碳、苯乙烯。 惡臭物質(zhì)的發(fā)臭原因與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)：如兩個(gè)烷基同硫結(jié)合時(shí)，就會(huì)變成二甲基硫醚和甲基乙基硫醚等帶有異臭的硫醚。若再改變某些化合物分子結(jié)構(gòu)中S的位置，其臭味的性質(zhì)也會(huì)改變。,,各種化合物分子結(jié)構(gòu)中的硫(=S)、巰基(-SH和硫氰基(-SCN)是形成惡臭的原子團(tuán)，通稱(chēng)“發(fā)臭團(tuán)”。有些有機(jī)物如苯酚、甲醛、丙酮等，其分子結(jié)構(gòu)含有羥基、醛基、羰基和羧基，也散發(fā)各種臭味，起發(fā)臭團(tuán)的作用。,二、惡

18、臭的控制,①焚燒，如對(duì)垃圾和食品加工廠的殘?jiān)瓤扇夹晕镔|(zhì)焚燒；②氧化，氧化劑有臭氧、氯氣和高錳酸鉀等；③吸附，吸附劑有活性炭、硅膠、活性氧化鋁等；④酸堿處理，稀酸處理堿性惡臭物質(zhì)(如三甲胺)，稀堿處理酸性惡臭物質(zhì)(如硫化氫)：⑤生物氧化，利用生物酶的催化氧化作用；⑥掩蔽，不便處理的低濃度臭氣施放有香氣的物質(zhì)來(lái)掩蔽臭氣，如果濃度太高則不起作用。,畜禽飼養(yǎng)場(chǎng)惡臭的控制,1．日糧設(shè)計(jì)與惡臭控制 2．飼料添加劑的應(yīng)用(1)酶制劑

19、(2)抗生素 (3)益生菌(probiotics) (4)酸化劑 3．除臭劑(deodourant)的使用(1)化學(xué)除臭劑(chemical deodoulant) (2)生物除臭劑(biological deodourant),三、惡臭的原位微生物處理,產(chǎn)生惡臭的微生物多是一些動(dòng)物腸道細(xì)菌，包括埃希氏菌屬、擬桿菌屬、檸檬酸桿菌屬、假單胞菌屬和變形菌屬。 微生物除臭機(jī)理：將惡臭物質(zhì)轉(zhuǎn)化為非惡臭物質(zhì)；利用惡臭物質(zhì)為細(xì)胞

20、物質(zhì)。,原位微生物處理優(yōu)良菌種應(yīng)具備的特征,(1)有分解含硫或含氨和有機(jī)酸等惡臭化合物的能力：(2)不產(chǎn)生含硫、含氨和有機(jī)酸等惡臭化合物；(3)能夠在不適宜的環(huán)境下存活并在適宜環(huán)境下快速繁殖；(4)能夠產(chǎn)生抗生素等抑菌物質(zhì)抑制和殺死有害微生物。,Typical biofilter installation,除臭微生物種類(lèi),細(xì)菌：芽孢桿菌、鏈霉菌和光合細(xì)菌等;真菌：青霉、曲霉、木霉和酵母菌。微生物制劑的使用：直接噴撒到堆肥、