氣體生物淨化是利用微生物的生命活動將廢氣中的污染物轉化為二氧化碳、水、硫酸鹽和細胞物質等無害或少害物質。但與廢水生物處理相比，氣態污染物首先要經歷由氣相轉移到液相或生物膜表面的傳質過程，然後才能在液相或固相表面被微生物吸收降解。氣態污染物的生物淨化過程的速度取決於：(1)氣相向液相、生物相的傳質速率；(2)能起降解作用的活性生物質的量；(3)生物降解速率。生物法作為一種新型的氣態污染物的淨化工藝自20世紀90年代已得到越來越廣泛的研究與套用。與傳統的物理化學淨化方法相比，生物法具投資運行費用低、較少二次污染等優點。
基本介紹
- 中文名：氣體生物淨化
- 外文名：Biotreatment of gaseous pollutant
- 淨化設施：生物過濾器，生物滴濾器等
- 利用：微生物生命活動
- 優點：投資運行費用低、較少二次污染
- 注意事項：注意水分的控制
原理,淨化過程因素分析,待處理對象,起降解作用的微生物,填充支撐材料介質,工藝過程控制因素,
原理
與廢水生物處理工藝相似，生物淨化氣態污染物過程也同樣是利用微生物的生命活動將廢氣中的污染物轉化為二氧化碳、水和細胞物質等；但其與廢水生物處理的重大區別在於：氣態污染物首先要經歷由氣相轉移到液相或固相表面液膜中的傳質過程，然後才能在液相或固相表面被微生物吸收降解。與廢水的生物處理一樣，氣態污染物的生物淨化過程也是人類對自然過程的強化與工程控制，其過程的速度取決於：
1 氣相向液固相的傳質速率(這與污染物的理化性質和反應器的結構等因素有關)；
2 能起降解作用的活性生物質的量；
3 生物降解速率(與污染物的種類、生物生長的環境條件、抑制作用等有關)。
淨化過程因素分析
待處理對象
待處理對象本身的性質對工藝過程中的傳質與生物轉化影響很大。如待處理污染物水溶性的差異影響其從氣相向液相的傳質過程，而降解活動又主要發生在生物膜或液相中，因此待處理污染物的水溶性對其去除效果的影響很大。待處理污染物的可生物降解性則直接影響到生物轉化過程，此外水溶性差但易降解的物質在淨化過程中也可因生物降解對氣體吸收的增強作用而取得較好的淨化效果。在某些場合；待處理物質在床層材料或生物膜上的吸附能力對淨化效果的好壞也起著關鍵的作用。
從文獻調研的情況看，大多數的研究者進行的是非鹵代揮發性有機物的研究，如甲醇、乙醇、甲苯、BETX(苯、甲苯、乙苯、二甲苯混合氣)、苯乙烯、甲基乙基酮、甲基硫、二甲基硫、己烷、乙烯、苯酚、丙酮、丁醛及汽油蒸氣和甲烷、甲胺、丁烯、二甲基甲醯胺等。另外，還有一些研究者進行了無機惡臭物質的淨化研究，如硫化氫、氨等。近幾年來，也有一些研究者開展了含氯有機物氣體及二硫化碳的生物降解研究。對鹵代烴降解機理的研究使人們認識到對鹵代烴的好氧降解需要生物的協同代謝作用才能完全，也
可通過厭氧脫鹵後再進行好氧降解。近兩年來，還有學者開始研究生物過濾器中的脫氮和氮氧化物的還原現象，以期進行生物脫硝。
起降解作用的微生物
生物氣體淨化器主要是利用異養生物對污染物質的代謝過程去除污染物的。目前生物過濾器中通常利用的是土壤、堆肥或泥炭中的自然菌落，也有的投加活性污泥馴化後的菌種，而生物滴濾器的生物相則是通過活性污泥循環掛膜或投加馴化後的專性菌而建立起來的。運轉的生物濾器中的微生物種類很多，主要為細菌、放線菌和真菌。對生物濾器內的生物群落的調查表明，在生物器中污染物去除量大的地方生物的密度也大，如進氣口處。對於難降解物質的淨化通常需要接種經馴化後的菌種。Kirchner採用P．Fluorescens、Rhodococcus的單一菌種進行了丙酮、丙醛、環已烷和甲苯等氣體的淨化研究。而Raj Mirpuri、Anne R.Pedersen等採用惡臭假單胞54G(PseudomonasPutida 54G)菌種來處理甲苯氣體。對專性菌種的研究人員認為：雖然存在競爭和異化現象，但專性菌對設備啟動和高效運行作用明顯。Van Groenestijn等對專性菌對難降解物質的淨化研究進行了綜述。近年來，A.R.Pedersen，R.M.M.Diks、H.H.J.Cox等認為生物淨化器記憶體在的是微生物的生態系統，該系統由降解污染物的微生物和大量的其他非直接降解污染物的微生物種群構成，並提出構築食物鏈維持淨化器內生物的生態平衡的觀點。
由於許多產生揮發性有機物的裝置並非是連續運行的，Ottengraff、Martin對設備停運和閒置後微生物的活性進行了研究，發現停運兩周對生物的活性影響也不大，再次運行後很短的時間內便可恢復。Kirchner研究後認為漓濾器可以採用白天運行、夜間關機的間歇運行的方式運行，其淨化性能與連續運行方式沒有區別。
填充支撐材料介質
對於所有類型的生物淨化器而言，理想的填充支撐材料應是良好的傳質和發生反應轉化的場所，即應具有以下功能:
1 為微生物提供生長表面以提高反應器內單位體積的微生物濃度;
2 對待處理對象具有吸附功能從雨增大向徽生物群落的傳質量從而相應提高去除速率;
3 提供良好的流體流動翻傳質性能，長期運行無淤塞結塊現象，不會造成氣體或水分的短流;
4 能提供微生物生長所需的營養物質量和微量元素並具有一定的緩衝能力。對於生物滴濾器而言，以上第4點則不是選擇時需考慮的因素。
工藝過程控制因素
影響微生物氣態污染物淨化的工藝過程控制因素有濕度、溫度、pH值、營養物質及進口氣體的狀況、空塔氣速等。這些因素或是影響生物生長的環境對生物代謝過程產生影響，或是影響傳質過程。
1 濕度對予氣態污染物的微生物淨化而言，除生物洗滌法外，其他兩類設備內的濕度條件至關重要。濕度主要影響微生物的活性和傳質過程。設備內濕度對不同水溶性污染物的影響也是不盡相同的。生物過濾器設備內的含濕量低於30%時就基本失去了VOCs的去除能力，含濕量太低會影響氣相向生物膜的傳質過程及介質的緩衝能力並抑制微生物的增長與代謝作用。生物滴濾器內水分分布的不均勻可能會導致床層內有效生物作用面積的減少而造成淨化性能的下降。含濕量非常高時又會導致堵塞及某些類型介質的壓縮和厭氧區的形成，還可能形成氣流短路通道，對於憎水型的污染氣體還會增加傳質阻力。淨化器持水量過大還會影響生物過濾器內氣體的實際停留時間。
2 溫度 溫度對生物淨化器內的傳質和生物降解過程都有著重要的作用。微生物淨化有機廢氣過程取決於一些嗜中溫性菌及部分嗜高溫性菌的生命活動，溫度升高有利於生物的降解代謝過程，但會影響到污染物的氣液分配係數和生物膜的擴散係數，是否有利於
傳質過程要看實際情況而定。溫度升高還會加速生物床內水分的蒸發。微生物淨化器床層的溫度由床內發生的放熱生物代謝活動和進口氣體溫度而定。對於生物淨化器的推薦的溫度範圍為25-35℃，即中溫範圍。實際運行時，濾床內的溫度不應太高以防止設備停運時使已有的起主要淨化作用的嗜高溫生物群落的消失，從而造成設備再啟動的困難。在冬季應保證設備內的溫度不低於10℃，以確保設備能達到設計負荷。
3 pH值由於微生物的活動都有其最佳的pH值範圍，生物床內pH值的變化會影響微生物的活動。生物床的pH值通常為7～8，即細菌和放線菌的最適範圍。但在進行含硫、氮及氯成分化合物的代謝時往往會產生酸性中間產物而降低床層的pH值，進而影響到對VOCs的去除效率。在此情況下，對於生物過濾器通常在濾料申預先加入石灰、泥灰石及貝殼等緩衝劑，而對於生物滴濾器和生物洗滌器則可較容易地通過液相的pH值調節來控制pH值。
4 營養物質和氧氣在生物淨化器中，微生物所利用的大部分營養物質在細胞死亡和消解後會被循環利用，但總有一部分通過各種途徑而流失。如氮，會因為NO3-與NO2-的反硝化作用變成N2而損失。所以與其他的微生物代謝作用一樣，生物降解氣態有機物時也需要補充氯、磷及微量元素(如S，K，Na，Ca，Mn，Cl及Fe)等營養物質。一般認為BOD5:N:P的比例為100:5:1即可。通常，天然的過濾材料中已含有足夠的無機營養物，但有時由於待處理氣體成分、濾料介質來源等因素，能否獲得一些特殊的營養物就會成為淨化過程的控制步驟。如向填料介質中添加營養物後能顯著提高甲苯等化合物的降解能力。
5 原始進氣狀況由於生物淨化器可能會被一些有毒的廢氣成分如SO2及高濃度的進氣所毒害，因此需注意待處理原始進氣的狀況，有時需採取一些措施去除或分流這些有毒有害氣體的成分。文獻介紹生物法處理的氣態污染物濃度以不超過3000-5000mg/m3為宜。另外進氣中顆粒物濃度太高會對生物淨化器造成以下的一些不利影響：可能會堵塞空氣分布系統和濾床系統；在加濕器中產生污泥進而破壞加濕器的性能。對含塵濃度高的廢氣需進行預除塵。
6 表觀氣速(空塔氣速) 表觀氣速影響到傳質過程、污染的負荷量、設備的阻力及設備內部的氣體流動情況等。一般而言，表觀氣速大有利於減少氣膜阻力而加快傳質過程。但對於污染物濃度恆定的入口氣流而言，表觀氣速大會增加設備的污染物負荷，減少單位床層高度的停留時間而不利於淨化效率。為達到一定的淨化效果，不同的表觀氣速對應著各自的最佳床層高度。表觀氣速從單位床層阻力和所需的床層高度兩方面影響設備的阻力。另外，表觀氣速較大時往往會在設備內部的角落和器壁處造成局地的高氣速而導致局部濾料生物膜的乾化和破裂，影響設備的整體效果。對生物過濾床來說，該現象尤其嚴重。因此表觀氣速應根據生物填充介質對污染物的消除能力、污染物的入口濃度及設備的允許阻力、占地要求等因素綜合考慮確定。通常以堆肥和泥炭為介質的生物過濾床在脫臭時的表觀氣速控制在300m3/(m2·m0左右。而淨化較高濃度的有機氣體時，為保證一定的淨化效果，表觀氣速往往控制在150m3/(m2·m）以下。對於一些較難降解或水溶性較差的處理對象，其表觀氣速往往只能控制在100m3/(m2·m0甚至50m3/(m2·h)以下。
7 生物滴濾器堵塞及生物質控制生物滴濾器在淨化氣體時的一個經常出現的問題就是由於生物質的積累而導致的裝置性能的變化，表現為壓降的增加和淨化效率的下降。Cox認為生物滴濾器內起降解作用的微生物只需保持合理的量(按載體介質比表面積上覆蓋80µm厚生物膜計)便可保持最大消除能力。
