廢氣的生物處理技術

1、第五章第五章 工業(yè)廢氣的生物治理技術工業(yè)廢氣的生物治理技術l廢氣來源及生物處理的原理l廢氣生物處理的方法l廢氣生物處理的工藝l有機廢氣的生物處理l含硫惡臭污染物的生物處理lCO2 的生物處理lNOX的生物處理v廢氣主要來源廢氣主要來源l燃料燃燒燃料燃燒 工業(yè)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。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動工業(yè)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。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動 交交通污染源通污染源 第一節(jié)第一節(jié) 廢氣生物處理的原理廢氣生物處理的原理l微生物轉化廢氣中的有害物質在氣相中難以進行，所以氣態(tài)污染物首先要經(jīng)歷由氣相轉移到液相或固體表面的液膜中

2、的傳質過程，然后污染物才在液相或固相表面被微生物吸附降解。能進行氣態(tài)污染物降解的微生物：l自養(yǎng)菌自養(yǎng)菌 靠硫化氫、硫和鐵離子及氨的氧化獲得能量，其生存所必需的碳由二氧化碳提供。適于進行無機物轉化，但由于新陳代謝活動較慢，其生物負荷不可能很大。但在濃度不太高的脫臭場合還是采用了硝化菌、反硝化菌及硫酸菌等來轉化硫化氫及氨。l異養(yǎng)菌異養(yǎng)菌 對有機物的氧化代謝獲取能量和營養(yǎng)物質，能較快地完成污染物的降解。 生物反應處理廢氣一般經(jīng)歷以下三個階段： 1.1.溶解過程溶解過程 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，完成由氣膜擴散進入液膜的過程。2.2.吸著過程吸著過程 有機污染

3、物組分溶解于液膜后，在濃度差的推動下進一步擴散到生物膜，被微生物吸附、吸收，污染物從水中轉入微生物體內(nèi)。作為吸收劑的水被再生復原，繼而再用以溶解新的廢氣成分。3.3.生物降解過程生物降解過程 進入微生物細胞的污染物作為微生物生命活動的能源或養(yǎng)分被分解和利用，從而使污染物得以去除。廢氣生物處理原理圖l烴類和其它有機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。第二節(jié)第二節(jié) 廢氣生物處理的方法廢氣生物處理的方法廢氣處理方法：廢氣處理方法： 理化法：吸附、吸收、氧化、等離子體轉理化法：吸附、吸收、氧化、等離子體轉化法等。工藝

4、或設備較復雜，運行費用較化法等。工藝或設備較復雜，運行費用較高。高。生物法：植物凈化和微生物凈化法。具有生物法：植物凈化和微生物凈化法。具有處理效率較高、適應性較廣、工藝較簡單處理效率較高、適應性較廣、工藝較簡單以及費用較省等優(yōu)點。以及費用較省等優(yōu)點。l微生物凈化氣態(tài)污染物的裝置：微生物凈化氣態(tài)污染物的裝置： 生物吸收池生物吸收池 生物洗滌池生物洗滌池 生物滴濾池生物滴濾池 生物過濾池生物過濾池其中生物過濾池應用較多技術成熟廢氣生物處理的特點適應范圍廣l揮發(fā)性有機化合物 (volatile organic compounds，VOCs)以及其它有毒或有臭味的氣體，如NH3和H2S等。l化工、制

5、藥、電鍍、噴漆、印刷等行業(yè)產(chǎn)生的有害污染物以及廢水處理廠、堆肥廠、垃圾填埋廠產(chǎn)生惡臭等。 去除效率高 u一般的空氣污染物去除效率超過90。投資少，運行費用低 u不需要投入額外的化學品;u化學法則需加催化劑和氧化劑等，如次氯酸鹽、過氧化氫、二氧化氯等。4、污染少 生物處理的產(chǎn)物是生物量，很容易處理。5、耗能低 生物反應在常溫常壓下進行，能量來自微生物利用VOCs成分本身產(chǎn)生的能量。水溶性強 u主要有無機物如H2S和NH3等、醇類、醛類、酮類以及簡單芳烴(如BTEX)等有機物。適宜處理的污染氣體應具有的特點適宜處理的污染氣體應具有的特點：易降解 u分子被吸附在生物膜上必需被降解，否則將導致污染物濃

6、度增高，毒害生物膜或影響傳質，降低生物濾器效率，或使處理完全失敗。 第二節(jié)第二節(jié) 廢氣生物處理的工藝廢氣生物處理的工藝u根據(jù)介質性質不同，分為：生物洗滌(bioscrubbing)生物洗滌器內(nèi)是液態(tài)介質。 生物過濾 (biofiltration)生物過濾采用是固態(tài)介質。生物濾池1.生物滴濾生物洗滌器生物洗滌器l生物洗滌裝置一般由洗滌器和生物反應器兩部分組成，分開設置。l吸收主要是物理溶解過程，采用的吸收設備有噴淋塔、篩板塔、鼓泡塔等，吸收過程進行很快，水在吸收設備中的停留時間僅約幾秒鐘；l生物懸浮液(循環(huán)液)自吸收塔頂部噴淋而下使廢氣中的污染物和氧轉入液相(水相)。吸收了廢氣中有機組分的生物懸

7、浮液進入生物反應器(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的氧化作用最終被再生池中活性污泥懸液除去。l一般,當活性污泥濃度控制在5000-10000mg/L,氣速小于200m/h，去除較理想。生物洗滌器流程圖生物洗滌器流程圖生物洗滌裝置生物洗滌裝置 2生物滴濾塔生物滴濾塔l在生物滴濾塔內(nèi)充滿惰性填料, 微生物在填料表面附著生長并形成生物膜。l氣相主體經(jīng)傳輸進入微生物膜后，生物膜中微生物以有機廢氣為碳源和能源, 以在循環(huán)液中的營養(yǎng)物質為氮源, 進行生命活動。l代謝產(chǎn)物通過擴散作用外排。滴濾塔的進氣方式分為水氣逆流、并流兩種方式。l滴濾塔內(nèi)所用填料多為陶瓷或塑料。（易于掛膜、不

8、易堵塞、比表面積大。）l滴濾塔中最重要的部分：吸收器。吸收器內(nèi)氣液分界面的表面積決定了吸收效率。生物滴濾池具有以下特點：l內(nèi)裝有惰性填料,它只起生物載體作用，其孔隙率高、阻力小、使用壽命長,不需頻繁更換；l設有循環(huán)液裝置，可調(diào)節(jié)濕度和pH值，供給營養(yǎng)和微量元素，生物相靜止而液相流動，因而填料上可生存世代周期長、降解特殊氣體的菌群，可承受比生物過濾器更大的處理負荷，且抗沖擊負荷能力強,填料不易堵塞、壓降?。?l污染物的吸收和生物降解在同一反應器內(nèi)進行，設備簡單，操作條件可靈活控制。l安裝有溫度控制裝置，當內(nèi)部氣體溫度顯示下降至微生物的正常生長溫度時，控制系統(tǒng)發(fā)信號給熱風機，使其工作以提高池內(nèi)的溫

9、度。當氣體低于20OC時，熱風機開始運轉，直至溫度達到微生物適宜溫度為止，一般為25OC左右。l優(yōu)點：設備少、壓降低、填料不易堵塞，PH易于調(diào)節(jié)，適宜處理產(chǎn)生酸性代謝產(chǎn)物的污染物。l缺點：填料比表面積小，運行成本高，不適宜處理水溶性差的化合物。3 3生物濾池（微生物過濾工藝）生物濾池（微生物過濾工藝）l首先含污染物的氣體進入加濕器進行。潤濕。l潤濕廢氣進入填料層，微生。物進行生物代謝。l凈化后氣體在濾池頂部排出。 生物濾池流程圖l生物濾池所用填料特性是影響其處理效果的關鍵因素。l填料選擇要考慮比表面積、機械強度、化學穩(wěn)定性、持水性等問題。 生物濾池所用的過濾介質：l土壤濾池土壤濾池l堆肥濾池堆

10、肥濾池l人工合成材料人工合成材料影響生物濾池性能的因素1、填料選擇堆肥 原料常用污水處理廠污泥、有機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，濾層含水量不低于40，但不能有積水。濾層保持適當?shù)臏囟?。土?腐殖土為好，其它土質需要改良，有效厚度不應小于50cm，土壤水分4070，草炭 其通氣性能良好，適于微生物生長，除臭效果比用土壤好。2、填料濕度l微生物生命活動的必要成分；l吸收廢氣的溶劑。采用土壤或堆肥等固態(tài)處理系統(tǒng)時，適宜的水分含量可保證氧與水分的供給。4060為適宜的含水量。通常預處理需要加濕，防止濾料變干。3溫 度l廢氣生物處理多用中溫條件廢氣生物

11、處理多用中溫條件(2535)，少用高溫。少用高溫。l土壤或堆肥處理廢氣時通常采用自然溫度，土壤或堆肥處理廢氣時通常采用自然溫度，如果微生物分解基質放熱造成溫度過高則如果微生物分解基質放熱造成溫度過高則需采取降溫措施。需采取降溫措施。4氧氣l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處理效率的影響很大，微生物數(shù)量、基質濃度和溫度等因素也會影響供氧。l少數(shù)厭氧條件，例如著色菌處理硫化氫，則需控制無氧條件，以氨氣取代反應系統(tǒng)的氧氣。 5、酸堿度l以中性或微堿性（7-8）為宜。l廢氣生物處理中的細菌多數(shù)適應于中性至微堿性環(huán)境，只有少數(shù)種類對酸堿度要求比較特殊，l例如氧化硫硫桿菌最適pH為2.

12、62.8，最低為pH1.0，最高為pH4.06.0。 針對有機堆肥臭氣去除的生物濾池針對有機堆肥臭氣去除的生物濾池三種生物凈化系統(tǒng)的比較l生物洗滌法：處理凈化氣量小、濃度大、易溶且生物代謝速率較低的廢氣；l生物濾池：氣量大、濃度低的廢氣；l生物滴濾池：負荷較高以及污染物降解后會生成酸性物質的廢氣。第第三節(jié)節(jié) 有機廢氣的生物處理l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，需要進一步探討和研究。 五、處理廢氣的微生物l多為混合微生物，因為：含有多種成分的混合廢氣，需要多種微生物分別降解；有的成分需

13、要幾種微生物的相繼作用才能分解轉化為無害物質；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；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。l在硫化氫氧化中，為了使自養(yǎng)型脫氮硫桿菌(Thiobacillus denitrificans)凝絮持留于反應器內(nèi)，需與活性污泥中的異養(yǎng)型微生物起共培養(yǎng)。 l有機廢氣的生物處理裝置主要有生物洗滌器、生物濾池和生物滴濾池，其中生物滴濾池應用最為廣泛。幾種生物技術的比較與具體應用條件 5.現(xiàn)存問題及主要研究方向l廢氣生物處理是一項新技術，影響因素多而復雜，許多問題需要進一步探討和解決，大致有如下幾個方面:1.反應動力學模式研究l反應動

14、力學即研究污染物降解速率以及微生物增長率與污染物濃度、生物量等因素之間的定量關系，而這些關系直接決定著降解速率與污染物的去除效率。通過反應機理的研究，可以找出決定反應速度的內(nèi)在依據(jù)，有效的控制和調(diào)節(jié)反應速度，最終提高污染物的凈化效率。2.填充物的特性研究l 填充物的比表面積、孔隙率等直接影響著反應器的生物量以及整個填充床的壓降及填充床時易堵塞等問題。更重要的是，填充物對液/固傳質分配系數(shù)有較大影響。同時，填料的使用壽命也直接影響整個裝置的運行費用，因此，填料特性研究可以改善反應器運行狀況、節(jié)省運行費用。 3.動態(tài)負荷研究l目前，大多數(shù)實際生產(chǎn)的尾氣均是非常態(tài)負荷氣流，氣量與濃度都處在時刻的變化

15、過程中，因此，模擬動態(tài)負荷可解決一系列實際運用中碰到的問題。4.高效優(yōu)勢菌種的篩選l在原有菌種的基礎上通過選擇最佳生長條件，篩選出能高效降解各種惡臭有毒氣體的優(yōu)勢菌種，從而縮短反應啟動時間，加快生物反應進程，提高處理效率。第第四節(jié)節(jié) 含硫惡臭污染物的生物處理l惡臭污染物惡臭污染物（odor pollutantsodor pollutants）：指一切刺激嗅覺器官引起人們不愉快及損害生活環(huán)境的氣體物質。 惡臭物質的種類很多，其中硫化物占大多數(shù)。H2S不僅危害人體健康，而且還會嚴重地腐蝕設備與器材。即使在濃度很低時，它對環(huán)境與健康的危害也是顯而易見的。因此，就H2S的來源及危害來看，以H2S作為研

16、究對象是具有代表性的。傳統(tǒng)傳統(tǒng)H2S處理常用的物化方法處理常用的物化方法 吸收法：吸收法：物理溶劑吸收、化學溶劑吸收。 吸附法：吸附法：可再生、不可再生吸附。 氧化法：氧化法：干法氧化、濕法氧化。 分解法：分解法：熱分解法、微波技術分解。生物法脫臭的主要特點生物法脫臭的主要特點（1）費用低。（2）設備簡單、維護管理方便。（3）減少甚至無二次污染問題。微生物分解惡臭物質的速度快、效率高、穩(wěn)定。（4）生物膜固著生長，生態(tài)條件穩(wěn)定，單位體積內(nèi)生物量大，高密度的微生物群具有較高的微生物吸附和生物氧化的能力，因而對外界負荷、毒物沖擊的抵抗力強。（5）可與廢水處理一并進行。用于生物降解用于生物降解H H2

17、 2S S的微生物的微生物l在微生物氧化H2S的過程中，用于生物降解的微生物叫脫硫菌，又稱為硫細菌，有自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌兩大類，其中自養(yǎng)菌合成有機物能力強，有利于無機物的轉化。l據(jù)文獻報道77，分解硫及硫化物的細菌有多種，其中以氧化硫和硫化物獲得能源的細菌主要是硫桿菌屬和硫磺菌屬。l至今發(fā)現(xiàn)的脫硫微生物有十幾種：如氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫桿菌、酸熱硫化亞菌、光合硫細菌及真菌等。l自然界中存在的脫硫細菌多為化能自養(yǎng)型微生物。生物法脫除生物法脫除H H2 2S S反應的機理探討反應的機理探討生物降解H2S的過程可以歸納為以下幾個步驟進行：（1 1）H H2 2S S氣體與水接觸，溶于水氣體與水接觸，溶于

18、水，由氣相轉移至液相（2 2）溶于水的）溶于水的H H2 2S S被微生物吸附或吸收在生物體內(nèi)被微生物吸附或吸收在生物體內(nèi)，當溶液流經(jīng)填料表面時，溶解在水中的H2S被棲息在填料上的生物所吸附，由液相轉移到生物。（3 3）H H2 2S S被微生物氧化分解被微生物氧化分解，在轉化過程中產(chǎn)生能量，為微生物的生長與繁殖提供了能源，使H2S的轉化持續(xù)進行。 還原態(tài)的無機硫在液相及微生物的作用下氧化成SO42-的具體過程為：4S2-2S2O32- S4O62- SO32- + S3O62-4SO32-4SO42-含硫工業(yè)廢氣的生物處理法 生物膜法是生物法中最受關注的一種方法，具有以下優(yōu)點：1.動力消耗少

19、，成本較低。2.細胞活性高，穩(wěn)定性高。3.生物膜的生物量大，具有較大處理能力。4.生物膜中除好氧菌外還有厭氧菌，脫硫效果好。5.營養(yǎng)物質利用效率好，轉化率高。 生物法凈化工藝示意圖生物法凈化工藝示意圖循環(huán)水槽2. 恒流泵3. 布氣板4. 填料 5. 法蘭盤6.噴淋頭7.出氣采樣點 8. 出氣洗滌槽l用于凈化含硫工業(yè)廢氣的生物膜處理裝置，主要有生物濾池和生物滴濾池兩種形式。生物法脫硫主要影響因素生物法脫硫主要影響因素l生物濾池容積負荷對除臭效率的影響l進氣濃度對脫硫效率的影響l噴淋水量對脫硫效率影響lpH值對脫臭效率的影響l循環(huán)水中SO42-濃度對除臭效率的影響l填料性能對脫臭效率的影響第第五節(jié)

20、節(jié) 二氧化碳的生物處理 近年來大氣中的濃度保持著逐年上升的趨勢：l一方面造成了一系列不良的環(huán)境后果；l另一方面，作為地球上最豐富的碳資源， CO2在合適的技術下可轉化為巨大的再生資源。l目前，CO2的固定方法主要有物理法 、化學法 和生物法,而大多數(shù)物理和化學方法最終必須依賴生物法來固定CO2。 CO2的生物固定主要是植物和自養(yǎng)微生物, 從整個生物圈的物質、能量流來看,CO2的微生物固定是一支決不能忽視的力量。固定CO2的微生物 固定CO2的微生物一般有兩類:l光能自養(yǎng)型微生物主要包括微藻類和光合細菌,它們都含有葉綠素,以光為能源, CO2為碳源合成菌體物質或代謝產(chǎn)物;l化能自養(yǎng)型微生物。以C

21、O2為碳源,能源主要有H2和、H2S和含氮化合物 。 固定CO2的微生物種類微生物固定的機理：1.卡爾文循環(huán) 卡爾文循環(huán)一般可分為三部分: (1)CO2的固定 (2)固定的CO2的還原 (3)CO2受體的再生。 卡爾文循環(huán)卡爾文循環(huán)2.還原三羧酸循環(huán) 還原三羧酸循環(huán)示意圖3.乙酰輔酶A循環(huán)乙酰輔酶A途徑微生物固定CO2的具體過程植物光合作用示意圖固定CO2的植物l植物的光合作用以大氣中的為碳源合成自身的細胞物質，并釋放出，是天然的固定場。l不僅陸生植物，海洋中的植物也具有很強的吸收的能力第第六節(jié)節(jié) 氮氧化物的生物處理氮氧化物的生物處理技術l 氮氧化物(NOx)是大氣主要污染物之一,也是目前大氣

22、污染治理的大難題。自20世紀70年代起,發(fā)達國家便開始對燃煤電站鍋爐NOx 排放,并且限制日趨嚴格。中國是以燃煤為主的發(fā)展中國家,隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展,燃煤造成的環(huán)境污染日趨嚴重,特別是燃煤煙氣中NOx,對大氣的污染已成為一個不容忽視的問題。 某城市的空氣情況汽車尾氣的排放 郊區(qū)工廠廢氣排放生物法含NOx廢氣凈化的原理第一步，氣相中的NOx（NO和NO2），首先通過溶解或吸附等傳質過程轉移至液相（如NO2通過形式NO3-或NO2-而溶于水中，吸附在液相中的微生物或固體物表面而進入液相）。第二步，在外加碳源的情況下，微生物對分布于液相中的含氮化合物吸收，在微生物體內(nèi)進行氧化、還原、分解等微生物代謝

23、作用，把部分吸收的含氮化合物轉化為微生物生長所需的有機氮化物，組成新的細胞，使微生物生長繁殖；另一部分含氮化合物則被微生物分解為無害的氮氣，或容易處理的NO3-或NO2-，并釋放出微生物生長活動所需的能量。生物脫氮的具體機理l微生物凈化NOx 有反硝化、硝化和真菌凈化三種機理。l反硝化機理（異養(yǎng)反硝化菌和自養(yǎng)反硝化菌）1. 異養(yǎng)反硝化菌：以有機物為電子供體，以NO3-、NO2-、NO為電子受體，進行缺氧呼吸，氧化有機物來獲取生長所需的能量，將NO、 NO3- 、 NO2-還原為N2，同時生成與好氧呼吸相比少得ATP和生物質。2. 自養(yǎng)反硝化菌：能以無機質（如H2、H2S、S、S2O4-）作為氫供體，以NO、NO3-、NO2-作為氫受體，以無機碳為碳源，將從NO、 NO3- 、 NO2-還原為N2中獲取微生物生長所需的能量。 NO的生化還原： NON2氧化氮還原酶NO2的生化還原：NO3-NO2-NON2硝酸鹽還原酶亞硝酸鹽還原酶氧化氮還原酶+e+e+e 硝化機理 硝化過程處理NOx 是再硝化細菌的作用下，在有氧條件下將氨氮氧化成硝酸鹽氮。硝化菌為自養(yǎng)菌，它們以CO2為碳源，通過氧化NH4+獲得能量。 硝化過程一般分兩個階段，分別由硝化菌和亞硝化菌完成。l 第一階段：由亞硝化菌將氨氮轉化為亞硝酸鹽l 第二階段：由硝化菌將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽l硝化處理技術：是