廢氣生物處理PPT課件VIP

.,1,第8章廢氣生物處理,2016.11.12,環(huán)境生物技術(shù)課件,第8章廢氣生物處理,.,2,本章內(nèi)容8.1廢氣生物處理原理8.2廢氣生物處理工藝8.3廢氣生物處理的影響因素8.4廢氣生物處理發(fā)展8.5含硫廢氣的生物處理8.6二氧化碳的生物處理8.7NOX的生物處理,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,3,8.1廢氣生物處理原理,氣態(tài)無機(jī)化合物如CO、CO2等碳氧化合物，NO等氮氧化合物，SO2等硫氧化合物以及H2S、NH3等無機(jī)物；氣態(tài)有機(jī)化合物如苯及其衍生物、酚及其衍生物、醇類、醛類、酮類、脂肪酸類等有機(jī)物。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,4,8.1.1概述,隨著有機(jī)合成工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，進(jìn)入大氣的化合物越來越多，這類氣態(tài)物質(zhì)往往帶有惡臭，且具有一定毒性，產(chǎn)生致癌、致畸、致突變的“三致”效應(yīng)。因此，廢氣治理是大氣污染控制過程中的一個重要環(huán)節(jié)。生物法處理廢氣的工業(yè)應(yīng)用最早始于美國，1957年P(guān)omeroyRD申請了利用土壤過濾裝置處理硫化氫的專利，并在美國加州的污水廠成功建立起第一套土壤生物過濾裝置；進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，廢氣生物處理技術(shù)在歐洲有了較快的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也由硫化氫等惡臭廢氣擴(kuò)展到控制揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatileorganiccompounds，VOCs)和其他有毒污染物廢氣；進(jìn)入21世紀(jì)，由于該技術(shù)本身具有的經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢和巨大的應(yīng)用潛力，關(guān)于其基礎(chǔ)和應(yīng)用研究依然非?；钴S。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,5,8.1.1概述,生物法凈化廢氣主要是利用微生物將廢氣中有機(jī)污染物及惡臭物質(zhì)降解及轉(zhuǎn)化為無害或低毒類物質(zhì)。同常規(guī)的處理方法相比，生物凈化法具有設(shè)備簡單、處理效果好、無二次污染、安全性好、投資運(yùn)行費(fèi)用低、易于管理等優(yōu)點(diǎn)，尤其在處理低濃度、生物可降解性好的氣態(tài)污染物時顯得更加經(jīng)濟(jì)可行。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,6,8.1.2廢氣生物凈化原理,在廢氣的生物凈化過程中，氣態(tài)污染物首先要從氣相轉(zhuǎn)移到液相或固相表面的液膜中，然后才能被液相或固相表面的微生物吸附并降解。荷蘭科學(xué)家Ottengraf等在Jennings的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了目前世界上影響較大的生物膜理論(圖8-1)，該理論觀點(diǎn)認(rèn)為廢氣生物凈化一般要經(jīng)歷以下幾個步驟：廢氣中的污染物首先同水吸收劑或吸附劑接觸并溶解(吸附)于吸收劑或吸附劑中(即由氣膜擴(kuò)散進(jìn)入液膜或固相)；溶解于液膜中(或吸附與固相)的污染物在濃度差的推動下進(jìn)一步擴(kuò)散到生物膜，進(jìn)而被其中的微生物捕獲并吸收；微生物將污染物轉(zhuǎn)化為生物量、新陳代謝副產(chǎn)物或者二氧化碳(CO2)和水(H2O)；反應(yīng)產(chǎn)物CO2從生物膜表面脫附并反擴(kuò)散進(jìn)入氣相，而H2O則被保持在生物膜內(nèi)。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,7,8.1.2廢氣生物凈化原理,廢氣生物凈化過程是人類對自然過程的強(qiáng)化和工程控制，其過程速率取決于：氣相向液相、固相的傳質(zhì)速率(與污染物的理化性質(zhì)和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān))；能起降解作用的活性生物質(zhì)量；生物降解速率(與污染物的種類、生物生長環(huán)境條件、抑制作用等有關(guān))。其中，傳質(zhì)速率和生物降解速率決定了廢氣生物凈化的整體處理效果。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,8,8.1.3廢氣生物處理的微生物,不同的氣態(tài)污染物都有其特定的適宜處理的微生物群落，能進(jìn)行氣態(tài)污染物降解的微生物可分為自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌兩類。自養(yǎng)菌可以在無有機(jī)碳和氧的條件下，利用光能氧化氨、硫化氫、鐵離子等獲得必要能量，生長所需的碳則由CO2、CO、CO3-中的碳素提供，它特別適合于無機(jī)物的轉(zhuǎn)化。但是由于自養(yǎng)菌的新陳代謝活動較慢，導(dǎo)致其生長速率也非常慢，在濃度不高的脫臭場合仍然有一定的使用價值，如采用硝化、反硝化及硫酸菌等去除濃度不高的臭味氣體NH3、H2S等。異養(yǎng)菌是通過有機(jī)化合物的氧化代謝來獲得營養(yǎng)物質(zhì)和能量，在適當(dāng)?shù)臏囟取H值和氧條件下，它們能較快地完成污染物的降解。因此，這類微生物多用于有機(jī)廢氣的凈化處理。目前適合生物處理的氣態(tài)有機(jī)污染物主要有乙醇、硫醇、酚、甲酚、脂肪酸、乙醛、酮和氨等。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,9,8.1.3廢氣生物處理的微生物,微生物對有機(jī)物不僅有獨(dú)立的氧化作用，而且還有協(xié)同氧化作用(共代謝)。例如，以甲苯作為唯一碳源的微生物，當(dāng)有其他碳源存在時對甲苯的降解速率比單一甲苯存在時要快。同廢水生物處理一樣，不同的待處理成分都有特定合適的微生物群落，在某些情況下，起凈化作用的多種微生物在相同條件下均可正常繁殖。因此在一套裝置內(nèi)可同時處理含多種成分的氣體。表8-1是已經(jīng)篩選到的針對一些典型氣態(tài)污染物的降解菌種。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,10,8.1.3廢氣生物處理的微生物,通常，用于接種的微生物菌種可以是活性污泥，也可以是專門馴化培養(yǎng)的純種微生物或人為構(gòu)建的復(fù)合微生物菌群。針對較難生物降解的物質(zhì)，選育優(yōu)異菌種并優(yōu)化其生存條件是前廢氣生物凈化的主要研究方向之一。真菌是典型的氣生型微生物，具有較大的比表面積，對干燥環(huán)境或強(qiáng)酸環(huán)境具有較強(qiáng)的耐受能力，因此真菌有可能成為廢氣生物處理過程中更具有廣闊前景的菌類，尤其是對于疏水性VOCs表現(xiàn)出更好的去除效果?；诰N的代謝特性，人為構(gòu)建生態(tài)結(jié)構(gòu)合理的復(fù)合微生物菌群，對縮短反應(yīng)器的啟動周期、提高接種微生物的競爭性和保持反應(yīng)器持續(xù)高效性具有重要意義。此外，為了提高篩選到菌株的降解性能，利用現(xiàn)代生物技術(shù)改造目的微生物也是提高廢氣生物凈化效率的一個途徑。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,11,8.1.4廢氣生物處理的填料,填料作為微生物的載體，是廢氣生物處理裝置的核心組件，其性能直接影響微生物的附著、系統(tǒng)的運(yùn)行效果等。高效生物填料應(yīng)具有以下特性：接觸比面積大，有一定的孔隙率，微生物代謝產(chǎn)物容易清除，能為微生物提供最佳的營養(yǎng)、溫度、pH等生長因素，耐腐蝕和不易分解腐爛，有足夠的物理強(qiáng)度和較低的填充密度等。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,12,8.2廢氣生物處理工藝,廢氣的生物處理，按系統(tǒng)中微生物的存在形式可分為懸浮生長系統(tǒng)和附著生長系統(tǒng)。懸浮生長系統(tǒng)是指微生物及其營養(yǎng)物質(zhì)存在于液體中，氣相中的污染物通過與懸浮液接觸后轉(zhuǎn)移到液相，從而被微生物降解，其典型的工藝有生物吸收法、生物洗滌法。而在附著生長系統(tǒng)中，微生物附著生長于固體介質(zhì)表面，廢氣通過由過濾介質(zhì)構(gòu)成的固定床層時，被吸附、吸收，最終被微生物降解，其典型的工藝有微生物過濾法。生物滴濾法的原理幾乎與生物過濾法相同，唯一不同的是采用連續(xù)噴淋的方式給填料層提供所需的無機(jī)營養(yǎng)，因此生物過濾法同時具有懸浮生長系統(tǒng)和附著生長系統(tǒng)的特性。近年來，出現(xiàn)一些新穎的廢氣生物處理法，如膜生物法、轉(zhuǎn)鼓生物過濾法、兩相分離生物法等，受到了研究者的廣泛關(guān)注。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,13,8.2廢氣生物處理工藝,8.2.1生物吸收法生物吸收法(bio-absorptionprocess)是利用由微生物、營養(yǎng)物和水組成的微生物混合液作為吸收液，吸收廢氣中可溶性的氣態(tài)污染物，然后將吸收了廢氣的微生物混合液進(jìn)行好氧處理，去除液體中吸收的污染物，經(jīng)處理后的吸收液再重復(fù)使用。典型的生物吸收法由吸收和再生兩個流程組成，如圖8-2所示。吸收可采用各種常用的吸收設(shè)備，如噴淋塔、篩板塔、鼓泡塔等，再生則通常在生物反應(yīng)器中進(jìn)行。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,14,8.2.1生物吸收法通常，若氣相阻力較大可用噴淋法，反之液相阻力較大則用鼓泡法。鼓泡與廢水生物處理技術(shù)中的氣相似，廢氣從池底通入，與新鮮的生物懸浮液接觸而被吸收。因此，生物吸收法也可分為洗滌式和曝氣式兩種。日本一鑄造廠采用生物吸收法處理含胺、酚和乙醛等污染物的氣體，工藝采用兩段吸收塔，裝置運(yùn)行十多年來一直保持較高的去除率(高于95)。德圍開發(fā)的二級洗滌脫臭裝置臭氣從上而下經(jīng)過二級洗滌，濃度從2100mgL下降至50mgL，且運(yùn)行費(fèi)用極低。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,15,8.2.2生物洗滌法生物洗滌器(bioscrubber)實(shí)際上是一個懸浮活性污泥處理系統(tǒng)，它是將微生物及其營養(yǎng)物質(zhì)溶解于液體中，氣體中的污染物通過與懸浮液接觸后轉(zhuǎn)移到液體中而被微生物降解(圖8-3)。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,16,8.2.3生物過濾法生物過濾(biofihration)是一種利用吸附性濾料作為生物填料的廢氣凈化方法，它的工藝流程如下：具有一定溫濕度的有機(jī)廢氣進(jìn)入生物過濾塔，通過0.5lm厚的生物活性填料層，有機(jī)污染物從氣相轉(zhuǎn)移到生物層，進(jìn)而被氧化分解(圖8-4)。生物濾池的填料層是具有吸附性的濾料(如土壤、堆肥、活性炭等)。生物濾池因其較好的通氣性和適度的通水與持水性，以及豐富的微生物群落，能有效地去除烷烴類化合物，而丙烷、異丁烷、對酯及乙醇等生物易降解物質(zhì)的處理效果更佳。生物過濾的特點(diǎn)是生物相和液相均不流動，氣-液接觸面大，啟動運(yùn)行容易，操作簡單，運(yùn)行費(fèi)用低，不產(chǎn)生二次污染，但反應(yīng)條件不易控制，易堵塞、氣體短流、溝流，占地多，且對進(jìn)氣負(fù)荷變化適應(yīng)慢等。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,17,8.2.3生物過濾法生物過濾填料取材更趨廣泛，改性硅藻土、沸石、泥炭、黏土陶粒、珍珠巖、貝殼、植物碎屑、植物纖維、石灰石、谷殼等均被用作填料使用。這些填料不僅使用壽命長，而且具有較高的微生物容納能力，克服了占地面積大、易堵塞、影響傳質(zhì)效果等缺點(diǎn)。陶佳等采用自行開發(fā)的棕纖維復(fù)合填料處理魚粉廠生產(chǎn)廢氣，處理系統(tǒng)在9d內(nèi)就完成掛膜，當(dāng)停留時間為20s，三甲胺和臭氣的平均去除率分別達(dá)到了91.98和98.70，且系統(tǒng)的壓降明顯小于純泥炭的生物過濾系統(tǒng)。王家德等針對傳統(tǒng)生物濾料釋放養(yǎng)料較快的缺點(diǎn)，利用浸漬法制備了緩釋填料，這種填料具有營養(yǎng)豐富、阻力系數(shù)低、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，并且所含的營養(yǎng)成分釋放緩慢，有利于生物過濾裝置長期穩(wěn)定高效地運(yùn)行。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,18,8.2.3生物過濾法生物過濾法已經(jīng)成功用于化工廠、食品廠、污水處理廠等的廢氣凈化和脫臭。例如，處理含H2S50mgm3、CS2150mgm3的聚合反應(yīng)廢氣，在高負(fù)荷下H2S的去除率可達(dá)99；處理食品廠高濃度的惡臭廢氣，脫臭率可達(dá)95。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,19,8.2.4生物滴濾法生物滴濾法(biotricklingfilter)是一種介于生物過濾法和生物洗滌法之間的處理方法。生物滴濾法的床層填料多為惰性物質(zhì)(如陶瓷、塑料等)，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和孔隙率。更適合凈化負(fù)荷較高的廢氣。同時生物滴濾采用連續(xù)噴淋，擴(kuò)大了生物法處理有機(jī)廢氣的應(yīng)用范圍。生物滴濾法處理的有機(jī)廢氣主要有烷烴、烯烴、醇、酮、酯、單環(huán)芳烴、鹵代烴等。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,20,8.2.4生物滴濾法生物滴濾法常采用兩種進(jìn)氣方式：水氣逆流和水氣并流，反應(yīng)器內(nèi)附著微生物的填料，為微生物的生長、污染物質(zhì)的降解提供了條件。對填料的選擇比較嚴(yán)格。傳統(tǒng)的生物滴濾填料有卵石、粗碎石、木炭、陶粒、火山巖等，隨后出現(xiàn)了一些塑料、不銹鋼等材質(zhì)的填料，如聚丙烯小球、不銹鋼拉西環(huán)、碳素纖維、海綿等，這些填料均具有多孔、結(jié)構(gòu)疏松且材料呈惰性等特點(diǎn)。Hartmans、Diks等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣速145156mh，進(jìn)氣二氯甲烷濃度為0.71.8gm3時，二氯甲烷的去除率為8095。Chen等采用泡沫聚氨酯作為生物滴濾中試裝置的填料處理高濃度H2S，去除率可達(dá)90以上。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,21,8.2.5新型廢氣生物處理法(1)膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器(membranebioreactor)的氣流和液流分別位于纖維素膜的兩側(cè)，在液相面的纖維素膜上形成生物膜(圖8-6)，其比表面積大、生物量高，可清除過量的生物量以防堵塞，同時可向流動的液相添加pH緩沖劑、營養(yǎng)物質(zhì)、共代謝物及其他促進(jìn)劑，也可排除有毒或抑制性的產(chǎn)物，保持較高的微生物活性。膜反應(yīng)器可在較大范圍內(nèi)對氣、液實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，膜基吸收只需要用低壓作為推動力，保持氣、液兩相的獨(dú)立，形成穩(wěn)定的接觸界面。膜反應(yīng)器幾乎可以對絕大部分的常規(guī)氣體進(jìn)行吸收與解吸。各種膜分離過程的分離機(jī)制有孔徑篩分、溶解-擴(kuò)散和靜電作用這三種。膜生物反應(yīng)器是利用不同氣體分子的溶解擴(kuò)散速度不同來達(dá)到分離氣體的目的。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,22,8.2.5新型廢氣生物處理法生物膜法降解有機(jī)廢氣的過程，不僅僅是簡單的物理吸收過程。在膜生物反應(yīng)器內(nèi)，液相中帶有大量的微生物，當(dāng)有機(jī)體通過膜材料時，就會被懸浮在液相或附著在生物膜的微生物降解成CO2、H2O和其他物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為生物體自身生長所需要的養(yǎng)分。優(yōu)點(diǎn)：膜作為分離氣相和液相的界面，提供了大的比表面積，其氣液接觸面比其他類型的反應(yīng)器要大，能更有效地去除不易溶于水的氣體污染物；膜生物反應(yīng)器中由于膜的分離作用可在很寬的范圍內(nèi)對氣體、液體流動進(jìn)行單獨(dú)控制，提高抗沖擊負(fù)荷能力，避免了泛沫、泛液等問題；膜生物反應(yīng)器對微生物的保護(hù)作用比其他類型的生物反應(yīng)器更強(qiáng)，如在去除N2O時，膜能阻隔汽車尾氣中的重金屬離子對微生物的侵襲；膜生物反應(yīng)器中活性微生物的濃度更高，能有效提高有機(jī)廢氣的處理量，大大減少污泥排放量。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,23,(2)轉(zhuǎn)動式生物濾床轉(zhuǎn)動式生物濾床（rotatingdrumbiofilter，RDB)由生物轉(zhuǎn)盤廢水處理技術(shù)演變而來。該裝置由密封外殼、內(nèi)置生物填料轉(zhuǎn)鼓和營養(yǎng)液槽三個部分構(gòu)成(圖8-7)。該工藝運(yùn)用于有機(jī)廢氣的治理已初見成效，并在美國建成了工業(yè)化中試裝置。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,24,(3)兩相分離生物反應(yīng)器為了強(qiáng)化疏水性有機(jī)廢氣的氣液傳質(zhì)過程，研究者提出了基于“油-水相的兩相分離生物反應(yīng)器。通過在反應(yīng)體系中加入非水相油相可以有效克服有機(jī)廢氣組分在氣相、水相和微生物相之間的傳質(zhì)障礙，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣的高效凈化(圖8-8)。兩相分離生物反應(yīng)器的該項(xiàng)功能無疑使其具備相比傳統(tǒng)反應(yīng)器更高的去除負(fù)荷。由于具備生物相容性好、生物可降解性低、疏水性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性高、難揮發(fā)、無臭味和對目標(biāo)物親和性高等特點(diǎn)，硅油作為非水相體系在兩相分離生物反應(yīng)器中的應(yīng)用研究常有報道。研究者研究發(fā)現(xiàn)在生物攪拌器和生物滴濾塔中各加入10硅油后，二氯甲烷去除負(fù)荷分別由117g(m3h)和160g(m3h)提高至350g(m3h)和200g(m3h)。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,25,8.3廢氣生物處理的影響因素由于廢氣生物處理主要是利用微生物的新陳代謝作用使污染物轉(zhuǎn)化為簡單的無機(jī)物或細(xì)胞自身組成物質(zhì)，因此微生物的活性決定了反應(yīng)器的性能。廢氣與廢水處理技術(shù)的最大區(qū)別在于，有機(jī)物首先必須由氣相擴(kuò)散進(jìn)入液相，然后才能被微生物吸附降解(圖8-9)，整個過程影響因素較多而且比較復(fù)雜。這些因素包括濕度、pH、溫度、氧含量等。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,26,8.4有機(jī)廢氣生物處理發(fā)展8.4.1微生物凈化有機(jī)廢氣有機(jī)廢氣的生物處理所面臨的問題日益凸顯：傳統(tǒng)的廢氣生物凈化技術(shù)還只限于處理低濃度且組成簡單的有機(jī)廢氣；有機(jī)廢氣流量和濃度波動較大時，容易造成廢氣在設(shè)備內(nèi)的停留時間不夠，處理效率降低；廢氣中的顆粒物在濾床中積累過多，易造成濾床堵塞，阻力增大；適合于特定有機(jī)物降解的細(xì)菌種類和接種方法有待進(jìn)一步研究與開發(fā)，目前能用生物法處理的有機(jī)廢氣幾乎都是親水性或易生物降解的，對于疏水性或難降解廢氣的處理能力差。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,27,8.4.1微生物凈化有機(jī)廢氣采用預(yù)處理一生物凈化組合工藝來處理工業(yè)有機(jī)廢氣，特別是廢氣中含有濃度較大且可生化性較差的組分時預(yù)處理技術(shù)就顯得尤為重要。常見的預(yù)處理技術(shù)主要有物理技術(shù)(主要是吸附、吸收、冷凝等)和化學(xué)技術(shù)(主要是高級氧化技術(shù)等)。典型的工藝流程包括吸收-生物過濾、冷凝-生物過濾和高級氧化-生物過濾組合工藝等(圖8-10)，適用于醫(yī)藥化工、石油石化、制革、油漆噴涂等.高級氧化技術(shù)因而成為了生物凈化的預(yù)處理技術(shù)的備選技術(shù)之一。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,28,8.4.1微生物凈化有機(jī)廢氣紫外線氧化是高級氧化技術(shù)的典型技術(shù)，它與生物凈化相結(jié)合用于廢水的處理已有20多年的歷史，但其應(yīng)用于廢氣治理仍是一個相對新的研究領(lǐng)域。Koh等利用該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對難降解-蒎烯的有效去除，指出兩種技術(shù)的組合有利于減小各反應(yīng)單元的體積，特別適于低水溶性、難生物降解VOCs的處理。Mohseni和Zhao對比了有/無紫外線氧化預(yù)處理的生物過濾系統(tǒng)對二甲苯的去除效果，其中組合系統(tǒng)在20g/m3h)進(jìn)口負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)了對二甲苯的完全去除，而單一生物過濾系統(tǒng)在15g(m3h)較低的負(fù)荷下運(yùn)行，出氣中仍能檢測到目標(biāo)污染物；組合系統(tǒng)較好的運(yùn)行效果歸因于紫外線將二甲笨轉(zhuǎn)化成了水溶性較好的易降解中間產(chǎn)物及過濾系統(tǒng)中較高的生物量和活性。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,29,8.4.2植物凈化有機(jī)廢氣植物凈化是一種經(jīng)濟(jì)、有效的環(huán)境污染凈化方式，具有操作簡單、成本低等特點(diǎn)。綠色植物能有效控制一些物理性和化學(xué)性大氣污染，并對空氣中病原體附著在塵?；蝻w沫上隨氣流移動進(jìn)行有效阻止，而且植物的分泌物具有殺菌作用，可減輕生物性大氣污染。植物凈化大氣污染的主要過程是持留和去除。植物對污染物的持留主要發(fā)生在地上部分表面，是一種物理過程，其與植物表面的結(jié)構(gòu)如葉片心態(tài)、粗糙程度、葉片著生角度和表面分泌物等有關(guān)。研究表明，植物是從大氣中清除多環(huán)芳烴(PAH)等親脂性有機(jī)污染物的最主要途徑，其吸附過程是清除的第一步。植物降解是指植物通過代謝過程來降解污染物或通過植物自身的物質(zhì)如酶類來分解植物體內(nèi)外來污染物。植物凈化是最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的綠色“空氣凈化器”。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,30,8.4.3有機(jī)廢氣生物凈化的研究熱點(diǎn)有機(jī)廢氣生物處理是一項(xiàng)新的技術(shù)，有關(guān)的理論研究及實(shí)際應(yīng)用還不夠深人，需要從以下幾方面進(jìn)行探索和研究。(1)反應(yīng)動力學(xué)模式研究廢氣生物凈化過程涉及氣液傳質(zhì)和生化降解兩個步驟。對于疏水性有機(jī)組分，主要的控速步驟是氣液傳質(zhì)；而對于難生物降解的有機(jī)組分，主要的控速步驟為生化降解反應(yīng)。通過反應(yīng)機(jī)制的研究，找出決定反應(yīng)速率的內(nèi)在依據(jù)，并對模型進(jìn)行完善，揭示廢氣組分在不同反應(yīng)器內(nèi)的去除行為，以便更有效地調(diào)控反應(yīng)速率，提高污染物在生物反應(yīng)器中的凈化效率。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,31,8.4.3有機(jī)廢氣生物凈化的研究熱點(diǎn)(2)填料特性研究填料的比表面積、孔隙率與單位體積填充量不僅與生物量有關(guān)，還直接影響著整個床層的壓降、堵塞等。有資料表明，填料對分配系數(shù)有較大的影響，Hodge等用生物濾池處理乙醇蒸氣時，發(fā)現(xiàn)顆?；钚蕴孔魈盍蠒r污染物的分配系數(shù)是以堆肥作填料時的2.53倍。對填料進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠H水與生物親和改性，能夠大大提高填料的傳質(zhì)性能、掛膜性能和廢氣處理效果。經(jīng)過改進(jìn)的大孔徑的發(fā)泡聚氨酯(圖8-11)作為填料處理揮發(fā)性有機(jī)污染物和惡臭物質(zhì)，處理效果比普遍填料好，從而得到更多的實(shí)際應(yīng)用。陶粒、聚氨酯、聚乙烯等合成材料的力學(xué)性能往往優(yōu)于天然材料，通過改變和控制生產(chǎn)工藝，可以控制填料的形狀、孔徑、粒徑、孔隙率等，得到的填料更具保水性，其孔徑和孔隙率也更適合微生物附著生長，更有利于與污染物的充分接觸，提高處理效果。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,32,8.4.3有機(jī)廢氣生物凈化的研究熱點(diǎn)（3）動態(tài)負(fù)荷研究目前，絕大多數(shù)研究報道中采用的是單一組分(或幾個簡單組分組合)氣體作為實(shí)驗(yàn)對象，氣體負(fù)荷的變化是非常有順序的、平穩(wěn)的，氣速波動不大。而對于非常態(tài)負(fù)荷氣流、組分復(fù)雜混合廢氣的研究較少。在實(shí)際工程應(yīng)用中，氣速和負(fù)荷都是隨時變化的，因此，動態(tài)負(fù)荷研究具有實(shí)際意義。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,33,8.5含硫廢氣的生物處理熱電、煤化工、橡膠再生、污水處理及城市垃圾處理等工業(yè)過程會產(chǎn)生許多含硫廢氣。含硫廢氣的種類很多，典型的代表為二氧化硫、硫化氫、二硫化碳、硫醇、硫醚等。目前，凈化二氧化硫、硫化氫等廢氣的物理和化學(xué)方法已比較成熟，根據(jù)凈化方法的特點(diǎn)，主要有吸收、氧化等。這些方法雖然脫硫效果較好，資源化程度小，而且對設(shè)備有腐蝕，存在二次污染問題。微生物脫硫技術(shù)的開發(fā)，可以很好地解決傳統(tǒng)物理化學(xué)處理方法存在的弊端。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,34,8.5.1脫硫微生物脫硫微生物是在需氧條件下能夠氧化Fe2+、S和無機(jī)硫化物，并將還原性硫化物氧化為SO4-，使環(huán)境變酸，并放出能量。至今人們已發(fā)現(xiàn)的具有脫硫能力的微生物約有十幾種，如氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫桿菌、光合硫細(xì)菌以及真菌等。(1)異養(yǎng)型的硫氧化菌異養(yǎng)型的硫氧化菌分布很廣，包括許多土壤細(xì)菌、放線菌和真菌，它們都是以氧化態(tài)的含硫化合物作為電子受體，最終生成硫單質(zhì)。(2)自養(yǎng)型硫氧化菌自然界中大部分硫氧化菌屬于化能自養(yǎng)型，主要可分為三大類：絲狀硫細(xì)菌、光合硫細(xì)菌和無色硫細(xì)菌。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,35,8.5.2含硫污染物的脫硫機(jī)制含硫污染物主要包括二氧化硫、硫化氫、甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基亞砜等，它們在微生物的代謝下，大部分S元素都轉(zhuǎn)化為單質(zhì)S或SO42-。生物降解含硫污染物的過程可以歸納為以下幾個步驟進(jìn)行(如圖8-12所示)：氣態(tài)污染物與吸收液接觸，由氣相轉(zhuǎn)移至液相，液相含硫物質(zhì)經(jīng)生物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)S或SO42-，轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生能量為微生物的生長與繁殖提供能源。生物降解過程中，S元素一部分轉(zhuǎn)化成為硫黃顆粒，一部分則轉(zhuǎn)化為硫酸鹽溶解于噴淋液中，此過程遵循能量守恒定律。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,36,8.5.3生物脫硫技術(shù)(1)煙氣生物脫硫(Bio-FGD)煙氣中硫主要以SO2形式存在。根據(jù)圖8-12，煙氣中的SO2通過水膜除塵器或吸收塔溶解于堿轉(zhuǎn)化為亞硫酸鹽、硫酸鹽；在厭氧環(huán)境及有外加碳源的條件下，硫酸鹽還原菌將亞硫酸鹽、硫酸鹽還原成硫化物；然后再在好氧條件下通過好氧微生物的作用將硫化物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫，從而將硫從系統(tǒng)中去除。因此，煙氣生物脫硫過程分為兩個階段：SO2的吸收過程和含硫吸收液的生物脫硫過程。1992年，荷蘭HTSE&E公司和Paques公司開發(fā)的煙道氣生物脫硫工藝。(2)天然氣生物脫硫(Bio-SR)天然氣和沼氣中硫主要以硫化氫形式存在。硫化氫通過化學(xué)吸收塔被硫酸鐵氧化為單質(zhì)硫回收，硫酸鐵則還原為硫酸亞鐵；亞鐵在氧化亞鐵硫桿菌作用下被氧化為三價鐵，獲得再生的硫酸鐵繼續(xù)氧化吸收硫化氫，在1984年最初由日本DowaMining公司開發(fā)成功。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,37,8.6CO2的生物處理大氣“溫室效應(yīng)”與全球變暖將是21世紀(jì)全人類所面臨的最大環(huán)境問題。其中，CO2是對“溫室效應(yīng)”影響最大的氣體，占總效應(yīng)的49。由于，工業(yè)的急速發(fā)展和人口的迅猛增加，CO2的體積分?jǐn)?shù)已由工業(yè)革命前的2.80X10-4增加到現(xiàn)在的3.60X10-4，其濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了自然生態(tài)系統(tǒng)所能承受的能力。近年來，能源緊張，資源短缺，環(huán)境污染嚴(yán)重，世界各國都在探索解決上述問題的途徑，因此，CO2的固定在環(huán)境、能源方面具有極其重要的意義。目前CO2的固定方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法，而大多數(shù)物理和化學(xué)方法最終必須依賴生物法來固定CO2。大氣中游離的CO2主要通過陸地、海洋生態(tài)環(huán)境中的植物、自養(yǎng)微生物等的光合作用或化能作用來實(shí)現(xiàn)分離和固定，維持整個生物圈的碳循環(huán)。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,38,8.6CO2的生物處理8.6.1植物固定CO2高等植物固定CO2的生化途徑有3種，即卡爾文循環(huán)(C3途徑)、四碳二羧酸途徑(C4途徑)和景天科植物酸代謝途徑(CAM途徑)，并以此將高等植物分為C3、C4和CAM植物。8.6.2微生物固定CO2固定CO2的微生物：光能自養(yǎng)型微生物主要包括微藻類和光合細(xì)菌，它們都含葉綠素，以光為能源、CO2為碳源合成菌體組成物質(zhì)或代謝產(chǎn)物；化能自養(yǎng)型微生物以CO2為碳源，能源主要有H2、H2S、S2O32-、NH4+、NO2-及Fe2+等還原態(tài)無機(jī)物質(zhì)。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,39,8.6CO2的生物處理由于微藻(包括藍(lán)細(xì)菌)和氫細(xì)菌具有生長速率快、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對它們固定CO2的研究及開發(fā)較為廣泛、深入。利用微藻固定CO2的光生物技術(shù)被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)高效的新方法。培養(yǎng)微藻不僅可獲得藻生物體，同時還可以產(chǎn)生氫氣和許多附加值很高的胞外產(chǎn)物(蛋白質(zhì)、類胡蘿卜素等)，是精細(xì)化工和醫(yī)藥開發(fā)的重要資源。氫氧化細(xì)菌是生長速率最快的自養(yǎng)菌，作為化能自養(yǎng)菌固定CO2的代表，引起了人們的高度重視。目前已發(fā)現(xiàn)的氫氧化細(xì)菌有18個屬，近40個種。Igarashi和Nishibara等篩選的噬氫假單胞菌(Pseudomonashydrogenovora)和海洋氫弧菌(Hydrogenovibriomarinus)在固定CO2的同時還可分別積累大量的胞外多糖和胞內(nèi)糖原型多糖。自養(yǎng)微生物固定CO2的途徑除了卡爾文循環(huán)外，還有三羧酸循環(huán)、乙酰輔酶A途徑和甘氨酸途徑。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,40,8.6.3生物固定CO2的發(fā)展趨勢今后微生物固定CO2的研究方向主要是：利用基因工程技術(shù)構(gòu)建高效固定CO2的菌株；開發(fā)具有高光密度的光生物反應(yīng)器；高效且經(jīng)濟(jì)的固定CO2制氫技術(shù)，進(jìn)一步深入研究不同種類微生物固定CO2的機(jī)制，為CO2固定反應(yīng)的調(diào)控提供理論依據(jù)等。在微生物固定CO2機(jī)制方面，還需做許多大量深入細(xì)致的研究工作，但可以預(yù)見的是，利用微生物分離固定CO2，開發(fā)CO2作為潛在資源轉(zhuǎn)化為甲烷、丙烷、甲醇等的技術(shù)手段，是21世紀(jì)環(huán)境工程防治大氣“溫室效應(yīng)”、實(shí)現(xiàn)CO2資源化的有效途徑，應(yīng)用前景廣闊。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,41,8.7NO的生物處理氮氧化物(NO)是重要的空氣污染物，它是誘發(fā)光化學(xué)煙霧和酸雨的主要物質(zhì)之一。自然來源包括火山爆發(fā)、雷電和細(xì)菌活動等。人為來源主要是工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)各種燃料的燃燒，另外，硝酸、氮肥、炸藥、燃料等的生產(chǎn)過程排出的廢氣中也含有大量的NO。NO是指NO、N2O、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等氮氧化物總稱，其中，對人體危害較大的是NO和NO2。用微生物進(jìn)行廢氣脫NO是近年來的研究熱點(diǎn)，它能有效脫除廢氣中的NO，并且具有生物凈化法的優(yōu)點(diǎn)，工藝設(shè)備簡單、能耗低、處理費(fèi)用少、無二次污染等。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,42,8.7.1生物法處理NOx的原理(1)NO的生物凈化機(jī)制因?yàn)镹O具有不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且溶解度小的特點(diǎn),亨利系數(shù)17.331.4Pa(030)，它在反應(yīng)器中可能的降解途徑有兩條：一是NO溶解于水；二是被反硝化細(xì)菌及固相載體吸附，然后在反硝化細(xì)菌中被氧化氮還原酶作用還原為N2。(2)NO2的生物凈化機(jī)制NO2與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為NO3-、NO2-和NO，然后通過硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶和氯化氮還原酶的生化反應(yīng)過程。還原為N2。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,43,8.7.2降解NOx的主要微生物(1)反硝化細(xì)菌反確化細(xì)菌可分為異養(yǎng)反硝化細(xì)菌和自養(yǎng)反硝化細(xì)菌。其中。異養(yǎng)反硝化細(xì)菌數(shù)量最多，包括無色桿菌屬(Achromobacter)、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligebes)、桿菌屬(Bacillus)、黃單胞菌屬(Xanthomonas)等，以有機(jī)物為電子供體，以NO3-、NO2-和NO為電子受體，進(jìn)行缺氧呼吸，氧化有機(jī)物來獲取生長所需的能量。將NO3-、NO2-和NO還原為N2，同時生成與好氧呼吸相比相對比較少的ATP和生物質(zhì)。自養(yǎng)反硝化細(xì)菌包括專性自養(yǎng)反硝化細(xì)菌和兼性自氧反硝化細(xì)菌，如硫桿菌屬(Thiobacillus)中的脫氮硫桿菌(T.deniftrificans)，以無機(jī)質(zhì)如H2、H2S、S、亞硫酸鹽等為電子供體，以NO3-、NO2-和NO為電子受體，以無機(jī)碳為碳源，將NO3-、NO2-和NO還原為N2。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,44,8.7.2降解NOx的主要微生物(2)硝化細(xì)菌硝化過程處理NOx是在亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌的作用下，以氧為最終電子受體，氧化無機(jī)物質(zhì)獲得能量，以CO2為碳源合成細(xì)胞物質(zhì)，將NOx氧化為NO3-。因此,硝化細(xì)菌為專性好氧自養(yǎng)菌。整個硝化過程一般分為兩個階段：第一階段由亞硝化細(xì)菌(Nitrosomonas)將NOx轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，亞硝化細(xì)菌包括亞硝化單胞菌屬(Nitrosmonas)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)、亞硝化螺菌屬(Nitrosospim)和亞硝化葉菌屬(Nitrosolobus)等；第二階段由硝化細(xì)菌(Nitrobacter)將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。硝化細(xì)菌包括硝化桿菌屬(Nitrobacter)、硝化刺菌屬(Nitrospina)、硝化球菌屬(Nitrosococcus)等。,環(huán)境生物技術(shù)課件,.,45,8.7.2降解NOx的主要微生物(3)真菌真菌在空氣中會生成菌絲，向四周分布呈絲網(wǎng)，大氣相污染物與菌體的接觸面積，更好地完成傳質(zhì)過程，適合NO這類難溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)化。但多數(shù)真菌由于缺乏N2O還原酶，反硝化產(chǎn)物主要是N2O。如與細(xì)菌共同反硝化，則可生成N2。真菌和細(xì)菌混合培養(yǎng)協(xié)同反硝化可相互促進(jìn)，提高脫氮率，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。近來有研究表明，腐皮鐮刀菌(Fusariumsolani)、柱孢菌(Cylindrocarpontonkinese)和毛殼菌屬(Chaetomiumsp)反硝化的最終產(chǎn)物為N2，而且少數(shù)真菌能與其他微生物共