李 琳，李慧麗，劉俊新

(1.中國科學院 生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085;2.北京排水集團 清河再生水廠，北京 100085)

專論與綜述

廢氣生物處理填料的特點與選擇依據(jù)

李 琳1，李慧麗2，劉俊新1

(1.中國科學院 生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085;2.北京排水集團 清河再生水廠，北京 100085)

介紹了去除揮發(fā)性有機污染物及惡臭物質的生物反應器中常用填料的種類和性質，比較了它們的特點和適用條件，闡述了實際應用中填料的含水率、pH和壓力損失等的控制方法。

揮發(fā)性有機污染物;惡臭物質;生物反應器;填料;廢氣處理

對于大流量、低濃度的揮發(fā)性有機污染物及惡臭物質，生物處理方法具有投資少、運行費用低、不產(chǎn)生二次污染等特點。生物濾池、生物洗滌塔和生物滴濾池是3種主要的廢氣生物處理技術。早期的生物處理方法主要用于減少惡臭氣味。近幾十年，其應用范圍已擴展到去除易被生物降解的揮發(fā)性有機污染物方面［1-4］。據(jù)報道，1987年日本城市污水廠治理惡臭物質的脫臭裝置約有166座［5-6］。至2000年，超過7 500座廢氣生物處理系統(tǒng)和相關設施在歐洲建立，最大處理規(guī)模超過200 000 m3/h。其中，荷蘭城市污水處理廠80%的臭味氣體處理設施采用生物技術［7］。

處理揮發(fā)性有機污染物及惡臭物質的生物反應器中一般都裝有一定厚度的填料作為微生物的載體，使微生物形成的生物膜能夠附著在填料顆粒上，而且還能向微生物提供必須的營養(yǎng)。生物填料的材質、比表面積的大小、布氣性能、強度和密度等因素直接影響廢氣的處理效率和生物反應器的運行可靠性。為了提高廢氣處理能力和設備運行穩(wěn)定性，20世紀70年代以來，國內外學者在填料的選擇和改進方面進行了大量的研究。

本文介紹了常用填料的種類和特性，闡述了在實際操作中選擇理想填料應考慮的因素，并就生物填料的研究進展、存在問題和發(fā)展方向進行了探討。

1 常用填料的種類和特點

填料的種類有很多，根據(jù)其組成可分為活性填料、惰性填料和混合填料。

1.1 活性填料

活性填料通常為天然有機填料，如堆肥［8-9］、泥煤塊［4，10］、有浸透性的土壤［10］、樹皮［11］、木片［9，11］、麥殼［12］等。其中土壤、麥殼等因粒徑小、易腐爛、易板結、壓力損失大等原因，目前很少使用。而堆肥、泥煤塊、樹皮、木片等因其良好的物理化學性能和低廉價格而沿用至今。

活性填料的吸附能力和持水能力強，良好的表面性質能夠為微生物提供理想的生長環(huán)境。通常，活性填料自身帶有大量的、多種多樣的活性微生物，并且含有豐富的有機營養(yǎng)物質，用作填料時無需接種菌種，使反應器可以立即工作。填料內的有機物質還可以在生物反應器運行期間給微生物提供必需的碳源?；钚蕴盍贤ǔＳ糜谏餅V池。

活性填料的缺點是易腐爛、易變形、機械性能差，長期使用會發(fā)生填料層壓縮現(xiàn)象，引起壓力損失升高、能耗增加。多數(shù)活性有機填料是疏水性物質，干燥后很難再潤濕。當不能及時補充水分、養(yǎng)分時，填料層因干燥也會產(chǎn)生裂縫，影響氣體在反應器內的均勻分布。一些活性有機填料的自身降解產(chǎn)物會改變填料的pH，使反應器的去除效果降低。與惰性填料相比，活性有機填料的使用期限短。

1.2 惰性填料

根據(jù)材料的來源，惰性填料包括珍珠巖［13-14］、火山巖［15-16］、煤粒［13］等天然材料，以及活性炭［17］、陶粒［18-22］、聚氨酯［23-26］、聚乙烯［27］、不銹鋼環(huán)［28］等合成材料。

惰性填料具有耐化學腐蝕、機械強度高、長時間使用不分解、不變形、結構疏松不易堵塞反應器、氣體壓力損失低、使用時間長等優(yōu)點。有些惰性填料如二氧化硅，其表面對蛋白質、氨基酸有親和力，易于吸收和保存微生物所需的有機養(yǎng)分。用攙有黏結劑的剩余污泥制成的陶粒填料與裝有混合肥的土壤、珍珠巖等填料相比，裝有陶粒的生物濾池處理甲苯能力更高［18］。

但是惰性填料一般不帶有活性微生物，用做填料時，需要預先在填料上接種菌種。此外惰性填料本身不含有營養(yǎng)物質，需要及時添加氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質以維持微生物的生長繁殖。添加方式主要有兩種:一種是預先將氮、磷、鉀按一定的比例(分別占干填料質量的0.4%，0.15%，0.15%)［29］與填料混合均勻，再裝入反應器中;另一種是將營養(yǎng)物質配制成溶液，定期噴淋填料，可同時補充養(yǎng)分和水分。惰性填料主要用于生物滴濾池。

1.3 混合填料

由于活性填料和惰性填料各有優(yōu)缺點，因此，20世紀90年代中期又發(fā)展了混合填料，即將小顆粒的活性材料如堆肥與珍珠巖［30］、火山巖［31］、活性炭［32］、聚合物［12，33］等惰性材料按一定比例混合。

混合填料兼具活性填料和惰性填料兩方面的優(yōu)點，一方面，由于填料中有惰性材料，提高了填料的機械性能，減少了反應器的壓力損失，使用壽命長［31］;另一方面，由于活性填料帶有大量多種活性微生物，無需接種菌種，并且填料內的有機物質可以使微生物快速生長繁殖?；钚?惰性混合填料既可用于生物濾池又可用于生物滴濾池。但是，使用混合填料需分層裝填，活性填料部分易腐爛，填料更換繁瑣，微生物馴化期長，反應器啟動慢，并且，混合填料的成本較高。

2 選擇理想填料應考慮的因素

2.1 填料的表面性質

用于廢氣生物處理的填料應具有較大的比表面積，便于污染物與微生物接觸;應具備一定的孔隙率，利于布氣和減小阻力;應具有一定的結構強度和防腐蝕能力;應具有易于獲得且使用壽命長等性質。

填料的表面性質可以用比表面積、粒徑、孔隙率描述。將填料顆粒視為球形時，比表面積、粒徑、孔隙率之間的關系見式(1)［29］。

式中:as為比表面積，m2/m3;a為顆粒的表面積，m2;V為顆粒的體積，m3;ε為孔隙率，%;dp為顆粒直徑，m。由式(1)可見，大粒徑、大孔隙率的顆粒比表面積小。常用填料的性質見表1。

研究發(fā)現(xiàn)填料的粒徑和比表面積是影響反應器去除能力的主要因素。在相同條件下，反應器的最大去除能力隨填料粒徑增大而減小，隨填料比表面積增大而提高。大量報道顯示，活性填料中，堆肥和泥煤的比表面積通常為20～180m2/m3和40～85 m2/m3;在惰性填料中，因合成過程中易于控制粒徑和孔徑大小，合成材料往往具有較大的比表面積。

微生物在填料表面的附著、生長狀況以及填料的持水能力與填料的表面結構、孔隙率、粒徑密切相關。表面粗糙、多孔以及親水的填料更適合微生物的附著和生長繁殖。表面光滑的填料，在噴淋時，其表面生長的微生物易被淋洗液帶走。

填料的高孔隙率可以使反應器內的氣流分布均勻，還可以給微生物的氧化降解提供充足的氧氣。填料顆粒大小一般以既能提供合理的吸附表面，又具有滿意的滯流性為宜。顆粒太大，總吸附表面小;顆粒過小，氣流通過濾池時為克服阻力需要消耗過多能量。通常，填料的孔隙率為40% ～80%，顆粒直徑為1～20 mm較適宜。

表1 常用填料的性質

2.2 填料的含水率及保濕方法

填料保持適宜的濕度有利于維持微生物的活性，保證了生物反應器的正常運行。有些填料是疏水性的如泥炭、堆肥等，相對于親水性的材料聚氨酯、聚乙烯等，疏水性材料一旦發(fā)生干燥，再次潤濕比較困難。有些堆肥開始運行時是親水性的，一旦干燥后就變成疏水性的［5］。通常活性有機填料須維持較高的含水率，堆肥為40% ～70%、泥炭為60%～90%、木片為70%;惰性填料的含水率可以略低，火山巖、活性炭為30% ～40%，合成材料為40%～50%，聚氨酯為65%;活性-惰性混合填料的含水率控制在前兩者之間，如堆肥-惰性混合填料為40%～65%。

保持填料濕度的方法包括預濕氣體和定期噴淋填料兩種。在生物反應器內流動的氣體會帶走填料上的水分，反應器出口氣體的相對濕度與填料的含水率密切相關，一般，進出口氣體相對濕度減少1%，則填料的含水率減少10%。與測定填料的含水率相比，氣體相對濕度的監(jiān)測較為容易，因此，通常用生物反應器進出口氣體的相對濕度反映填料的含水率。當反應器進口處氣體的相對濕度為98.5%、出口處的相對濕度為99.5%時，水分被氣體帶走，反應器正逐漸減少水分;當反應器內的水分減少速度低于50 g/(m3·h)時，可手動補加水分;在50～180 g/(m3·h)時，反應器應安裝噴淋設備，定期補充水;180～400 g/(m3·h)時，應設自動監(jiān)控系統(tǒng)，反應器含水率低時能夠自動及時補加水;大于400 g/(m3·h)時，填料的保水性很差，應慎重選擇［29］。

2.3 壓力損失

氣體流過反應器內的填料時，因各種阻力造成的壓力降為壓力損失。壓力損失的大小與填料的性質有關，小顆?；蛐】紫堵实奶盍蠅毫p失大，小顆粒的填料引起的壓力損失可能是大顆粒的10倍。常用填料的適宜溫度、pH、濕度以及壓力損失見表2。

表2 常用填料的適宜溫度、pH、濕度以及壓力損失

Devinny等［29］認為:堆肥的粒徑小于1 mm時，壓力損失嚴重;粒徑大于4 mm時，才能夠減少反應器的壓力損失。大粒徑的填料不僅減少因壓實引起的壓力損失，還有利于氣體通過反應器，提高供氧率。

高比表面積的填料有利于微生物的附著和生長繁殖。微生物的過度生長繁殖也會堵塞填料，增加壓力損失。Groenestijn等［15］用真菌生物濾池凈化甲苯廢氣時，對兩種惰性填料火山巖和珍珠巖進行了比較，結果表明:填料為火山巖的反應器其氣體壓力損失遠大于珍珠巖為填料的反應器，這是由于火山巖更適于真菌生成菌絲，過度生長的菌絲塞滿孔隙，增大了填料層的阻力。

壓力損失還與填料的機械性能相關。機械性能差的填料，壓力損失大。與黏土粒、堆肥等活性填料相比，惰性填料如珍珠巖、海綿塊引起的壓力損失小。將小顆粒的堆肥材料與泥煤、木片、活性炭、聚合物等壓力損失小的材料按一定比例混合，使用混合填料代替單一活性填料，可有效地降低填料層的壓力損失。

引起壓力損失的另一個原因是填料中的水分。填料保持適宜的濕度有利于維持微生物的活性，保證生物反應器的正常運行，但濕度過大會大幅度提高反應器的壓力損失，增加能耗。

2.4 生物反應器內的溫度和pH

溫度是微生物的重要生存因子。在適宜的溫度范圍內，微生物的代謝速率和生長速率均可相應提高。一般地，生物反應器的溫度高，則去除能力也高。但是，溫度過高會減少填料的含水率，引起填料干燥等問題。通常，大多數(shù)填料的適宜溫度為常溫。在一些特殊條件下，則惰性材料具有活性填料無法比擬的優(yōu)點。在處理有機合成過程中排出的廢氣時，由于廢氣排出口的溫度往往高達60～90℃，混合肥料、泥煤等材料不適于在高溫(高于40℃)下使用，此時使用耐高溫的陶粒填料和嗜熱微生物可在60～71℃條件下運行，無需增加降溫設備，減少了投資和運行費用［19］。

微生物的生命活動、物質代謝與pH密切相關。大多數(shù)細菌的最適pH為6.5～7.5。大多數(shù)的活性填料為中性材料，使用時無需調節(jié)pH。有些活性填料如木片，pH通常為3～4，并且自身緩沖能力弱，反應器運行前需要先在填料中加入堿、石灰、貝殼粉等作為pH調節(jié)劑。一些活性填料的自身降解產(chǎn)物會改變填料的pH，使反應器的去除效果降低。惰性填料因本身無營養(yǎng)物質需額外補加營養(yǎng)液，通過添加營養(yǎng)液，在補充養(yǎng)分和水分的同時還可以調節(jié)填料的pH，創(chuàng)造適宜微生物生長的微環(huán)境。

2.5 填料的機械性能及填充方式

填料層的結構應穩(wěn)固結實，底層的填料應能夠承受重力，中間的填料可以較重，軟的填料應填充在上部。填料的填充密度與填料自身的機械性能有關。在生物反應器運行期間，良好的機械性能可以使填料不發(fā)生分解、壓縮、堵塞、收縮等現(xiàn)象。機械性能低的填料如堆肥、聚氨酯泡沫，填充過高或填充密度過大時，底層填料容易被壓實，導致布氣不均勻、壓力損失增高等問題。通常，填充高度為1.0～1.5 m，填充密度為300～500 kg/m3(堆肥)、20～40 kg/m3(聚氨酯泡沫)。活性炭、火山巖、分子篩、陶粒等材料因機械強度高，填充高度可以達到5 m，填充密度大于600 kg/m3。體積相同時，增加填料的填充高度能夠有效減少反應器的占地面積。質輕的填料如珍珠巖、聚氨酯則更適于多層填充的生物反應器。

2.6 填料的投資控制及使用期限

填料應容易獲得，價格較為便宜，盡量減少其在投資運行費用中所占的比例。相對而言，天然材料最便宜，一般只需支付運費;堆肥或堆肥-惰性填料約為50～500元/m3;合成材料最貴［41］。就近取材是降低填料成本的有效途徑之一。歐洲森林資源豐富，填料多采用木材加工的副產(chǎn)品——木片和樹皮;有些沿海國家則采用貝殼作填料。理想的填料應當能夠正常使用2至4年。合成材料的使用期最長，至少10年。在實際應用中，應根據(jù)各種填料的優(yōu)缺點、適用條件以及實際需要做出選擇。

3 填料的改進與發(fā)展趨勢

填料的改進是廢氣生物處理的核心技術之一，對填料進行適當?shù)挠H水與生物親和改性，能夠大大提高填料的傳質性能、掛膜性能和廢氣處理效果。經(jīng)過改進的大孔徑的發(fā)泡聚氨酯作為填料處理揮發(fā)性有機污染物和惡臭物質，處理效果普遍比活性填料好，得到更多的實際應用［7］。北京某污水處理廠，生物除臭池內原有的填料是按一定比例混合的木片和樹皮，使用2年后部分木片和樹皮腐爛，填料層發(fā)生板結和塌陷，導致除臭池內的壓力損失升高，能耗增大。腐爛的填料散發(fā)出臭味，加重了污染。將除臭池內的填料全部更換為聚氨酯泡沫后，新填料孔隙率大，透氣性好，壓力損失小;保水性強，減少噴淋水的用量;并且不易腐爛，沒有異味［44］。

荷蘭是最早采用生物方法處理揮發(fā)性有機物和惡臭物質的國家之一，至2000年，荷蘭使用最多的4種填料是火山巖(占38%)、椰殼纖維(31%)、堆肥(30%)以及合成材料(1%)［7］。由于在實際使用過程中出現(xiàn)很多問題，堆肥材料正逐步被火山巖或合成材料所代替。美國、加拿大、印度、中國等國家在處理揮發(fā)性有機物和惡臭物質的研究和實際應用中，也越來越多地使用合成材料作為生物反應器的填料［24-26，44-45］。

4 結語

近幾年，廢氣生物處理填料的開發(fā)與研究側重于改進合成材料的比表面積、結構以及填料的布氣性能和機械性能。陶粒、聚氨酯、聚乙烯等合成材料的機械性能往往優(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。合成材料重量輕、顆粒小且均一，比較容易形成自動化的大規(guī)模生產(chǎn)，與裝有其他填料的生物反應器相比，采用這種填料的生物濾池能夠長期穩(wěn)定的運行，并且不易發(fā)生堵塞?？梢灶A計，在不久的將來，合成材料定能在廢氣生物處理中得到更廣泛的應用。

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Characteristics and Selection Basis of Packing for Waste Gas Bio-treatment

Li Lin1，Li Huili2，Liu Junxin1

(1.Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China; 2.Qinghe Water Reclamation Plant，Beijing Drainage Group Co.Ltd.，Beijing 100085，China)

The types and properties of common packings in bioreactor for removal of volatile organic compounds and malodorousmatters are introduced.Their characteristics and application conditions are compared with each other.Themethods for control of packing water content，pH and pressure loss in practical application are expounded.

volatile organic compound;malodorous matter;bioreactor;packing;waste gas treatment

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A

1006-1878(2011)06-0490-07

2011-06-16;

2011-07-13。

李琳(1966—)，女，廣東省大埔縣人，博士，副研究員，主要從事?lián)]發(fā)性有機物及惡臭物質生物處理技術與設備研究。電話010-62923543，電郵leel@rcees.ac.cn。

國家自然科學基金資助項目(50978249)。

(編輯 張艷霞)