工业废气的生物处理方法

随着公众环保意识的不断提高和执行环保排放标准愈来愈严格, 有害空气污染物质(HAPs) 和工厂臭气造成的环境污染问题越来越受到人们的重视。 处理废气有多种方法, 其中生物法是一种有效的、费用较低的、没有二次污染的方法。 笔者对生物法和其他的处理废气方法进行对比, 重点介绍生物滤池和生物滴滤池处理废气系统的特点、原理和应用实例。

1　工业废气的物理化学处理方法

污染物质可以通过热处理、活性炭吸附或化学洗涤从工业废气中去除。 热处理包括直接燃烧和催化氧化。 当有机污染物质的浓度高时, 热处理的方法是有效的。 然而, 当有机物的浓度低时, 热处理的费用将很高, 原因是需要的燃料较多; 活性炭吸附中, 有机污染化合物被吸附到炭表面, 从而产生清洁空气。 每单位质量的炭的吸附数量同空气中污染物质的浓度有关, 浓度低时吸附率低。 因此, 当污染物的浓度降低时, 吸附每单位质量的污染物所需的炭量将变得很大; 洗涤作用对于去除许多有毒气体和其它高溶解度的化合物有效, 但是运行费用高。

2　工业废气的生物处理方法

工业废气的生化处理系统属于一种环保友好技术。 相对于上述的处理方法, 生物法更加适用于处理低浓度的有毒空气污染物质(HAPs) , 且具有投资运行费用省、维护管理简单、不产生二次污染等特点。 在欧洲, 燃料费用较高, 关于恶臭的规范也很严格, 所以广泛采用生物法去除恶臭气体。

生物法的实质是利用有孔的、潮湿的介质上聚集的活性微生物的生命活动, 将废气中的有害物质转变为简单的无机物(如CO 2 和H2O ) 或组成自身细胞。 一般认为生物法净化有机废气需经历三个步骤: ① 有机废气成分首先同水接触并溶于水中(即由气相扩散进入液相) ; ② 溶解于液相中的有机成分在浓度差的推动下, 进一步扩散至介质周围的生物膜(如图1 所示) , 进而被其中的微生物捕捉并吸收; ③ 进入微生物体内的有机污染物在其自身的代谢过程中作为能源和营养物质被分解, 经生物化学反应最终转化为无害的化合物(如CO 2 和H2O ) 。 这一过程见图1。

两种最常用的生物处理系统是生物滤池和生物滴滤池: 生物滤池中, 有孔的介质通过进气的湿度调节器和偶尔的喷淋而保持潮湿(如图2 所示) ; 生物滴滤池中, 水流稳定地、持续地循环穿过滤床, 对处理后的空气进行持续收集(见图3) 。

2.1　生物滤池系统

生物滤池的最初形式是通过挖掘沟渠, 在沟中放置空气布水系统, 再用渗透性土壤填埋沟渠建成的。但是土粒之间的小孔尺寸会带来堵塞问题, 只有少量的这样的系统存在着。 现在大多数的生物滤池用木片或肥料填充。 如图2 所示, 废气通过配水系统进入滤池底部, 然后穿过有孔的嵌在砾石中的塑料管排出。放置在砾石层上的填料通常为一层, 大约为1m 厚, 如果再厚的话, 将要使填料受到压挤而变形。 采用喷淋系统来保持填料潮湿, 当下雨和喷淋量大的时候, 用排放系统来排出多余的水。 这种生物滤池在运行之前, 要求对填料进行筛滤来控制孔隙尺寸, 这样可以保证填料具有较大的孔隙并减少水头损失。 用肥料做填料时, 填料上活性环境使多种的微生物立即开始起作用, 降解的过程中填料提供营养物质。 较低的水头损失和理想的活性环境意味着生物滤池可以做得小一些。

然而, 肥料做填料也有缺陷。 当肥料软化时容易产生水平和垂直压缩作用。 水平压缩使滤床内部产生裂缝, 也有可能使滤床离开容器壁; 而垂直压缩使填料孔隙堵塞, 从而增大了水头损失。 当废气经过填料到达裂缝和开口处, 处理过程就失败了。 如果增湿和喷淋系统运行不好, 由于干化作用也可能使填料发生收缩。 此外, 干肥料通常是疏水性的, 这将使填料再次湿化很困难。

为了解决肥料软化时的问题, 人们开始采用混合无机填料。Mon san to 使用获得专利的聚苯乙烯水珠和有机材料作为填料。① 也有人采用火山岩、砾石等具有较大孔隙的材料作为填料, 还有些生物滤池用大孔的聚氨酯泡沫塑料做填料。 用均一的无机填料不仅可以解决填料压缩问题, 而且还可以降低水头损失。 无机填料提供的是无营养物或接种的环境, 其所需的较低的水力负荷使干燥更加容易。 采用无机混合填料的生物滤池必须小心地对其进行管理, 提供适当的填料接种环境, 小心地控制水的流量, 营养物的添加要有规律性。 总之, 如果这些问题能够解决的话, 无机填料可以提供最大的降解率, 也可以使生物滤池做得更小。实际运行中, 采用可编程的逻辑编辑器对生物滤池的运行进行监控, 以便调整运行参数, 反常条件下可以关掉系统。

用木片或肥料做填料的生物滤池同无机混合填料生物滤池相比, 其运行和管理费用较低, 但是处理效果比后者差, 因此, 可以根据当地实际情况做出选择。

2.2　生物滴滤池系统

生物滴滤池不同于生物滤池, 它要求水流连续地通过有孔的填料, 这样可以有效地防止填料干燥, 精确地控制营养物浓度与pH 值。 另外, 由于生物滴滤池底部要建有水池来实现水的循环运行, 所以总体积比生物滤池大。 这就意味着: 将有大量的污染物质溶解于液相中, 从而提高了比去除率。 因此, 生物滴滤池的反应器的尺寸可以比生物滤池的小。 但是, 生物滴滤池的机械复杂性高, 从而使投资和运行费用增加。 由于这些原因, 所以生物滴滤池最适于那些污染物质浓度高导致生物滤池堵塞、有必要控制pH 值和使用空间有限的地方。

2.3　工业废气生物处理法的应用

生物处理方法也有不适宜的地方。 例如, 携带油或油脂的灰尘和空气因为可能会阻塞滤床, 从而应用生物法得不到很好的处理。 另外, 由于生物滤床的尺寸有限, 降解缓慢的化合物(如特定的氯代烃) 也不适于进行生物处理。 低浓度的化合物很难得到降解, 原因是少量的水对空气的分隔作用使水中污染物的浓度降低, 从而降低降解速率。 然而, 这些情况对于那些较难溶化合物而言, 例如苯和甲苯, 虽然溶解度较低, 但相对其他处理方法, 用生物处理方法可以得到稳定的处理。 一般情况下, 生物处理系统较其他的处理系统体积较大, 不能安装在空间有限的地方。

生物处理方法适宜处理多种挥发性有机物 (VOCs) 和许多工业废气中的无机蒸气物质。 这些物质中含有氮、氯或可产生少量酸的硫化合物。 例如, H2S 通常是恶臭问题的来源, 用生物滤池可以得到很好的处理, 仅仅是产生少量的酸。 在处理低浓度的易降解的污染物质方面, 生物滤池和生物滴滤池是最成功的。

在美国新泽西州的Law renceville, 采用生物滴滤池处理挥发性有机物(VOCs)、有害空气污染物质 (HAPs) 和海边污水处理厂的恶臭排放物。 此污水处理厂位于加利福尼亚州的圣地亚哥市的海空基地, 处理的废气来自工业废水、炼油厂的处理池。 处理流程是: 污染气体下向流, 同循环的液体一起运行, 经过两个生物滴滤池(填料是455 kg 的活性炭) 处理后而排放。 系统的设计参数是: 空气进气流速3 000 m3/h; 反应器面积为3.1 m × 9. 1 m , 完全由玻璃纤维合成树脂制成, 滤床体积为31m 3; 气体停留时间为36 s; 平均有机负荷率大约是。2 g/(m3·h) 。 对于污染物质的去除, 包括酚、亚甲基氯化物、丁酮、苯、甲苯、乙苯、二甲苯和硫化氢, 总的去除率达到85% 。

水厂的气体污染物在采用生物滴滤池处理之前, 是通过4 个独立的250 kg 的活性炭吸附柱进行处理。 活性炭的更新和再生需要一个月的时间, 每年需花费36 000 美元, 而生物滴滤池的每年费用为5 000 美元。

3　结　论

相对于传统的处理废气的方法, 如燃烧法、化学洗涤法、催化氧化法和吸附法, 生物法的优点是: 维护管理方便, 费用较低, 没有二次污染, 对人类健康和生态的影响较少, 适宜处理多种挥发性有机物(VOCs) 和许多工业废气中的无机蒸气物质。 生物法在工业的废气处理方面将发挥越来越重要的作用。