工业废气的生物处理技术.ppt

第五章 工业废气的生物治理技术 废气来源及生物处理的原理 废气生物处理的方法 废气生物处理的工艺 有机废气的生物处理 含硫恶臭污染物的生物处理 CO2 的生物处理 NOX的生物处理 废气主要来源 燃料燃烧 工业如化工、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气。农业生产活动 交 通污染源 第一节 废气生物处理的原理 微生物转化废气中的有害物质在气相中难以进 行，所以气态污染物首先要经历由 气相转移到 液相或固体表面的液膜中 的传质过程，然后污 染物才在液相或固相表面被微生物吸附降解 。 能进行气态污染物降解的微生物： 自养菌 靠硫化氢、硫和铁离子及氨的氧化获得 能量，其生存所必需的碳由二氧化碳提供。适 于进行无机物转化，但由于新陈代谢活动较慢， 其生物负荷不可能很大。但在浓度不太高的脱 臭场合还是采用了硝化菌、反硝化菌及硫酸菌 等来转化硫化氢及氨。 异养菌 对有机物的氧化代谢获取能量和营养 物质，能较快地完成污染物的降解。 生物反应处理废气一般经历以下三个阶段： 1.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， 完成由气膜扩散进入液膜的过程。 2.吸着过程 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 微生物吸附、 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 气成分。 3.生物降解过程 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。 废气生物处理原理图 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。 第二节 废气生物处理的方法 废气处理方法： 理化法：吸附、吸收、氧化、等离子体转 化法等。工艺或设备较复杂，运行费用较 高。 生物法：植物净化和微生物净化法。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。 微生物净化气态污染物的装置： 生物吸收池 生物洗涤池 生物滴滤池 生物过滤池 其中生物过滤池应用较多技术成熟 废气生物处理的特点 1. 适应范围广 挥发性有机化合物 (volatile organic compounds， VOCs)以及其它有毒或有臭 味的气体，如 NH3和 H2S等。 化工、制药、电镀、喷漆、印刷等行业 产生的有害污染物以及废水处理厂、堆 肥厂、垃圾填埋厂产生恶臭等。 2. 去除效率高 一般的空气污染物去除效率超过 90。 3. 投资少，运行费用低 不需要投入额外的化学品 ; 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。 4、污染少 生物处理的产物是生物量，很容易处理。 5、耗能低 生物反应在常温常压下进行，能量来自微 生物利用 VOCs成分本身产生的能量。 1. 水溶性强 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。 适宜处理的污染气体应具有的特点 ： 2. 易降解 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。 第二节 废气生物处理的工艺 根据介质性质不同，分为： 1. 生物洗涤 (bioscrubbing) 生物洗涤器内是 液态介质 。 2. 生物过滤 (biofiltration) 生物过滤采用是 固态介质。 生物滤池 生物滴滤 生物洗涤器 生物洗涤装置一般由 洗涤器 和 生物反应器 两部分组成，分开设置。 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 程进行很快，水在吸收设备中的停留时间 仅约几秒钟； 生物悬浮液 (循环液 )自吸收塔顶部喷淋而下使 废气中的污染物和氧转入液相 (水相 )。吸收了废 气中有机组分的生物悬浮液进入生物反应器 (活 性污泥池 )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 活性污泥悬液除去。 一般 ,当活性污泥浓度控制在 5000-10000mg/L, 气速小于 200m/h，去除较理想。 生物洗涤器流程图 优点 ：设备少，操作简单，投资运行费用 低， VOCs去除效率高。 缺点 ：反应条件较难控制，占地面积大， 基质浓度高时，生物量增长快易堵塞滤料， 影响传质效果。 生物洗涤装置 2生物滴滤塔 在生物滴滤塔内充满惰性填料 , 微生物在 填料表面附着生长并形成生物膜。 气相主体经传输进入微生物膜后，生物膜 中微生物以有机废气为碳源和能源 , 以在 循环液中的营养物质为氮源 , 进行生命活 动。 代谢产物通过扩散作用外排。 滴滤塔的进气方式 分为水气逆流、并 流两种方式。 滴滤塔内所用填料多为陶瓷或塑料。（易 于挂膜、不易堵塞、比表面积大。） 滴滤塔中最重要的部分： 吸收器 。吸收器 内气液分界面的表面积决定了吸收效率。 生物滴滤池具有以下特点： 内装有 惰性填料 ,它只起生物载体作用，其孔隙 率高、阻力小、使用寿命长 ,不需频繁更换； 设有循环液装置，可调节湿度和 pH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 抗冲击负荷能力强 ,填料不易堵塞、压降小； 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。 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，使其工作以提高池内的温度。当 气体低于 20OC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 25OC左右。 优点 ：设备少、压降低、填料不易堵塞， PH易于调节，适宜处理产生酸性代谢产 物的污染物。 缺点 ：填料比表面积小，运行成本高，不 适宜处理水溶性差的化合物。 3生物滤池（微生物过滤工艺） 首先含污染物的气体进入加湿器进行。 润湿。 润湿废气进入填料层，微生。物进行 生物代谢。 净化后气体在滤池顶部排出。 生物滤池流程图 生物滤池所用 填料特性 是影响其处理效果 的 关键因素。 填料选择要考虑比表面积、机械强度、化 学稳定性、持水性等问题。 生物滤池所用的过滤介质： 土壤滤池 堆肥滤池 人工合成材料 影响生物滤池性能的因素 1、填料选择 堆肥 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、 疏松，空隙率 40，滤料须保持湿润，滤层 含水量不低于 40，但不能有积水。滤层保 持适当的温度。 土壤 腐殖土为好，其它土质需要改良，有效 厚度不应小于 50cm，土壤水分 40 70， 草炭 其通气性能良好，适于微生物生长，除 臭效果比用土壤好。 2、 填料湿度 微生物生命活动的必要成分； 吸收废气的溶剂。 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。 40 60为适宜的含水量。 通常预处理需要加湿，防止滤料变干。 3温 度 废气生物处理多用中温条件 (25 35 )， 少用高温。 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 需采取降温措施。 4氧气 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 很大，微生物数量、基质浓度和温度等因 素也会影响供氧。 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 的氧气。 5、酸碱度 以中性或微碱性（ 7-8）为宜。 废气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 特殊， 例如氧化硫硫杆菌最适 pH为 2.62.8，最 低为 pH1.0，最高为 pH4.06.0。 针对有机堆肥臭气去除的生物滤池 三种生物净化系统的比较 生物洗涤法：处理净化气量小、浓度大、 易溶且生物代谢速率较低的废气； 生物滤池：气量大、浓度低的废气； 生物滴滤池：负荷较高以及污染物降解后 会生成酸性物质的废气。 第 三 节 有机废气的生物处理 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、广泛， 需要进一步探讨和研究。 五、处理废气的微生物 多为混合微生物，因为： 含有多种成分的 混合废气 ，需要多种微生 物分别降解； 有的成分需要几种微生物的相继作用才能 分解转化为无害物质； 一些难降解的成分要由几种微生物联合作 用才能被完全降解； 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。 在硫化氢氧化中，为了使自养型脱氮硫杆菌 (Thiobacillus denitrificans)凝絮持留于反应器内， 需与活性污泥中的异养型微生物 起共培养。 有机废气的生物处理装置主要有生物洗涤 器、生物滤池和生物滴滤池，其中生物滴 滤池应用最为广泛。 几种生物技术的比较与具体应用条件 5.现存问题及主要研究方向 废气生物处理是一项新技术，影响因素多 而复杂，许多问题需要进一步探讨和解决， 大致有如下几个方面 : 1.反应动力学模式研究 反应动力学即研究污染物降解速率以及微 生物增长率与污染物浓度、生物量等因素 之间的定量关系，而这些关系直接决定着 降解速率与污染物的去除效率。通过反应 机理的研究，可以找出决定反应速度的内 在依据，有效的控制和调节反应速度，最 终提高污染物的净化效率。 2.填充物的特性研究 填充物的 比表面积 、 孔隙率 等直接影响着反应 器的生物量以及整个填充床的压降及填充床时 易堵塞等问题。更重要的是，填充物对液 /固传 质分配系数有较大影响。同时，填料的使用寿 命也直接影响整个装置的运行费用，因此，填 料特性研究可以改善反应器运行状况、节省运 行费用。 3.动态负荷研究 目前，大多数实际生产的尾气均是非常态 负荷气流，气量与浓度都处在时刻的变化 过程中，因此，模拟动态负荷可解决一系 列实际运用中碰到的问题。 4.高效优势菌种的筛选 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。 第 四 节 含硫恶臭污染物的生物处理 恶臭污染物 （ odor pollutants） ：指一切刺激 嗅觉器官引起人们不愉快及损害生活环境的气 体物质。 恶臭物质的种类很多，其中硫化物占大多 数。 H2S不仅危害人体健康，而且还会严重地腐 蚀设备与器材。即使在浓度很低时，它对环境 与健康的危害也是显而易见的。因此，就 H2S的 来源及危害来看，以 H2S作为研究对象是具有代 表性的。 传统 H2S处理常用的物化方法 吸收法： 物理溶剂吸收、化学溶剂吸收。 吸附法： 可再生、不可再生吸附。 氧化法： 干法氧化、湿法氧化。 分解法： 热分解法、微波技术分解。 生物法脱臭的主要特点 （ 1） 费用低 。 （ 2） 设备简单 、 维护管理方便 。 （ 3） 减少甚至无二次污染问题 。 微生物分解恶臭 物质的速度快 、 效率高 、 稳定 。 （ 4） 生物膜固着生长 ， 生态条件稳定 ， 单位体积 内生物量大 ， 高密度的微生物群具有较高的微 生物吸附和生物氧化的能力 ， 因而对外界负荷 、 毒物冲击的抵抗力强 。 （ 5） 可与废水处理一并进行 。 用于生物降解 H2S的微生物 在微生物氧化 H2S的过程中 ， 用于生物降 解的微生物叫 脱硫菌 ， 又称为硫细菌 ， 有自养菌 、 异养菌两大类 ， 其中自养菌 合成有机物能力强 ， 有利于无机物的转 化 。 据文献报道 77， 分解硫及硫化物的细菌 有多种 ， 其中以氧化硫和硫化物获得能 源的细菌主要是 硫杆菌属 和 硫磺 菌 属 。 至今发现的脱硫微生物有十几种：如 氧化 亚铁硫杆菌、氧化硫杆菌、酸热硫化亚菌、 光合硫细菌及真菌等。 自然界中存在的脱硫细菌多为化能 自养型 微生物。 生物法脱除 H2S反应的机理探讨 生物降解 H2S的过程可以归纳为以下几个步骤进行： （ 1） H2S气体与水接触 ， 溶于水 ， 由气相转移至液相 （ 2） 溶于水的 H2S被微生物吸附或吸收在生物体内 ， 当溶 液流经填料表面时 ， 溶解在水中的 H2S被栖息在填料上 的生物所吸附 ， 由液相转移到生物 。 （ 3） H2S被微生物氧化分解 ， 在转化过程中产生能量 ， 为 微生物的生长与繁殖提供了能源 ， 使 H2S的转化持续进 行 。 还原态的无机硫在液相及微生物的作用下 氧化成 SO42-的具体过程为： 4S2-2S 2O32- S 4O62- SO 32- + S3O62-4SO 32-4SO 42- 含硫工业废气的生物处理法 生物膜法是生物法中最受关注的一种方法， 具有以下优点： 1.动力消耗少，成本较低。 2.细胞活性高，稳定性高。 3.生物膜的生物量大，具有较大处理能力。 4.生物膜中除好氧菌外还有厌氧菌，脱硫效 果好。 5.营养物质利用效率好，转化率高。 生物法净化工艺示意图 1. 循环水槽 2. 恒流泵 3. 布气板 4. 填料 5. 法兰盘 6.喷淋头 7.出气采样点 8. 出气洗涤槽 用于净化含硫工业废气的生物膜处理装置， 主要有 生物滤池 和 生物滴滤池 两种形式。 生物法脱硫主要影响因素 生物滤池容积负荷对除臭效率的影响 进气浓度对脱硫效率的影响 喷淋水量对脱硫效率影响 pH值对脱臭效率的影响 循环水中 SO42-浓度对除臭效率的影响 填料性能对脱臭效率的影响 第 五 节 二氧化碳的生物处理 近年来大气中的浓度保持着逐年上升的趋 势： 一方面造成了一系列不良的环境后果； 另一方面，作为地球上最丰富的碳资源， CO2在合适的技术下可转化为巨大的再生 资源。 目前， CO2的固定方法主要有物理法 、化 学法 和生物法 ,而大多数物理和化学方法 最终必须依赖生物法来固定 CO2。 CO2的生 物固定主要是 植物 和 自养微生物 , 从整个 生物圈的物质、能量流来看 ,CO2的微生物 固定是一支决不能忽视的力量。 固定 CO2的微生物 固定 CO2的微生物一般有两类 : 光能自养型微生物主要包括 微藻类 和 光合 细菌 ,它们都含有 叶绿素 ,以光为能源 , CO2 为碳源合成菌体物质或代谢产物 ; 化能自养型微生物。以 CO2为碳源 ,能源主 要有 H2和、 H2S和含氮化合物 。 固定 CO2的微生物种类 微生物固定的机理： 1.卡尔文循环 卡尔文循环一般可分为三部分 : (1)CO2的固定 (2)固定的 CO2的还原 (3)CO2受体的再生。 卡尔文循环 2.还原三羧酸循环 还原三羧酸循环示意图 3.乙酰辅酶 A循环 乙酰辅酶 A途径 微生物固定 CO2的具体过程 植物光合作用示意图 固定 CO2的植物 植物的光合作用以大气中的为碳源合成自 身的细胞物质，并释放出，是天然的固定 场。 不仅陆生植物，海洋中的植物也具有很强 的吸收的能力 第 六 节 氮氧化物的生物处理 氮氧化物的生物处理技术 氮氧化物 (NOx)是大气主要污染物之一 ,也是目 前大气污染治理的大难题。自 20世纪 70年代起 , 发达国家便开始对燃煤电站锅炉 NOx 排放 ,并且 限制日趋严格。中国是以燃煤为主的发展中国 家 ,随着经济的迅速发展 ,燃煤造成的环境污染 日趋严重 ,特别是燃煤烟气中 NOx,对大气的污染 已成为一个不容忽视的问题。 某城市的空气情况 汽车尾气的排放 郊 区 工 厂 废 气 排 放 生物法含 NOx废气净化的原理 第一步，气相中的 NOx（ NO和 NO2），首先通过 溶解或吸附等传质过程转移至液相（如 NO2通 过形式 NO3-或 NO2-而溶于水中，吸附在液相中 的微生物或固体物表面而进入液相）。 第二步，在外加碳源的情况下，微生物对分布 于液相中的含氮化合物吸收，在微生物体内进 行 氧化、还原、分解 等微生物代谢作用，把部 分吸收的含氮化合物转化为微生物生长所需的 有机氮化物 ，组成新的细胞，使微生物生长繁 殖；另一部分含氮化合物则被微生物分解为无 害的 氮气 ， 或容易处理的 NO3-或 NO2-，并释放出 微生物生长活动所需的能量。 生物脱氮的具体机理 微生物净化 NOx 有反硝化、硝化和真菌净化三 种机理。 反硝化机理 （异养反硝化菌和自养反硝化菌） 1. 异养反硝化菌：以 有机物为电子供体 ，以 NO3-、 NO2-、 NO为 电子受体 ，进行缺氧呼吸，氧化有 机物来获取生长所需的能量，将 NO、 NO3- 、 NO2-还原为 N2，同时生成与好氧呼吸相比少得 ATP和生物质。 2. 自养反硝化菌：能以 无机质 （如 H2、 H2S、 S、 S2O4-）作为 氢供体 ，以 NO、 NO3-、 NO2-作为氢受 体，以无机碳为碳源，将从 NO、 NO3- 、 NO2- 还原为 N2中获取微生物生长所需的能量。 NO的生化还原： NO N2 氧化氮还原酶 NO2的生化还原： NO3- NO2- NO N2 硝酸盐还原酶 亚硝酸盐还原酶 氧化氮还原酶 +e +e +e 硝化机理 硝化过程处理 NOx 是再硝化细菌的作 用下，在有氧条件下将氨氮氧化成硝酸盐 氮。硝化菌为自养菌，它们以 CO2为碳源， 通过氧化 NH4+获得能量。 硝化过程一般分两个阶段，分别由 硝化菌 和 亚硝化菌 完成。 第一阶段：由亚硝化菌将氨氮转化为亚 硝酸盐 第二阶段：由硝化菌将亚硝酸盐转化为 硝酸盐 硝化 处理技术 ：是在硝化细菌作用下，在有氧 条件下将氨氮氧化成硝酸盐氮，然后再通过反 硝化过程，将硝酸盐氨转化成 N2的处理过程。 技术难点 ：采用硝化菌去除 NOx 的研究还处于 起步阶段，但从土壤微生物的研究结果和反应 过程的数据看，已初步解释了在大气环境下， 采用消化过程去除 NO 的可行性。根据初步的实 验数据和生物膜的显微观察，造成 NOx 去除率 低得原因可归结于传质速率的限制和生物量的 不足。 反硝化 处理技术 ：是利用厌氧微生物在厌氧条 件下分解 NOx 的一种处理方法。 技术难点 ：尽管采用反硝化路径去除 NO，在实 验室条件下去除率尚可，但保持厌氧的生长环 境和外加有机碳源是实现该过程的必要条件， 特别是缺氧条件，在过程放大或在未来可能的 工程应用时，就意味着投资费用的激增 。 存在的问题 自 20世纪 80年代以来，虽然国内外在利用微生 物技术控制废气中的氮氧化物进行了大量的研 究工作，但目前的研究工作仍然处于实验室阶 段，实现工程应用还有一定距离。 (1)微生物的生长速度相对较慢，要处理大流 量的烟气，并且烟气的流速快，导致微生物与 烟气的接触时间短。 (2)烟道气的温度一般较高，且不同烟道气 的成分差别很大，对低碳源含量的烟道气 需要外加碳源，导致工艺复杂。 (3)微生物的生长需要适宜的环境，如何在 工业应用中营造合适的培养条件，将是必 须克服的一个难题。 (4) 微生物的吸附能力差，使得 NO的实际净 化效率低。 (5) 微生物的生长，会造成塔内填料的堵塞。 生物脱氮技术的发展趋势 通过现代高新技术，采用诱变育种、原生 质体融合和基因工程，来获得高效的工程 菌种并进行驯化，以提高单位体积的生物 降解速率。 选择适当的填料，提高填料的表面性质 及其使用寿命，以节省投资和能耗。 建立微生物降解的动力学模式，选择适当 的运行参数，建立系统完整的运行模式等。 优化反应器的设计，实行自动控制，提 高对各运行参数的控制能力，以得到更加 经济适用的处理技术 。