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生物技术处理VOCs废气的影响

2021-08-13 568 上传者：管理员

摘要：VOCs对环境的污染危害是巨大的。探讨了利用生物学技术处理VOCs的优势，分析了该技术的基本原理、VOCs的传质过程、微生物的群落以及降解特征、生物反应器构型等。最后通过模仿电子废品焚烧处理所产生的废气的净化实验，印证了微生物技术对VOCs处理的有效性。

关键词：
VOCs废气
环境污染
环境科学
生物学技术
降解方法
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大气挥发性有机物（VOCs），通常指沸点界于50与260℃之间的各类挥发性有机物，很多化工产业都不可避免地排放该类物质，如果不能合理地处理，将对大气造成较大的污染，对人畜以及各类建筑设施造成一定的伤害。对此我国环保相关法律对VOCs的排放标准进行了严格的限制，而相关企业也通过各种技术进行处理，包括以吸附处理、液体吸收、膜分离为手段的回收方法，和以催化燃烧、光催化、生物处理为手段的降解方法。

1、生物技术处理VOCs废气的技术要点

1.1 基本原理

利用生物技术进行VOCs的处理，以最常见的反应器来分析，其具体的原理是，构建一个反应容器，其中最底层是生物膜层，设置了一定量的微生物群落，其上是以水为主的液体，是为液相，再至上则是气体空间，是为气相，含有一定的氧气。VOCs从气相位置被液体吸附，并逐渐融入到液体中，然后再与生物膜接触并被微生物所降解，对于特定的微生物来说，很多VOCs是一种能量和碳元素的来源。微生物将其降解后，就生成一定的水与二氧化碳，没有任何毒性，排出到气体环境中。在这个过程中，需要VOCs从气相环境里中通过气液传质融入到液体环境中，然后再进一步被生物膜吸附。

根据上述原理我们不难看出，采用生物技术对VOCs进行消除，其具体的效果，与VOCs自身的各类物质含量、浓度，与容器的结构大小，与微生物的生物活性等有直接的关系。同时也与VOCs从气相到生物膜的两次传质情况有直接的关系。

1.2 控制要点

前文已述，在利用生物技术对VOCs进行处理时，需要经过两次传质过程，其一是污染气体从气相环境中到液相环境中，其二是被处理物从液相传质到生物膜。这里引入亨利常数的概念，亨利常数，是指一定温度下溶于定量液体中的气体量与溶液处于平衡的该气体分压的比值。可见在其他条件固定的情况下，不同的VOCs成分的传质效果取决于其亨利常数。在实践中，如果该常数低于0.1，则被视为亲水物质，包括丙酮、二氯乙烷、二甲基硫醚、乙酸乙酯、二甲基二硫醚等；而常数在0.1与1之间者，被称为适度疏水性物质，包括二氯甲烷、异丙苯、苯乙烯等；

常数高于1者，为疏水物质，涵盖了甲烷、乙烯、己烷等。对于亨利常数较低的VOC来说，他们可以以较短的时间内被降解；而对于亨利常数较高的VOC，则需要更长的时间。具体来说，常数低于1的VOC，在2min内将得到70%以上的消除率，对于常数高于1的VOC，即使将时间拉长到4min，也只能获得不足40%的消除率。在这种情况下，就应当根据VOCs的具体所含成分，调整其输送的时间。

1.3 微生物的来源与培养

毫无疑问，不同的微生物所具备的针对VOCs的降解能力是不同的，通常情况下，我们在实践中会从如下途径获得微生物。（1）污水处理厂的活性污泥，这类污泥里有多种类型的微生物，且因为污泥中有很多VOCs成分，就使得其中含有能够降解VOCs的微生物类型。（2）堆肥材料。堆肥的作用就是利用微生物将不稳定的有机物转化为稳定的无机物的过程，因此其中同样含有大量的微生物，用来作为VOCs的降解原料同样十分合适。（3）受有机物污染的土壤。在被有机物污染的土壤中，受到自然界的影响，会集聚很多将有机物作为原料进行生存的微生物，由此将其收集起来，同样有对VOCs降解的效果。通过上述途径获得微生物，成本较低，而复杂的微生物类型也可以降解各类VOCs的成分。

上述三种常见的收集微生物的途径，虽然操作简单、成本低廉，但针对指定的污染气体，如果所提供的微生物群落，只留有能够对该气体降解的微生物种，显然能够提高处理效率，减少浪费。另一方面，对于一些特定的污染物，在自然界中找出的微生物群落很难对其进行降解，比如氯化物。因此需要采用一定的方式对微生物群落进行定向培养和筛选。在实践中，通常需要预先富集多样化的微生物菌种，使得其活性更强，然后利用动力学的技术控制其培养基的酸碱度、周边气体成分以及压强，由此使得微生物的降解针对性和强度得到改善。

1.4 生物反应器的构型

前文已述，不同的微生物反应器，会带来不同的降解效果。现阶段通常使用过滤、洗涤和滴滤的模式设置生物反应器，其中过滤是前文所描述的方法，使得有害气体通过含有微生物的液体，被微生物降解。典型的过滤装置如图1所示。

洗涤则是将装有微生物群落的反应器通过喷淋的方式洗涤有害气体，典型的洗涤装置如图2所示。

滴滤则介于两者之间，使得微生物群落能够固定，而液相则流动洗涤有害气体。典型的滴滤装置如图3所示。

2、生物滴滤装置对VOCs废气处理的实验

2.1 实验准备

其中实验的装置即如图4所示，在经过预处理装置后，把废气中的颗粒有效地去除，然后从下向上经过填料层，与营养液喷洒下的微生物进行接触，创造降解的条件，最后经过多次循环生成净化后的气体。实验中的VOCs气体来自于对某电子工厂中对电子废品焚烧处理时所排放的废气，含有多种有害物质，其中部分物质的浓度如表1所示。表中的TCB、MTCB、DCB、SCB、MTC、RB、CMB分别指座机电路板、手机电路板、显卡、声卡、充电器、路由器、计算机主板。这些也是主要的电子废品。

所选用的微生物菌群来自实验室长期训化的，面向甲苯、二甲苯和苯乙烯进行降解的菌群。选择好原始种群后，先在30℃、180rpm摇瓶中停留1天，随后置入滴滤装置中，开启循环操作，流速控制在1.7m/s，使得其能够和培养基获得有效的相适应。持续3天后可以通入废气开启降解实验。

2.2 实验开展

因为实验所在地的天气所限制，实验中的温度和湿度都有所波动，这会对微生物的代谢、生长产生一定的影响，进而也会造成了其对VOCs处理效果的影响。但整体上其温度依然在30℃左右徘徊，湿度在60%上下活动，处于微生物菌体的适宜生长范围内。

本实验所导入的VOCs气体的成分以及浓度即如表1所示，废气在装置中的停留时间约为10s，培养基流速1.8m/s，每天的工作时长为8h。

2.3 实验结果

最终在运行3个月中其各个苯系不同成分的去除效果如图4所示。

图4中的A、B、C、D、E、F、G、H分别代表了苯、苯乙烯、氯苯、乙苯、二甲苯、甲苯、三甲基苯、苯甲醛。根据图中的信息不难看出，在实验装置中微生物持续的降解下，各个笨类物质的去除效果呈现出提升的趋势，在其工作的15d，绝大多数的苯类物质的去除率都在38%以上，其中效果最佳的是甲苯，最低的则是苯。当该实验装置工作到第45天时，苯系物的去除效果更加明显，其中氯苯达到了76.51%，而其他的物质的去除率都超过了90%。这已经达到了我们预期的效果。

3、结论

综上所述，采用生物技术来处理VOCs具有多方面的优势，但单一的采用该技术则很难将有害气体完全、高效地消除，对此应当在掌握各类技术原理的基础上，通过反应器创新、微生物的定向培养、与其他技术结合的方式进行消除效果的优化。通过模仿电子废品焚烧处理所产生的废气的净化实验，也印证了生物技术对VOCs处理的有效性。相信随着各类技术的综合和进一步的创新，人们对VOCs的净化处理会越来越游刃有余。

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文章来源：高松.VOCs废气的生物技术处理[J].科学技术创新,2021(23):168-169.