摘要：惡臭污染是一種感知污染，已成為危害人類健康的一大公害。生物過濾器高效、廉價的特點是解決惡臭污染的一種有效途徑。填料的選擇和填料濕度及其操作工藝是影響生物過濾器性能的主要因素。概述了近幾年生物過濾器主要的動力學(xué)模型及其應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：生物過濾器  惡臭氣體  處理措施

惡臭污染是一種感知污染，它不僅給人感覺器官以刺激產(chǎn)生厭惡感，而且含有的某些有害物質(zhì)能直接危害人體的健康，已被認(rèn)為是僅次于噪聲污染的六大公害之一[1]。憑人的嗅覺即能感覺到的惡臭物質(zhì)有4 000多種[2]，其中H2S 和NH3是工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛存在的廢氣主要成分，如食品加工、皮革業(yè)、畜牧業(yè)以及污水處理廠等，它們都是具有刺激性、嗅閾值很低的臭味物質(zhì)，其嗅閾值分別為0.000 75、0.004 5 mg/m3[3]。

生物過濾器處理惡臭氣體就是利用微生物對惡臭物質(zhì)進行生物降解，通過微生物自身的代謝作用把惡臭氣體轉(zhuǎn)化為維持生命活動所需要的能源和養(yǎng)分，同時把代謝產(chǎn)物排除體外的一個過程[4]。惡臭氣體經(jīng)過加壓預(yù)濕后，進入過濾塔并與填料層表面的生物膜接觸，微生物消化吸收惡臭氣體后產(chǎn)生的代謝物再作為微生物的養(yǎng)料，繼續(xù)吸收消化，如此循環(huán)使惡臭物質(zhì)降解，轉(zhuǎn)化為CO2 、水和其他小分子物質(zhì)，消除惡臭氣味后被排放。

1  影響生物過濾器性能因素

微生物的活性是影響生物過濾器性能的主要因素[5]，因此微生物生長的環(huán)境條件都會影響其性能，主要包括填料的選擇、填料的濕度、反應(yīng)器內(nèi)的溫度、pH、微生物的營養(yǎng)物質(zhì)、填料內(nèi)的氧氣含量和需要處理的污染物濃度等。

1.1  填料的選擇

常用的過濾器填料有泥煤、高肥力的土壤、堆肥等，這些填料能提供比較好的持水性、充足的養(yǎng)分和豐富的微生物種群等[6]。李建軍[7]以陶粒和活性炭為填料的生物滴濾池系統(tǒng)對人工合成的甲苯廢氣進行了凈化處理試驗，結(jié)果表明，添加活性炭能提高填料柱的處理性能，陶粒和活性炭組成的復(fù)合填料能有效地處理含甲苯的廢氣，當(dāng)進氣甲苯質(zhì)量濃度為2.35 g/m3時，甲苯去除率可達95%以上，填料柱對甲苯的去除能力為130 g/（m3?h）。RAMIREZ-LOPEZ等[8]用5種農(nóng)副產(chǎn)品(花生殼、稻米外殼、椰子外殼、甘蔗渣、玉米茬)作為生物過濾器的填料，發(fā)現(xiàn)花生殼潛在的應(yīng)用性最高。MAESTRE等[9]在不同運行條件下4種填料的性能研究中，比較了椰子纖維、廢水處理站的消化淤泥、泥煤、松樹葉作為生物過濾甲苯的填料的適應(yīng)性，指出真菌微生物適合處理高負荷的苯，椰子纖維堆肥生物過濾器在去除能力和長期的穩(wěn)定性方面有更好的性能。

1.2  填料的濕度

填料層濕度是生物法處理廢氣性能的一個主要影響因素，75％的生物過濾系統(tǒng)問題由填料含濕量引起的。填料的濕度是保持生物過濾器最佳性能的最重要的操作參數(shù)，微生物的活動是以水為介質(zhì)，如果填料的濕度太低，則會使微生物失活，并且填料會干燥開裂，產(chǎn)生氣體短路，從而降低過濾器的性能；但是濕度太高，不僅會使氣體通過濾床的壓降增高，而且由于氧氣不能進入，形成局部厭氧區(qū)域，使得降解速率降低。RANASINGHE等 [10]分別從填料層干燥和增濕過程兩方面研究填料含濕量對污染物去除效果的影響，認(rèn)為污染物去除效果主要受填料含濕量影響；孫玉梅等 [11]研究發(fā)現(xiàn)，填料層的初始濕度由70％下降至30％時，其表面的總微生物量從4×107 個下降至3×107個，且達到最大去除率時的濕度增加。王家德等[12]為了優(yōu)化BF廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計，研究了填料濕度、pH對BF系統(tǒng)處理H2S廢氣的影響，結(jié)果表明，填料層的濕度變化會影響B(tài)F系統(tǒng)對H2S的去除率，當(dāng)濕度小于45%時，BF系統(tǒng)對H2S去除率呈下降態(tài)勢，從BF系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行角度看，適宜的濕度范圍是50%～70%。

1.3  操作工藝

操作工藝包括惡臭氣體進氣速度及濃度、空床停留時間、填料的pH、噴淋條件等。不同氣體對去除性能的影響取決于氣體的水溶性和微生物降解性。不同的氣體的水溶性可能相差很大，影響了惡臭氣體從氣相進入到液相的速度，從而影響了微生物的降解。

郭兵兵[13]在實驗室研究了生物填料塔工藝凈化含H2S和甲苯的惡臭廢氣的生物降解特性，結(jié)果表明：降解H2S的微生物馴化期為16 d，降解甲苯的微生物馴化期為32 d，在停留時間為28 s、pH為6～7、每立方米填料的噴淋水量為0.80～1.92 m3/d時，H2S去除率均可達到97.9%以上，甲苯的去除率平均達到91.3%。

王晨昊等[14]采用不銹鋼絲網(wǎng)作為生物滴濾器的載體材料，用以苯為唯一碳源馴化而得的微生物菌種進行苯廢氣的凈化實驗，結(jié)果表明，在相同的進氣苯濃度下，隨著停留時間的增加，苯的消除能力和凈化效率迅速提高，停留時間為33.9 s時，苯凈化效率達98％；在進氣苯負荷為30～40 mg/（L.?h）水平下的凈化效率隨循環(huán)液流量的變化而變化，實驗中最佳的液體流量為0.8 L/h。進氣口處污染物濃度對生物滴濾器的凈化效率和所需的填料層高度有較大的影響。

張春燕[15]采用了兩個串聯(lián)的填充堆肥、樹皮和火山巖混合物的三段式生物過濾器連續(xù)處理某煉油污水廠浮選池的惡臭廢氣，結(jié)果表明，空床停留時間66 s、非甲烷總烴、苯、甲苯及二甲苯的進口質(zhì)量濃度分別為5.1～1 081.8、0.1～328.8、0.2～91.8、0.2～48.2 mg/m3時，非甲烷總烴、苯、甲苯及二甲苯的平均去除率分別為79.7％、98.9％、98.8％、99.6％。

費麗[16]采用微生物菌種對生物膜填料塔進行掛膜作業(yè)，以低濃度甲醛廢氣為研究對象，對生物膜填料塔凈化甲醛廢氣進行了研究，考察了入口氣體甲醛濃度、氣體流量、循環(huán)液噴淋量各因素對甲醛凈化效率和生化去除量的影響，結(jié)果表明，隨著入口處氣體中甲醛濃度的增加，甲醛凈化效率呈下降趨勢，而生化去除率卻隨之增加；氣體流量增加時，甲醛凈化效率較穩(wěn)定，基本維持在65％左右，同時生化去除率隨之增加；當(dāng)液體噴淋量由10 L/h增至20 L/h時，甲醛凈化效率由40％左右增至約80％，再繼續(xù)增加液體噴淋量時，凈化效率的增加卻漸趨平緩；當(dāng)液體噴淋量增至40 L/h時，甲醛凈化效率則為90％左右；生化去除量隨著液體噴淋量的增加而增加，當(dāng)增至20 L/h時，增加趨勢增大。

2  生物過濾器動力學(xué)模型研究

生物過濾器通常最有利的處理條件是促進微生物數(shù)量積聚。在這過程中首先發(fā)生堵塞的地方是高生物量密集的圓柱入口處，微生物的積聚導(dǎo)致填料粒子空隙減少，堵塞溝渠，增加壓降[17]。近年來主要通過傳統(tǒng)的動力學(xué)模型來研究生物過濾器堵塞現(xiàn)象，主要有基質(zhì)降解動力學(xué)、微生物增長動力學(xué)、基質(zhì)降解與生物增長量、滲流理論等幾種模型。

HE等 [18]通過不同的包裝填料和圓錐型的設(shè)計來改進生物過濾器的設(shè)計，其中一個設(shè)計觀念包括利用異質(zhì)包裝系統(tǒng)在入口階段增加更多的生物學(xué)上活動的微粒，減少出口階段的小的活動微粒，這一改進更好地分配微生物的活動和污染物的降解，從而減少總的壓降；另一個設(shè)計觀念是利用幾何學(xué)上的圓錐型的生物過濾器代替慣例的圓柱型的過濾器，這種改變通過可組合的面積來抵消微生物活動的不均勻性，因而達到了生物過濾器壓力大小的一致性。MORGAN-SAGASTUME等[19]研究表明，生物過濾器總的壓降的增加能夠增加不同種類生物數(shù)量分布不均勻性，這種分配不均勻性更導(dǎo)致總的壓降的不均勻性，總壓降的不均勻性歸結(jié)于包裝填料的不均勻性，指明生物過濾器中均勻的微生物數(shù)量的分配能夠減少總的壓降。

有研究表明，由于填料中甲苯和二甲苯的比率不同，觀察到高的微生物繁殖是導(dǎo)致壓降過多下降的原因。認(rèn)為預(yù)防和補救生物過濾器堵塞，本質(zhì)上是防止微生物的過量積聚。也可以認(rèn)為，在生物過濾器中過多的生物數(shù)量與包裝填料、洗滌物、分解的化學(xué)藥品、控制限制性營養(yǎng)、顛倒氣流方向等無關(guān)。YANG等[20]創(chuàng)建了一個數(shù)學(xué)模型，運用滲流理論解釋生物過濾器的堵塞現(xiàn)象。滲流理論預(yù)測多孔滲水填料的個別氣孔在平均范圍內(nèi)堵塞的概率。應(yīng)用滲流理論的三大理由是：它描述堵塞的分布狀態(tài)和開放狀態(tài)，估計總水分損失，并預(yù)測比表面積和生物膜厚度的處理效率。JIN 等[21]的研究也表明，堆肥生物過濾器中氣態(tài)氨的移除與堆肥填料的含水率呈極顯著關(guān)系。

3  國內(nèi)外生物過濾器的應(yīng)用現(xiàn)狀

生物過濾器最早的研究報道是在1957年。美國人R.D.Paneray在1957年利用土壤微生物處理H2S廢氣并獲得了專利。D.A.Carlson在1966年運用土壤脫臭也取得了進展[22]。20世紀(jì)70 年代后各國在這個領(lǐng)域中進行了廣泛的研究，80 年代以來已有各類微生物除臭方法應(yīng)用于化工、石油、屠宰、污水處理中，并取得了明顯的效果。我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，20世紀(jì)80年代末、90年代初才開始這方面的實驗室研究。

王曉輝等 [23]用泥炭和接種活性污泥為填料的生物過濾器去除甲硫迷（DMS）惡臭氣體，微生物學(xué)分析表明，生物過濾器中去除DMS的優(yōu)勢種群是來源于活性污泥的非嗜酸化能自養(yǎng)型硫氧化菌。

馬梅榮等[24]初步探索了在城市生活垃圾堆肥廠采用生物除臭法的效果以及相關(guān)工藝參數(shù)，但這些研究都還僅僅局限于對某一單一環(huán)節(jié)的探索，并沒有進行系統(tǒng)化的深入研究。HONG等[25]研究了木屑生物膜處理H2S氣體，結(jié)果表明，木屑為載體固定微生物不需要長時間的掛膜時間，生物濾池啟動后的48 h內(nèi)H2S進氣質(zhì)量濃度迅速提高到641 mg／m3，H2S的去除率達到了100％。徐曉軍等 [26]用海藻酸鈉作為包埋劑固定優(yōu)勢菌種（枯草芽孢桿菌、白曲霉菌、葡萄球菌）處理NH3和H2S，考察了氣體流量、NH3和H2S氣體濃度、循環(huán)液噴淋量對NH3和H2S去除效果的影響，得出固定化生物滴濾反應(yīng)器最佳運行條件為氣體流量1.0 m3/h、循環(huán)液噴淋量8.88 L/h、進氣H2S質(zhì)量濃度低于51.85 mg/m3、進氣NH3質(zhì)量濃度低于57.21 mg/m3。

于非凡[27]用生物滴濾法處理低濃度H2S惡臭氣體，研究分析了噴淋水量、pH、停留時間對H2S去除率的影響，結(jié)果表明，當(dāng)進氣H2S質(zhì)量濃度小于30 mg/m3時，循環(huán)液pH在0.5～2.0、噴淋水量為10 L/h、氣體停留時間為30 s左右的條件下，H2S的去除率可以達100%。

4  結(jié)  語

近年來國內(nèi)外對生物過濾技術(shù)的研究比較活躍，主要研究方向為：提高微生物對有機污染物的降解速率，以便使生物過濾器的體積減小；改善過濾材料的物理性能和使用壽命，以節(jié)省基建投資和能耗；尋找最佳工藝條件并實現(xiàn)自動控制，以降低故障發(fā)生概率。然而，從近些年國內(nèi)外的眾多報道來看，雖然采用生物方法（如生物濾池、生物洗滌塔、生物反應(yīng)器等）消除惡臭氣體的工藝流程已基本成熟，同時也在諸多具體環(huán)節(jié)上取得了一定的研究成果，但綜觀這些研究的側(cè)重點以及該方法的整個發(fā)展現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)還有一些環(huán)節(jié)有待提高和優(yōu)化。

（1）在復(fù)合微生物菌劑的研究和開發(fā)方面，國內(nèi)外對生物除臭過程中微生物種群的比例、種間關(guān)系、變化規(guī)律等基礎(chǔ)研究較少，并且都只做了簡單的分離、鑒定、應(yīng)用實驗，而沒有對其種間關(guān)系、變化規(guī)律進行進一步的研究。所生產(chǎn)的菌劑主要是少數(shù)幾種微生物的簡單混合，沒有形成優(yōu)勢互補、生態(tài)關(guān)系穩(wěn)定、功能強大的菌群。

（2）在填料的選擇上過分沿襲了以前的傳統(tǒng)材料，吸附層主要為陶粒、活性污泥，堆肥等。雖然近年來也嘗試性地使用了纖維性材料，表現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性，但也僅僅局限用于單一除臭菌的反應(yīng)體系中；

（3）設(shè)施投入仍然偏大，位置固定，占地面積和重量大，使用不方便，運行費用高，在臭氣面源污染情況下使用受到很大限制。

（4）由于生物反應(yīng)器的吸附層層次太少，填料類型不夠豐富，生物多樣性貧乏，處理效果仍然較差。

（5）由于設(shè)施固定，填料更替時操作極不方便。

因此，要進一步提高生物除臭效率，應(yīng)當(dāng)在考慮臭源物質(zhì)的生物去除可能性和去除效率的基礎(chǔ)上，首先做好除臭生物馴化工作，然后進行工藝的革新，才能提高除臭效率。以后的研究重點一方面應(yīng)集中選育具有高效穩(wěn)定的除臭菌株、探索能處理復(fù)雜組分臭氣的復(fù)合菌體系，確定菌體最適生長繁殖的環(huán)境條件等參數(shù)，另一方面加強新型填料的選擇應(yīng)用以及對多吸附層、模塊化、重量小、可移動高效除臭生物反應(yīng)器系統(tǒng)的開發(fā)，以便靈活處理養(yǎng)殖企業(yè)和中小型廢物處理廠的惡臭氣體，解決空氣面源污染問題。

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