摘 要：综述生物净化有机废气技术的研究进展，包括发展过程、原理及基础理论研究、主要净化设备及特点、填料选择、菌种驯化等，分析了现存问题，并据此提出了一些建议。
关键词：生物净化 有机废气 应用 研究进展
工业生产常常会产生大量的有机废气，如不能进行对其进行有效地控制与治理，这些气体必将严重的危害人类的生存环境和健康状况，因此大力开展有机废气的综合治理技术研究已经成为当代世界亟待解决的问题之一。
目前，有机废气的主要治理方法包括吸收法、吸附法、催化转化法等。尽管上述方法具有一定的实操性，然而能耗高等问题也制约着这些方法的应用程度。
生物净化有机废气技术是近年来发展起来的一项用于净化低浓度有机废气的新型技术。经国外众多研究表明，该技术实操性较强，且成本较低，因此是未来用于净化低浓度有机废气的重要方法之一。
为了进一步推动该技术于我国的研究进程，笔者以下将从发展过程、工艺原理、基础理论研究、主要设备及其特点、填料的选择、菌种驯化、工程应用等方面对该技术的研究进展进行综述，此外，还将分析说明其发展中存在的问题，并提出一些建议。
1 生物净化废气技术的发展历程
生物净化有机废气技术的研究始于20世纪50年代，快速发展于80～90年代。德国和荷兰是世界上首批较大规模的应用此项技术用于处理有机废气的国家[1]。日本、美国等地也已广泛开展了该技术的工程应用，而我国对于该技术的研究还很欠缺。
2 生物净化有机废气技术理论研究进展
生物法净化有机废气的实质即利用微生物的生命活动，将废气中的有机组分降解、转化为简单的无机物（CO2、H2O）及细胞质等其它物质。具体而言，在微生物的生长过程中，需要消化吸收碳、氮、磷、氧等营养组分。生物净化法便是通过向生物反应器中投加除待处理废气所含营养物质（即污染物质）以外的营养成分，从而保证微生物主动获取待处理废气中所含的那部分污染物质作为机体生存的营养成分，最终达到去除废气中污染物质的目的。
至今为止，对于生物净化有机废气技术的机理研究，学者们还未形成统一理论。目前，世界上公认影响较大的即荷兰学者奥滕格拉夫（Ottengraf）依据传统的气体吸收双膜理论所提出的生物膜理论（也可定义为“吸收—生物膜”理论）[2]。
3 主要净化装置及特点
目前，国内外主要有机废气生物净化装置包括生物过滤器（biofilter）、生物滴滤器（biotrickling filter/trickling）、生物洗刷塔（bioscrubber）等。其中应用最广泛的是生物滴滤池和滴滤塔。
3.1 生物过滤器
生物过滤器内的固态介质一般使用土壤、堆肥、木屑等。其优点在于：设备少，操作简单，成本低廉（其投资成本约为传统处理技术，如吸附、吸收氧化等技术的1/10），处理效率高等；其缺点在于：反应条件较难控制，占地面积较大，处理效率不够持续稳定、载体使用周期短等，且该工艺不适于处理较高浓度的废气和产酸废气。
3.2 生物滴滤器
在生物滴滤池中，微生物附着于惰性填料的表面并形成生物膜。有机废气从塔底进入反应器后，其中的有机物质则通过微生物的分解、代谢后转化为小分子无机物质，净化后的气体从塔顶排出。其优点在于：设备少、操作简单、压降低、填料不易堵塞、处理效率高等。与生物过滤器相比，生物滴滤法的反应条件更易控制，因而微生物的活性更容易保持。其不足在于：填料比表面较小，运行成本较高，不适于处理水溶性差的化合物，此外结构和操作均比生物过滤器复杂，同时，营养物添加过量还易造成菌体大量繁殖，床层堵塞、压降升高。为此，A.Laurenzis等人[3]在传统的生物滴滤器中安装搅拌装置，以克服这一问题。生物滴滤器的介质可以采用陶瓷、塑料、粗碎石、陶瓷、活性炭、硅藻土等。
3.3 生物洗涤器
生物洗涤器一般是由洗涤器和生物反应器两部分组成，洗涤器主要是物理溶解过程，生物反应器中一般采用好氧处理。该工艺有很多优点，如反应条件容易控制，压降低，填料不易堵塞等；而缺点在于：设备多，需外加营养物，成本较高，填料比表面积小，对液相中菌体生长活动的控制比较困难，限制难溶气体的处理效率等。因此生物洗涤器远不如前两者应用广泛。
3.4 小结
不同成分、浓度及气量的气态污染物，各有其有效的生物净化系统。生物涤气塔适用于处理净化废气量较小、污染物质浓度大、易溶解、生物代谢较慢的废气。对于气量大、浓度低的废气可采用生物滤池处理系统。而负荷较高及污染物降解后会生成酸性物质的，则以生物滴滤池为好。膜反应器和活性污泥法目前使用还比较少，有待进一步的研究。
4 填料的选择
填料是微生物的载体，其性能将直接影响微生物的生长环境，因此国内外研究者对此作了大量研究。
魏在山[4]等人采用不锈钢环、瓷环、陶粒、塑料环、海藻石、轻质陶块、煤渣等作为填料的试验研究，结果表明这七种填料的净化性能顺序为：海藻石>轻质陶块>陶粒>瓷环>不锈钢环>煤渣>塑料环。
孙珮石[5]等对轻质陶块、瓷环、不锈钢环、塑料环4种填料进行实验室选择研究。结果表明：轻质陶块是一种优质廉价的生物滴滤池适宜填料。
Woertz[6]等对聚氨酯泡沫塑料和珍珠岩作填料的性能进行了研究。结果以聚氨酯泡沫塑料为填料的生物滤池取得了更好的处理效果，这种填料同样可以应用于生物滴滤池。
5 菌种驯化
在以往的生物净化有机废气技术研究中，一般采用废水处理所使用的菌群经目标污染物培育驯化后，直接用于有机废气的净化处理，但往往难以达到预期的净化效果，因此培育驯化废气净化专用菌种尤其重要。 陈建孟[7]等人采用假细胞杆菌属GD11菌株对生物滴滤池接种挂膜，成膜后的滴滤池可用来净化二氯甲烷废气，其去除率达97.6%，最适宜的pH值7.0±0.5，温度28.5±2℃，浓度为0.709 g/m3，EBRT为11.8 s。
孙珮石[8]等人用气相培育驯化法培养获得废气净化专用菌种，由其挂膜制作的生物膜填料塔对废气中甲苯进行净化。实验结果表明，气相培养法所得菌种对甲苯的净化性能明显优于液相培养法所得菌种。
6 现存问题及建议
生物净化有机废气技术作为一项清洁、廉价的环境友好型技术在国外已经有近40年的应用历史，但在国内却仍处于起步阶段，且对于各种废气的生物法处理研究发展也很不平衡（目前该技术研究应用大多为含氮、硫的无机气体，对有机气体的实际应用还很少报道）。基于此，笔者建议在以下几个方面进一步深化、拓展有机废气生物净化技术的研究。
（1）目前生物净化废气技术还只适用于低浓度的简单废气，且该技术的研究也大多集中于无机废气领域，对有机废气领域的研究还十分不足，因此建议进一步加强对前人研究较少或没有研究过的对象的研究，同时注重有机混合物及挥发性有机物的研究。总之，应加宽生物处理废气的应用范围。
（2）尽管国内外学者已经在填料方面做了很多研究，但针对废气治理领域的最佳填料还有待探索，因此建议加强重视对不同填料的性能的研究，提高填料的表面性质及其使用寿命。
（3）加强与其它优秀处理技术的结合，同时不断改进设备结构，研究工艺条件，提高废水中污染物的去除效率。开展新型生物反应器处理有机废气过程的局部性能研究，从微观、局部、瞬态角度，从实验、理论及数值模拟三方面揭示生物反应器中局部流体力学、传质及生化反应性能参数的分布规律，为过程模拟优化设计、操作与控制及工程放大提供依据。
（4）对新型高效生物反应器净化有机废气开展中试及工业级试验研究，使其成为新型、高效、经济、实用的有机废气净化新设备、新工艺和新技术。
（5）建议将生物工程技术（如激光诱变技术、基因重组技术、代谢工程、细胞固定化技术等）应用于有机废气处理中，通过传统技术和现代生物技术的结合，开展高效优势微生物菌种的分离筛选以获得高效降解废气中污染物的微生物菌种。
（6）遗传育种、驯化培养及其载体固定化技术研究，适合于特定有机物降解的细菌种类和接种方法有待研究。
尽管经过近20年的发展，以生物过滤器为代表的有机废气生物净化技术已得到了一定程度的工业化应用，但目前各种有机废气生物净化技术仍不同程度地存在不足，有待完善。不过，随着生物工程技术的迅猛发展，化学工程与环境工程学科的进一步交叉、渗透、融合，有机废气生物净化技术必将不断注入新的活力，更好的应用于各个领域。
参考文献
[1] 魏在山，孙珮石，黄若华.生化法净化工业有机废气的研究[J].环境科学动态，2001（1）：21-23.
[2] Diks R M M，Ottengraf S P P.Verification studies of a simplified model for the removal of dichloromethane from waste gases using a biological trickling filter.Bioprocess Engineering， 1991，6（3）：93-99.
[3] Hantmans，STrarnperJ.Dirchhloromethane removal from waste gases with a trickle-bed bilreactor[J].Bioprocess Engin，1991（6）：83-92
[4] 魏在山，孙珮石，黄若华，等.生物法净化低浓度有机废气的填料选择研究[J].重庆环境科学，2001，23（2）：40-42.
[5] 孙珮石，黄兵，黄若华，等.生物膜填料塔净化工业废气用填料的研究[J].化工环保，2002，22（4）：195—198.
[6] 李云路，李建军，孙国萍.生物滴滤池中废气有机物的生物降解[J].微生物学通报，2005，32（2）：119-123.
[7] 陈建孟，王家德，庄利，等.生物滴滤池法净化二氢甲烷废气的实验研究[J].环境科学，2002，23（4）：22-23
[8] 孙珮石，黄兵，黄若华，等.生物法废气净化专用微生物菌种及其作用[J].中国环境科学，2002，22（1）：28-31.
关键词：生物净化 有机废气 应用 研究进展
工业生产常常会产生大量的有机废气，如不能进行对其进行有效地控制与治理，这些气体必将严重的危害人类的生存环境和健康状况，因此大力开展有机废气的综合治理技术研究已经成为当代世界亟待解决的问题之一。
目前，有机废气的主要治理方法包括吸收法、吸附法、催化转化法等。尽管上述方法具有一定的实操性，然而能耗高等问题也制约着这些方法的应用程度。
生物净化有机废气技术是近年来发展起来的一项用于净化低浓度有机废气的新型技术。经国外众多研究表明，该技术实操性较强，且成本较低，因此是未来用于净化低浓度有机废气的重要方法之一。
为了进一步推动该技术于我国的研究进程，笔者以下将从发展过程、工艺原理、基础理论研究、主要设备及其特点、填料的选择、菌种驯化、工程应用等方面对该技术的研究进展进行综述，此外，还将分析说明其发展中存在的问题，并提出一些建议。
1 生物净化废气技术的发展历程
生物净化有机废气技术的研究始于20世纪50年代，快速发展于80～90年代。德国和荷兰是世界上首批较大规模的应用此项技术用于处理有机废气的国家[1]。日本、美国等地也已广泛开展了该技术的工程应用，而我国对于该技术的研究还很欠缺。
2 生物净化有机废气技术理论研究进展
生物法净化有机废气的实质即利用微生物的生命活动，将废气中的有机组分降解、转化为简单的无机物（CO2、H2O）及细胞质等其它物质。具体而言，在微生物的生长过程中，需要消化吸收碳、氮、磷、氧等营养组分。生物净化法便是通过向生物反应器中投加除待处理废气所含营养物质（即污染物质）以外的营养成分，从而保证微生物主动获取待处理废气中所含的那部分污染物质作为机体生存的营养成分，最终达到去除废气中污染物质的目的。
至今为止，对于生物净化有机废气技术的机理研究，学者们还未形成统一理论。目前，世界上公认影响较大的即荷兰学者奥滕格拉夫（Ottengraf）依据传统的气体吸收双膜理论所提出的生物膜理论（也可定义为“吸收—生物膜”理论）[2]。
3 主要净化装置及特点
目前，国内外主要有机废气生物净化装置包括生物过滤器（biofilter）、生物滴滤器（biotrickling filter/trickling）、生物洗刷塔（bioscrubber）等。其中应用最广泛的是生物滴滤池和滴滤塔。
3.1 生物过滤器
生物过滤器内的固态介质一般使用土壤、堆肥、木屑等。其优点在于：设备少，操作简单，成本低廉（其投资成本约为传统处理技术，如吸附、吸收氧化等技术的1/10），处理效率高等；其缺点在于：反应条件较难控制，占地面积较大，处理效率不够持续稳定、载体使用周期短等，且该工艺不适于处理较高浓度的废气和产酸废气。
3.2 生物滴滤器
在生物滴滤池中，微生物附着于惰性填料的表面并形成生物膜。有机废气从塔底进入反应器后，其中的有机物质则通过微生物的分解、代谢后转化为小分子无机物质，净化后的气体从塔顶排出。其优点在于：设备少、操作简单、压降低、填料不易堵塞、处理效率高等。与生物过滤器相比，生物滴滤法的反应条件更易控制，因而微生物的活性更容易保持。其不足在于：填料比表面较小，运行成本较高，不适于处理水溶性差的化合物，此外结构和操作均比生物过滤器复杂，同时，营养物添加过量还易造成菌体大量繁殖，床层堵塞、压降升高。为此，A.Laurenzis等人[3]在传统的生物滴滤器中安装搅拌装置，以克服这一问题。生物滴滤器的介质可以采用陶瓷、塑料、粗碎石、陶瓷、活性炭、硅藻土等。
3.3 生物洗涤器
生物洗涤器一般是由洗涤器和生物反应器两部分组成，洗涤器主要是物理溶解过程，生物反应器中一般采用好氧处理。该工艺有很多优点，如反应条件容易控制，压降低，填料不易堵塞等；而缺点在于：设备多，需外加营养物，成本较高，填料比表面积小，对液相中菌体生长活动的控制比较困难，限制难溶气体的处理效率等。因此生物洗涤器远不如前两者应用广泛。
3.4 小结
不同成分、浓度及气量的气态污染物，各有其有效的生物净化系统。生物涤气塔适用于处理净化废气量较小、污染物质浓度大、易溶解、生物代谢较慢的废气。对于气量大、浓度低的废气可采用生物滤池处理系统。而负荷较高及污染物降解后会生成酸性物质的，则以生物滴滤池为好。膜反应器和活性污泥法目前使用还比较少，有待进一步的研究。
4 填料的选择
填料是微生物的载体，其性能将直接影响微生物的生长环境，因此国内外研究者对此作了大量研究。
魏在山[4]等人采用不锈钢环、瓷环、陶粒、塑料环、海藻石、轻质陶块、煤渣等作为填料的试验研究，结果表明这七种填料的净化性能顺序为：海藻石>轻质陶块>陶粒>瓷环>不锈钢环>煤渣>塑料环。
孙珮石[5]等对轻质陶块、瓷环、不锈钢环、塑料环4种填料进行实验室选择研究。结果表明：轻质陶块是一种优质廉价的生物滴滤池适宜填料。
Woertz[6]等对聚氨酯泡沫塑料和珍珠岩作填料的性能进行了研究。结果以聚氨酯泡沫塑料为填料的生物滤池取得了更好的处理效果，这种填料同样可以应用于生物滴滤池。
5 菌种驯化
在以往的生物净化有机废气技术研究中，一般采用废水处理所使用的菌群经目标污染物培育驯化后，直接用于有机废气的净化处理，但往往难以达到预期的净化效果，因此培育驯化废气净化专用菌种尤其重要。 陈建孟[7]等人采用假细胞杆菌属GD11菌株对生物滴滤池接种挂膜，成膜后的滴滤池可用来净化二氯甲烷废气，其去除率达97.6%，最适宜的pH值7.0±0.5，温度28.5±2℃，浓度为0.709 g/m3，EBRT为11.8 s。
孙珮石[8]等人用气相培育驯化法培养获得废气净化专用菌种，由其挂膜制作的生物膜填料塔对废气中甲苯进行净化。实验结果表明，气相培养法所得菌种对甲苯的净化性能明显优于液相培养法所得菌种。
6 现存问题及建议
生物净化有机废气技术作为一项清洁、廉价的环境友好型技术在国外已经有近40年的应用历史，但在国内却仍处于起步阶段，且对于各种废气的生物法处理研究发展也很不平衡（目前该技术研究应用大多为含氮、硫的无机气体，对有机气体的实际应用还很少报道）。基于此，笔者建议在以下几个方面进一步深化、拓展有机废气生物净化技术的研究。
（1）目前生物净化废气技术还只适用于低浓度的简单废气，且该技术的研究也大多集中于无机废气领域，对有机废气领域的研究还十分不足，因此建议进一步加强对前人研究较少或没有研究过的对象的研究，同时注重有机混合物及挥发性有机物的研究。总之，应加宽生物处理废气的应用范围。
（2）尽管国内外学者已经在填料方面做了很多研究，但针对废气治理领域的最佳填料还有待探索，因此建议加强重视对不同填料的性能的研究，提高填料的表面性质及其使用寿命。
（3）加强与其它优秀处理技术的结合，同时不断改进设备结构，研究工艺条件，提高废水中污染物的去除效率。开展新型生物反应器处理有机废气过程的局部性能研究，从微观、局部、瞬态角度，从实验、理论及数值模拟三方面揭示生物反应器中局部流体力学、传质及生化反应性能参数的分布规律，为过程模拟优化设计、操作与控制及工程放大提供依据。
（4）对新型高效生物反应器净化有机废气开展中试及工业级试验研究，使其成为新型、高效、经济、实用的有机废气净化新设备、新工艺和新技术。
（5）建议将生物工程技术（如激光诱变技术、基因重组技术、代谢工程、细胞固定化技术等）应用于有机废气处理中，通过传统技术和现代生物技术的结合，开展高效优势微生物菌种的分离筛选以获得高效降解废气中污染物的微生物菌种。
（6）遗传育种、驯化培养及其载体固定化技术研究，适合于特定有机物降解的细菌种类和接种方法有待研究。
尽管经过近20年的发展，以生物过滤器为代表的有机废气生物净化技术已得到了一定程度的工业化应用，但目前各种有机废气生物净化技术仍不同程度地存在不足，有待完善。不过，随着生物工程技术的迅猛发展，化学工程与环境工程学科的进一步交叉、渗透、融合，有机废气生物净化技术必将不断注入新的活力，更好的应用于各个领域。
参考文献
[1] 魏在山，孙珮石，黄若华.生化法净化工业有机废气的研究[J].环境科学动态，2001（1）：21-23.
[2] Diks R M M，Ottengraf S P P.Verification studies of a simplified model for the removal of dichloromethane from waste gases using a biological trickling filter.Bioprocess Engineering， 1991，6（3）：93-99.
[3] Hantmans，STrarnperJ.Dirchhloromethane removal from waste gases with a trickle-bed bilreactor[J].Bioprocess Engin，1991（6）：83-92
[4] 魏在山，孙珮石，黄若华，等.生物法净化低浓度有机废气的填料选择研究[J].重庆环境科学，2001，23（2）：40-42.
[5] 孙珮石，黄兵，黄若华，等.生物膜填料塔净化工业废气用填料的研究[J].化工环保，2002，22（4）：195—198.
[6] 李云路，李建军，孙国萍.生物滴滤池中废气有机物的生物降解[J].微生物学通报，2005，32（2）：119-123.
[7] 陈建孟，王家德，庄利，等.生物滴滤池法净化二氢甲烷废气的实验研究[J].环境科学，2002，23（4）：22-23
[8] 孙珮石，黄兵，黄若华，等.生物法废气净化专用微生物菌种及其作用[J].中国环境科学，2002，22（1）：28-31.
