5.3.3 生物除臭的工艺设计
1）生物除臭工艺
生物过滤（biofilter）是一种利用吸附性滤料作为生物填料的恶臭净化方法。其工艺流程为：恶臭气体经过除尘、增湿或降温等预处理后，进入生物滤池，通过约0.5～1.5 m厚的生物填料层，恶臭污染物被附着在填料表面的微生物分解为CO2、H2O、S
、N
等小分子物质［64］，如图5-10所示。生物滤池填料层的种类有适合微生物生长、繁殖的土壤、堆肥、木屑、炭质材料等单一填料或混合填料。生物滤池因其较好的通气性、适度的持水性及丰富的微生物群落，能有效地去除烷烃类恶臭化合物，对酯、乙醇等生物易降解物质的除臭效果更佳［65-67］。生物过滤法已成功用于化工厂、食品厂、污水处理厂等的恶臭净化和脱臭。例如，净化食品厂恶臭（600～10000倍），脱臭率可达95%。适宜的有机物质量浓度在10000 mg/L以下，不应高于3000～5000 mg/L。进气湿度应大于95%，以保证填料具有一定的持水率［68］。需要适合微生物生长的pH和温度［69］。生物过滤的优点是生物相和液相均不流动，菌体表面没有连续的液体流动，气-液接触面大，启动运行容易，操作简单，设备少，投资和运行费用低，不产生二次污染，除臭效率高；缺点是反应条件控制较难，对进气负荷变化适应慢，占地面积较大，基质浓度高时，因生物量增长快而易堵塞填料，影响传质效果［70-71］。
图5-10 生物过滤基本工艺流程
生物滴滤法（biotrickling filter）是一种介于生物过滤法和生物洗涤法之间的除臭方法。恶臭气体中的污染物的吸收和生物降解同时发生在一个反应装置中。其流程如图5-11所示。恶臭气体中污染物质和氧气经过相间传质进入附着在填料表面的生物膜，被微生物利用、分解，代谢产物再经过扩散作用进入气相主体后外排［72］。生物滴滤池填料层的厚度一般约为1.0～2.0 m［73］。与生物过滤相比，生物滴滤采用无机惰性填料，不能为微生物的生长提供养分，只能作为微生物附着的载体，其填料上方喷淋循环液中接种了经污染物驯化的微生物菌种。此外，生物滴滤采用水泵实现循环液连续喷淋，可以及时提供营养，带走代谢产物和脱落生物体，使得反应条件（如pH值、营养物浓度）易于控制，单位体积填料生物量大，适合净化负荷较高的恶臭气体，以及一些产酸恶臭气体，扩大了生物法净化有机恶臭气体的应用范围［74-75］。生物滴滤的优点是管理维护方便，运行费用低；缺点是占地面积大，系统操作复杂。
图5-11 生物滴滤基本工艺流程
图5-12 生物洗涤基本工艺流程
生物洗涤（bioscrubber）是利用含有活性微生物的水溶液为吸收液，在吸收塔内与气流呈逆流接触，恶臭气体中可溶性的气态污染物转入液相，实现恶臭污染物的净化。吸收了恶臭气体中污染物的吸收液流入废水生物反应器，污染物被微生物降解，吸收液得以再生，如图5-12所示。相比较而言，吸收过程快速，恶臭污染物在吸收塔内仅停留几秒钟；生物降解过程相对较慢，吸收液在生物反应器一般需要停留1h以上。因此，吸收塔和生物反应器一般分开设置。生物洗涤法的关键是恶臭污染物吸收过程，因此要求被除臭的污染物有较好的水溶性，进而获得好的除臭效果［76-77］。生物洗涤的优点是占地面积较小，操作易控制；缺点是系统复杂，运行成本高。
生物过滤、生物滴滤和生物洗涤这三种生物除臭工艺各有特点，具有不同的适用范围。表5-7是三种工艺主要特点的比较。
2）工艺装置组成
生物过滤、生物滴滤和生物洗涤三种工艺由装置壳体、溶液喷淋系统、气流分布系统、生物填料床（生物过滤和生物滴滤）、吸收塔（生物洗涤）、增湿装置（生物过滤）、吸收液再生系统（生物洗涤）、营养液槽，以及配套的风机、电控柜等组成。不同工艺涉及的装置组成有较大区别。生物过滤装置主要由装置壳体、生物填料床、喷淋系统、气流分布系统、增湿装置、电仪控制系统等组成。生物滴滤装置主要由装置壳体、生物填料床、喷淋系统、气流分布系统、溶液喷淋系统、生物填料、营养液槽、电仪控制系统等组成。生物洗涤装置主要由吸收塔、溶液喷淋系统、气流分布系统、吸收液再生系统、营养液槽、电仪控制系统等组成。必要时，恶臭生物除臭装置宜配置恶臭预处理装置（如高温气体的冷却装置、难生化成分的预氧化装置）、尾气深度生物除臭装置（排放要求比较高的场合）、装置壳体保温（气温较低的北方地区）以及渗出液排放处理装置。
表5-7 三种生物除臭工艺比较
注：*有机填料指自身能够为微生物提供营养物质，能够腐烂的填料。
3）工艺参数
生物过滤装置的空床流速宜为0.05～0.12 m/s，生物滴滤装置的空床流速宜为0.1～0.25 m/s，生物洗涤装置的空床流速宜为0.5～1.5 m/s。
气体在生物过滤装置和生物滴滤装置填料层的停留时间不宜小于15 s，气体在生物洗涤装置的停留时间不宜小于2 s。
生物除臭装置微生物床层适宜温度范围为15～40℃。
生物除臭装置循环液适宜pH值为6.0～9.0，使用嗜酸菌的工艺pH值可在6.0以下。
营养液碳、氮、磷、钾和硫成分控制比例为100∶10∶4∶1∶1，特殊情况时宜添加参与生物代谢的微量元素，并具有一定的pH缓冲功能。
当循环液电导率大于10000μS/cm或生物污泥浓度超过5 g/L时，宜更换循环液或去除盐分和生物污泥。
生物滴滤装置循环液喷淋强度宜为0.05～0.5 m3/（m2·h），生物洗涤装置循环液喷淋强度宜为8～12 m3/（m2·h），并应具有循环液补充系统［77］。
4）净化效率
在生物除臭装置适用条件下，硫化氢净化效率＞90%，醇类、酯类净化效率＞85%，苯、甲苯、二甲苯净化效率＞80%。恶臭生物生物除臭装置的根本任务是去除恶臭中的污染物。因此，在生物除臭装置适用条件下，生物除臭装置需满足高效去除污染物的能力，确保整个净化系统达标排放。
5.3.3.1 生物除臭装置的注意事项
生物除臭装置壳体应选用耐腐蚀材料制造或按HG/T 20229进行防腐蚀处理和验收，板材缺陷许可深度应小于0.3 mm，打磨许可深度小于0.4 mm，其他各种零部件的材料应符合有关标准的规定。
生物除臭装置的填料应具有足够的机械强度、良好的气流通过性。生物滴滤装置和生物洗涤装置的填料应具有稳定的化学性质，生物过滤装置和生物滴滤装置的填料应具有良好的生物相容性。生物过滤填料使用寿命一般不低于3年，生物滴滤和生物洗涤填料使用寿命不低于5年。
生物除臭装置的微生物菌种应根据恶臭组分和特性进行选择，可选用活性污泥、专门驯化培养的微生物菌种或人为构建的复合微生物菌群，并应符合生物安全有关规定。
营养液应根据恶臭组分及生物菌群类型确定，以提供微生物生长所需的碳、氮、磷、钾、硫、镁等成分。
当床层温度低于10℃时，生物除臭装置应配置保温和升温设施；当床层温度高于45℃时，应配置恶臭冷却设施或接种嗜热微生物。
生物除臭装置应设置部件安装口、应急检修口、循环液或渗出液排放口。
生物除臭装置宜设置温度、pH值、电导率、压力指示及异常变化报警系统，可根据需要设置在线污染物指示仪表。
由于微生物活性易受环境影响，对易溶物和易降解污染物进行除臭时，会受到一定的限制；生物因新陈代谢会出现堵塞；生物法所用填料的比表面积、孔隙率等直接影响反应器的生物量，以及整个填充床的压降、填充床是否易堵塞问题；难实现自动控制；难以提高对各运行参数的控制能力，维护费用高和难管控故障；菌种培育困难，难筛选出高效降解各种VOCs气体的优势菌种；反应场地约束，反应装置占地面积大、反应时间较长。
5.3.3.2 生物除臭的技术发展趋势
虽然生物除臭技术的研究与应用已有了一定进展，但由于生物反应器涉及气、液、固相传质与生化降解过程，影响因素多而复杂，有关理论研究和实际应用还不够深入、广泛，其发展趋势和需要进一步解决的问题大致有以下几点［48］。
1）处理对象的扩大
目前生物法除臭的研究仅局限于组成较简单的恶臭气体，对组成复杂的恶臭气体的研究并不多见，而工程实践中，大多需处理的气体中的恶臭污染物组成复杂。因此，生物法处理对象应扩展到多种恶臭成分同时存在时的处理。另外，能用生物法治理的恶臭几乎都是亲水性或易溶于水和易降解的。但为了提高和扩展生物处理的能力和范围，应在提高疏水性或难降解废气的处理能力方面进行深入研究。如有突破，生物法处理恶臭气体的应用范围将更加广泛。
2）生物反应器的研究方向
从生物反应器的研究应用来看，塔式反应器仍是微生物法处理恶臭气体的主要形式，而新式反应器的研究和开发应向改善传质，采用封闭式、一体化方向发展。
3）填料的研究方向
生物除臭法装置中的填料最初都是采用一些天然材料或经适当加工处理后的天然材料，如土壤、泥炭土、沸石、珍珠岩、锯末、堆肥等。尽管这些材料具有价格便宜、材料易得等优点，但是大多存在着占用土地面积大、保水性不强、pH值缓冲性能小、不适于微生物大量着生和不宜商品化等缺点。另外，一些材料经使用一定时间后也会因材料自身的分解或因流通气体的扰动使通气阻力增加，必须重新填充或进行材料更换等。填料研究的趋势就是逐渐弱化自然影响因素，而强化人工控制过程。而在这个过程中，填料的改进原则就是：增加填料比表面积和亲水性，提高单位体积的生物容量；加大填料的孔隙率，从而增强对臭气的吸附作用，扩大臭气与生物的接触面；增加填料强度并减轻质量，防止压实和出现气体短流。因此，开发适宜微生物大量附着生长、吸附性强、持水性强、自身不易分解等兼具各种优点的特殊材料填料及组合填料应是今后研究的重点。
4）恶臭的生物处理技术动力学及生物学原理研究
生物除臭法中最主要的作用者是除臭微生物，但臭味的消除并不是单一或几种微生物作用的结果，而是众多普通微生物共同作用的结果，并且这些微生物都自然存在于空气、土壤、污泥和各种有机无机废弃物中。另外，一种臭气分子经微生物分解后的产物又可能是另一种微生物的营养物。而且大多情况下由臭气源排放的臭气往往是一种复合臭气，即多种臭气混合物，也不可能单靠哪一种微生物就能将臭气全部除去。当然，有一些微生物对某些臭气分子的亲和力特别强，将这些微生物进行分离、培养后进行研究是具有较大的科学意义的。因此，菌种研究的主要方向就是通过传统技术和现代生物技术获得高效降解废气中污染物的微生物菌种，对菌群结构进行改造和调控，以提高其降解率、扩大降解底物范围。
目前，对生物降解恶臭气体的研究仅限于处理效果及其影响因素和操作条件的确定方面，对微生物降解污染物的生物学原理研究并不多见，因此对生物降解机理的研究仍有待于深入。另外，生物降解动力学也是研究的发展方向之一。