废气生物治理之原理概述

废气生物治理之原理概述

一、依据及来源

根据：

1. “徐晓军，宫磊，杨虹编著.恶臭气体生物净化理论与技术.化学工业出版社”

2. “王灿，席劲瑛，胡洪营著.工业有机废气紫外-生物联合处理技术研究与工程实践.化学工业出版社”

3. “陈建孟著.废气生物净化过程强化技术.科学出版社”。

二、臭气体物的生物转化

生物脱臭法是利用微生物的生物化学作用, 使污染物分解 , 转化为无害或少害的物质。微生物利用有机物作为其生长繁殖所需的基质, 通过不同的转化途径将大分子或结构复杂的有机物经异化作用最终氧化分解为简单的水、二氧化碳等无机物, 同时经同化作用并利用异化作用过程中产生的能量 , 使微生物的生物体得到增长繁殖,为进一步发挥其对有机物的处理能力创造有利的条件。污染物去除的 实质是有机底物作为营养物质被微生物吸收、代谢及利用。这一过程是比较复杂的 , 它由物理、化学、物理化学以及生物化学反应所组成。生物脱臭可以用式 ( 1-1 )表达。

 

恶臭气体成分不同, 其分解产物不同, 不同种类的微生物, 分解代谢的产物也不一样。对于不含氮的有机物质如苯酚、羧酸、甲醛等, 其最终产物为二氧化碳和水; 对于硫类恶臭成分, 在好氧条件下被氧化分解为硫酸根离子和硫; 对于像胺类这样的含氮恶臭物质经氨化作用放出 NH₃ , NH₃可被亚硝化细菌氧化为亚硝酸根离子, 再进一步被硝化细菌氧化为硝酸根离子。

三、恶臭气体物生物去除过程

臭气物质首先溶解在水中, 而后被微生物吸收, 作为微生物营养物质被分解、利用, 从而除去污染物。与净化有机废气一样, 生物膜法净化臭气时, 由于有机污染物与生物发生了生化反应, 已不同于单纯的物理吸收过程。荷兰学者在 1986年提出的双膜-生物膜理论能较好地说明生物膜法净化臭气的 机 理。该 理 论 认 为, 生 物 膜 法 净 化 气 体 可 分 为 三 个步骤。

① 恶臭气体的溶解过程。废气与水或固相表面的水膜接触,污染物溶于水中成为液相中的分子或离子, 即恶臭物质由气相转移到液相, 这一过程是物理过程, 遵循亨利定律 [ 见式 ( 2-1 ) ] 。

 

② 恶臭物质的吸附、吸收过程。水溶液中恶臭成分被微生物吸附、吸收, 恶臭成分从水中转移至微生物体内。作为吸收剂的水被再生复原, 继而再用以溶解新的废气成分。被吸附的有机物经过生物转化, 即通过微生物胞外酶对不溶性和胶体状有机物的溶解作用后才能相继地被微生物摄入体内。如淀粉、蛋白质等大分子有机物在微生物细胞外酶 ( 水解酶) 的作用下, 被水解为小分子后再进入细胞体内。由此可见, 当以污泥或膜形态存在的微生物表面一旦通过吸附而被有机物覆盖后, 其进一步吸附的作用将受到限制, 因而需要通过污泥或膜的表面更新或不断补充具有吸附能力的微生物菌胶团, 才能保证此过程的顺利进行。

③ 恶臭物质的生物降解过程。进入微生物细胞的恶臭成分作为微生物生命活动的能源或养分被分解和利用, 从而使污染物得以去除。烃类和其他有机物成分被氧化分解为 CO₂和 H₂ O, 含硫还原性成分被氧 化为 S、SO₄ ^2- ; 含氮成分被氧化分解成 NH₄⁺、NO₂^-和 NO₃^-等。具体转化过程如下:

进入微生物细胞体内的有机物 , 在各种细胞内酶 ( 如脱氢酶、氧化酶等 ) 的催化作用下 , 微生物对其进行氧化分解 , 同时进行合成代谢产生新的微生物细胞。一部分有机物通过氧化分解最终转化 为 H₂ O 和 CO₂等稳定的无机物质 , 并从中获取合成新细胞物质 ( 原生质 ) 所需要的能量。此过程可用式 ( 2-2 )表示。

 

与此同时, 微生物利用另一部分有机物及分解代谢过程中所产生的能量进行合成代谢以形成新的细胞物质。此过程可用式 ( 2-3)表示。

 

上述转化过程中, 当有机底物的含量充足时, 微生物处于快速增长阶段, 将有大量新的细胞合成, 但随着底物不断氧化分解及微生物和细胞物质数量的不断增长, 微生物生长对有机底物的需求量逐渐得不到满足, 微生物将进入内源呼吸阶段。此时微生物对自身细胞物质进行氧化分解, 并产生能量, 成为维持其生长繁殖提供能量的主要方式, 见式 ( 2-4 ) :

 

双膜-生物膜理论示意图见下图。

不同生物反应器的恶臭净化的详细步骤有所区别, 主要有以下三种:

① 气流→吸附在有机介质上→在水相解析/ 溶解→生物降解。

② 气流→ 在生物膜上直接吸附→ 生物降解。

③ 气流→ 在水相中溶解→ 生物降解。

 

Cg1, Cg2 —废气中污染物的浓度; Cgi1, Cgi2 —相界面上污染物的气相浓度; 

CLi1, CLi2 — 相界面上与气相浓度相平衡的液相浓度; CS1, CS2 —进入生物膜的污染物的液相浓度

 

四、★“吸收-生物膜理论”和“吸附-生物膜理论”

随着研究的深入，传统的“吸收-生物膜理论”不能很好地描述VOCs传质和生物降解这一复杂的过程，因此一些研究者对该理论进行了优化修正。2002年孙佩石等针对不溶或难溶于水的VOCs生物净化过程，提出了“吸附-生物膜理论”，即废气中的污染物直接扩散至生物载体或生物膜表面，被载体或生物膜吸附，微生物进而将污染物降解。与“吸收-生物膜理论”最大的区别在于，“吸附-生物膜理论”中的污染物可以不经历气液传质过程，解释了增大液体喷淋量并没有强化水溶性差的污染物的净化效果、生物膜表面液体滞留量即液膜厚度造成非水溶性污染物净化效率下降等实验现象。

实际上，废气生物净化是“吸收-生物膜”和“吸附-生物膜”两个理论的综合。在一个真实的废气生物净化系统中，由于受各种因素限制，生物载体表面的液膜分布是不均匀的，生物膜厚度也不一致，局部载体表面甚至无生物膜覆盖，如图3-1所示。废气在生物载体床层空隙间流动，气流中污染物质通过溶解（有液膜的地方）或吸附（无液膜的地方）过程，转移至载体或生物体表面，被生物降解。

 

五、示例：含硫污染物的生化代谢过程

含硫恶臭气体包括H2S、甲硫醇（MM）、二甲基硫醚（DMSO）、二甲基二硫醚（DMDS）、二硫化碳（CS2）等。

生丝微菌属（Hyphomicrobium）S对DMSO的代谢如下所示：

 

硫杆菌属（Thiobacillus）ASN-1对DMS的代谢途径：

排硫硫杆菌（Thiobacillus thioparus）E6对DMDS的代谢途径如下：

 

1. 自养性硫杆菌属和甲基型的生丝微菌属与一般硫公细菌的代谢一致。

2. 黄单胞菌属（Xanthomonas）DY44对硫的代谢独特，它氧化H2S和甲硫醇（MM）不形成S0或SO2-4，而是形成类似于硫的聚合物。

3. 食酸假单胞菌（Pseudomonas acidovorans）只氧化DMS为DMSO，就不再继续氧化。

4. 排硫硫杆菌E6菌株氧化DMDS为H2SO4和CO2。

几种恶臭硫化物生物氧化活性的顺序是：硫化氢（H2S）＞甲硫醇（MM）＞二甲基二硫醚（DMDS）＞二甲基硫醚（DMS）等。