提要：揮發性有機污染物處理問題,是當前工業廢氣處理的難點、熱點問題。本文詳細介紹了吸收法、吸附法、和燃燒法等揮發性有機廢氣的傳統處理技術,并對正在發展的生物技術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。
　　關鍵字：揮發性有機污染物，吸收法，吸附法，生物技術
　　1.前言
　　繼SO2、NOX和氟里昂后，揮發性有機化合物（VolatileOrganicCompounds，以下簡稱VOCs）廢氣的污染成為世界各國關注的又一焦點。揮發性有機化合物指的是揮發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發生光化學反應，生成臭氧、過氧硝基酰(PAN)、醛類等光化學煙霧，造成二次污染，刺激人的眼睛和呼吸系統，危害人的身體健康。如長期生活在這種環境中(幾天或幾星期)，會對人造成生命危險。同時會危害農作物的生長，甚至導致農作物的死亡。美國洛杉磯、我國北京市燕山區和蘭州市西固區等都曾出現過光化學污染。(2)大多數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VOC都易燃易爆，在高濃度排放時易釀成火災和爆炸。近年來由于VOC造成的火災和爆炸時有發生。(4)部分VOC可破壞臭氧層。
　　2.治理技術
　　總的來說，揮發性有機化合物（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。消除法是通過化學或生物反應，用光、熱、催化劑和微生物等將揮發性有機物轉化為水和二氧化碳，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、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糊精作為有機鹵化物的吸收材料，根據環糊精對有機鹵化物親合性極強的原理，將環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，回收節省能源，可反復使用的優點。
　　2.2吸附法。吸附法的應用廣泛，具有能耗低、工藝成熟、去除率高、凈化徹底、易于推廣的優點，有很好的環境和經濟效益。缺點是設備龐大，流程復雜，當廢氣中有膠粒物質或其他雜質時，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的關鍵是吸附劑，吸附劑應具有密集的細孔結構、內表面積大、吸附性能好、化學性質穩定、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，多數采用活性炭,其去除效率高�；钚蕴坑辛　詈屠w維狀兩類。顆粒狀活性炭結構氣孔均勻，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。冷凝法是利用物質在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓這一性質，采用降低系統溫度或提高系統壓力，使處于蒸汽狀態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，也可在恒定壓力的條件下用降低溫度的辦法來實現，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合使用，以回收有價值的產品。
　　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，同時節能的目的。在催化燃燒過程中，燃燒反應溫度低，一般比熱焚燒要低300～500℃，由于燃燒完全，不會產生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，還可以回收熱量節約能源，最終有機氣體在催化劑的作用下，于一定溫度下轉化為水和二氧化碳，并排向大氣。此處理方法的關鍵問題是開發與研制一種起燃點低、催化活性高、穩定和價廉的催化劑。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用展現了一個生機盎然的研究領域，在21世紀會扮演催化反應的主要角色。特別是在本體催化劑中通過摻雜金屬、金屬氧化物、碳酸鹽或合成復合納米氧化物，通過研究摻雜質在基體微粒結構中的調節作用和催化反應中的決定作用來降低催化燃燒反應的自燃溫度，增加表面氧量使其在貧燃條件下能穩定燃燒，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，這既增加工藝的復雜性和設備的投資額，還使運行操作變得復雜。燃燒法由于廢氣燃燒不完全而會產生有害的燃燒產物，若燃燒溫度過高，則會產生NOX污染，另外，燃燒設備運轉時還存在一定的安全隱患。隨著生物技術在環境治理中發展，生物法處理揮發性有機廢氣VOCs的技術也越來越成熟了。
　　3有機廢氣生物處理技術概況
　　3.1生物法的基本概念。生物法凈化揮發性有機化合物是在已成熟的采用微生物處理廢水的基礎上發展起來的。生物凈化實質上是一種氧化分解過程：附著在多孔、潮濕介質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分，轉化為簡單的無機物(CO2、H2O)或細胞組成物質。與廢水生物處理過程的最大區別在于：廢氣中的有機物質首先要經過由氣相到液相(或固體表面液膜)的傳質過程，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，進入微生物體內的污染物在其自身的代謝過程中作為能源和營養物質被分解，產生的代謝物一部分溶入液相，一部分作為細胞物質或細胞代謝能源，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,但至今仍沒有統一理論。目前在世界上公認影響較大的是荷蘭學者Ottengraf[5]依據傳統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成的粘性膜結構[7]。在潤濕環境下,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,更顯示了優越性。
　　3.3生物法的應用。根據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）和生物過濾法（固著態）2類。生物吸收法（又稱生物洗滌法）即微生物及其營養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(填料)上,廢氣通過由介質構成的固定床層(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），在微生物掛膜前，在濾料中摻入pH緩沖劑和N、P等營養元素（如NH4NO3和K2HPO4）,當具有一定溫度的揮發性有機化合物進入生物濾池時，就可以通過相間傳質為微生物提供碳源，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進行。
　　與水處理的生物濾池不同，在處理揮發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層中，沒有形成貫穿整個濾料床層的連續流動相，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與生化反應的串聯過程，而傳質方向是氣態有機污染物質從有機廢氣中向固/液混合相中傳輸。一般認為傳質速率要比生化反應速率快，所以生化反應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別的。在處理揮發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，為微生物提供N、P等營養元素。
　　由于生物滴濾池中存在一個連續流動的水相，因此整個傳質過程涉及氣、液、固三相。從整體上講，仍然是一個傳質與生化反應的串聯過程。
　　4.小結
　　近年來，由于各國對揮發性化合物造成的環境污染的關注，對揮發性有機化合物的處理研究也日趨活躍。生物技術由于具有傳統的方法不可比擬的優越性和安全性，已成為世界工業廢氣凈化研究的前沿熱點課題之一。
　　生物化學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，隨著各種工業廢氣排放量的增加以及人們對生存環境要求的逐步提高，廢氣污染控制已經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的。揮發性有機化合物生物處理是一項新的技術，由于生物反應器涉及到氣、液和固相傳質及生化降解過程，影響因素多而復雜，有關的理論研究及實際應用還不夠深入、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）反應動力學模式研究；（2）填充物的特性研究；(3)動態負荷研究；(4)設備研究開發；(5)高效優勢菌種的篩選；(6)生物菌群研究。
　　參考文獻：
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　　[6]孫石,等.生化法凈化低濃度揮發性有機污染廢氣的動力學模式研究[J].上海環境科學,1997,16(8):13-17.
　　[7]陳世和,等.微生物生理學原理[M].上海:同濟大學出版社,1992.309-310.

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