7 大气污染的生物处理技术

Foundedin1895第7讲大气污染的生物处理技术Foundedin1895概述•随着有机合成工业和石油化学工业的迅速发展，进入大气的有机化合物越来越多，这类物质往往带有恶臭，不仅对感官有刺激作用，而且不少有机化合物具有一定毒性，产生“致癌、致畸、致突变”效应，对人体和环境产生很大的危害。•生物处理技术效果好，投资及运行费用低，安全性好，无二次污染，易于管理，在处理低浓度、生物降解性好的有机废气时具有优越性。Foundedin18951生物法净化有机废气的原理•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及细胞组成物质。微生物净化有机废气模式图Foundedin1895•与废水生物处理过程的最大区别是：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，然后在液相（或固体表面生物层）被微生物吸附降解。–由于气液相间有机物浓度梯度、有机物水溶性以及微生物的吸附作用，有机物从废气中转移到液相（或固体表面液膜）中，进而被微生物捕获、吸收；–微生物对有机物进行氧化分解和同化合成，产生的代谢产物一部分溶入液相，一部分作为细胞物质或细胞代谢能源，还有一部分（如CO2）则进入到空气中。废气中的有机物通过上述过程不断减少，从而得到净化。Foundedin18952有机废气生物处理的工艺与应用•根据微生物在有机废气处理过程中存在的形式，可将处理方法分为生物吸收法（悬浮态）和生物过滤法（固着态）两类。–生物吸收法即微生物及其营养物配料存在于液体中，气体中的有机物通过与悬浮液接触后转移到液体中而被微生物降解；–生物过滤法是微生物附着生长于固体介质（填料）上，废气通过由介质构成的固定床层（填料层）时被吸附或吸收，最终被微生物降解，典型的有生物滤池和生物滴滤池两种形式。Foundedin1895生物吸收法•由一个吸收室和一个再生池构成。•除液相喷淋法，还可采用气相鼓泡。一般若气相阻力较大可用喷淋法，液相阻力较大则用鼓泡法。Foundedin1895生物滤池•生物滤池（biofilter）的填料层是具有吸附性的滤料（如土壤、堆肥、活性炭等）。•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，能有效的去除烷烃类化合物，对酯及乙醇降解效果更佳。生物滤池处理有机废气工艺流程Foundedin1895生物膜理论Foundedin1895生物滴滤池•Biotricklingfilter，与生物滤池的最大区别是在填料上方喷淋循环液，设备内除传质过程外还存在很强的生物降解作用。•反应条件较易控制，温度调节需外加强制措施。•在处理卤代烃、含硫、含氯等产酸代谢产物及产能较大的污染物更有效。Foundedin18953二氧化碳的微生物固定•CO2占温室效应气体总效应的49%。•CO2是重要的碳资源。•目前CO2的固定方法主要有物理法、化学法和生物法，最终大多数方法的CO2固定需依赖微生物。•植物的CO2固定作用占据优势。•人为的CO2固定更多借助自养微生物实现。Foundedin1895固定CO2的微生物•光能自养型和化能自养型，前者主要包括藻类和光合细菌，含叶绿素，以光为能源、CO2为碳源；后者以CO2为碳源，能源有H2、H2S、S2O32-、NH4+、NO2-、Fe2+等。Foundedin1895固定CO2的氢氧化细菌•氢氧化细菌是生长速度最快的自养菌，倍受重视。•在固碳的同时还可以生产糖或聚合物材料。Foundedin1895微生物固定CO2的生化机制•卡尔文循环（Calvincycle）：CO2的固定，固定的CO2的还原，CO2受体的再生。•一般光合作用和蓝细菌都是以卡尔文循环固定CO2。Foundedin1895•还原三羧酸循环：每循环一次，便有4分子CO2被固定。•嗜热氢细菌、绿色硫磺细菌、嗜硫化硫酸绿硫菌以还原三羧酸循环固定CO2。Foundedin1895•乙酰辅酶A途径：甲烷菌、厌氧乙酸菌等厌氧细菌一般以乙酰辅酶A途径固定CO2。Foundedin1895•甘氨酸途径：厌氧乙酸菌从CO2合成乙酸的生化机制除上述的乙酰辅酶A途径外，还包括甘氨酸途径。•一些极端微生物还有固定CO2的有机酸途径。Foundedin1895微生物固定CO2的应用•CO2造成温室效应，微生物的固定可以减少其影响，并生产许多代谢产物如有机酸、多糖、甲烷、维生素、氨基酸等。•利用藻类及氢氧化细菌可以利用CO2生产单细胞蛋白，可作为食品及医药用品。•利用CO2和H2合成乙酸。•生产生物降解塑料聚β-羟基丁酸酯（PHB）。•生产多糖。•利用藻类产烃。•产甲烷。Foundedin1895微生物固定CO2的研究方向•利用基因工程技术构建高效固定CO2的菌株。•开发具有高光密度的光生物反应器。•高效且经济的制氢技术。•进一步深入研究不同种类微生物固定CO2的机理，为CO2固定反应的调控提供理论依据。Foundedin18954生物法净化有机废气的现状及需解决的问题•国外从20世纪80年代开始，采用生物法净化有机废气，应用于堆肥场和动物脂肪加工厂的有机废气脱臭处理。•生物吸收法适宜于处理净化气量较小、浓度大、易溶且生物代谢速率较低的废气。•生物滤池适合气量大、浓度低的废气。•生物滴滤池适合负荷较高以及污染物降解后会产生酸性物质的废气处理。•有机废气生物处理是一项新的技术，涉及多相传质及生化降解，影响因素多且复杂，理论及应用研究均有欠缺。Foundedin1895反应动力学模式研究•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，最终提高污染物的净化效率。•生物膜理论适合于生物滤池，但不适用于生物吸收法和生物滴滤池：生物滤池中存在相对较稳定的液膜，而生物吸收法和生物滴滤池中由于循环液的流动性，无法产生类似的稳定液膜。Foundedin1895填料特性研究•生物滤池和生物滴滤池的填料特性研究是必要的。•比表面积、孔隙率与单位体积填充量与生物量有关，还直接影响着整个填充床的压降及填充床是否易堵塞。•气态污染物降解需要经历气-液-固相传质，污染物在两相间的分配系数是整个装置可行性的一个决定因素，填料对分配系数有较大影响。Foundedin1895动态负荷研究•目前研究中采用的是单一组分（或几个简单组分组合）气体作为实验对象，气体负荷的变化也有序、平稳，气速也较平缓。•非常态负荷气流、多组分复杂混合气的污染物去除研究较少。•适合于解决实际运用中的问题。