生物法處理揮發(fā)性有機物(VOCs)的研究.doc

1、生物法處理揮發(fā)性有機物(vocs)的研究1揮發(fā)性有機污染物（vocs）概述飛速發(fā)展的近代工業(yè)給人類帶來便利的同時，也在人類生活中留下了隱患。隨著科技的發(fā)展和人們環(huán)保意識的提高，石油化工、制藥、印刷、油漆噴涂，制鞋等行業(yè)中所使用和排放的揮發(fā)性有機污染物所帶來的危害已逐漸引起人們的重視。1.1. vocs的定義及來源空氣中的三種有機污染物（多環(huán)芳烴、揮發(fā)性有機污染物、和醛類化合物）中，揮發(fā)性有機污染物是對空氣質(zhì)量影響較為嚴重的一種。揮發(fā)性有機污染物，通常用vocs（votatile organil compounds）表示，是指在常溫下飽和蒸汽壓大于70pa，常壓下沸點小于260的液體或固體有機化

2、合物1。揮發(fā)性有機污染物有時也用總揮發(fā)性有機污染物（tvoc）來表示。世界衛(wèi)生組織（who,1989）對總揮發(fā)性有機化合物（tvoc）的定義是：熔點低于室溫，沸點范圍在50260之間的揮發(fā)性有機污染物的總稱。vocs主要有：烴類、鹵代烴、氧烴和氮烴，根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分8類，見表1.12,3： 表1.1 常見污染物分類類別常 見 污 染 物脂肪類碳氫化合物芳香類碳氫化合物氯化碳氫化合物酮、醛、醇、多元醇類醚、酚、環(huán)氧類化合物酯、酸類化合物胺、腈類化合物丁烷，正己烷苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯二氯甲烷、三氯甲烷、三氯乙烷、二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、四氯化碳丙酮、丁酮、環(huán)己酮、甲基異丁基酮、甲醛、乙醛、

3、甲醇、異丙醇、異丁醇乙醚、甲酚、苯酚、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷醋酸乙酯，醋酸丁酯、乙酸二甲基甲酰胺、丙烯腈煤、石油、天然氣是有機化合物的三大主要來源，因而工業(yè)上所產(chǎn)生的vocs大多與煤、石油、天然氣有關(guān)。其大致來源如下4： 1) 木柴燃燒2) 石油化工等企業(yè)的排放3) 溶劑的應(yīng)用4) vocs的貯存和運輸5) 交通運輸（汽車尾氣）6) 煤、石油、天然氣的開采與利用7) 食品、皮革、油脂的加工部門8) 糞便池，沼氣池，發(fā)酵池及垃圾處理站vocs存在于各種有機溶劑中，如油漆，含水涂料，粘合劑，化妝品，洗滌劑等。據(jù)1997年美國vocs主要排放源和排放量的調(diào)查統(tǒng)計，33.74%的vocs來自于溶劑的使用3

4、,6 。此外，建筑材料（如人造板，塑料板），室內(nèi)裝飾材料（如壁紙），纖維材料（如地毯，化纖窗簾）以及煙葉的不完全燃燒也會產(chǎn)生vocs。1.2 vocs的性質(zhì)，危害 vocs具有較強的揮發(fā)性，在常溫下可以蒸汽的形式存在于空氣中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的氣味會對皮膚和黏膜產(chǎn)生影響，對人體產(chǎn)生急性毒性損害。某些vocs還具有基因毒性。此外，大氣中的氮氧化合物，vocs,氧化劑在陽光的照射下生成光化學(xué)煙霧，可刺激人眼和呼吸系統(tǒng)，危害生物體健康7,8,9。2 處理vocs的技術(shù)現(xiàn)狀由于vocs排放分散，在空氣中濃度低，處理過程較為復(fù)雜。常規(guī)方法有冷凝法，吸收法，吸附法，燃燒法，膜分離法，生物法等

5、。生物法在美國、西歐、日本等國家已得到廣泛的應(yīng)用。2.1 冷凝法處理vocs冷凝法的操作較為簡單，不僅可以去除有害廢氣，而且可以回收利用。冷凝的原理是利用vocs在不同的溫度和壓力下具有不同的飽和蒸汽壓，降低系統(tǒng)溫度或提高系統(tǒng)壓力即可以使處于蒸汽狀態(tài)下的vocs從氣相中分離出來。因為不同污染物的飽和蒸汽壓不同，利用冷凝的方法可以分離不同的污染物。為了提純vocs，還可以使用多級冷凝串聯(lián)。冷凝法適合高濃度和高沸點的vocs回收，不適合處理中等和高揮發(fā)性有機物。冷凝設(shè)備可分為接觸冷凝器和表面冷凝器兩種。接觸冷凝是指將被冷凝的氣體與冷卻劑（通常為水）直接接觸而使氣體中的vocs冷凝析出。表面冷凝，也

6、稱為間接冷卻，廢氣與冷凝液之間被冷卻壁隔開，從而廢氣被間接冷凝析出，并可被直接回收利用。2.2 吸收法處理vocs吸收法又稱洗滌法，是采用低揮發(fā)或不揮發(fā)溶劑吸收vocs，然后利用vocs與吸收劑的物理性質(zhì)差異將二者分離的凈化方法。有機廢氣與吸收劑接觸后被吸收，而后在高于吸收溫度或低于吸收壓力的條件下解吸，這樣，被解吸的vocs氣體和吸附劑便可以重復(fù)利用。吸收法適合高濃度、低溫和壓力較高vocs廢氣凈化。吸收劑選取原則如下4,10：1) 對被去處的vocs具有選擇性且溶解度較大2) 吸收劑的蒸汽壓低，不會污染被回收的vocs3) 吸收劑的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且無毒無害4) 吸收劑分子量盡量低，以使吸收

7、能力最大化5) 吸收劑要保證被吸收的vocs在較高溫或較低壓力易被分離出來常用的吸收劑有：水、柴油、機油、氫氧化鉀、氯化氫、硫酸、次氯酸鈉等。2.3 吸附法處理vocs吸附法是采用吸附劑吸附空氣中的vocs。其原理是吸附劑有較大的表面積，對廢氣中所含的vocs發(fā)生物理吸附，過程可逆；當吸附達到飽和后，再用熱空氣或水蒸氣脫吸，再生的活性炭循環(huán)使用。吸附操作已廣泛應(yīng)用于石油化工等部門。吸附劑通常為活性炭。活性炭對vocs的混合蒸汽的吸附是有差別的，一般來講，化合物的被吸附特性與其相對揮發(fā)性近似呈負相關(guān)。含vocs的氣體與活性炭接觸后，利用活性炭表面多孔的特性，把混合氣體中vocs組分吸附在活性炭表

8、面?；钚蕴渴褂糜谳^稀的vocs，即5000 mgm-3 ，如濃度5000 mgm-3 則需在吸附前稀釋。也有部分vocs不能被活性炭去處，如丙烯酸、丙烯酸丁脂、丁酸、丁二胺、二乙酸三胺等11,12,13。2.4 燃燒法處理vocs燃燒法是氧化有機物最為劇烈的方法，原理是用過量的空氣使vocs燃燒，或在高溫下分解有害物質(zhì)，燃燒放出大量的熱可以回收利用，此法可用于化工、噴漆、絕緣材料等行業(yè)所放出的有機廢氣。燃燒法主要有直接燃燒法、熱力燃燒法、催化燃燒法、蓄熱式燃燒法以及蓄熱式催化氧化法。2.4.1直接氧化燃燒法 直接氧化燃燒法主要用于高濃度vocs凈化，燃燒溫度一般在1100左右。但是由于直接燃燒

9、法不僅造成了能源浪費，還污染了環(huán)境，目前已很少使用。2.4.2 熱力燃燒法一般用于處理廢氣中vocs濃度較低的氣體，通過添加燃料使氣體燃燒，熱力燃燒溫度大約為540820。熱力燃燒所消耗的燃料主要用于使有害氣體升高到反應(yīng)溫度，有害氣體中的可燃組分的熱值越高，濃度越高，氣體的初始濃度越高，則消耗的燃料越少。2.4.3催化燃燒法催化燃燒法是在處理廢氣時使用合適的催化劑，使廢氣中的有機物可在較低溫度下分解。催化燃燒法適用于凈化油漆、化工廠廢氣以及惡臭氣體，但不能處理含有機氯和有機硫的化合物，某些沸點高、相對分子質(zhì)量大的有機物同樣不適合用燃燒法來處理。相對于其他種類的燃燒法，該法的優(yōu)點是催化燃燒為無火

10、焰燃燒，安全性能好，要求燃燒溫度低，輔助燃燒費用低，對可燃組分濃度和熱值限制較少，二次污染物較少等優(yōu)點14,15。2.4.4蓄熱式燃燒法和蓄熱式催化氧化法二者采用了熱量回收系統(tǒng)，利用vocs燃燒后的熱量來對未處理的廢氣進行預(yù)熱。相對于其他燃燒工藝，蓄熱式燃燒法和蓄熱式催化氧化法有較高的熱回收效率，一般可達到85%以上。2.5 膜分離法處理vocs膜分離法的原理是：利用有機蒸氣與空氣透過膜的能力不同，使二者分開。其過程有兩步，第一，壓縮和冷凝有機廢氣，第二步，進行膜蒸氣分離。膜分離法適用與較濃的廢氣。該法適用于回收丙酮、四氫呋喃、甲醇、甲苯等，回收率在97%以上。該法正迅速發(fā)展成為石油化工、制藥

11、、食品加工等行業(yè)回收vocs的有效方法16。2.6 生物法處理vocs微生物能將有機物氧化成二氧化碳和水等物質(zhì)，但此過程很難在氣相中進行，因而凈化有機廢氣的過程大多是在液相中完成的。生物法的凈化原理為以生物膜為有效吸附表面，以活菌體為生物反應(yīng)活化中心的的吸附生物化學(xué)反應(yīng)過程5,17。微生物對廢氣的凈化過程主要分為傳質(zhì)和生物降解兩部分。這兩個過程的速率是凈化vocs的直接影響因素。表2.1列出了部分vocs的降解效果1,18：表2.1 部分vocs的生物降解效果化 合 物降解效果甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、丁醇、四氫呋喃、甲醛、乙醛、丁酸、三甲胺非常好苯、苯乙烯、丙酮、乙酸乙酯、苯酚、二甲基硫、噻

12、吩、甲基硫醇、二硫化碳、酰胺類、吡啶、乙腈、異腈類、氯酚好甲烷、戊烷、環(huán)己烷、乙醚、二惡烷、二氯甲烷較差1,1,1-三氯甲烷無乙炔、異丁烯酸甲酯、異腈酸酯、三氯乙烯、四氯乙烯不明生物法處理vocs可分為生物過濾法、生物滴濾法、生物洗滌法等。2.6.1生物過濾法處理vocs生物過濾法是研究最早而且相對成熟的技術(shù)。其原理為：廢氣先通過增濕塔增濕，然后從反應(yīng)器下部進入，通過附著在填料上的微生物而將有機廢氣降解。可采用生物過濾法的的有機污染物有：苯、甲苯、乙苯、甲醇、乙醇、丁醇、乙酸丁脂、甲酸、甲烷、乙烷等6,19,20。其工藝流程圖如圖2.1所示：vocs廢氣增濕塔凈化氣體過濾床圖2.1 生物過濾法

13、處理vocs工藝流程圖微生物的活性決定了反應(yīng)器的性能，因而，反應(yīng)器的環(huán)境應(yīng)適合微生物的生長，如應(yīng)保證60%的填料顆粒直徑大于4 mm，保持溫度在20-40，ph在6-9的范圍內(nèi)。相比于其他工藝,生物濾池具有以下優(yōu)點:工藝設(shè)施簡單、能耗小、處理費用低、效果好等。2.6.2生物滴濾法處理vocs生物滴濾是在生物滴濾床上方噴淋循環(huán)液，其工藝流程如圖2.2所示：水注水槽噴淋液凈化后氣體廢氣ph調(diào)節(jié)劑廢液圖2.2生物滴濾法處理vocs工藝流程圖與生物過濾法相比，生物滴濾法有如下優(yōu)勢：避免產(chǎn)生生物過濾反應(yīng)器中的填料壓實、短流以及填料降解等缺陷，營養(yǎng)物和緩沖溶液可以方便的通過回流液投加等。生物滴濾法的填料主

14、要有粗碎石、塑料蜂窩狀填料，塑料波紋板填料、陶瓷等。2.6.3生物洗滌法處理vocs其工藝流程圖如圖2.3所示：圖2.3 生物洗滌法處理vocs工藝流程圖生物洗滌法可以通過增大氣液接觸面積,如鼓泡法中加填料,一提高處理氣量;或在吸收液中加某些不影響微生物生命代謝活動的溶劑,一利于氣體吸收,達到起初某些不溶于水的有機物的目的.但由于生物洗滌法的循環(huán)洗滌液需采用活性悟泥法來再生,所以,在通常情況下,循環(huán)洗滌液樞要是水,因此,該方法只適用于水溶性較好vocs, 如乙醇,乙醚等,而對于難溶的vocs,該方法則不適用。生物法處理有機廢氣的工藝性能比較如下表所示。從表1.5中可知，不同成分、濃度、氣量的v

15、ocs各有其適用的凈化系統(tǒng)，根據(jù)不同vocs的性質(zhì)和條件，選擇不同的處理技術(shù)1,4,21。表1.5 生物法處理有機廢氣的工藝性能比較工藝適用條件運行特性缺點生物洗滌法氣量小、濃度高、易溶且生物代謝速率較低的vocs系統(tǒng)壓降較大，菌種易隨液相流失；對較難溶的氣體可采用鼓泡塔、多孔板式塔；傳質(zhì)表面積低；需大量提供氧才能維持高降解率；需處理剩余污泥；投資和運行費用高；生物過濾法氣量大、低濃度的vocs處理能力大，操作方便，工藝簡單，能耗少，運行費用低，具有較強的緩沖能力；菌種繁殖代謝快，不會隨流動相流失；反應(yīng)條件不易控制；進氣濃度發(fā)生變化適應(yīng)慢；占地面積大；生物滴濾法氣量大、濃度低、有機負荷高、降解

16、過程中產(chǎn)酸或產(chǎn)能較大的vocs 處理能力大，不易堵塞，適用壽命長；菌種易隨流動相流失；傳質(zhì)表面積低；需處理剩余污泥；運行費用高；3 結(jié)語針對工業(yè)上氣量大、濃度低，且污染物大都無回收價值的vocs而言，生物法有著不可比擬的優(yōu)越性。根據(jù)席勁英和胡洪營的研究,生物過濾塔工藝在處理惡臭氣體和揮發(fā)性有機污染物方面具有很大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢.它工藝簡單，操作方便，運行穩(wěn)定，處理效果好，無二次污染，費用低，能耗少，是實施可持續(xù)發(fā)展的一項有利技術(shù)措施。在席勁英和胡洪營的研究中表明,高負荷條件下活性炭生物過濾塔的平均甲苯去處率為為86%21。 參考文獻1馬廣大.大氣污染控制工程m.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,200

17、3,11.2汪鳳誕.生物滴濾法凈化含二甲苯有機廢氣的試驗研究m.2002.3郝吉明,馬廣大.大氣污染控制工程（第二版）m.高等教育出版社,2002,8.4李國文,胡洪營,郝吉明等.生物過濾塔甲苯降解性能研究j.環(huán)境科學(xué),2001,22(2):31-35.5孫佩石,黃丘,黃若華.揮發(fā)性有機廢氣生物凈化過程中生物膜的作用研究j.貴州環(huán)保科技,2001,4.6吳丹.生物過濾法處理vocs廢氣和nh3混合廢氣的性能研究m.2007.7席勁英,胡洪營.不同填料生物過濾塔處理甲苯氣體性能的比較研究m.2005.8楊柳燕,肖林.環(huán)境微生物技術(shù)m.科學(xué)出版社,2003,8.9 chou m s.tre肖亦1,

18、鐘飛2,潘獻曉3atment of 1,3-butadiene in an air stream by a biotricking filter and a biofilter,air waste manay.assoc,1998,48(8):711-720.10徐峰,鐘秦.生物滴濾塔凈化甲苯廢氣的研究j.南京理工大學(xué)學(xué)報,2004，28(3):299一302.11田森林,和寧平.有機廢氣治理技術(shù)及其新進展j.環(huán)境科學(xué)動態(tài),2000.1:23-28.12anne r,pedersen a r,arvin e.toluene removal in a biofilm reactor waste gas treatment .wat.sci.tech.