隨著有機合成工業化學工業的迅速發展, 進入大氣的有機化合物越來越多, 這類物質往往帶有惡臭, 不僅對人體各種感官有刺激作用, 而且不少有機化合物,產生 “三致”效應,從而對人體和環境產生很大的危害。微生物對各類污染物均有較強、較快的適應性,并可將其作為代謝底物降解、轉化。同常規的有機廢氣處理技術相比,生物技術具有效果好、投資及運行費用低、安全性好、無二次污染、易于管理等優點( 如表 1 所示) ,尤其在處理低濃度( < 3mg/ L)、生物可降解性好的有機廢氣時更顯其優越性。
   
 

 
一、生物法凈化有機廢氣的原理
         有機廢氣生物凈化是利用微生物以廢氣中的有機組分作為其生命活動的能源或其它養分,經代謝降解,轉化為簡單的無機物( C O2, 水等)及細胞組成物質。 與廢水的生物處理過程的最大區別在于:廢氣中的有機物質首先要經歷由氣相轉移到液相(或固體表面液膜)中的傳質過程,然后在液相(或固體表面生物層)被微生物吸附降解

  圖1  微生物凈化有機廢氣模式圖
由于氣液相間有機物濃度梯度、有機物水溶性以及微生物的吸附作用, 有機物從廢氣中轉移到液相(或固體表面液膜)中,進而被微生物捕獲、吸收。在此條件下,微生物對有機物進行氧化分解和同化合成, 產生的代謝產物一部分溶入液相, 一部分作為細胞物質或細胞代謝能源,還有一部分(如 CO2)則析出到空氣中。廢氣中的有機物通過上述過程不斷減少,從而得到凈化。
二、有機廢氣生物處理的工藝研究與應用
         根據微生物在有機廢氣處理過程中存在的形式, 可將處理方法分為生物吸收法(懸浮態)和生物過濾法(固著態) 2類。生物吸收法(又稱生物洗滌法)即微生物及其營養物配料存在于液體中,氣體中的有機物通過與懸浮液接觸后轉移到液體中而被微生物所降解。生物過濾法則是微生物附著生長于固體介質(填料)上,廢氣通過由介質構成的固定床層(填料層)時被吸附、吸收,最終被微生物降解,較典型的有生物濾池和生物滴濾池2種形式。
1. 生物吸收法( bio scrubber)
生物吸收法由一個吸收室和一個再生池構成,如圖2所示。
 
 圖2  生物吸收法示意圖
           生物懸浮液(循環液) 自吸收室頂部噴淋而下,使廢氣中的污染物和氧轉入液相(水,實現質量傳遞。吸收了廢氣中組分的生物懸浮液流入再生反應器(活性污泥池)中,通入空氣充氧再生。被吸收的有機物通過微生物氧化作用, 最終被再生池中 的活性污泥懸浮液從液相中除去。 生物吸收法處理有機廢氣,其去除效率除了與污泥的 M LSS濃度、 pH 值、溶解氧等因素有關, 還與污泥的馴化與否、營養鹽的投加量及投加時間有關[ 5]。 福山等[6]在臭氣凈化處理的實驗中發現,當活性污泥濃度控制在5000～10000m g/ L、氣速< 20m3/ h 時, 裝置的負荷及去除率均較理想。 日本一鑄造廠[ 7]采用此法處理含胺、酚等污染物的氣體, 設備采用兩段洗滌塔, 裝置運行十多年來一直保持較高的去除率( < 95 % )。德國開發的二級洗滌脫臭裝置,臭氣從下而上經二級洗滌,濃度從2100mg/ L 降至50mg/L,且運行費用極低。
         生物吸收法中氣、液兩相的接觸方法除采用液相噴淋外, 還可以采用氣相鼓泡。 一般地,若氣相阻力較大可用噴淋法,反之液相阻力較大時則用鼓泡法。 鼓泡與污水生物處理技術中的曝氣相仿,廢氣從池底通入,與新鮮的生物懸浮液接觸而被吸收。由此,許多文獻中將生物吸收法分為洗滌式和曝氣式2種。 日本某污水處理廠用含有臭氣的空氣作為曝氣空氣送入曝氣槽,同時進行廢水和廢氣的處理,取得了脫臭效率達99%的效果。
2.生物濾池( biofilter)
生物濾池處理有機廢氣的工藝流程如圖3所示。
 
  圖3  生物濾池系統示意圖
        具有一定濕度的有機廢氣進入生物濾池,通過約 0. 5～1m厚的生物活性填料層,有機污染物從氣相轉移到生物層, 進而被氧化分解。生物濾池的填料層是具有吸附性的濾料(如土壤、堆肥、活性炭等) 。堆肥生物濾池因其較好的通氣性和適度的通水和持水性, 以及豐富的微生物群落,能有效地去除烷烴類化合物,對酯等生物易降解物質的處理效果更佳。
         有關生物濾池在有機廢氣處理中的研究報道,較早的有 Jennings[12]及其同事于70年代初,在莫諾特方程的基礎上提出了生物濾池中單組分的、非吸附性的、可生化降解的氣態有機物去除率的數學模型。而后, Ottengraf[13- 17]等依據吸收操作的傳統雙膜理論,在Jennings的數學模型基礎上進一步提出了目前在世界上公認影響較大的生物膜理論(見圖4)。
         另外, H odg e等[ 18]采用堆肥作填料凈化處理含蒸汽的廢氣,當進氣負荷不高于90g/m3  h、停留時間為30s時,去除率達95%以上; Cox等[19]以珍珠巖為濾料,選用馴化篩選后的真菌降解,氣體濃度為800 mg/m3、流量為43L/h時,處理效率達99%,

 圖4  生物膜理論示意圖
同時測得 CO2濃度為1000ppm( 1833mg/m3); Corsi等[20]在  154mm實驗裝置上,其同系物為凈化處理對象,在操作溫度20. 8℃、空塔氣速28～30m/h、停留時間 1. 82～1. 96min實驗條件下,進行堆肥法、土壤法、木屑法的平行實驗, 比較了被處理氣體通過三種填料加營養物質前后的去除效率, 結果發現, 堆肥對氣體中一直保持較高的去除率( 90%～99% ) , 土壤和木屑在沒有加營養物質的情況下去除效果較差,加營養物質后,去除率可達99%。
3.生物滴濾池(biotrickilng filter)
生物滴濾池處理有機廢氣的工藝流程如圖5所示。

圖5  生物滴濾池系統示意圖
          生物滴濾池與生物濾池的最大區別是填料上方噴淋循環液, 設備內除傳質過程外還存在很強的生物降解作用。與生物濾池相似,生物滴濾池使用的是粗碎石、塑料、陶瓷等一類填料,填料的表面是微生物區系形成的幾毫米厚的生物膜,填料比表面積一般為 100～300m2/ m3。這一方面為氣體通過提供了大量的空間,另一方面,也使氣體對填料層造成的壓力以及由微生物生長和生物膜疏松引起的空間堵塞的危險性降到了限度。 與生物濾池相比,生物滴濾池的反應條件( pH、溫度)易于控制(通過調節循環液的 pH、溫度) ,而生物濾池的 pH 控制則主要通過在裝填料時投配適當的固體緩沖劑來完成, 一旦緩沖劑耗竭則需更新或再生濾料, 溫度的調節則需外加強制措施來完成, 故在處理鹵代烴、含硫、含氮等通過微生物降解會產生酸性代謝產物及產能較大的污染物時,生物滴濾池較生物濾池更效。 Hartmans、 Diks等的實驗結果表明,氣速為145～156m/h、濃度為 0. 7～1. 8g/m3時,去除率為80%～95%。 另外,生物滴濾池單位體積填料層微生物濃度較高,適于處理高負荷有機廢氣。 T onga等的研究表明,當停留時間為50s、處理效率為90%時,生物滴濾池處理負荷是生物濾池的 2倍;處理負荷是生物濾池的3倍以上。
         另外, Pedersen等[24]在  70mm生物滴濾池中進行了低濃度廢氣的凈化處理研究,得到最大生化去除量為45mg/ L。

三、生物法凈化有機廢氣現狀及需解決問題
        近年來, 由于各國對有機廢氣造成的環境污染的關注,對有機廢氣的處理研究也日趨活躍。生物技術由于具有傳統的方法不可比擬的優越性和安全性, 已成為世界工業廢氣凈化研究的前沿熱點課題之一。
        生物法凈化有機廢氣的研究,國外是從80年代初逐步展開的[28],最初應用是在堆肥場和動物脂肪加工場的有機廢氣脫臭處理方面[ 29]。 廢氣中所含臭味物質主要有腐胺、脂肪酸等。 外某動物脂肪加工廠[30]曾用堆肥作濾料,在濾料厚度為1m、氣體在濾層中平均停留時間為17s、過濾負為88m3/ m2  h的情況下,將廢氣中的有機物濃度由45mg/Nm3降到3. 5mg/ Nm3,獲得了良好的除臭效果。
         不同成分、濃度及氣量的氣態污染物各有其有效的生物凈化系統。生物吸收法適宜于處理凈化氣量較小、濃度大、易溶且生物代謝速率較低的廢氣處理; 對于氣量大、濃度低的廢氣可采用生物濾池處理系統; 而對于負荷較高以及污染物降解后會生成酸性物質的則以生物滴濾池為好。 在目前的廢氣生物凈化實踐中以運行操作簡單的生物濾池系統使用得最多, 日、德、荷、美等國家生物法處理有機廢氣的設備與裝置開發已呈商品化態勢并且應用效果良好,對混合有機廢氣的去除效率一般在95%以上。 目前,我國有關這方面的研究及應用還處于起步階段,僅同濟大學、 昆明理工大學等單位進行了初步研究。
          有機廢氣生物處理是一項新的技術, 由于生物反應器涉及到氣、液/固相傳質及生化降解過程,影響因素多而復雜,有關的理論研究及實際應用還不夠深入、廣泛,許多問題需要進一步探討和研究。
( 1 )反應動力學模式研究。
         通過反應機理的研究,提出決定反應速度的內在依據,能有效地控制和調節反應速度, 最終提高污染物的凈化效率。 盡管 O ttengraf等提出了較著名的生物膜理論[39,40] ,但該理論的提出是建立在以生物濾池為研究基礎上的,對生物吸收法和生物滴濾池凈化處理有機廢氣過程機理的描述不適合。在實際研究中發現,許多實驗數據不能與上述理論模型相吻合,一些現象也難以用上述理論作出解釋。 我們認為,這主要是由于物濾池中存在相對較穩定的液膜, 而生物吸收法和生物滴濾池中由于循環液的流動性, 無法產生類似的穩定液膜。( 2)填料特性研究。 
        對于生物濾池和生物滴濾池來說,深入研究填料的一些特性是非常必要的。 填料的比表面積、孔隙率除與單位體積填充層生物量有關,還直接影響著整個填充床的壓降及填充床是否易堵塞等問題。更重要的一點是, 氣態污染物降解要經歷一個氣相到液/固相傳質過程, 污染物在兩相中的分配系數是整個裝置可行性的一個決定因素。 有資料表明,填料對分配系數有較大的影響, Hodge[41]、Liu[42]等在生物濾池處理蒸汽時發現, 顆粒活性炭作填料時的分配系數是堆肥的2. 5～3倍。( 3)動態負荷研究。
目前,絕大多數研究報道中采用的是單一組分(或幾個簡單組分組合) 氣體作為實驗對象,氣體負荷的變化也是非常有順序的、平穩的, 氣速也是很 “溫和”的,而對于非常態負荷氣流、多組分復雜混合氣的研究較少。事實上,這種動態負荷的研究是非常有實際意義的, 特別是可以解決一系列實際運用中碰到的問題。