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嗜熱菌生物過濾技術處理高溫廢氣的研究進展

文檔作者：張馨月王燦季民文檔來源：天津大學		點擊數：	更新時間： 2022年04月11日
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· 34 ·
化 工 環(huán) 保
ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY 201 1年第3 1卷第1期
嗜熱菌生物過濾技術處理高溫廢氣的研究進展
張馨月，王燦，季民
(天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津300072)
[摘要]介紹了嗜熱菌的特點及其潛在優(yōu)勢，針對高溫廢氣中的主要污染物(硫化氫氣體、芳香族揮發(fā)性有機物
(VOCs)、脂肪族VOCs)，詳細闡述了嗜熱菌生物過濾技術對高溫廢氣的處理性能及研究進展。分析了嗜熱菌生
物過濾技術有待進一步研究的科學問題，并展望了嗜熱菌生物過濾技術的發(fā)展方向及前景。
[關鍵詞]高溫；揮發(fā)性有機物；生物過濾；嗜熱菌
[中圖分類號]X51 [文獻標識碼]A [文章編號]1006—1878(201 1)01—0034—04
Research Progresses in Treatment of High-temperature W aste Gas by
Biofiltration with Therm ophilic Bacteria
Zhang Xinyue，Wang Can，Ji M in
(School of Environmental Science and Engineering，Tianiin uniVersit) ，Tianjin 300072，China)
Abstract：The characteristics and potential advantages of thermophilic bacteria are introduced．Aiming
at the major pollutants in high—temperature waste gas(such as H2 S，~omatic VOCs and aliphatic
VOCs)，the treatment eficiency of biofiltration technology with thermophilic bacteria and its research
progresses are expounded in detail．The problems for further research are analyzed and the development
direction is prospected．
Key words：high—temperature；volatile organic compound；biofiltration；thermophilic bacteria
隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展和工業(yè)化進程的加
快，人類活動所產生的廢氣排放量不斷增加。廢氣
中含有的部分揮發(fā)性有機物(VOCs)和一些致嗅物
質是城市光化學煙霧的前驅物質，加強對VOCs和
惡臭氣體的治理已成為必然趨勢 ～ 。而由于工業(yè)
廢氣多產生于實際的生產工藝過程，排放的廢氣往
往具有較高的溫度。這些高溫有機廢氣多產生于
石油化工行業(yè)，如造紙、油漆涂料、采礦、金屬電鍍
和紡織等行業(yè) J。在處理高溫有機廢氣的技術中，
生物處理技術尤其是生物過濾技術因具有成本小、
操作簡單、技術清潔等特點而受到廣泛的關注和研
究。但從目前來看，生物過濾技術的應用主要集中
在處理常溫有機廢氣(20～50 oC)方面。這主要是
因為多數的微生物難以在高溫條件下存活或發(fā)揮
出較強的降解能力。因此，研究生物過濾技術在極
端環(huán)境下(高溫條件)的運行特性，闡明生物過濾技
術在應用過程中的關鍵問題，具有重要的學術研究
價值。
本文在分析嗜熱菌特點及優(yōu)勢的基礎上，詳細
介紹了嗜熱菌生物過濾塔對目前高溫廢氣中常見
的幾種污染物的去除性能，并對嗜熱菌生物過濾塔
在有機廢氣處理中的發(fā)展方向進行了分析和展望。
1 嗜熱菌的特點及其潛在優(yōu)勢
嗜熱菌是一種嗜熱型微生物，這類微生物適宜
在高溫條件下(55℃ 以上)生長并降解有機物。將
嗜熱菌接種于生物過濾裝置處理中高溫有機氣體，
具有以下幾方面的優(yōu)勢：(1)高溫條件下氣體的傳
質效率和微生物的活性均較高，這有利于VOCs的
去除；(2)絕大多數嗜熱菌具有較強的耐熱性，能夠
抵抗溫度的突然變化對處理系統(tǒng)運行性能的影響；
[收稿日期 2010—07—18；[修訂日期]2010—08—30。
[作者簡介]張馨月(1989一)，女，黑龍江省綏化市人，碩
士生，主要研究方向為揮發(fā)性有機物控制技術。電話
13682080125，電郵xinyue405@ 163．corn。聯(lián)系人：王燦，電
話022—27406057，電郵wangcan@cju．edu．ca。
[基金項目]環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室基
金課題(10K02ESPCT)。
第1期 張馨月等．嗜熱菌生物過濾技術處理高溫廢氣的研究進展
(3)高溫條件下，生物過濾塔中的部分微生物細胞
將發(fā)生自溶，可以避免生物量的過快積累，延緩填
料層堵塞現(xiàn)象的發(fā)生；(4)嗜熱菌對化學物質具有
較高的耐受性，因此在成分復雜的有機氣體中，嗜
熱菌仍可保持較高的活性。
2 嗜熱菌生物過濾技術現(xiàn)狀
目前，國內外已經有部分研究者就嗜熱菌處理
高溫氣體進行了嘗試性的研究工作 ，嗜熱菌生
物過濾塔的溫度范圍及處理的目標污染物見表1。
由表1可見，嗜熱菌生物過濾塔運行的主要溫度范
圍為50～70℃ ，處理的污染物主要是硫化氫、芳香族
VOCs(如甲苯、苯等)和脂肪族VOCs(如乙醇等)。
表1 嗜熱菌生物過濾塔的溫度范圍及處理的目標污染物
嗜熱菌來源 溫度范圍／℃ 目標污染物參考文獻
2．1 嗜熱菌生物過濾技術對硫化氫氣體的處理
性能
生物過濾技術最早應用于硫化氫等惡臭氣體
的處理。近年來，一些研究者開始關注生物過濾技
術在高溫條件下對硫化氫的去除效果。Ryu等
以堆肥作為嗜熱菌接種源，系統(tǒng)考察了生物過濾塔
在6O℃條件下對硫化氫氣體的去除性能，研究結果
表明：在空塔氣速為50 h (空塔停留時間為1．2
rain)、進口硫化氫質量濃度為32．3 g／m 的條件
下，生物過濾塔對硫化氫的去除率可以達到95％ 以
上，最大去除速率為56．6 g／(1TI ·h)。在此基礎
上，研究者進一步對生物過濾塔中的微生物進行了
分離篩選，獲得了一株屬于Bacillus菌屬的硫氧化
菌(命名為TSO )。Bacillus sp．菌是一類典型的嗜
熱菌，已被證明可在高溫條件下降解污染物 。
Indrani等 進一步比較了處理硫化氫的常溫
生物過濾塔和高溫生物過濾塔中微生物對不同碳
源的代謝特性。該研究小組以溫泉底泥作為接種
微生物，構建了3套生物過濾裝置：對照組生物過濾
塔溫度維持為40℃(噴淋液溫度)，高溫生物過濾
塔溫度分別控制為60℃ 和70℃(噴淋液溫度)；過
濾塔的其他運行條件為營養(yǎng)液pH 4～5，硫化氫進
口質量濃度1．7—56．1 g／m ，氣體空塔停留時間
l5～60 s。3套生物過濾裝置平行運行了9個月，在
運行的前22天，由于缺乏碳源，所有生物過濾塔對
硫化氫的去除率極低；第23天，在營養(yǎng)液中加入了
質量分數為1％ 的葡萄糖，對照組生物過濾塔的硫
化氫去除率得到明顯提高(最大H S去除速率為
50 g／(m ·h))，而高溫生物過濾塔的去除率仍較
低；第37天，向營養(yǎng)液中又加入質量分數為3％的
谷氨酸一鈉，此時高溫生物過濾塔的去除率有明顯
提高(最大 s去除速率為50 g／(m ·h))。
上述結果表明，在不同溫度條件下運行的生物
過濾塔中的微生物表現(xiàn)出不同的碳源代謝特性。
產生這種差異的原因主要是由于溫度改變了生物
過濾塔中微生物的群落結構。在高溫條件下運行
的生物過濾塔中，成為優(yōu)勢菌的嗜熱菌與常溫菌在
生理生化特性上存在明顯差異，因此表現(xiàn)出不同的
代行特性，進而表現(xiàn)出不同的硫化氫去除性能。
2．2 嗜熱菌生物過濾技術對芳香族~OCs的處理
性能
嗜熱菌生物過濾技術處理芳香族VOCs的研究
在國內外都已有報道。嗜熱菌生物過濾塔處理芳
香族VOCs的主要參數見表2。
表2 嗜熱菌生物過濾塔處理芳香族VOCs的主要參數
王娟等 j從某石化公司污水處理廠的曝氣池
中采集活性污泥，利用甲苯氣體馴化30 d后接種至
生物過濾塔中，在氣體空塔停留時間為2．5 min條
件下，逐漸升高進氣溫度，考察了過濾塔對30～
化 ：L 環(huán) 保
ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY 201 1年第3 1卷
60℃氣體中甲苯的去除率，結果表明：過濾塔對30，
40，50，60℃ 氣體中甲苯的平均去除率分別為
74．8％ ，82．7％ ，59．5％ ，55．9％ ；40 oC時去除率最
高，隨著氣體溫度上升，去除率逐漸降低，但當氣體
溫度為60℃ 時仍有明顯的去除能力；鏡檢結果發(fā)
現(xiàn)，隨著溫度的升高，過濾塔中短桿菌減少的數量
遠多于球形菌，表明球形菌可能更適應高溫環(huán)境。
Cho等¨ 考察了嗜熱菌生物過濾塔(填料層溫
度為60℃)對苯與甲苯混合氣體的處理性能，當向
填料層只加入無機鹽營養(yǎng)液時，過濾塔對VOCs的
最大去除速率僅為470 g／(m ·h)(體積空速
30 h～，進口負荷約為2 000 g／(m’·h))；當在無機
鹽營養(yǎng)液中加入5 L的酵母浸膏后，在相同的條
件下，過濾塔對VOCs的最大去除速率增加至
1 650 g／(m ·h)。上述結果表明，在無機鹽營養(yǎng)
液中加人酵母浸膏有助于提高嗜熱菌生物過濾塔
的運行性能。此外，該研究還對生物過濾塔中的微
生物群落進行了DNA分析，從中分離獲得了兩株
優(yōu)勢菌，分別為Rubrobacter sp．和Mycobacterium
sp．，均為嗜熱菌。進一步的研究還發(fā)現(xiàn)，上述兩類
嗜熱菌對混合氣體中苯的去除率高于甲苯，這與傳
統(tǒng)常溫生物過濾塔的處理結果相反 。類似的結
果在其他的研究中也有報道，如Mohammad等¨ ]
比較了生物過濾塔在常溫(20 oC)和高溫(50℃)條
件下對苯、甲苯、乙基苯和二甲苯的去除性能，結果
表明，在較高的進口負荷下(213 g／(m ·h))，高溫
生物過濾塔對苯的去除率接近100％ ，而常溫生物
過濾塔對苯的去除率只有10％。上述結果說明，對
于一些常溫菌難處理的污染物，可以考慮采用嗜熱
菌進行處理。
2．3 嗜熱茵生物過濾技術對脂肪類VOCs的處理
性能
Cox等 比較了生物過濾塔在常溫(22℃)和
高溫(53 oC)條件下對乙醇氣體的處理性能，當進氣
中乙醇質量濃度為5 g／111 、空塔停留時間為57 S
時，兩個生物過濾塔的乙醇去除性能相當，最大去
除速率均超過220 g／(m ·h)；當溫度升至62℃
時，高溫生物過濾塔的處理性能明顯下降，最佳的
運行溫度范圍為20～60℃。對微生物的分析結果
表明，高溫生物過濾塔中的優(yōu)勢菌包括嗜熱菌和嗜
溫菌，多為桿型菌。高溫生物過濾塔1％ ～10％ 的
優(yōu)勢菌群可在常溫下存活，而常溫生物過濾塔中的
菌種只有約0．001％ ～0．010％ 可在高溫下存活，由
此推斷高溫生物過濾塔的微生物群落的生物多樣
性較常溫生物過濾塔更為豐富¨引；數據表明，乙醇
在高溫生物過濾塔中轉化為二氧化碳的轉化率
(60％)明顯高于常溫生物過濾塔(46％)。與之相
應，高溫生物過濾塔中的生物累積量相對較低，其
原因可能是嗜熱菌微生物生長速率較低，或是微生
物在高溫條件下發(fā)生了自溶¨ 。
3 嗜熱菌生物過濾塔處理高溫廢氣的
研究方向
目前，已有少數報道介紹了嗜熱菌處理高溫廢
氣的可行性和運行性能方面的研究，已有的研究結
果也證明了該研究方向具有較好的研究價值和應
用前景。但是，目前國內外的研究工作仍屬于起步
階段，其中一些關鍵的科學技術問題還有待進一步
深入研究，例如：適合嗜熱菌生物特性的生物過濾
塔快速啟動方法的建立；嗜熱菌生物過濾塔在不同
操作條件(尤其是在特殊操作條件，如沖擊負荷等)
下的去除特性和系統(tǒng)的優(yōu)化運行方案；嗜熱菌細胞
在高溫條件下的生長和自溶過程以及嗜熱菌在長
期運行中的增殖規(guī)律與生物量調控技術；生物過濾
塔中微生物群落在高溫條件下的演變規(guī)律；以及嗜
熱菌生物過濾塔運行性能的數學模擬等。這些問
題都是嗜熱菌生物過濾技術應用過程中的關鍵和
難點，也是該領域未來重要的研究方向Ⅲ-20]。
4 結語
綜上所述，高溫廢氣已經成為重要的污染問
題，對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成極大威脅。研究和
開發(fā)適合極端條件下(高溫)的生物處理技術對于
控制廢氣污染、保護生態(tài)環(huán)境和人體健康具有重要
意義。嗜熱菌在高溫廢氣的生物處理方面具有很
大潛力和良好的應用前景，因此，有必要抓住時機，
盡快開展相關研究，獲得原始創(chuàng)新性的研究成果并
開發(fā)具有自主知識產權的新技術，在本領域取得突
破性進展。
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(編輯張艷霞)
· 專利文摘·
一種高效氯氰菊酯降解菌及其應用
該發(fā)明提供了一種高效氯氰菊酯的降解
菌—— 固氮弧菌(Azoarcus indigens)HZ5，保藏于中
國典型培養(yǎng)物保藏中心，地址：湖北省武漢市珞珈
山武漢大學，430072，保藏日期2010年3月17日，
保藏號為CCTCC No。M 2010060。該發(fā)明菌種對
高濃度的高效氯氰菊酯具有一定的降解能力，在純
培養(yǎng)條件下對質量濃度為50 mg／L的高效氯氰菊
酯的降解率達65．2％，且降解過程中不存在對映體
選擇性。該降解菌可通過直接投加的方式應用于
水體中高效氯氰菊酯的降解，能安全、高效、快速的
降解水體、土壤等物體上殘留的高效氯氰菊酯。含
有該菌株的菌劑的制備工藝簡單，成本低廉，使用
方便，具有很好的應用前景。／CN101880641A，
2010 — 1 1 — 10
一種高效去除水中典型三苯甲烷染料的方法
該發(fā)明公開一種高效去除水中典型三苯甲烷
染料的方法，屬于廢水處理領域。該發(fā)明采用微波
激發(fā)無電極燈產生紫外一可見光分別引發(fā)TiO：光
催化降解及H 0：非催化氧化降解含孔雀石綠和結
晶紫的典型三苯甲烷染料廢水。所使用的微波輻
射由微波反應裝置產生，微波反應裝置主要組成
為：微波功率源、反應腔體、玻璃反應器、無極燈、冷
凝管和溫度探頭。該發(fā)明對現(xiàn)有的微波光化學反
應裝置進行改進，使得反應裝置既可以長時間工
作，又能準確測量反應體系溫度及無極燈發(fā)射光譜
等。處理三苯甲烷染料孔雀石綠、結晶紫廢水時具
有高效、工藝簡單、可控制性較強、反應條件溫和、
操作簡便等優(yōu)點。／ CN101885530A，2010—
1 1— 17

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