環(huán)境生物技術(shù)在廢氣及大氣污染治理中的應(yīng)用以及發(fā)展前景

環(huán)境生物技術(shù)在廢氣及大氣污染治理中的應(yīng)用及發(fā)展前景環(huán)境生物技術(shù)（EnvironmentalBiotechnology)是生物技術(shù)在環(huán)境治理和環(huán)境保護(hù)中的廣泛應(yīng)用衍生出的一門(mén)新學(xué)科和新技術(shù)．是一門(mén)由現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境工程技術(shù)相結(jié)合而形成的前沿交叉學(xué)科。凡是與生物技術(shù)結(jié)合，對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控、治理或修復(fù)，清潔生產(chǎn)、污染物資源化以及生物材料和能源開(kāi)發(fā)等,均屬于環(huán)境生物技術(shù)研究和應(yīng)用的范疇[1]?？萍嫉陌l(fā)展充分證明了環(huán)境生物技術(shù)在解決環(huán)境問(wèn)題過(guò)程中所顯示出的獨(dú)特功能和優(yōu)越性，它的純生態(tài)過(guò)程，體現(xiàn)出了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想，它具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應(yīng)條件溫和以及無(wú)二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn)。隨著細(xì)胞融合、基因工程、分子生物等技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境生物技術(shù)得到了進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，已成為一種經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益俱佳的解決環(huán)境污染問(wèn)題的有效手段之一。同時(shí)，隨著人們環(huán)境意識(shí)和生態(tài)概念的不斷加強(qiáng)，市場(chǎng)對(duì)生物技術(shù)、生物產(chǎn)品的需要明顯增多，政府也更加重視生物技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境生物技術(shù)本身也將更加成熟。本文著重介紹一下環(huán)境生物技術(shù)在廢氣及大氣污染治理中的當(dāng)前的應(yīng)用以及發(fā)展前景。采用生物技術(shù)控制和處理廢氣，將廢氣中的有機(jī)污染物或惡臭物質(zhì)降解或轉(zhuǎn)化為無(wú)害或低害類(lèi)物質(zhì)，從而凈化空氣，是一項(xiàng)空氣污染控制的新技術(shù)。目前采用的方法主要有生物過(guò)濾、生物洗滌和生物吸附法等，所采用的生物反應(yīng)器為生物凈氣塔、滲濾器和生物濾池等。2.生物技術(shù)體系采用生物技術(shù)控制和處理廢氣，將廢氣中的有機(jī)污染物或惡臭物質(zhì)降解或轉(zhuǎn)化為無(wú)害或低害類(lèi)物質(zhì)，從而凈化空氣，是一項(xiàng)空氣污染控制的新技術(shù)。目前采用的方法主要有生物過(guò)濾、生物洗滌和生物吸附法等，所采用的生物反應(yīng)器為生物凈氣塔、滲濾器和生物濾池等。2.1生物過(guò)濾法隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，大量的揮發(fā)性有機(jī)化合物(Vocs)被排放到大氣中。Vocs以其來(lái)源廣、危害大的特點(diǎn)而成為僅次于顆粒污染物的第二大大氣污染物。大氣中逐漸增加的Vocs已經(jīng)成為當(dāng)今關(guān)注的重要環(huán)境問(wèn)題之一。傳統(tǒng)處理Vocs廢氣方法主要有燃燒、冷凝、吸附、吸收等。生物過(guò)濾法是一個(gè)相對(duì)較新的處理大氣量、可生化Vocs的廢氣處理技術(shù)。憑簡(jiǎn)單高效、費(fèi)用低、無(wú)二次污染等特點(diǎn)。生物過(guò)濾法成為一簡(jiǎn)單、高效及具有前景的Vocs廢氣處理技術(shù)。生物過(guò)濾法是在生物濾池內(nèi)部填充活性填料，廢氣經(jīng)加壓預(yù)濕后從底部進(jìn)人生物濾池，氣體中的無(wú)機(jī)污染物、有機(jī)污染物或惡臭物質(zhì)與填料上附著生成的生物膜(微生物)接觸，被生物膜吸收，最終被降解為水和二氧化碳或其它成分，處理過(guò)的氣體從生物濾池的頂部排出。該方法的特點(diǎn)是設(shè)備少、操作簡(jiǎn)單、不需外加營(yíng)養(yǎng)物、投資運(yùn)行費(fèi)用低、去除效率高，但反應(yīng)條件較難控制、占地面積較大。其主要用于各行業(yè)的有機(jī)物廢氣的處理以及污水處理廠等工廠的惡臭氣體的處理，總的來(lái)說(shuō)，就是一些硫醇，胺類(lèi)，酚類(lèi)等有機(jī)物以及氨氣，硫化氫，二氧化硫等無(wú)機(jī)惡臭氣體。最早提出采用微生物處理廢氣構(gòu)想的是Bach，他于1923年曾利用土壤過(guò)濾床處理污水處理廠散發(fā)的含H2S惡臭氣體[2]。使此想法得到進(jìn)一步發(fā)展的是Pomeroy，他于1957年在集美國(guó)申請(qǐng)了“開(kāi)放式生物濾池”[3]專(zhuān)利，并在歐洲(主要是德國(guó)和荷蘭)運(yùn)用生物過(guò)濾技術(shù)處理惡臭、有機(jī)和無(wú)機(jī)氣態(tài)污染物[4]，同時(shí)真正將生物過(guò)濾法應(yīng)用到處理Vocs廢氣始于20世紀(jì)80年代。相對(duì)于國(guó)外．中國(guó)生物過(guò)濾法處理廢氣的起步較晚，于20世紀(jì)90年代初才開(kāi)始這方面的我國(guó)在生物洗滌技術(shù)起步以后，進(jìn)行了一系列研究，取得了一些成就。吸收的過(guò)程即是在研究化工原理的單元操作時(shí)所研究的，在此不再贅述，同時(shí)，國(guó)內(nèi)發(fā)展研究的重點(diǎn)，亦是吸收以后的廢水處理。在這里介紹的，亦是吸收廢水的處理步驟的技術(shù)進(jìn)展。曹可可[19]研究了采用生物-電解-絮凝法處理吸收污水。他主要是從三維電極的原理出發(fā),配以催化氧化技術(shù)。當(dāng)污水流經(jīng)電解復(fù)合床時(shí),在一定的操作條件下,裝置內(nèi)便產(chǎn)生具極強(qiáng)性能的羥基及新生態(tài)的混凝劑，發(fā)生諸如氧化分解、混凝、吸附等反應(yīng)，進(jìn)而在水中加入催化劑和凝聚輔助劑產(chǎn)生高效化學(xué)作用,并經(jīng)過(guò)濾器的吸附沉淀后,污水中的有機(jī)物迅速去除。劉玉紅[20]研究了主要由氣體發(fā)生系統(tǒng)、填料吸收塔和循環(huán)液槽組成的系統(tǒng)中用生物洗滌處理含苯酚廢氣,取得良好的結(jié)果。董占峰[21]研究了采用物化法(組合氣浮)和生化法(水解-接觸氧化)的相結(jié)合的工藝處理服裝洗滌廢水,運(yùn)行結(jié)果表明,該工藝具有良好的處理效果,且運(yùn)行費(fèi)用較低。黃芳[22]亦對(duì)生物接觸法處理工藝的應(yīng)用做出了研究,本文用SBR小試裝置、生物接觸氧化-MBR和MBR中試裝置進(jìn)行鐵路洗滌廢水處理實(shí)驗(yàn)研究,并且投加LAS降解菌于SBR和MBR裝置中,進(jìn)行了工藝參數(shù)的確定、處理效果考察、投菌前后對(duì)比、SBR和MBR放大設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比以及膜污染狀況等方面的初步研究,為鐵路洗滌廢水處理設(shè)施的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了一些參考依據(jù)。同時(shí)，在生物接觸氧化的方法上，陳雯[23]在他的碩士學(xué)位的畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，已作出了詳細(xì)的研究。王延華[24]在他的設(shè)計(jì)研究中，亦提到了一種再生膠技術(shù)處理廢水,他設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，包括廢水處理技術(shù)及工藝的實(shí)驗(yàn)室小試研究：廢水處理技術(shù)及工藝的初步工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)研究；工業(yè)應(yīng)用裝置的設(shè)備設(shè)計(jì)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的小試研究，比較了膠粉、混凝劑、氧化劑和煤渣等對(duì)再生膠脫硫廢氣生物法凈化洗滌冷卻廢水的掙化處理性能。與生物過(guò)濾法不同的是，生物洗滌法中的液相(通常帶有懸浮微生物)是流動(dòng)的，在2個(gè)分開(kāi)部分連續(xù)循環(huán)，這有利于控制反應(yīng)條件，便于添加營(yíng)養(yǎng)液、緩沖劑和更換液體，除去多余產(chǎn)物。其反應(yīng)溫度和pH等因素也可以監(jiān)測(cè)和控制。正是如此能較好的控制其中的過(guò)程，污染物的高度集中的轉(zhuǎn)移，更適合于建模，有很高的穩(wěn)定性，填料不易堵塞，相對(duì)占地面積也小。但是它的投資較大，運(yùn)行費(fèi)用高，設(shè)備多，需要外加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生的生物量過(guò)多，水的處理是一個(gè)難題，在吸附階段可能會(huì)堵塞。適用于氣量小，濃度高，易溶，生物代謝速度較低的情況。[25]2.3生物滴濾法研究利用生物化學(xué)法凈化空氣中的污染物可以追溯到50年代中期，最先用于處理空氣中低濃度的致臭性物質(zhì)。由于生物滴濾法具有微生物濃度高、凈化反應(yīng)速度快、停留時(shí)間短、空隙率高、阻力小、使用壽命長(zhǎng)、反應(yīng)條件（pH值、營(yíng)養(yǎng)）易于控制和抗負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，受到越來(lái)越廣泛的重視。目前，生物滴濾法凈化芳烴類(lèi)有機(jī)廢氣的研究已經(jīng)成為大氣污染控制技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。[26]生物滴濾法是在生物吸收法基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，集合了生物過(guò)濾法和生物吸收法兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，生物吸收和生物降解同時(shí)發(fā)生在一個(gè)反應(yīng)裝置內(nèi)。滴濾池內(nèi)裝有填料，填料表面被生物膜覆蓋。循環(huán)水不斷噴灑在填料上，廢氣通過(guò)滴濾池時(shí)，氣體中的污染物被微生物降解。該方法的特點(diǎn)是只有一個(gè)反應(yīng)器、操作簡(jiǎn)單、壓降低、填料不易堵塞、污染物去除效率高，比生物過(guò)濾法能更有效地處理含鹵化合物、硫化氫或氨等廢氣。但需外加營(yíng)養(yǎng)、運(yùn)行成本較高。[27]現(xiàn)行的研究主要集中于生物滴濾法的操作性能，微生物填料，工業(yè)化應(yīng)用，降解機(jī)理等幾個(gè)方面。生物滴濾工藝的操作性能具體可分為去除能力、停留時(shí)間和降解效率等，這是目前生物滴濾法凈化芳烴類(lèi)有機(jī)廢氣研究得較為廣泛深入的方面，也是衡量生物滴濾系統(tǒng)最終處理效果的重要指標(biāo)。美國(guó)學(xué)者Cox等[28]在研究中采用聚丙烯包爾環(huán)為填料凈化甲苯廢氣，去除能力達(dá)到83mg/L·h；Shihabudeen等[29]采用生物滴濾系統(tǒng)對(duì)BTX氣體的降解性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)等。國(guó)內(nèi)比較系統(tǒng)的研究有孫珮石等進(jìn)行的生物膜填料塔凈化甲苯廢氣初步研究，研究主要集中在機(jī)理探討和動(dòng)力學(xué)方面。重慶大學(xué)的陳蓉等[30]在毛細(xì)管模型的基礎(chǔ)上，研究了分段進(jìn)氣、氣液兩相流量、塔填料的比表面積、孔隙率、生物膜覆蓋率和甲苯進(jìn)口濃度等參數(shù)對(duì)生物滴濾塔凈化效率的影響。在填料方面，目前生物滴濾器所用的填料多為卵石、木炭陶瓷、塑料、不銹鋼微粒、碳素纖維及海綿等惰性材料，一方面能避免生物滴濾器中因天然填料不均勻充填而產(chǎn)生的壓實(shí)、短路及填料降解等現(xiàn)象，另一方面也可為微生物生長(zhǎng)提供載體，并提高生物滴濾器內(nèi)空隙率，同時(shí)惰性填料結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，使用壽命長(zhǎng)、阻力小。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究了很多新型填料，如William等[31]研制的聚氨酯泡沫，已應(yīng)用于甲苯廢氣處理實(shí)驗(yàn)。周衛(wèi)列[32]等學(xué)者對(duì)生物滴濾塔凈化甲苯系統(tǒng)中采用陶瓷、塑料以及金屬波紋板等填料對(duì)形成生物膜的厚度、空隙率、壓降等特性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定等。微生物生物滴濾的實(shí)質(zhì)是通過(guò)微生物的生理活動(dòng)，將有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化進(jìn)而降解的過(guò)程。凈化的生物滴濾器內(nèi)較為常見(jiàn)的是假單胞屬短桿菌近年來(lái)有研究發(fā)現(xiàn)，真菌對(duì)有機(jī)物也有明顯的去除能力,且真菌耐低濕度、酸性條件的能力明顯強(qiáng)于細(xì)菌。今后有可能以真菌作為主體降解有機(jī)物。王娟等[33]選用以甲苯為底物馴化的石化污泥和白腐真菌做菌源，研究其對(duì)苯、甲苯、二甲苯的生物降解規(guī)律。郭曉芬等[34]從土壤中分離篩選出以甲苯為惟一碳源的5種細(xì)菌菌株，測(cè)定菌體濃度隨時(shí)間變化曲線，采用紫外誘變獲得優(yōu)勢(shì)誘變菌株ZD5A。Prado等[35]對(duì)填裝惰性填料生物滴濾器營(yíng)養(yǎng)鹽供給最適量進(jìn)行了研究；William等[36]研究了氮源限制對(duì)生物滴濾器內(nèi)微生物的影響。總之，今后生物滴濾法的相關(guān)研究將轉(zhuǎn)向更深層次的基礎(chǔ)理論研究，以指導(dǎo)生物滴濾系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用，滿(mǎn)足芳烴類(lèi)有機(jī)廢氣處理的實(shí)際需要。包括對(duì)中間代謝產(chǎn)物的研究，使得深入對(duì)生物降解機(jī)理理解；關(guān)于生物滴濾系統(tǒng)在保持高去除能力的同時(shí)，生物量的過(guò)量增長(zhǎng)而造成床層堵塞問(wèn)題；研究它的動(dòng)力學(xué)模型，將多相相間傳遞過(guò)程與生化降解過(guò)程這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)作為一個(gè)整體考慮，，建立降解動(dòng)力學(xué)模型，為生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其工業(yè)化應(yīng)用提供理論指導(dǎo)；模擬現(xiàn)實(shí)工業(yè)環(huán)境中的芳烴類(lèi)有機(jī)廢氣排放進(jìn)行生物滴濾系統(tǒng)凈化效能的研究，以逐步形成工程化應(yīng)用系列技術(shù)并開(kāi)發(fā)出成套設(shè)備等。[37]3總結(jié)總之，有機(jī)廢氣生物處理是一項(xiàng)新的技術(shù)，由于反應(yīng)器涉及到氣、液／固相傳質(zhì)及生化降解過(guò)程，影響因素多而復(fù)雜，有關(guān)的理論研究及實(shí)際應(yīng)用還不夠深人、廣泛，許多問(wèn)題需要進(jìn)一步探討和研究。例如目前，生物法僅限用于處理低濃度有機(jī)廢氣，如何將這些技術(shù)和方法用于高濃度有機(jī)廢氣的治理有待于研究；影響污染物去除率的關(guān)鍵過(guò)程是將污染物從氣相轉(zhuǎn)移到液相中，目前的大部分研究是對(duì)于易溶物和易降解污染物進(jìn)行處理，在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)受到一定的限制；利用基因工程技術(shù)開(kāi)發(fā)出高效的降解菌種；添加一定的有機(jī)溶劑提高疏水性污染物的溶解性；生物法所用填料的比表面積、孔隙率等直接影響反應(yīng)器的生物量以及整個(gè)填充床的壓降及填充床是否易堵塞問(wèn)題。因此，改善生物濾料、填料的物理性能和使用壽命，以節(jié)省投資和能耗；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高對(duì)各運(yùn)行參數(shù)的控制能力，降低維護(hù)費(fèi)用和發(fā)生故障的次數(shù)；在原有菌種的基礎(chǔ)上通過(guò)選擇最佳生長(zhǎng)條件，篩選出能高效降解各種惡臭有毒氣體的優(yōu)勢(shì)菌種，從而縮短反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間，加快生物反應(yīng)進(jìn)程，提高處理效率是必然的方向。隨著科技的進(jìn)步，生物科學(xué)和生物工程、以及生物技術(shù)將被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于生物多樣性保護(hù)、人類(lèi)健康、環(huán)境污染防治和環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)在攻克環(huán)境保護(hù)的科技難關(guān)中有廣闊的發(fā)展前景。2l世紀(jì)，實(shí)現(xiàn)生物多樣性保護(hù)，合理開(kāi)發(fā)生物資源，有效利用生物技術(shù)，必將是本世紀(jì)的重要課題。我國(guó)是污染嚴(yán)重的國(guó)家，我們要構(gòu)建一個(gè)有利于現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)保中應(yīng)用的良好環(huán)境，同時(shí)最大限度地減少和預(yù)防與這些技術(shù)伴生的對(duì)人類(lèi)和環(huán)境的危害。

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