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生物膜滴滤池除臭原理

作者:本站  来源:新疆杀菌剂网  发布时间:2010/1/13 11:00:27
1 生物膜的概念
生物膜是附着于固体表面的微生物及微生物胞外多聚物形成的层状聚集体。生物膜实际上是自然固定化了的细胞,它在自然界无处不在,而且在污染控制工程技术中变得越来越重要,如滴滤池、生物转盘和厌氧滤池。生物膜工艺不需要进行固液分离就可以使优势生物体通过自然的固定化作用保留并积累下来,因此操作运行简单,可靠而且稳定。
生物膜主要由微生物细胞和它们所产生的胞外多聚物组成,通常具有孔状结构,含有大量被吸附的溶质和无机颗粒。因此,生物膜也可认为是由有生命的细胞和无生命的无机物组成的。基于微生物细胞分泌的胞外多聚物及其纤维状缠结结构,微生物细胞在水中极易附着在载体表面,所组成的复杂有机结构既可以自然形成又大又密的颗粒,也可以在静止的固体或悬浮载体表面附着生长和繁殖。生物膜的组成与特性,以及在载体表面的厚度、分布均匀性,均与营养底物、生长条件和细胞分泌的胞外多聚物量等环境因素有关;生物膜的黏弹系数和抗张强度成正比关系。
生物膜一般可分为两种,即静止生物膜和颗粒状生物膜。静止生物膜一般存在于滴滤池中;颗粒状生物膜通常应用于各种流化床生物膜反应器、升流式厌氧污泥床和气提式悬浮生物膜反应器。生物膜的典型尺寸比较大,通常为0.5mm~3mm,孔隙率比较小。生物膜的存在形态可有多种形式,但其物理和结构性质相同,因此,其水力学、质量传递与反应特性相类似。生物膜与生物絮体不同:生物膜是附着在固体表面上的,而絮体形成时不需要固体表面的存在。悬浮生长体系中生物量的保持是通过在静置条件下使生物絮体沉淀实现的。附着生长体系中,液体流过固体介质时形成生物膜,由于生物膜是固定在固体表面上的,也可以保持生物量。
尽管絮体和生物膜中生物的存在形式不同,但从生物动力学角度看,它们有一个明显的共同特征,即生物的聚集都能造成明显的基质浓度梯度。基质从聚体外部向内部的传递是由内外浓度差驱动的,通常聚体内部的细菌所享有的基质浓度低于外表面的基质浓度,因此基质利用速率和细胞生长速率在聚体内外并不一致,它们依赖于细菌在聚体内的位置。
但是生物膜内部基质浓度较低,在这种不利因素下,为什么微生物还要聚集生成生物膜呢?下面有几种可能的原因:
(1) 当基质流过生物膜时,空间上固定的生物膜,由于对流作用可以持续不断地接触到新鲜基质。也就是说,当生物膜靠近进水时,基质浓度相对较高。
(2) 不同种类的细菌共同生存形成了基于基质传递或其他协作关系的专性微生物群落;生物膜中微生物的紧密排列是基质及其他化学信号传递的必要条件。
(3) 生物膜创造了比外部混合液环境更适宜的内部环境(如pH,O2或产物)。也就是说,生物膜形成了独特的、自身创造的有利细胞生长的微环境。
2 生物膜载体
填料(载体)类型决定了生物滤池尺寸,制造及操作成本,以及运行生命周期,也可以决定是否需要供给营养物质、对pH 进行缓冲、水分控制以及是否需要定期反冲洗或者清理。影响其运行和处理效率的与载体(也称填料)有关的主要因素有:(1) 持水能力;(2) 空隙率;(3) 微生物活性;(4) 营养来源;(5) pH 缓冲能力;(6) 比表面积;(7) 机械性能。分别简述如下。
水分是维持生物膜活性的主要因素之一。对堆肥填料生物滤池而言当含水率低至一定水平时会导致去除能力不可逆转的下降,最高的生物滤池处理效率需要最佳的含水率,土壤和堆肥的持水能力过高使得在水分含量高时会导致结块;而人工合成材料的持水能力过低,需要不断地从外部供给水分。
空隙率是决定气体流动性能的主要因素。空隙率大则气体阻力小可有效地降低能耗,而且为微生物的生长提供了足够的空间;空隙率小容易引起堵塞问题并增加能耗。土壤最先被选用作载体,正是由于空隙率低、易于短路及堵塞限制了其有效运行;而另一种被广泛使用的载体材料是堆肥,尽管它具有良好的持水性、丰富的土著微生物、适宜的有机物含量,但是它们长期运行后会老化、分解、变质,随后便由于空隙率衰减产生短路、堵塞问题,由此也降低了其长期有效性,而且为了防止堆肥的压实,堆肥床体的高度也受到很大的限制(通常小于1.5m),仅适宜于处理污染物浓度低的气体,不适于处理含有高浓度有机化合物的气体。载体主要是为微生物提供附着生长的媒介,因此填料必须适合微生物的附着和生,然而,目前有许多填料不是专门为生物滤池所设计的,例如聚乙烯或聚丙烯材料具有疏水性的同时它们的非孔结构不能够通过下述三个机制中的任何一个提供足够的生物膜附着:(1) 大孔生长,为生物膜提供锚定支撑;(2) 表面物理吸附;(3) 生物膜的多聚糖与填料表面化学基团的化学键合,因此这种填料经常用于废气的液体吸收。土壤和堆肥长期以来受到青睐的一个重要原因就是它们本身含有较为丰富的土著细菌,不需要另外接种微生物;目前的合成填料本身没有水分控制能力,生物膜的附着表面少,生物膜繁殖时间长,很难产生较厚的生物膜,微生物对进气湿度(干燥)波动的适应性差,因此采取相应的工程控制手段非常重要,一般需要接种来自于活性污泥或油田土壤或其它地点的菌种,当条件控制适宜时,细菌将会附着在填料表面以生物活性膜的形式生长,为了快速获得最大的生物滤池处理能力,一般需要对生物膜进行驯化。
填料内部pH 会随着微生物降解转化的过程而变化,这又进而影响底物利用速率。硝化作用会产生酸等价物并导致pH 下降;反硝化作用会消耗酸等价物并导致pH 上升。总二氧化碳的产生和利用也会导致化学平衡的移动。同时,生长速率和底物利用速率也依赖于pH。一些生物滤池需要提供足够的缓冲能力,通过控制主体pH 水平可获得最大的微生物生长速率,模拟表明较强的缓冲强度可减小pH 改变[30]。合成填料本身基本不具备pH 缓冲能力,需要通过工程手段引入。在生物滤池上,国外在工程中经常采用白垩、石灰和牡蛎壳作为缓冲材料(Ergas, 1994)。相对于生物滤池而言,生物滴滤池在控制pH 和营养底物方面具有一定的优势,它可以采用在循环液中加入缓冲剂和营养物质的形式非常方便的实现。
在生物滤池以及滴滤池中,其它因素如机械性能、填料的重量、比表面积和价格等也往往决定着该材料是否会被最终采用。填料的机械性能和重量决定了滤池的建造规模和能够支撑的高度,受污染气体和生物膜间的界面面积直接影响污染物的通量,进而影响生物滴滤池的去除能力,生物滴滤池所处理的气体流量一般较高,因此填料成本直接影响到该技术的经济性。活性炭已经被广泛应用于污水处理中,它具有良好的结构,抗挤压,不易破碎,具有足够的持水能力,提供足够的表面积供微生物附着,因此,它是生物滴滤池处理废气的极好的载体材料,但价格往往比较昂贵;陶瓷填料也常用于废水处理中,但体密度较大;金属填料过于昂贵;而人工合成材料与上述天然生物活性填料相比具有很多重要的优势,最重要的是人工材料可以专门设计尺寸、表面性质、体密度等,人工合成填料一般体密度小,因为加上生物膜的重量后的总重量易于在滤池柱内支撑,可以填充较高的高度,同时人工填料比表面积高,微生物的附着性较好,制造成本低,因此相对而言具有相当的优势。
对填料的选择依赖于污染物的性质,有时,个人喜好和专家意见对填料和相应滤池的选择起重要作用。欧洲研究者倾向于使用堆肥填料(混合人工合成聚合材料),而美国研究者对人工合成材料情有独钟。在一般情况下,常选用已经商品化的工业填料。如有特殊需要,可对载体进行适当的表面改性。
3 微生物的附着固定
微生物在其生存环境的pH 值条件下,一般带有负电荷,对表面带正电填料,微生物的附着固定容易。通常,需通过改变填料表面的亲疏水性及电性来促进微生物在载体表面的附着固定。根据自由能最小原则,亲水性微生物易于在亲水性载体表面附着固定,而疏水性载体有利于疏水性微生物在其表面的附着固定。
载体对生物滴滤池/滤池的运行操作起决定性作用,填料的选择也成为滤池设计中无可争辩的决定因素。根据微生物特性与附着机制的不同,微生物在载体上附着可以划分为表面吸附、键联、细胞间自交联、多聚体包埋和孔网状载体截陷固定法。必须注意每种方法都有其特定的适用范围,在实际应用中,要结合生物反应器种类、应用场合、处理废物的特性等合理选择的附着固定方法。
4 生物膜上的脱臭微生物
生物膜上的微生物,包括细菌、真菌、藻类,以及某些原生动物甚至后生动物的生态系统,其组成相当复杂。
脱臭微生物的研究也比较活跃,主要是为了提高恶臭生物处理效率,除了常规微生物以外,目前已有新开发的优势菌种被应用于生物脱臭器中并取得了较好的效果。
在生物脱臭研究中,应用最多的是自养硫杆菌属细菌,常见的有排硫硫杆菌(Thiobacillus thioparus)、那不勒斯硫杆菌(Thiobacillus neaplitanus)、氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)、脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)、氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)、新型硫杆菌(Thiobacillus novellus)、中间硫杆菌( Thiobacillus intermedius )、代谢不完全硫杆菌( Thiobacillusperometabolis)等8 种,大多数为专性好氧菌,始于在中性和弱酸性环境中生长,但适应范围较宽。Cadenhead 和Sublette 指出 Thiobacillus thioparus, T. ferooxidans,Beggiatoa spp., 以及Thiothrix spp. 也是适于降解H2S 的细菌,在这些微生物中,他们报道接种T. thioparus, T. versutus, T. thiooxidans 以及 T. neapolitanus 在pH=4.0~8.0 的各种场合中均能有效的去除H2S。
就其它复杂恶臭污染物质降解的优势菌种的研究而言,Cho 等人指出Hyphomicrobium, Thiobacillus 以及 Xanthomonas 在生物滤池中的混合培养物能够高效的处理含硫化合物甲硫醇(MT)、DMS、H2S。Ying-Chien Chung 等人通过研究发现, Arthrobacter oxydans CH8 在去除氨气方面非常有效,Pseudomonas putida CH11 适于去除H2S,因此他们选用这两种微生物复合接种BAC 生物滴滤池。如表3-4 所示是赵敬淑等人[12]对从泥炭中分离出的硫氧化菌的降解特性的总结。
5 生物滴滤池污染物去除机理
国外学者从20 世纪50 年代便致力于用生物氧化的方法处理恶臭物质的研究,而在工业上的最早应用是美国的R.D.Pomeoy 进行的,他在1957 年申请了利用土壤处理硫化氢的专利,自20 世纪80 年代以来,各国都十分重视生物脱臭技术与过程机理的研究,并且该研究也成为大气污染控制领域的一个热点课题。
生物脱臭是利用固相和固液相反应器中微生物的生命活动降解气流中所携带的恶臭成分,将其转化为臭度比较低或无臭的简单无机物(如二氧化碳、水和无机盐等)和生物质。生物脱臭系统与自然过程较为相似,通常在常温常压下进行,运行时仅需消耗使恶臭物质和微生物相接触的动力费用和少量的调整营养环境的药剂费用,属于资源节约和环境友好型净化技术,具体体现在:总体能耗低、运行维护费用少,较少出现二次污染和跨介质污染转移的问题。
就恶臭物质的降解过程而言,气体中的恶臭物质不能够直接地被微生物所利用,必须先溶解于水才能被微生物所吸附和吸收,再通过其代谢活动被降解。因此,生物脱臭必须在有水的条件下进行,臭气首先与水或其他液体接触,气态的恶臭物质溶解于液相之中,再被微生物所降解。一般说来,生物法处理恶臭气体包括了气体溶解和生物降解两个过程,生物脱臭效率与气体的溶解度密切相关。就生物膜法来说填料上长满了生物膜,膜内栖息着大量的微生物,微生物在其生命活动中可以将废气中的有机成分转化为简单的无机物,同时也组成自身细胞繁衍生命。生物化学反应的过程不是简单的相界转移,是将污染物摧毁,转化为无害的物质,其环境效益显而易见。
但是生物膜降解气相中的有机污染物的过程是十分复杂的,其过程机理也在探索之中。1986 年荷兰的Ottengraf 教授提出了生物膜-双膜理论。根据该理论,生物膜法净化硫化氢、甲苯等恶臭气体的过程是伴有生化反应的吸收过程。一般认为生物膜法脱臭可以概括为三个步骤:(1) 恶臭气体首先同水接触并溶于水中(即由气膜扩散进入液膜);(2) 溶解于液膜中的恶臭成分在浓度差的推动
进一步扩散至生物膜,进而被其中的微生物吸附并吸收;(3) 进入微生物体内的恶臭污染物在其自身的代谢过程中被作为能源和营养物质分解,经生物化学反应最终转化为无害的化合物(如CO2 和H2O)。Pederson 等人认为,臭气中的恶臭污染物的浓度都是很低的,恶臭物质由气膜通过界面进入液膜而溶于水的过程遵循亨利定律。溶于水的恶臭物质被生物膜分解的过程实质上是废水的生物处理过程,如当甲苯的浓度在500mg/m3~1000mg/m3 以下时生化反应为一级反应,该过程可用米-门公式来表示。此反应在生物膜表面液膜中的某一反应面上进行,当生化反应速率极快时,甚至在气液相界面处完成。污染物在液膜上的生化反应极大地减少了液相中的溶质浓度,增加了由气相转入液相的推动力,吸收速率成倍提高,因此生物法脱臭是高效的。生物膜反应器对气流中的有机污染物的去除过程机理还有待于大量的、深入的实验研究来分析,确立亨利定律和米-门公式之间的内在联系,使生物膜-双膜理论得以完善。
生物脱臭利用微生物的代谢活动降解恶臭物质,使之氧化为最终产物。恶臭气体成分不同,微生物种类不同,分解代谢的产物均不一样,对常见的恶臭成分的生物降解转化过程概述如下:
当恶臭气体为氨时,氨先溶于水,然后在有氧条件下,经亚硝酸细菌和硝酸细菌的硝化作用转化为硝酸,在兼性厌氧的条件下,硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原为氮气。
当恶臭气体为H2S 时,专性的自养型硫氧化菌会在一定条件下将H2S 氧化成硫酸根;当恶臭气体为有机硫如甲硫醇时,则首先需要异养型微生物将有机硫转化成H2S,然后H2S 再由自养型微生物氧化成硫酸根。
当恶臭物质为胺类时,在有氧的条件下首先氧化成有机酸,此时臭味已经降低很多,只要提供一定的环境条件,有机酸还可以被进一步氧化分解成二氧化碳和水。

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