环境生物技术在废气及大气污染治理中的应用以及发展前景.doc

'环境生物技术在废气及大气污染治理中的应用及发展前景环境生物技术（EnvironmentalBiotechnology)是生物技术在环境治理和环境保护中的广泛应用衍生出的一门新学科和新技术．是一门由现代生物技术与环境工程技术相结合而形成的前沿交叉学科。凡是与生物技术结合，对环境进行监控、治理或修复，清洁生产、污染物资源化以及生物材料和能源开发等,均属于环境生物技术研究和应用的范畴[1]。科技的发展充分证明了环境生物技术在解决环境问题过程中所显示出的独特功能和优越性，它的纯生态过程，体现出了可持续发展的战略思想，它具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点。随着细胞融合、基因工程、分子生物等技术的发展，环境生物技术得到了进一步的开发，研究领域不断扩大，已成为一种经济效益和环境效益俱佳的解决环境污染问题的有效手段之一。同时，随着人们环境意识和生态概念的不断加强，市场对生物技术、生物产品的需要明显增多，政府也更加重视生物技术的发展，环境生物技术本身也将更加成熟。本文着重介绍一下环境生物技术在废气及大气污染治理中的当前的应用以及发展前景。采用生物技术控制和处理废气，将废气中的有机污染物或恶臭物质降解或转化为无害或低害类物质，从而净化空气，是一项空气污染控制的新技术。目前采用的方法主要有生物过滤、生物洗涤和生物吸附法等，所采用的生物反应器为生物净气塔、渗滤器和生物滤池等。2.生物技术体系采用生物技术控制和处理废气，将废气中的有机污染物或恶臭物质降解或转化为无害或低害类物质，从而净化空气，是一项空气污染控制的新技术。目前采用的方法主要有生物过滤、生物洗涤和生物吸附法等，所采用的生物反应器为生物净气塔、渗滤器和生物滤池等。2.1生物过滤法随着现代工业的迅速发展，大量的挥发性有机化合物(Vocs)被排放到大气中。Vocs以 其来源广、危害大的特点而成为仅次于颗粒污染物的第二大大气污染物。大气中逐渐增加的Vocs已经成为当今关注的重要环境问题之一。传统处理Vocs废气方法主要有燃烧、冷凝、吸附、吸收等。生物过滤法是一个相对较新的处理大气量、可生化Vocs的废气处理技术。凭简单高效、费用低、无二次污染等特点。生物过滤法成为一简单、高效及具有前景的Vocs废气处理技术。生物过滤法是在生物滤池内部填充活性填料，废气经加压预湿后从底部进人生物滤池，气体中的无机污染物、有机污染物或恶臭物质与填料上附着生成的生物膜(微生物)接触，被生物膜吸收，最终被降解为水和二氧化碳或其它成分，处理过的气体从生物滤池的顶部排出。该方法的特点是设备少、操作简单、不需外加营养物、投资运行费用低、去除效率高，但反应条件较难控制、占地面积较大。其主要用于各行业的有机物废气的处理以及污水处理厂等工厂的恶臭气体的处理，总的来说，就是一些硫醇，胺类，酚类等有机物以及氨气，硫化氢，二氧化硫等无机恶臭气体。最早提出采用微生物处理废气构想的是Bach，他于1923年曾利用土壤过滤床处理污水处理厂散发的含H2S恶臭气体[2]。使此想法得到进一步发展的是Pomeroy，他于1957年在集美国申请了“开放式生物滤池”[3]专利，并在欧洲(主要是德国和荷兰)运用生物过滤技术处理恶臭、有机和无机气态污染物[4]，同时真正将生物过滤法应用到处理Vocs废气始于20世纪80年代。相对于国外．中国生物过滤法处理废气的起步较晚，于20世纪90年代初才开始这方面的研究。孙佩石[5]等用生物法处理甲苯，并尝试生物法处理工业废气。李国文等[6]开展了生物过滤净化有机废气与动力学方面的研究。王灿[7]研究了白腐真菌生物过滤塔对氯苯气体的去除情况。刘永慧等[8]开发设计分段式生物过滤床，可成功净化甲酸乙酯混合废气。对于NH3废气的生物处理，陈英旭等[9]取得了积极的成果。朱国营等[10] 对处理乙硫醇废气生物滤池中的微生物进行了初步鉴定；席劲瑛等[11]研究了微生物种群的代谢特性，而系统地对微生物菌落的分布及特性的研究极少。目前，国内外有关生物过滤处理Vocs废气的研究主要集中于生物过滤法在实际应用中最佳参数系统的筛选与影响因素的评价、高浓度或难生物降解Vocs处理、微生物菌落特征、动力学等方面。虽然生物过滤处理在处理既无回收价值又严重污染环境的中低浓度、生物降解性好的Vocs时具有良好的适用性和经济性，但其在处理Vocs仍存在较多的问题，如对高浓度或难降解Vocs的去除效率差，填料使用寿命短、酸化、压实、营养缺乏等，从而影响Vocs生物处理性能。影响因素包括底物的性质，底物Vocs结构和性质是生物法处理Vocs中至关重要的影响因素；填料，填料是生物过滤器的主体部分，生物过滤器处理Vocs的成功主要依赖于填料．它可以为微生物提供最佳的生存环境以达到和维持高的生物降解速率；湿度，填料湿度是生物过滤法处理Vocs的一个关键参数，Ranasinghe等[12]指出，填料湿度是最可能影响生物过滤器性能的参数；ph[13]，微生物在生物过滤反应器处理Vocs中起着主导作用，从而影响微生物生长的pH值成为生物过滤法处理Vocs废气的重要影响因素；营养度[14]，填料中的营养是生物反应器中微生物生长代谢和保持良好活性的重要条件。营养物质主要包括氮、磷和无机盐，对于有机填料来说，磷和无机盐一般不会产生严重缺乏，在生物过滤处理Vocs过程中，由于可溶性氮(主要为NH3和NO3-)被利用消耗，并有部分可溶性氮通过沥滤液损失掉，而且有机氮的矿化速率小于可溶性氮被利用速率，因此常出现氮的限制，目前对填料营养的研究主要集中在氮的研究；温度[15]，温度也影响生物过滤反应器的性能。一般可接受的生物过滤器床层温度为l0～42℃，最佳的微生物活性温度范围是30～35℃；氧气，氧气是否是生物过滤法处理Vocs废气的限制因素有不同的研究报道[16][17]。所以，在一些方面，仍然是需要加强和研究的，比如：1)多组分复杂Vocs混合废气的去除，特别是高负荷或难生物降解Vocs的处理； 2)复杂的微生物生态研究，包括微生物菌落分布及特征、微观结构及特性、生物量定量等；3)污染物、营养物质(如氮)和氧气的利用与平衡循环；4)生物过滤法处理实际废气过程中填料的寿命(酸化、压实、营养缺乏等)、最佳工艺运行参数的筛选与确定；5)生物降解机制及动力学研究，尤其是微观动力学方面的研究。2.2生物洗涤法目前废气处理的生物法如上所述主要有3种：生物过滤，生物滴滤，生物洗涤。一般观点认为生物洗涤比较适合于可溶性有机气体的治理，在洗涤塔中发生的主要是污染物气体洗涤吸收，降解污染物的过程主要发生在有活性污泥存在的再生池中.[18]生物洗涤法分为废气吸收和悬浮液再生两个阶段，通常由一个装有填料的洗涤器(吸收设备)和一个装有活性污泥或生物膜的生物反应器(再生反应器)构成。废气从吸收设备底部进入，向上流动，与顶部喷淋向下的生物悬浮液在填料床中相互接触，经传质过程进入液相，再进入微生物细胞内或经微生物分泌的胞外酶作用分解，净化后的气体从吸收设备顶部排出。吸收了废气的牛物悬浮液从再生反应池的底部进入，通入空气充氧，废气被微生物氧化利用的过程也就是悬浮液的再生过程，再生后的悬浮液再进入吸收设备进行顶部喷淋，吸收与再生两个过程反复进行。该方法的特点是反应条件易控制、压降低、填料不易堵塞，但设备较多，需外加营养，成本较高，对溶解度小的化合物难以处理。我国在生物洗涤技术起步以后，进行了一系列研究，取得了一些成就。吸收的过程即是在研究化工原理的单元操作时所研究的，在此不再赘述，同时，国内发展研究的重点，亦是吸收以后的废水处理。在这里介绍的，亦是吸收废水的处理步骤的技术进展。曹可可[19]研究了采用生物-电解-絮凝法处理吸收污水。他 主要是从三维电极的原理出发,配以催化氧化技术。当污水流经电解复合床时,在一定的操作条件下,装置内便产生具极强性能的羟基及新生态的混凝剂，发生诸如氧化分解、混凝、吸附等反应，进而在水中加入催化剂和凝聚辅助剂产生高效化学作用,并经过滤器的吸附沉淀后,污水中的有机物迅速去除。刘玉红[20]研究了主要由气体发生系统、填料吸收塔和循环液槽组成的系统中用生物洗涤处理含苯酚废气,取得良好的结果。董占峰[21]研究了采用物化法(组合气浮)和生化法(水解-接触氧化)的相结合的工艺处理服装洗涤废水,运行结果表明,该工艺具有良好的处理效果,且运行费用较低。黄芳[22]亦对生物接触法处理工艺的应用做出了研究,本文用SBR小试装置、生物接触氧化-MBR和MBR中试装置进行铁路洗涤废水处理实验研究,并且投加LAS降解菌于SBR和MBR装置中,进行了工艺参数的确定、处理效果考察、投菌前后对比、SBR和MBR放大设计和经济技术对比以及膜污染状况等方面的初步研究,为铁路洗涤废水处理设施的设计和运行提供了一些参考依据。同时，在生物接触氧化的方法上，陈雯[23]在他的硕士学位的毕业设计时，已作出了详细的研究。王延华[24]在他的设计研究中，亦提到了一种再生胶技术处理废水,他设计实验，包括废水处理技术及工艺的实验室小试研究：废水处理技术及工艺的初步工业应用试验研究；工业应用装置的设备设计研究。通过实验室的小试研究，比较了胶粉、混凝剂、氧化剂和煤渣等对再生胶脱硫废气生物法净化洗涤冷却废水的挣化处理性能。与生物过滤法不同的是，生物洗涤法中的液相(通常带有悬浮微生物)是流动的，在2个分开部分连续循环，这有利于控制反应条件，便于添加营养液、缓冲剂和更换液体，除去多余产物。其反应温度和pH等因素也可以监测和控制。正是如此能较好的控制其中的过程，污染物的高度集中的转移，更适合于建模，有很高的稳定性，填料不易堵塞，相对占地面积也小。 但是它的投资较大，运行费用高，设备多，需要外加营养物质，产生的生物量过多，水的处理是一个难题，在吸附阶段可能会堵塞。适用于气量小，浓度高，易溶，生物代谢速度较低的情况。[25]2.3生物滴滤法研究利用生物化学法净化空气中的污染物可以追溯到50年代中期，最先用于处理空气中低浓度的致臭性物质。由于生物滴滤法具有微生物浓度高、净化反应速度快、停留时间短、空隙率高、阻力小、使用寿命长、反应条件（pH值、营养）易于控制和抗负荷冲击能力强等特点，受到越来越广泛的重视。目前，生物滴滤法净化芳烃类有机废气的研究已经成为大气污染控制技术领域的研究热点之一。[26]生物滴滤法是在生物吸收法基础上进行的改进，集合了生物过滤法和生物吸收法两种工艺的优点，生物吸收和生物降解同时发生在一个反应装置内。滴滤池内装有填料，填料表面被生物膜覆盖。循环水不断喷洒在填料上，废气通过滴滤池时，气体中的污染物被微生物降解。该方法的特点是只有一个反应器、操作简单、压降低、填料不易堵塞、污染物去除效率高，比生物过滤法能更有效地处理含卤化合物、硫化氢或氨等废气。但需外加营养、运行成本较高。[27]现行的研究主要集中于生物滴滤法的操作性能，微生物填料，工业化应用，降解机理等几个方面。生物滴滤工艺的操作性能具体可分为去除能力、停留时间和降解效率等，这是目前生物滴滤法净化芳烃类有机废气研究得较为广泛深入的方面，也是衡量生物滴滤系统最终处理效果的重要指标。美国学者Cox等[28]在研究中采用聚丙烯包尔环为填料净化甲苯废气，去除能力达到83mg/L·h；Shihabudeen等[29]采用生物滴滤系统对BTX气体的降解性能进行了对比实验等。国内比较系统的研究有孙珮石等进行的生物膜填料塔净化甲苯废气初步研究，研究主要集中在机理探讨和动力学方面。重庆大学的陈蓉等[30] 在毛细管模型的基础上，研究了分段进气、气液两相流量、塔填料的比表面积、孔隙率、生物膜覆盖率和甲苯进口浓度等参数对生物滴滤塔净化效率的影响。在填料方面，目前生物滴滤器所用的填料多为卵石、木炭陶瓷、塑料、不锈钢微粒、碳素纤维及海绵等惰性材料，一方面能避免生物滴滤器中因天然填料不均匀充填而产生的压实、短路及填料降解等现象，另一方面也可为微生物生长提供载体，并提高生物滴滤器内空隙率，同时惰性填料结构坚固，使用寿命长、阻力小。近年来，国内外研究了很多新型填料，如William等[31]研制的聚氨酯泡沫，已应用于甲苯废气处理实验。周卫列[32]等学者对生物滴滤塔净化甲苯系统中采用陶瓷、塑料以及金属波纹板等填料对形成生物膜的厚度、空隙率、压降等特性参数进行了测定等。微生物生物滴滤的实质是通过微生物的生理活动，将有机物分解转化进而降解的过程。净化的生物滴滤器内较为常见的是假单胞属短杆菌近年来有研究发现，真菌对有机物也有明显的去除能力,且真菌耐低湿度、酸性条件的能力明显强于细菌。今后有可能以真菌作为主体降解有机物。王娟等[33]选用以甲苯为底物驯化的石化污泥和白腐真菌做菌源，研究其对苯、甲苯、二甲苯的生物降解规律。郭晓芬等[34]从土壤中分离筛选出以甲苯为惟一碳源的5种细菌菌株，测定菌体浓度随时间变化曲线，采用紫外诱变获得优势诱变菌株ZD5A。Prado等[35]对填装惰性填料生物滴滤器营养盐供给最适量进行了研究；William等[36]研究了氮源限制对生物滴滤器内微生物的影响。总之，今后生物滴滤法的相关研究将转向更深层次的基础理论研究，以指导生物滴滤系统的工业化应用，满足芳烃类有机废气处理的实际需要。包括对中间代谢产物的研究，使得深入对生物降解机理理解；关于生物滴滤系统在保持高去除能力的同时，生物量的过量增长而造成床层堵塞问题；研究它的动力学模型，将多相相间传递过程与生化降解过程这个复杂系统作为一个整体考虑，，建立降解动力学模型，为生物反应器的优化设计及其工业化应用提供理论指导；模拟现实工业环境中的芳烃类有机废气排放进行生物滴滤系统 净化效能的研究，以逐步形成工程化应用系列技术并开发出成套设备等。[37]3总结总之，有机废气生物处理是一项新的技术，由于反应器涉及到气、液／固相传质及生化降解过程，影响因素多而复杂，有关的理论研究及实际应用还不够深人、广泛，许多问题需要进一步探讨和研究。例如目前，生物法仅限用于处理低浓度有机废气，如何将这些技术和方法用于高浓度有机废气的治理有待于研究；影响污染物去除率的关键过程是将污染物从气相转移到液相中，目前的大部分研究是对于易溶物和易降解污染物进行处理，在实际应用中将会受到一定的限制；利用基因工程技术开发出高效的降解菌种；添加一定的有机溶剂提高疏水性污染物的溶解性；生物法所用填料的比表面积、孔隙率等直接影响反应器的生物量以及整个填充床的压降及填充床是否易堵塞问题。因此，改善生物滤料、填料的物理性能和使用寿命，以节省投资和能耗；实现自动控制，提高对各运行参数的控制能力，降低维护费用和发生故障的次数；在原有菌种的基础上通过选择最佳生长条件，筛选出能高效降解各种恶臭有毒气体的优势菌种，从而缩短反应启动时间，加快生物反应进程，提高处理效率是必然的方向。随着科技的进步，生物科学和生物工程、以及生物技术将被越来越广泛地应用于生物多样性保护、人类健康、环境污染防治和环境、经济、社会的可持续发展，同时在攻克环境保护的科技难关中有广阔的发展前景。2l世纪，实现生物多样性保护，合理开发生物资源，有效利用生物技术，必将是本世纪的重要课题。我国是污染严重的国家，我们要构建一个有利于现代生物技术在环保中应用的良好环境，同时最大限度地减少和预防与这些技术伴生的对人类和环境的危害。 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