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摘要：本文针对VOCs废气处理过程中引入微生物处理等技术内容进行讨论，从而分析微生物处理技术对于VOCs废气处理所起到的作用和影响。同时，还就使用微生物处理技术的工艺流程、设备材料以及对应的处理装置等内容进行阐述，以进一步明确微生物处理技术对于废气处理所起的作用及其未来发展趋势，从而为石油、化工以及印刷业等相关的行业的VOCs废气处理提供一定的参考。
关键词：微生物处理技术；VOCs废气处理；研究与分析
一、关于VOCs和微生物处理技术
VOCs也就是化工、印刷以及有机合成等企业生产过程中产生的一种具有挥发性的有机物。随着我国工业化程度的深入，VOCs废气的排放已成为环境污染的主要构成因素，而且VOCs废气不仅仅存在于基本的生产中，在进行运输过程中也有它的身影。它的种类繁杂而且有些品种的废气具有一定的毒性，甚至会导致人体出现癌变，严重威胁着人们的身体健康和安全。通过对VOCs废气处理的不断实践和总结，研究者们发现了一种微生物处理技术能够有效地应对VOCs废气所带来的问题，而且它运行的成本低，投入资金少，覆盖的领域全面，操作起来非常的简单，因此备受人们欢迎。这种微生物处理技术最早是起源于美国，而我国在这方面的研究起步时间则相对较晚。尽管如此，我国已经针对微生物处理技术在VOCs废气处理过程中的很多内容进行了深入的研究。包括对VOCs废气处理过程中微生物处理技术所发挥的基本作用和作用原理，VOCs废气处理过程中对于废气是如何处理的以及进行废气处理所需要的微生物、设备以及处理的环境等。某化工涂料企业主要产品为聚氨酯涂料、硝基涂料，主要生产原材料：醇酸树脂、硝化棉液、二甲苯、醋酸丁酯等。主要生产工艺流程为投料-分散-研磨-调色-包装。在生产的过程中，其原料混合搅拌工序和其它生产工序上，会产生大量的粉尘和挥发性有机废气（VOCs），这些挥发性有机气体中主要成分是：甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、醋酸丁酯，其中二甲苯和醋酸丁酯是主要处理对象。在研究过程中我们采用了一种微生物处理技术，能够对废气进行有效吸附、降解，达到净化废气的目的。
二、关于车间VOCs废气的产生
1、分散房车间
分散机车间有六台分散机，每台分散机在搅拌过程中均会产生有机废气。
2、研磨区车间
研磨机车间有七台研磨机，每台研磨机生产过程中均会产生有机废气，主要的废气产生点有：（1）研磨机进料贮罐敞口产生的挥发性有机废气；（2）研磨机进料贮罐投料时产生的粉尘废气；（3）研磨机研磨出口处产生的有机废气。
3、固化剂稀释区车间
在加料过程中，会产生粉尘和有机废气；包装机的工作也会产生有机废气。
4、稀释剂生产区车间
搅拌机在搅拌的时候，会产生大量的有机废气。
三、VOCs废气的危害
某化工有限公司在生产过程所产生的挥发性有机废气主要成份是甲苯和二甲苯以及醋酸乙酯、醋酸丁酯等易挥发有机物成分。甲苯进入体内以后约有48%在体内被代谢，经肝脏、脑、肺和肾最后排出体外，在这个过程中会对神经系统产生危害，实验证明当血液中甲苯浓度达到1250mg/m3时，接触者的短期记忆能力、注意力持久性以及感觉运动速度均显著降低。甲苯在反复暴露情况下如用鼻吸进会使大脑和肾受到永久损害。如母亲在怀孕期间受到严重暴露，毒性可能会影响婴儿而产生缺陷。二甲苯包括邻位、间位和对位三种异构体，以间位比例最大，可达60%～70%，对位含量最低。二甲苯可经呼吸道、皮肤及消化道吸收，其蒸气经呼吸道进入人体，有部分经呼吸道排出，吸收的二甲苯在体内分布以脂肪组织和肾上腺中最多，后依次为骨髓、脑、血液、肾和肝。此外，吸入高浓度的二甲苯可使食欲丧失、恶心、呕吐和腹痛，有时可引起肝肾可逆性损伤。同时二甲苯也是一种麻醉剂，长期接触可使神经系统功能紊乱。皮肤接触二甲苯会产生干燥、皲裂和红肿。神经系统会受到损害。还会使肾和肝受到暂时性损伤。
醋酸乙酯毒性较低，可以通过吸入，食入或皮肤吸收而进入人体，对眼睛、鼻子、咽喉有刺激作用，在400ppm时具有中等程度的刺激。浓度高时可以发生情绪激动、多语、共济失调、知觉障碍、复视、眩晕、麻醉作用，甚至昏迷，还可能发生肺水肿、肝、肾损伤。食入可以引起恶心、呕吐、腹泻等。可因循环系统及呼吸系统衰竭而死亡。慢性毒性机以引起角膜浑浊、贫血、白细胞增多等。
醋酸丁酯具有急性毒性，为非三致物质,可引起中枢神经、消化道危害,引起头痛、肌无力、眼花、共济失调、经神错乱及昏迷、恶心、呕吐及腹泻,刺激皮肤及眼睛,引起咳嗽及呼吸困难,心律失常，可因呼吸困难而死亡。偶见胃出血、肾脏、肝损害。对人体的危害较乙酸乙酯为强。当浓度达到3300mg/L时会引起强烈的刺激。
大多数VOCs有毒，有恶臭气味，一部分VOCs有致癌性，对日常生活有很大影响；多数VOCs易燃易爆，对生产企业存在安全隐患；卤代烃VOCs可破坏臭氧层。VOCs超过一定浓度时，在短时间内人们会感到头痛、恶心、呕吐、四肢乏力。如不及时离开现场，会感到以上症状加剧，严重时会抽搐、昏迷，导致记忆力减退。VOCs伤害人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统甚至会导致人体血液出问题，患上白血病等其他严重的疾病。
3.1设计处理VOCs废气量及进气浓度
本项目的设计总风量为15000m3/h，设计进气浓度为：VOCs≤150mg/m3。
有机废气排放标准表
污染物名称最高允许排放浓度最高允许排放速率
甲苯和二甲苯20（mg/m3）1.0（kg/h）
总VOC30（mg/m3）2.9（kg/h）
3.2 VOCs废气常用处理工艺
处理方法处理原理适用范围技术特点
1、掩蔽法采用更强烈的芳香气味与有机废气掺和，以掩蔽刺激气味，使之能被人接收适用于需立即地、暂时地消除低浓度恶臭气体影响的场合，恶臭强度2.5左右，无组织排放源挥发性气体的排放浓度提高可掩盖低浓度恶臭气味影响，属于临时措施，灵活性大，费用高有机废气的并未处理，其恶臭成分并没有被去除。
2、稀释扩散法将有臭味的有机废气通过烟囱排至大气，或用无臭空气稀释，降低恶臭物质浓度以减少臭味适用于处理低浓度的有组织排放的恶臭气体投资费用低，设备简单受环保排放速率的限制，不可能作为治理措施此技术易受气象条件限制，有机废气并未处理，恶臭物质依然存在
3、热力燃烧法热力燃烧是指把废气温度提高到气态污染物的可分解温度，使其进行氧化分解的过程一般用于处理废气中含可燃组分浓度较高的情况具有较高的处理效率，可以一次处理浓度较大的废气一次性投资大，设备易腐蚀，能耗大，处理成本高，易形成高浓度的氮氧化物等更难处理的废气污染存在安全隐患
4、催化燃烧法采用适当的催化剂，使有害气体中的可燃物质在较低温度下氧化分解适用范围广，处理高中浓度、大流量、多组分而无回收价值的VOCs废气可以降低有机废气的起始燃烧温度在低温环境下，气体中的有害成分不能彻底分解，也存在气体的有害物质合成产生新的污染物的可能。
一次性投资大，催化剂易中毒，操作不当易产生安全问题，易形成氮氧化物等二次污染存在安全隐患
5、水吸收法利用有机废气中某些物质易溶于水的特性，使废气中的恶臭成分直接与水接触，从而溶解于水达到脱臭目的适用于浓度高、水溶性好、有组织排放源的恶臭气体工艺简单，管理方便，设备运转费用低，可作为预处理工艺产生二次污染，需对洗涤液进行处理净化效率低，应与其他技术联合使用，对硫醇，脂肪酸等处理效果差
6、药液吸收法利用有机废气中某些物质和药液产生化学反应的特性，去除废气中的某些臭气成分适用于处理大气量、高中浓度的有机废气能够有针对性处理某些臭气成分，工艺较成熟，可作为预处理工艺净化效率不高，消耗吸收剂，运行成本高，易形成二次污染
7、吸附法利用吸附剂的吸附功能使有机废气中恶臭物质由气相转移至固相适用于处理低浓度，高净化要求的恶臭有机废气净化效率高，可以处理多组分有机废气，吸附容量低吸附剂费用昂贵，再生较困难，吸附剂饱和后即成为危险废物须有资质的单位对其进行处理，处理费用高要求待处理的恶臭气体有较低的温度和含尘量
8、低温等离子体技术低温等离子体降解污染物是利用高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在短时间内发生分解适用范围广，净化效率高，尤其适用于其它方法难以处理的多组分恶臭气体，如化工、医药等行业电子能量高，几乎可以和所有的恶臭气体分子作用投资运行费用高，技术水平及对设备要求高，国内同行对此技术的掌握还较浅，尚处于研发阶段，目前真正切实可行又经济实惠的可能几乎没有会产生臭氧浓度超标
9、光催化氧化通过紫外光对光催化剂进行照射，使之产生高能电荷-电子空穴对，并在空气中的水、氧等物质的参与下，使附着于催化剂表面的有机挥发性气体转变为二氧化碳、水以及其他无机小分子物质的过程应用范围广，适用于处理大气量、高中浓度的有机废气降解无选择性，几乎能降解任何有机物，尤其适合于氯代有机物、多环芳烃等；处理效率低，不能完全降解有机物，产生的臭氧有可能形成二次污染，对大气造成新污染运行成本高，要去气体洁净须经常更换昂贵的灯管，造成管理不便
10、生物处理技术利用具有特定作用的工程微生物菌种在正常生长条件下，为了满足自身的生命活动和生长繁殖，将废气中的有害物质作为生长繁殖的营养物质，并将有机废气进行生物分解，最终转化为CO2和H2O等物质，从而达到净化废气的目的。适用于中、低浓度恶臭气体处理，净化效率高，尤其适用于其它方法难以处理的多组分恶臭气体，如石油、化工、电子、涂料、制药、家具、汽车等行业。占地面积小，场地限制低，低投资处理效率高，运行成本低，无二次污染系统操作管理简单，系统运行稳定且故障率小。对高温及高浓度有机废气需经过预处理降温等措施，从而保证系统微生物的生存活性是环保型的综合处理工艺
根据化工企业对安全、消防的要求，结合废气污染物的特性，本项目选用微生物技术
3.3关于处理有机废气生物法原理
微生物除臭装置是利用微生物的生物化学作用，将污染物分解，转化为无害或少害的物质。微生物利用有机物作为其生长繁殖所需的基质，通过不同的转化途径将大分子或结构复杂的有机物经异化作用最终氧化分解为简单的水、二氧化碳等无机物，同时经同化作用并利用异化作用过程中产生的能量，使微生物的生物体得到增长繁殖，为进一步发挥其对有机物的处理能力创造有利的条件。污染物去除的实质是有机底物作为营养物质被微生物吸收、代谢及利用。这一过程比较复杂，它由物理、化学、物理化学以及生物化学反应所组成。
针对微生物降解废气的过程，主要有“吸收-生物膜”理论和“吸附-生物膜”理论。其中，根据“吸收-生物膜”理论，微生物降解废气主要分以下几个阶段：
1)第一阶段：气-液扩散阶段，臭气中的污染物通过填料气-液界面由气相转移到液相（即由气膜扩散进入液膜）；
2)第二阶段：液-固扩散阶段，恶臭物质向微生物膜表面扩散，废气中的异味分子由液相扩散到生物填料的生物膜（固相），污染物质被微生物吸附、吸收；
3)第三阶段：生物氧化阶段，微生物将恶臭物质氧化分解——生物填料表面形成的生物膜中的微生物把异味分子氧化，同时生物膜会引起氮或磷等营养物质及氧气的扩散和吸收。
经过上述各个阶段，微生物将污染物转化为生物量、新陈代谢副产物以及其他一些无害的物质（如CO2、H2O、NO3-、S和SO42-等）；其中，反应产物CO2等从生物膜表面脱附并扩散到气相中，而其他物质（S、SO42-和NO3-等）随营养液排出或保留在生物体内。
而“吸附-生物膜”理论则进一步解释了部分不溶或难溶于水的废/臭生物净化的过程，即废气中的污染物直接扩散至生物载体或生物膜表面，被载体或生物膜吸附，微生物进而将污染物降解。
废气生物净化是“吸收-生物膜”和“吸附-生物膜”两个理论的综合。在实际的废气生物净化系统中，由于受各种因素限制，生物载体表面的液膜分布是不均匀的，生物膜厚度也不一致，局部载体表面甚至无生物膜覆盖，如右图所示。废气在生物载体床层空隙间流动，气流中污染物质通过溶解（有液膜的地方）或吸附（无液膜的地方）过程，转移至载体或生物体表面，被生物体降解。微生物分解各类污染物的反应式为：
其中，不同恶臭物质的氧化过程需要采用不同的微生物，同一恶臭物质不同的氧化阶段也需要不同的微生物，因此在生物除臭设备中，往往需要采用多种菌种协同处理的形式。例如：处理H2S、甲硫醇、甲硫醚等含硫化合物时，专性的自养型硫化氧化菌（氧化亚铁硫杆菌、氧化硫杆菌、光合硫细菌等）会在一定条件下将H2S氧化为硫酸根；处理氨（NH3）时，氨先溶于水，然后在有氧条件下经氨氧化细菌（亚硝化单胞菌、亚硝化球菌、亚硝化螺菌等）和硝化细菌（硝化杆菌、硝化球菌和硝化囊菌等）的硝化作用转化为硝酸盐，在兼性厌氧条件下，反硝化细菌（反硝化杆菌等）将硝酸盐还原为氮气。
图3.4工艺流程
四个车间所产生的有机废气通过该区域位置的集气罩收集，收集后的有机废气，汇合到一条废气管内。然后通过离心风机的作用，将收集到的废气送进“废气预处理塔”内,有机废气经过预处理塔的冲击、喷淋处理后，其中水溶性污染物可去除30%～60%；预处理塔配有预处理循环水泵，通过循环泵的作用将喷淋液连续对有机废气进行喷淋，去除废气中的部分有机污染物，同时去除废气所附带的粉尘颗粒。经过上述预处理措施后，可确保有机废气在进入生物净化器的温度保持在最佳范围。
然后废气直接进入“生物净化器”，在“高效生物净化器”中装有专用生物填料，微生物粘附在生物填料上生长。当有机废气通过填料的过程中，填料上所生长的微生物对有机废气中的污染物成分进行吸附和分解分解作用，将废气中有害的污染成分分解为无毒无味的CO2和H2O后再排出。
3.5工艺主要特点
⑴处理时间短，效率高，可达90%以上，处理后的气体能达到国家和地方的环保标准（恶臭污染物排放标准、大气污染物排放限值）。
⑵生物菌种一次挂膜成型后，不需专门管理，不需再加生物菌种。
⑶填料使用寿命长，可达10年以上。
⑷生物净化系统具有较强的间隙性工作能力，可以在系统停止运行10～20天后再次运行时，其净化效率可快速恢复。
⑸系统运行稳定，出故障机率低。在风机和水泵不出故障的情况下，系统就可以保持正常稳定运行。
⑹运行费用低，主要是水泵和风机的电费。
⑺工程投资低，占地面积小。
3.6处理效果
本项目废气经检测，检测数据如下：
检测项目检测结果DB44/814-2010《家具行业挥发性有机化合物排放标准》表1Ⅱ时段排放限值
结束语
针对上述所阐述的内容，我们必须要认识到目前利用微生物技术法处理VOCs废气仍还处于一个研究阶段，要使其发挥出更大的作用，就必须做到以下几点：（1）针对VOCs废气中的物质培养具有针对性微微生物，从而提升废气的处理效率；（2）对现阶段使用的技术进行优化，对设备在实际运行过程中的控制方式、操作步骤进行简化，从而进一步降低设备运行的成本。（3）对于微生物处理技术的原理进行探究，利用先进的技术方式构建模型，从而对其在实际应用过程中的作用进行把控。
参考文献:
[1]刘爱苗,.挥发性有机废气生物处理技术研究进展.环境工程,2016.6
[2]席劲灿.工业VOCs气体处理技术应用状况调查分析.中国环境科学,2012.4
[3]朱英飞.生物法处理VOCs废气的研究进展.安徽化工,2018.5
[4]谭红兵.国内工业VOCs废气治理的现状及发展.化工设计通讯,2017.2
论文作者:张丹骥
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/1
标签：废气论文; 微生物论文; 生物论文; 恶臭论文; 污染物论文; 甲苯论文; 浓度论文; 《防护工程》2019年第6期论文;