开题报告—废气生物处理技术研究

开题报告

（项目研究可行性报告）

废气生物处理技术研究

姓名/学号 学科专业 环境工程 院 系 化学化工学院环境与生物工程系

2011 年 5 月 2 日

废气生物处理技术研究

——有机化合物的生物处理

摘要：介绍了含有挥发性有机化合物废气（VOC废气）的生物处理原理和技术。对在德国应用较广的生物滤池和生物洗提工艺的工作原理、适用范围、工艺设计的基本要求进行了说明。通过和其他VOC废气处理工艺进行的技术对比，表明了生物处理工艺在其适用范围内的优越性。

关键词：挥发性有机化合物 废气生物处理 生物滤床 生物洗涤反应器

1.论文选题依据 ： 1.1论文选题依据

随着国内对环境质量的要求不断提高，挥发性有机废气的治理工作正逐步开展。生物处理方法利用微生物的代谢作用，对中、低浓度有机废气进行处理，具有适应性强，投资、运行费用低，二次污染小等优点，是一种的污染治理技术。这种方法的不足主要有：对气体水溶性和生物降解性有要求，反应器启动、微生物驯化、处理过程持续时间较长，运行中必须提供足够的营养元素和氧气等。今后的工作应主要集中在填料选择、适宜菌种筛选和固定化、反应器优化设计及其组合应用等方面，为工艺的进一步推广应用提供技术参数。

在塑料、橡胶加工、油漆生产、汽车喷漆和涂料生产等诸多领域中，工业品的生产和加工过程产生了大量含有挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）的废气（VOC废气）。这些废气未经处理排入大气，在一定条件下会形成光化学污染，大气质量，影响动植物生长和人类的健康。某些有毒VOC废气有致残、致畸、致癌作用，对长期暴露其中的人体造成严重伤害。为此，各国颁布了相应的法令，限制该类气体的排放，我国于1997年颁布并实施的《大气污染综合排放标准》，限定33种污染物的排放限值，其中包括苯、甲苯、二甲苯等挥发性有机物。

对VOC废气的治理，有多种处理技术可供使用。但对于VOC浓度低、风量大的废气，传统工艺存在投资运行费用高、处理效率低和处理后存在二次污染等。近年来，逐渐的废气生物处理技术作为一种新型的空气污染控制技术，得到日益广泛的应用。该项技术与传统的燃烧法、催化氧化法、吸收法、吸附法相比，对VOC低含量废气的处理有明显的优势。本文主要介绍现行的德国废气生物处理技术，以期对我国相应技术的推广应用起到借鉴作用。

1.2国内外研究现状分析：

利用生物法处理空气中的污染物可以追溯到20世纪50年代中期，生物法净化废气的研究， 最先用于处理空气中低浓度的臭味物质，如堆肥场和动物脂肪加工场的有机废气脱臭处理。第一个利用微生物处理废气的专利于1957年出现在美国，但到1970年后才引起各国重视。到1980年，德国、日本、荷兰等国家已有相当数量的各类生物处理废气装置投入运行，对混合废气的去除率一般在95%以上。到 目前为止，德、日、荷等国已成功应用于化工、轻工等行业，投入

运行的生物净化装置已逾千套。

S m i t h等采用生物过滤床对甲苯废气进行处理，处理效率达77%，而持续时间可达200d。S o r i a l 等在研究利用生物过滤床处理含苯、甲苯、乙苯和二甲苯的废气 中发现，在EBRT为0.67min，有机负荷为6.2k g C O D／ ( m 3 · d ) 时，处理效率可达88%等发现在乙酸乙酯负荷分别为490k g／ ( m 3 · h ) 和810k g／( m 3 ． h ) 时，用生物过滤床，去除效率分别为95%和90%。

H y u n K e u r S 0 n 等采用硬木的锯末与城市废水的污泥混合组成的滤料对乙苯废气进行处理时，在不加营养剂的条件下运行62d内， 去除效率超过80%。

O k k e r s e等人研究了生物滴滤床处理废气中生物量累积和阻塞的问题， 并利用二氯甲烷作为模拟污染物质，建立了动力学模型；P o l等人利用生物滴滤床去除废气中的苯乙烯取得了较好的效果；L a u r e n z i s d ~人则在搅拌式滴滤床反应器中通过间歇除去部分污泥来连续处理生物废气。

而在我国有关这方面的研究及应用还处于起步阶段，王家德等人在装有聚丙烯散堆填料的生物滴滤床内进行二氯甲烷废气处理可行性研究，发现空塔气速、进口浓度及酸性环境对二氯 甲烷的降解有影响。季学光等人为探索气态挥发性有机污染物高负荷生物滴滤器处理的可能性，采用筛选出的纤维附着活性载体材料进行了甲苯废气的净化研究试验。但高负荷时滴滤床的堵塞以及废气中存在多种化合物时的目标化合物去除量的减少，这两个问题依然妨碍着生物滴滤床处理废气在工业中的广泛应用。廖雷等人利用新工艺处理油烟废气 ，发现假单孢菌菌液挂膜的填料塔对油烟废气有较好的净化效果；王德民等在生物膜填料塔处理丙烯腈废气的研究中，分别考察了气相浓度、填料层高度、停留时间等操作参数对净化性能的影响，发现生物膜填料塔对丙烯腈废气有净化效果；孙佩石等对生物净化低浓度甲苯废气的适宜装置及其操作特性的研究表明，生物膜填料塔对低浓度甲苯废气的净化性能优于筛板塔及鼓泡塔。

杨显万等对低浓度VOC的生物法净化工业试验结果表明，该装置连续运行100d ，对于甲苯浓度为300~ 1400m g ／ m 3 的橡胶再生低浓度有机废气具有良好的净化作用，净化效率可较长时间保持在90%左右，含有甲苯的废气经生化处理后可实现达标排放。李国文等选取柱状活性炭为滤料，以甲苯为有机废气代表物，采用生物过滤床处理。试验表明，在温度20℃~2 8℃，气体流量0.25~ 0.5m 3 ／ h ，空塔气速0.7~3.5c m ／ s ，停留时间30~80s ，相对湿度40％~60％，喷淋液p H =7.0—8.0的条件下，生物过滤床对甲苯有较强降解能力，甲苯浓度低于2000 m g ／ m 3 时，降解效率均大于95 ％。陈建盂等对二氯甲烷废气采用生物滴滤床进行处理，结果表明，在 髓R T为 15.7 s ，二氯甲烷进口浓度为0.7—3.12 g ／ m 3范围内，去除效率为72.0％一99.1％。滴滤床的酸性环境对二氯甲烷降解有明显的抑制作用。

1.3本研究相关方面的最新成果和发展动态：

(1)针对废气中挥发性有机污染物(甲苯等)的生物净化，通过优选、驯化实验研究，获得了一种专用复合菌种和一种强化菌种(优势菌为Pseudomonas putida)，初步形成了工业废气净化用工程菌种的优选、驯化及工程化培育技术。 (2)以橡胶再生低浓度有机废气(含硫)为对象，研制出了一套生物净化处理示范工程装置，并由此形成了工业生物膜填料塔的菌种挂膜制作技术、生物膜维护与修补技术。 (3)通过分析研究和制作调整，研制出了一套工业生物膜填料塔的菌

种挂膜制作系统，在昆明理工大学建立了小型挂膜制作基地，并在工业应用试验中得到了成功应用等等。针对我国目前对低浓度工业有机废气尚无有效净化处理措施的状况，生物处理试验研究成果的应用前景将是十分广阔的。经初步分析，除橡胶再生行业外，本研究成果还可在以下工业生产领域中应用： 1.有机化工、石油化工生产过程中的废气处理； 2.煤(褐煤)化工生产过程中的有机及恶臭废气处理； 3.冶金药剂生产过程中的有机废气处理； 4.机械、汽车等行业的油漆喷涂过程中的废气处理； 5.(有机)合成制药生产过程中的废气处理； 6.养殖及饲料生产过程中的有机及恶臭废气处理； 7.城市污水污泥处理过程中的臭气处理； 8.城市垃圾处理场的臭气处理等等。

1.4 提出的问题：

(1)反应速度不如化学法快，因而需要较大的反应器和占地面积；(2)对原水水质有一定的要求，否则会妨碍微生物的生长；(3)运行中有时会产生污泥膨胀和流失，剩余污泥也难处理；(4)对于一些人工合成物，特别是难生化降解物质，通常的微生物尚显得无能为力；(5)活的有害菌体从实验室泄漏到环境中；(6)大规模工程微生物的应用可能影响生态系统。 2.论文研究方案

1． 废气生物处理工艺

1.1 生物处理原理

废气的生物处理技术首先应用于农业生产过程中异味气体的处理，例如养殖业中动植物加工产生的臭气、堆肥发酵和生物污泥废气处理等。随着工业生产中产生的挥发性有机气体的污染日益严重，这项技术逐步应用到工业废气净化领域。其净化的基本原理是：有机废气或异味气体流经带有液体吸收剂的处理器；在处理器中，由于废气中的污染物在气、液相之间存在浓度梯度，浓度差使其从气相转移到液相，被生存其中的微生物吸附；通过微生物的代谢作用，有机物被分解、转化为生物质和无机物。 1.2 反应处理工艺分类

生物处理技术的基本工艺流程以生物过滤为例，如图1所示，废气经过一定的除尘、温度和湿度调节，进入生物处理单元，经过微生物的处理，气体可以达标排放

图1 有机废气的生物处理工艺流程图

根据处理运行方式不同，处理工艺主要分为生物滤床工艺和生物洗提工艺两种。

1.2.1 生物滤床

废气流经生物滤床（见图2）中的活性滤层，有机物被滤料上的湿润水膜吸

收，通过滤料上生活的微生物的代谢作用而降解。

（a）

生物滤床示意图 （b）多层布置的生物滤床

图2 生物滤床

生物滤床主要由进气系统、布气承托层、生物滤层和维护装置组成。

在生物滤床处理废气过程中，微生物的活性和数量对处理效果具有决定意义，它们取决于如下因素：进气流量、温度和湿度；废气中物质组成；浓度的稳定性和水溶性；氧气和营养物的供给；滤床的布置和温度、湿度保持；滤料的选择；滤床中的pH控制等。 滤料影响微生物的生长，从而直接影响净化效果。滤料选择必须考虑滤料的孔隙率、孔径分布、比表面积、亲水性、自身气味、pH等参数。在工程实践中，一般可选择有机滤料或无机滤料。无机滤料选择比表面积大，有一定强度的无机填料，如加气混凝土、多孔陶粒、熔岩颗粒或矿渣等。有机滤料主要有腐殖树皮、植物根须、枝杈、锯末、泥炭等及其混合物。由于有机滤料廉价易得，获得广泛的应用。有机滤料滤层一般高度在0.5～1.2 m。运行3～5年后，由于密实度增大造成阻力增大，应进行更换；更换滤料时，宜分次进行，以保持滤料中微生物种群的稳定。

1.2.2 生物洗涤工艺

生物洗提工艺采用了污染物的液体吸收和生物处理的联合作用。废气首先被液体（吸收剂）有选择地吸收形成混合污水，再通过微生物的作用将其中的污染物降解。根据污水处理的方式（吸收剂再生方式）不同，可分为活性污泥法和生物膜法（生物滴滤池），构筑物示意图如图3、图4所示。

图3 生物洗涤—活性污泥法示意图 图4 生物滴滤池示意图

从图3中可以看出，生物洗涤-活性污泥法是将吸收剂（水和微生物的混合液）和废气在吸收塔内采用通过喷淋、填料填充或曝气等方式进行混合，溶解于水的有机物被微生物吸附，排入活性污泥反应器后进一步被降解，吸收剂得到净化再生和重复使用。因为吸收剂的再生速度不受处理负荷和吸收速度的影响，所以这种适用于处理生物降解速度较慢的有机物。

图4所示滴滤池中的填料上生长有大量生物膜，当废气通过其间，有机物被生物膜表面的水层吸收后被微生物吸附和降解，得到净化再生的水被重复使用。 在生物洗滤过程中，吸收剂的再生效率影响废气的吸收、净化效果和系统的能耗高低，

这主要取决于污水处理效率的高低。而影响生物洗涤工艺处理效果的因素有：废气中有机物水溶性和生物降解难易程度；进气温度、粉尘和有毒物质含量；对微生物的曝气和营养物质供给（如N、P等）；水的温度、pH、含盐量和新鲜淡水的补充情况。

2．生物反应器技术

2.1 应用范围与设计参数确定 废气生物处理的主要适用范围是：去除异味气体和含VOC废气浓度较低的废气，废气中TOC（总有机碳）<1000 mg/m3；气体流量 ≤50000 m3/h，气流均匀且连续；废气的温度一般 ≤40 ℃，生物滤床工艺同时要求进气湿度>95%；废气组分易溶于水，易生物降解。对废气中各种组分的降解情况如表1所示，可作为工艺设计的选择依据。

工程设计中，需要同时考虑废气中气体组分的种类、浓度，反应器中有效接触时间。反应器的尺寸由面积负荷：m3气体/（m2过滤面积·h）；接触时间：s；体积负荷：ｇTOC/ (m3过滤体积·h)；或：气味单位GE/（m3过滤体积·h）；或：m3气体/（m3过滤体积·h）等参数确定。

实际工程中，反应器尺寸可同类生产的经验值估算，并应进行中试实验，以优化设备尺寸，降低投资。表2、表3分别给出不同种类企业应用生物滤床和生

物洗提工艺的情况。从两种工艺的应用可以看出，生物滤床工艺对气味和易溶性有机气体去除效率较高，而生物洗提能够用于生物降解性较差的VOC废气处理。

2.2 与其他工艺的经济技术比较

在对含VOC废气处理工艺的选择中，在技术领域应考虑如下因素：VOC的去除效率；废气性质（废气中有机物的组成、VOC含量、废气流量、气味指标）；可用建设面积；技术经济使用期；必要的附属设施建设（如：水蒸气生产设施）；与原有治污设备的配套；有机溶剂的回收等。经济上主要考虑投资、运行费用和财务风险。各种工艺的初步选择依据如表4所示。

表4 VOC气体处理技术措施的适用范围及其经济指标

处理 浓度/（g TOC · mN 排气量/ 投资费用? 运行费用?

－3） >10 5～1 （1000mN 3·h-1） /（ m3·h-1） /（1000m3·h-1） 1～5 <1 50～100 5～50 <5 吸附-溶剂 + ++ ++ ++ ++ ++ + 40～80 1.5～2.8 回收 吸收-溶剂 ++ + + 0 ++ ++ + 30～45 0.85～1.50 回收 预热式-热力 ++ ++ + 0 + ++ ++ 15.0～ 1.5～2.6 焚烧 17.5 预热式-催化 - 0 ++ 0 - ++ ++ 15～20 0.75～2.60 焚烧 蓄热式-热力 - + ++ 0 + ++ + 16～35 0.4～2.4 焚烧 蓄热式-催化 - 0 ++ + + ++ ++ 14～30 0.5～2.8 焚烧 生物滤床 - - 0 ++ + ++ ++ 9.5～ 0.15～1.12 法 15.0 生物洗滤 - - + ++ ++ ++ + 9.5～ 0.30～0.88 法 20.0 备注：++，+，0，- 符号表示处理技术对应不同处理状况下的经济技术适用性 ++ 很适用 ，+ 适用，0 不太适用，-不适用

3．研究目标和工作进度：

研究目标：1.在研究中，要确定废气处理的流程，不能出现误差。

2.研究中，要避免反应中出现有毒的气体或物质。

序号 1 2 3 4 5 6 7 各阶段工作内容 起讫日期 备注 资料收集 完成开题报告 确定设计方案、工艺流程 计算个单体构筑物 总平面布置、高程布置 绘制设计图纸 整理设计计算、说明书 2011.5.14～2011.5.18 2011.5.21～2011.5.25 2011.5.28～2011.6.1 2011.6.4～2011.6.13 2011.6.16～201.6.20 2005.6.23～2005.7.3 2011.7.6～2011.7.10 一周 一周 一周 六周 一周 两周 一周 8 准备毕业设计答辩 2011.7.13～2011.7.17 一周 参考文献：

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