环境生物技术25-大气污染的生物修复司

1、1引 言l大气污染的防治是一个庞大的系统工程，基本大气污染的防治是一个庞大的系统工程，基本的思想是采用法律、行政、经济和工程技术相的思想是采用法律、行政、经济和工程技术相结合的措施进行综合防治。从整个区域大气污结合的措施进行综合防治。从整个区域大气污染状况出发，统一规划、合理布局，综合应用染状况出发，统一规划、合理布局，综合应用各种各种防治污染防治污染的措施，充分利用环境的自净能的措施，充分利用环境的自净能力，从而有效控制大气污染。力，从而有效控制大气污染。最后，最后，应用技术应用技术措施控制措施控制大气污染，主要包括以下几个方面：大气污染，主要包括以下几个方面：2l（1）改善能源结构）改善能

2、源结构，积极开发新能源和可再生能源，如太阳能、风，积极开发新能源和可再生能源，如太阳能、风能、生物质能、海洋能、小水电及地热能等。能、生物质能、海洋能、小水电及地热能等。l（2）提高能源的利用率）提高能源的利用率，对燃料进行预处理，推广清洁煤技术。，对燃料进行预处理，推广清洁煤技术。图图4.8 燃煤蒸汽电厂的大气污染控制系统燃煤蒸汽电厂的大气污染控制系统l（3）实行清洁生产，推广循环经济）实行清洁生产，推广循环经济。包括改革生产工艺，优先采用。包括改革生产工艺，优先采用无污染或少污染的工艺路线、原料路线和设备；加强企业管理开展综无污染或少污染的工艺路线、原料路线和设备；加强企业管理开展综合利用

3、，企业内部或各企业间相互利用原材料和废弃物实现废物资源合利用，企业内部或各企业间相互利用原材料和废弃物实现废物资源化、产品化，减少污染物的排放。化、产品化，减少污染物的排放。l（4）对烟气进行净化处理）对烟气进行净化处理。 3燃煤蒸汽电厂的大气污染控制系统 4l大气污染已是一种非常广泛的污染，遍布大气污染已是一种非常广泛的污染，遍布我们生活的各个角落，大气污染物按其存我们生活的各个角落，大气污染物按其存在状态分为在状态分为颗粒污染物颗粒污染物和和气态污染物气态污染物，对，对于这些污染物我们采用何种处理技术和方于这些污染物我们采用何种处理技术和方法进行处理？其原理如何？法进行处理？其原理如何？工

4、业废气污染的生物治理技术工业废气污染的生物治理技术v废气主要来源废气主要来源l燃料燃烧燃料燃烧 l工业生产活动，例如化工、冶金、生物制品、工业生产活动，例如化工、冶金、生物制品、屠宰、污水处理及垃圾处理等工厂所产生的废屠宰、污水处理及垃圾处理等工厂所产生的废气。气。l农业生产活动农业生产活动l交通污染源交通污染源 v废气的处理废气的处理 l废气处理是环境污染控制的一个重要方面。废气处理方法：废气处理方法： 理化法：目前主要采用的方法，如掩蔽、吸附、理化法：目前主要采用的方法，如掩蔽、吸附、燃烧、氧化等。工艺或设备较复杂，运行费用燃烧、氧化等。工艺或设备较复杂，运行费用较高；用于处理某些恶臭废气

5、时，效果不甚理较高；用于处理某些恶臭废气时，效果不甚理想。想。生物法：具有处理效率较高、适应性较广、工生物法：具有处理效率较高、适应性较广、工艺较简单以及费用较省等优点。艺较简单以及费用较省等优点。l废气的微生物处理于废气的微生物处理于1957年在美国获得年在美国获得专利，但到专利，但到1970年代才开始引起重视，年代才开始引起重视，直到直到1980年代才在德国、日本、荷兰等年代才在德国、日本、荷兰等国家有相当数量工业规模的各类生物净化国家有相当数量工业规模的各类生物净化装置投入运行。装置投入运行。l废气生物反应器处理对许多一般性的空气废气生物反应器处理对许多一般性的空气污染物的去除率可达到污

6、染物的去除率可达到90以上。以上。 一、废气生物处理的特点l适应范围广适应范围广l挥发性有机化合物挥发性有机化合物 (volatile organic compounds，VOCs)以及其它有毒或有以及其它有毒或有臭味的气体，如臭味的气体，如NH3和和H2S等。等。l化工、制药、电镀、喷漆、印刷等行业化工、制药、电镀、喷漆、印刷等行业产生的有害污染物产生的有害污染物(hazardous air pollutants，HAPs)以及废水处理厂、堆以及废水处理厂、堆肥厂、垃圾填埋厂产生恶臭肥厂、垃圾填埋厂产生恶臭(odor)等。等。 l去除效率高去除效率高 u一般的空气污染物去除效率超过一般的空气

7、污染物去除效率超过90。l投资少，运行费用低投资少，运行费用低 u不需要投入额外的化学品不需要投入额外的化学品;u化学法则需加催化剂和氧化剂等，如次化学法则需加催化剂和氧化剂等，如次氯酸盐、过氧化氢、二氧化氯等。氯酸盐、过氧化氢、二氧化氯等。4、污染少、污染少 u生物处理的产物是生物量，很容易处理。生物处理的产物是生物量，很容易处理。5、耗能低、耗能低u生物反应在常温常压下进行，能量来自生物反应在常温常压下进行，能量来自微生物利用微生物利用VOCs成分本身产生的能量。成分本身产生的能量。l水溶性强水溶性强 u主要有无机物如H2S和NH3等、醇类、醛类、酮类以及简单芳烃(如BTEX)等有机物。v

8、适宜处理的污染气体应具有的特点：适宜处理的污染气体应具有的特点：l易降解易降解 u分子被吸附在生物膜上必需被降解，否则将导致污染物浓度增高，毒害生物膜或影响传质，降低生物滤器效率，或使处理完全失败。 二、生物法处理废气的机理l有机废气生物净化是利用微生物以废气中的有机组分作为其生命活动的能源或其他养分，经代谢降解，转化为简单的无机物(C02、水等)及细胞组成物质。l与废水生物处理过程最大区别在于：废气中的有机物质首先要经历由气相转移到液相(或固体表面液膜)中的传质过程，然后由液相(或固体表面液膜)被微生物吸附降解。l生物反应器处理废气一般经历以下三个阶生物反应器处理废气一般经历以下三个阶段：段

9、： l溶解过程溶解过程 1.废气与水或固相表面的水膜接触，污染物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，完成溶于水中成为液相中的分子或离子，完成由气膜扩散进入液膜的过程。由气膜扩散进入液膜的过程。吸附过程吸附过程l有机污染物组分溶解于液膜后，在浓度差的推有机污染物组分溶解于液膜后，在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜，被动下进一步扩散到生物膜，被微生物吸附、吸微生物吸附、吸收收，污染物从水中转入微生物体内。作为吸收，污染物从水中转入微生物体内。作为吸收剂的水被再生复原，继而再用以溶解新的废气剂的水被再生复原，继而再用以溶解新的废气成分。成分。生物降解过程生物降解过程u

10、进入微生物细胞的污染物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。u烃类和其它有机物成分被氧化分解为CO2和H2O，含硫还原性成分被氧化为S、SO42-，含氮成分被氧化分解成NH3，NO2-和NO3-等。 三、废气生物处理的基本形式三、废气生物处理的基本形式u根据介质性质不同，分为：根据介质性质不同，分为：l生物洗涤生物洗涤(bioscrubbing)生物洗涤器生物洗涤器(bioscrubber)内是液态介质。内是液态介质。 l生物过滤生物过滤 (biofiltration)生物过滤采用是固态介质生物过滤采用是固态介质l生物滤池生物滤池(biofilters)l生物滴滤池

11、生物滴滤池(biotrickling filters)1微生物吸收工艺（微生物洗涤）微生物吸收工艺（微生物洗涤）l生物洗涤装置一般由洗涤器和生物反应器生物洗涤装置一般由洗涤器和生物反应器两部分组成，吸收器和生物反应器分开设两部分组成，吸收器和生物反应器分开设置。置。l吸收主要是物理溶解过程，采用的吸收设吸收主要是物理溶解过程，采用的吸收设备有喷淋塔、筛板塔、鼓泡塔等，吸收过备有喷淋塔、筛板塔、鼓泡塔等，吸收过程进行很快，水在吸收设备中的停留时间程进行很快，水在吸收设备中的停留时间仅约几秒钟；仅约几秒钟；l生物悬浮液生物悬浮液(循环液循环液)自吸收塔顶部喷淋而下使自吸收塔顶部喷淋而下使废气中的污

12、染物和氧转入液相废气中的污染物和氧转入液相(水相水相)。吸收了废。吸收了废气中有机组分的生物悬浮液进入再生反应器气中有机组分的生物悬浮液进入再生反应器(活活性污泥池性污泥池)中，通入空气充氧再生。被吸收的有中，通入空气充氧再生。被吸收的有机物通过微生物的氧化作用最终被再生池中机物通过微生物的氧化作用最终被再生池中活性污泥悬液除去。活性污泥悬液除去。l一般一般,当活性污泥浓度控制在当活性污泥浓度控制在5000-10000mg/L,气速小于气速小于200m/h，去除较理想，去除较理想生物洗涤装置生物洗涤装置 2生物滴滤池生物滴滤池l在生物滴滤池内充满了惰性填在生物滴滤池内充满了惰性填料料, 微生物

13、在填料表面附着生长微生物在填料表面附着生长并形成生物膜。并形成生物膜。l生物膜中微生物以有机废气为生物膜中微生物以有机废气为碳源和能源碳源和能源, 以在循环液中的营以在循环液中的营养物质为氮源养物质为氮源, 进行生命活动。进行生命活动。一部分有机废气通过微生物的一部分有机废气通过微生物的分解代谢被转化为无害的水和分解代谢被转化为无害的水和二氧化碳二氧化碳,并为微生物提供能量并为微生物提供能量; 另一部分有机污染物通过合成另一部分有机污染物通过合成代谢被转化为微生物自身的生代谢被转化为微生物自身的生命物质。命物质。 l废气经过预处理室去除颗粒物和增湿后进入滤床底部。废气经过预处理室去除颗粒物和增

14、湿后进入滤床底部。l滤料使用惰性材料，如陶瓷、塑料或碎石。滤料使用惰性材料，如陶瓷、塑料或碎石。生物滴滤池具有以下特点：l内装有惰性填料内装有惰性填料,它只起生物载体作用，其孔隙率高、它只起生物载体作用，其孔隙率高、阻力小、使用寿命长阻力小、使用寿命长,不需频繁更换；不需频繁更换；l设有循环液装置，可调节湿度和设有循环液装置，可调节湿度和pH值，供给营养和微值，供给营养和微量元素，生物相静止而液相流动，因而填料上可生存世量元素，生物相静止而液相流动，因而填料上可生存世代周期长、降解特殊气体的菌群，可承受比生物过滤器代周期长、降解特殊气体的菌群，可承受比生物过滤器更大的处理负荷，且抗冲击负荷能力

15、强更大的处理负荷，且抗冲击负荷能力强,填料不易堵塞、填料不易堵塞、压降小；压降小； l污染物的吸收和生物降解在同一反应器内进行，设备简污染物的吸收和生物降解在同一反应器内进行，设备简单，操作条件可灵活控制。单，操作条件可灵活控制。l安装有温度控制装置，当内部气体温度显示下降至微生安装有温度控制装置，当内部气体温度显示下降至微生物的正常生长温度时，控制系统发信号给热风机，使其物的正常生长温度时，控制系统发信号给热风机，使其工作以提高池内的温度。当气体低于工作以提高池内的温度。当气体低于20OC时，热风机时，热风机开始运转，直至温度达到微生物适宜温度为止，一般为开始运转，直至温度达到微生物适宜温度

16、为止，一般为25OC左右。左右。3 3生物滤池（微生物过滤工艺）生物滤池（微生物过滤工艺）l生物滤池内的固态介质是一些有生物活性生物滤池内的固态介质是一些有生物活性的天然材料，常用的固体颗粒有土壤和堆的天然材料，常用的固体颗粒有土壤和堆肥，这些材料为微生物的附着和生长提供肥，这些材料为微生物的附着和生长提供表面，微生物可以吸收废气中的污染物将表面，微生物可以吸收废气中的污染物将其转化为无害物质。其转化为无害物质。l具有一定温度的有机废气进人生物滤池，具有一定温度的有机废气进人生物滤池，通过约通过约0.51m厚的生物活性填料层，有厚的生物活性填料层，有机物从气相转移到生物层，进而被氧化分机物从气

17、相转移到生物层，进而被氧化分解。生物滤池的填料层是具有吸附件的滤解。生物滤池的填料层是具有吸附件的滤料料(如土壤、堆肥、活性炭等如土壤、堆肥、活性炭等)。生物滤池。生物滤池因其较好的通气性和适度的通水和持水性，因其较好的通气性和适度的通水和持水性，以及丰富的微生物群落，能有效地去除烷以及丰富的微生物群落，能有效地去除烷烃类化合物，如丙烷、异丁烷酯类及乙烃类化合物，如丙烷、异丁烷酯类及乙醇等生物易降解物质的效果更佳。醇等生物易降解物质的效果更佳。l土壤滤池土壤滤池l堆肥滤池堆肥滤池l微生物过滤箱微生物过滤箱影响生物滤池性能的因素1、填料选择、填料选择l堆肥堆肥 原料常用污水处理厂污泥、有机垃圾和

18、原料常用污水处理厂污泥、有机垃圾和畜粪以及植物凋落物。须筛选，滤层要均匀、畜粪以及植物凋落物。须筛选，滤层要均匀、疏松，空隙率疏松，空隙率40，滤料须保持湿润，滤层，滤料须保持湿润，滤层含水量不低于含水量不低于40，但不能有积水。滤层保，但不能有积水。滤层保持适当的温度。持适当的温度。l土壤土壤 腐殖土为好，其它土质需要改良，有效腐殖土为好，其它土质需要改良，有效厚度不应小于厚度不应小于50cm，土壤水分，土壤水分4070，l草炭草炭 其通气性能良好，适于微生物生长，除其通气性能良好，适于微生物生长，除臭效果比用土壤好。臭效果比用土壤好。影响生物滤池性能的因素2、填料湿度、填料湿度l微生物生命

19、活动的必要成分；微生物生命活动的必要成分；l吸收废气的溶剂。吸收废气的溶剂。采用土壤或堆肥等固态处理系统时，适采用土壤或堆肥等固态处理系统时，适宜的水分含量可保证氧与水分的供给。宜的水分含量可保证氧与水分的供给。4060为适宜的含水量。为适宜的含水量。通常预处理需要加湿，防止滤料变干。通常预处理需要加湿，防止滤料变干。影响生物滤池性能的因素l3温温 度度l废气生物处理多用中温条件废气生物处理多用中温条件(2535)，少用高温。少用高温。l土壤或堆肥处理废气时通常采用自然温度，土壤或堆肥处理废气时通常采用自然温度，如果微生物分解基质放热造成温度过高则如果微生物分解基质放热造成温度过高则需采取降温

20、措施。需采取降温措施。影响生物滤池性能的因素l4氧气氧气l废气处理多用异养型好氧微生物；废气处理多用异养型好氧微生物；氧的供给量与供给方式对处理效率的影响氧的供给量与供给方式对处理效率的影响很大，微生物数量、基质浓度和温度等因很大，微生物数量、基质浓度和温度等因素也会影响供氧。素也会影响供氧。l少数厌氧条件，例如着色菌处理硫化氢，少数厌氧条件，例如着色菌处理硫化氢，则需控制无氧条件，以氨气取代反应系统则需控制无氧条件，以氨气取代反应系统的氧气。的氧气。 影响生物滤池性能的因素l5、酸碱度、酸碱度l以中性或微碱性（以中性或微碱性（7-8）为宜。）为宜。l废气生物处理中的细菌多数适应于中性至微废气

21、生物处理中的细菌多数适应于中性至微碱性环境，只有少数种类对酸碱度要求比较碱性环境，只有少数种类对酸碱度要求比较特殊，特殊，l例如氧化硫硫杆菌最适例如氧化硫硫杆菌最适pH为为2.62.8，最，最低为低为pH1.0，最高为，最高为pH4.06.0。 针对有机堆肥臭气去除的生物滤池针对有机堆肥臭气去除的生物滤池四 废气生物处理技术的现状和展望l有机废气生物处理是一项新的技术，由于生物有机废气生物处理是一项新的技术，由于生物反应器涉及到气、液、固相传质及生化降解过反应器涉及到气、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入、广

22、泛，需要进一步探讨和际应用还不够深入、广泛，需要进一步探讨和研究。研究。l废气动态负荷的研究废气动态负荷的研究l反应动力学模式的研究反应动力学模式的研究l填料特性的研究填料特性的研究l设备的研究开发设备的研究开发l微生物菌种的改造微生物菌种的改造l应用范围的进一步拓展应用范围的进一步拓展l1反应动力学模式研究反应动力学模式研究l 通过反应机理的研究，提出决定反应速度的通过反应机理的研究，提出决定反应速度的内在依据，以便有效地控制和调节反应速度，内在依据，以便有效地控制和调节反应速度，最终提高污染物的净化效率。最终提高污染物的净化效率。l这主要是由于生物滤他中存在相对较稳定的液这主要是由于生物滤

23、他中存在相对较稳定的液膜、而生物吸收法和生物滴滤池小由于循环液膜、而生物吸收法和生物滴滤池小由于循环液的流动性，无法产生类似的稳定液膜。的流动性，无法产生类似的稳定液膜。l2填料特性研究填料特性研究l 对于生物滤池和生物滴滤池来说，深入研究对于生物滤池和生物滴滤池来说，深入研究填料的一些特性是非常必要的。填料的一些特性是非常必要的。填料的比表面填料的比表面积、孔隙率与单位体积填充量积、孔隙率与单位体积填充量不仅与生物量有不仅与生物量有关，还直接影响着整个填充床的压降及填充床关，还直接影响着整个填充床的压降及填充床是否易堵塞等。更重要的一点是，气态污染物是否易堵塞等。更重要的一点是，气态污染物降

24、解要经历一个气相到液降解要经历一个气相到液因相传质过程，污因相传质过程，污染物在两相中的分配系数是整个装置可行性的染物在两相中的分配系数是整个装置可行性的一个决定因素。有资料表明，填料对分配系数一个决定因素。有资料表明，填料对分配系数有较大的影响，有较大的影响，Hodge等用生物滤池处理乙醇等用生物滤池处理乙醇蒸气时发现，颗粒活性炭作填料时乙醇的分配蒸气时发现，颗粒活性炭作填料时乙醇的分配系数是以堆肥作填科时的系数是以堆肥作填科时的2一一3倍。倍。l3动态负荷研究动态负荷研究l 目前，绝大多数研究报道中采用的是目前，绝大多数研究报道中采用的是单一组单一组分分(或几个简单组分组合或几个简单组分组

25、合)气体作为实验对象，气气体作为实验对象，气体负荷的变化也是体负荷的变化也是有顺序的、平稳的，有顺序的、平稳的，气速也气速也是很是很“温柔温柔”的。的。l而对于而对于非常态负荷非常态负荷气流、气流、多组分复杂混合气多组分复杂混合气的的研究较少，事实上，这种动态负荷的研究研究较少，事实上，这种动态负荷的研究是非是非常有实际意义常有实际意义的，特别是可以解决一系列实际的，特别是可以解决一系列实际运用中遇到的问题。运用中遇到的问题。 五、处理废气的微生物l多为混合微生物多为混合微生物，因为：，因为：含有多种成分的含有多种成分的混合废气混合废气，需要多种微生物分，需要多种微生物分别降解；别降解；有的成

26、分需要几种微生物的有的成分需要几种微生物的相继作用相继作用才能分解才能分解转化为无害物质，转化为无害物质， eg. 氨态氮先经硝化细菌再经反硝化作用细菌才能成为分子态氮；一些难降解的成分要由几种微生物一些难降解的成分要由几种微生物联合作用联合作用才才能被完全降解；能被完全降解； eg. 卤代有机化合物先经厌氧微生物还原脱卤，再被好氧微生物彻底分解；工艺需要，尽管废气成分能够被单一微生物分工艺需要，尽管废气成分能够被单一微生物分解，但还需利用其它微生物，解，但还需利用其它微生物， eg.在硫化氢氧化中，为了使自养型脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)(专用无机N)凝

27、絮持留于反应器内，需与活性污泥中的异养型微生物起共培养。 降解邻苯二酚；合成氰化物水合酶，联合氰化物水解酶来降解氰化物。紫红红球菌紫红红球菌(Rhodococcus rhodochrous)Rhodococcus rhodochrous CF 222紫红红球菌紫红红球菌(Rhodococcus rhodochrous)第二节第二节 恶臭的原位处理恶臭的原位处理一、恶臭污染物和污染源一、恶臭污染物和污染源 l恶臭污染物恶臭污染物(odor pollutants)指一切指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损害刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损害生化环境的气体物质。生化环境的气体物质。l畜禽场是重要的污染源畜禽场是重要的污染源lONeil和和Phillips从养猪场中分离鉴从养猪场中分离鉴定到定到160种化合物，主要成分有种化合物，主要成分有氨、氨、胺、含硫化合物、挥发性脂肪酸、胺、含硫化合物、挥发性脂肪酸