提要：揮發(fā)性有機污染物處理問題,是當前工業(yè)廢氣處理的難點、熱點問題。本文詳細介紹了吸收法、吸附法、和燃燒法等揮發(fā)性有機廢氣的傳統(tǒng)處理技術(shù),并對正在發(fā)展的生物技術(shù)的概念和機理進行闡述和對以后的研究方向進行了一些展望。
　　關(guān)鍵字：揮發(fā)性有機污染物，吸收法，吸附法，生物技術(shù)
　　1.前言
　　繼SO2、NOX和氟里昂后，揮發(fā)性有機化合物（VolatileOrganicCompounds，以下簡稱VOCs）廢氣的污染成為世界各國關(guān)注的又一焦點。揮發(fā)性有機化合物指的是揮發(fā)性的碳氫化合物及其衍生物，它包括烴類、芳烴類、醇類、醛類、酮類、酯類、胺類、有機酸等。其危害主要有以下幾方面：(1)在陽光照射下，NOx與大氣中的VOC發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧、過氧硝基酰(PAN)、醛類等光化學(xué)煙霧，造成二次污染，刺激人的眼睛和呼吸系統(tǒng)，危害人的身體健康。如長期生活在這種環(huán)境中(幾天或幾星期)，會對人造成生命危險。同時會危害農(nóng)作物的生長，甚至導(dǎo)致農(nóng)作物的死亡。美國洛杉磯、我國北京市燕山區(qū)和蘭州市西固區(qū)等都曾出現(xiàn)過光化學(xué)污染。(2)大多數(shù)VOC有毒、有惡臭，會使人患積累性的呼吸道疾病。在高濃度突然作用下，有時會造成急性中毒，甚至死亡。有些VOC(如3，4-苯并芘、氯乙烯)能致癌；(3)大多數(shù)VOC都易燃易爆，在高濃度排放時易釀成火災(zāi)和爆炸。近年來由于VOC造成的火災(zāi)和爆炸時有發(fā)生。(4)部分VOC可破壞臭氧層。
　　2.治理技術(shù)
　　總的來說，揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的處理方法主要有兩類：一類是回收法。回收法是通過物理方法,在一定溫度、壓力下,用選擇性吸收劑、吸附劑和選擇性滲透膜等方法來分離揮發(fā)性有機化合物(VOCs)，主要包括溶液吸收、活性碳吸附、變壓吸附和冷凝法等；另一類是消除法。消除法是通過化學(xué)或生物反應(yīng)，用光、熱、催化劑和微生物等將揮發(fā)性有機物轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，主要包括熱氧化、催化燃燒、生物氧化、電暈法、等離子體分解法、光分解法等。下面介紹幾種傳統(tǒng)的處理方法:
　　2.1液體吸收法。液體吸收法是利用液體吸收液與揮發(fā)性有機化合物的相似相溶性原理而達到處理有機廢氣的目的。通常為強化吸收效果用液體石油類物質(zhì)、表面活性劑和水組成的混合液來作為吸收液[1]。近年來，日本人研究利用了用環(huán)糊精作為有機鹵化物的吸收材料，根據(jù)環(huán)糊精對有機鹵化物親合性極強的原理，將環(huán)糊精的水溶液作為吸收劑對有機鹵化物氣體進行吸收。這種吸收劑具有無毒不污染，捕集后解吸率高，回收節(jié)省能源，可反復(fù)使用的優(yōu)點。
　　2.2吸附法。吸附法的應(yīng)用廣泛，具有能耗低、工藝成熟、去除率高、凈化徹底、易于推廣的優(yōu)點，有很好的環(huán)境和經(jīng)濟效益。缺點是設(shè)備龐大，流程復(fù)雜，當廢氣中有膠粒物質(zhì)或其他雜質(zhì)時，吸附劑易中毒。吸附法主要用于低濃度，高通量可揮法性有機物(VOCs)的處理。決定吸附法處理VOCs的關(guān)鍵是吸附劑，吸附劑應(yīng)具有密集的細孔結(jié)構(gòu)、內(nèi)表面積大、吸附性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易破碎、對空氣阻力小等性能，常用的有活性炭、氧化鋁、硅膠、人工沸石等。目前，多數(shù)采用活性炭,其去除效率高。活性炭有粒狀和纖維狀兩類。顆粒狀活性炭結(jié)構(gòu)氣孔均勻，除小孔外，還有10～100nm的中孔和1.5～5um的大孔，處理氣體從外向內(nèi)擴散，吸附脫附都較慢;而纖維活性炭孔徑分布均勻，孔徑小且絕大多數(shù)是1.5～3nm的微孔，由于小孔都向外，氣體擴散距離短，因而吸附脫附快。經(jīng)過氧化鐵或氫氧化鈉或臭氧處理的活性炭往往具有更好的吸附性能[2]。
　　2.3冷凝法。冷凝法是利用物質(zhì)在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓這一性質(zhì)，采用降低系統(tǒng)溫度或提高系統(tǒng)壓力，使處于蒸汽狀態(tài)的有機污染物冷凝并從廢氣中分離出來的過程[3,4]。冷凝過程可在恒定溫度的條件下用提高壓力的辦法來實現(xiàn)，也可在恒定壓力的條件下用降低溫度的辦法來實現(xiàn)，一般多采用后者。利用冷凝的辦法，能使廢氣得到很高程度的凈化，但是高的凈化要求，往往是室溫下的冷卻水所不能達到的。凈化要求愈高，所需冷卻的溫度愈低，必要時還得增大壓力，這樣就會增加處理的難度和費用。因而,冷凝法往往與吸附、燃燒和其他凈化手段聯(lián)合使用，以回收有價值的產(chǎn)品。
　　2.4催化燃燒法。催化燃燒是一種處理有機氣體的有效方法，特別適于處理量大、氣體濃度較低時苯類、醛類、酮類、醇類等各類有機廢氣的處理。催化燃燒法的作用原理是：有機氣體中的碳氫化合物在較低的溫度下(250～300℃)，通過催化劑的作用，被氧化分解成無害氣體并釋放熱量。這種高濃度的有機氣體在催化燃燒時所放出的熱量足以維持其催化反應(yīng)時所需要的溫度，無需外加熱源，燃燒后的熱空氣又可以用于對吸附劑的熱脫附再生，達到廢物及廢能綜合利用，同時節(jié)能的目的。在催化燃燒過程中，燃燒反應(yīng)溫度低，一般比熱焚燒要低300～500℃，由于燃燒完全，不會產(chǎn)生CO和剩余可燃氣體，不易生成高溫下的二次污染物如二惡英、氮氧化物等,而且脫除污染物效率高，還可以回收熱量節(jié)約能源，最終有機氣體在催化劑的作用下，于一定溫度下轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，并排向大氣。此處理方法的關(guān)鍵問題是開發(fā)與研制一種起燃點低、催化活性高、穩(wěn)定和價廉的催化劑。用浸漬法研制的過渡金屬及其氧化物系列的燃燒催化劑效果較好；另外，近年來納米粒子催化劑具有高比表面積，活性點多，催化活性和選擇性大于一般催化劑，故在催化方面的潛在應(yīng)用展現(xiàn)了一個生機盎然的研究領(lǐng)域，在21世紀會扮演催化反應(yīng)的主要角色。特別是在本體催化劑中通過摻雜金屬、金屬氧化物、碳酸鹽或合成復(fù)合納米氧化物，通過研究摻雜質(zhì)在基體微粒結(jié)構(gòu)中的調(diào)節(jié)作用和催化反應(yīng)中的決定作用來降低催化燃燒反應(yīng)的自燃溫度，增加表面氧量使其在貧燃條件下能穩(wěn)定燃燒，提高催化劑對有毒氣體和污染氣體的消除率，這是行之有效的途徑。
　　雖然這些傳統(tǒng)的方法有不少的有點，但也存在著某些不足，吸收法和吸附法一般都需要對吸收劑和吸附劑進行再生，這既增加工藝的復(fù)雜性和設(shè)備的投資額，還使運行操作變得復(fù)雜。燃燒法由于廢氣燃燒不完全而會產(chǎn)生有害的燃燒產(chǎn)物，若燃燒溫度過高，則會產(chǎn)生NOX污染，另外，燃燒設(shè)備運轉(zhuǎn)時還存在一定的安全隱患。隨著生物技術(shù)在環(huán)境治理中發(fā)展，生物法處理揮發(fā)性有機廢氣VOCs的技術(shù)也越來越成熟了。
　　3有機廢氣生物處理技術(shù)概況
　　3.1生物法的基本概念。生物法凈化揮發(fā)性有機化合物是在已成熟的采用微生物處理廢水的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。生物凈化實質(zhì)上是一種氧化分解過程：附著在多孔、潮濕介質(zhì)上的活性微生物以廢氣中有機組分作為其生命活動的能源或養(yǎng)分，轉(zhuǎn)化為簡單的無機物(CO2、H2O)或細胞組成物質(zhì)。與廢水生物處理過程的最大區(qū)別在于：廢氣中的有機物質(zhì)首先要經(jīng)過由氣相到液相(或固體表面液膜)的傳質(zhì)過程，然后溶解于液相中的有機成分在濃度差的推動下，進一步擴散至介質(zhì)周圍的生物膜，進而被其中的微生物捕捉吸收；在此條件下，進入微生物體內(nèi)的污染物在其自身的代謝過程中作為能源和營養(yǎng)物質(zhì)被分解，產(chǎn)生的代謝物一部分溶入液相，一部分作為細胞物質(zhì)或細胞代謝能源，還有一部分(如CO2)則析出到空氣中。廢氣中的有機物通過上述過程不斷減少，從而被凈化。
　　3.2生物法處理有機廢氣機理。對于生化法處理廢氣的機理研究盡管已做了不少工作,但至今仍沒有統(tǒng)一理論。目前在世界上公認影響較大的是荷蘭學(xué)者Ottengraf[5]依據(jù)傳統(tǒng)的雙膜理論提出的生物膜理論。另外一種是Pedersen、孫佩石等[6]根據(jù)吸附理論提出的吸附—生物膜理論。所謂生物膜既是由微生物群體在固體載體表面構(gòu)成的粘性膜結(jié)構(gòu)[7]。在潤濕環(huán)境下,微生物以廢氣中有機物為能源,在將其氧化分解的過程中,得以生長、繁殖并形成具有一定厚度的膜。這種生物膜尤其在處理低濃度或生物可降解性強的廢氣時,更顯示了優(yōu)越性。
　　3.3生物法的應(yīng)用。根據(jù)微生物在有機廢氣處理過程中存在的形式，可將處理方法分為生物吸收法（懸浮態(tài)）和生物過濾法（固著態(tài)）2類。生物吸收法（又稱生物洗滌法）即微生物及其營養(yǎng)物配料存在于液體中,氣體中的有機物通過與懸浮液接觸后轉(zhuǎn)移到液體中而被微生物所降解。生物過濾法則是微生物附著生長于固體介質(zhì)(填料)上,廢氣通過由介質(zhì)構(gòu)成的固定床層(填料層)時被吸附、吸收，最終被微生物降解，較典型的有生物濾池和生物滴濾池2種形式，以下將進一步介紹生物過濾法的應(yīng)用。
　　3.3.1生物濾池。生物濾池處理有機廢氣的工藝流程如圖1所示：
　　
　　圖1生物濾池圖2生物滴濾池
　　在生物濾池中填充具有吸附的濾料（如灰泥、泥炭、突然或活性炭等物質(zhì)），在微生物掛膜前，在濾料中摻入pH緩沖劑和N、P等營養(yǎng)元素（如NH4NO3和K2HPO4）,當具有一定溫度的揮發(fā)性有機化合物進入生物濾池時，就可以通過相間傳質(zhì)為微生物提供碳源，從而在整個濾料床層形成微生物膜，使有機廢氣中污染物的生物講解得以持續(xù)進行。
　　與水處理的生物濾池不同，在處理揮發(fā)性有機化合物的生物濾池中，水只是滯留在微生物膜的表面和內(nèi)層中，沒有形成貫穿整個濾料床層的連續(xù)流動相，所以可以將含水微生物膜視為一個單相，或稱之為固/液混合相。有機廢氣在生物濾池中的凈化過程可以認為是傳質(zhì)與生化反應(yīng)的串聯(lián)過程，而傳質(zhì)方向是氣態(tài)有機污染物質(zhì)從有機廢氣中向固/液混合相中傳輸。一般認為傳質(zhì)速率要比生化反應(yīng)速率快，所以生化反應(yīng)是整個過程的控制步驟。
　　由于濾料（特別是活性炭）具有較高的吸附能力，可以使微生物胞外酶和有機污染物在濾料和微生物膜界面處濃縮，從而提高了生化反應(yīng)速率，并使有機廢氣的凈化度得以提高。因此，生物濾池在處理揮發(fā)性有機廢氣方面最引人注目。
　　3.3.2生物滴濾池。生物滴濾池處理揮發(fā)性有機廢氣的工藝流程如圖2所示：
　　生物滴濾池在我國也稱生物濾池，但兩者實際上是有區(qū)別的。在處理揮發(fā)性有機廢氣上兩者主要不同之處如下：（1）使用的填料不同，滴濾池使用的填料如粗碎石，塑料蜂窩狀填料、塑料波紋板填料等，不具吸附性，填料之間空隙很大。（2）由圖可看出，回流水由生物滴濾池上部噴淋到填料床層上，并沿著填料上的生物膜滴流而下，通過水回流可以控制滴濾池水相的pH，也可以在回流水中加入K2HPO4和NH4NO3等物質(zhì)，為微生物提供N、P等營養(yǎng)元素。
　　由于生物滴濾池中存在一個連續(xù)流動的水相，因此整個傳質(zhì)過程涉及氣、液、固三相。從整體上講，仍然是一個傳質(zhì)與生化反應(yīng)的串聯(lián)過程。
　　4.小結(jié)
　　近年來，由于各國對揮發(fā)性化合物造成的環(huán)境污染的關(guān)注，對揮發(fā)性有機化合物的處理研究也日趨活躍。生物技術(shù)由于具有傳統(tǒng)的方法不可比擬的優(yōu)越性和安全性，已成為世界工業(yè)廢氣凈化研究的前沿?zé)狳c課題之一。
　　生物化學(xué)法處理廢水已有一百多年的歷史，但處理廢氣的歷史則很短，近年來，隨著各種工業(yè)廢氣排放量的增加以及人們對生存環(huán)境要求的逐步提高，廢氣污染控制已經(jīng)越來越受到人們的重視。生物法處理廢氣就是針對這種實際情況逐步研究開發(fā)的。揮發(fā)性有機化合物生物處理是一項新的技術(shù)，由于生物反應(yīng)器涉及到氣、液和固相傳質(zhì)及生化降解過程，影響因素多而復(fù)雜，有關(guān)的理論研究及實際應(yīng)用還不夠深入、廣泛,許多問題需要進一步探討和研究。大致有如下幾個方面：（1）反應(yīng)動力學(xué)模式研究；（2）填充物的特性研究；(3)動態(tài)負荷研究；(4)設(shè)備研究開發(fā)；(5)高效優(yōu)勢菌種的篩選；(6)生物菌群研究。
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