基于生物技术的有机过氧化物生产废气治理研究进展

2023-10-19杨树荣

当代化工研究 2023年18期

＊杨树荣

（兰州助剂厂股份有限公司甘肃 730000）

1.研究背景与意义

有机过氧化物是一类常见的有机化合物，在许多工业生产过程中会产生大量的废气。这些有机过氧化物废气具有强烈的刺激性气味，并且含有许多对环境和人体健康具有潜在危害的物质，例如，挥发性有机化合物（VOCs）和臭氧等。因此，对于有机过氧化物废气的治理显得非常重要。

传统的有机过氧化物废气治理方法包括物理吸附、化学吸收以及催化氧化等，但这些方法存在着一些缺点，比如高能耗、高成本、副产品产生等。生物技术作为一种新兴的废气治理技术，具有许多优势，如低成本、无二次污染、操作简便等。在生物技术中，微生物可以通过新陈代谢作用将有机过氧化物转化为无害物质，从而实现废气的净化。

2.研究现状

（1）微生物处理废气。利用具有降解能力的微生物菌株，通过其新陈代谢将有机过氧化物转化为无害物质。常见的微生物包括细菌、真菌和藻类等。研究人员通过优化生物反应器的设计和操作条件，以提高废气处理效果。

（2）生物滤池和生物膜反应器。生物滤池和生物膜反应器是常见的生物技术废气处理装置。通过在滤料或膜上固定生物膜，利用微生物的附着生长来降解有机过氧化物。这些装置具有高效率、稳定性好等优点，在工业实际中得到广泛应用。

（3）生物吸附剂。生物吸附剂是一种通过微生物附着作用来去除废气中有机过氧化物的材料。这些吸附剂可以通过调整其表面性质和微生物菌群的组成，来提高吸附能力和降解效率。

3.相关概述

（1）有机过氧化物的种类和特性。有机过氧化物是一类具有氧气中的氧-氧键（O-O键）的化合物，常见的有机过氧化物包括过氧乙酸（PAA）、过氧乙酮（MEKP）、过氧化丙酮（MPK）等。它们在许多工业过程中产生，并且具有刺激性气味和对环境和人体健康有潜在危害的成分，如挥发性有机化合物（VOCs）和臭氧（O3）。

（2）已有的废气治理方法和其限制。传统的有机过氧化物废气治理方法包括物理吸附、化学吸收和催化氧化等。物理吸附方法是利用吸附剂吸附有机过氧化物，但存在着吸附剂选择性、再生成本高等问题。化学吸收方法通过溶液中的化学反应将有机过氧化物转化为无害物质，但存在废液处理和操作复杂的问题。催化氧化方法使用催化剂催化有机过氧化物氧化降解，但催化剂选择和催化剂寿命等方面的限制较多。

（3）生物技术在废气治理中的应用概述。近年来，生物技术作为一种新兴的废气治理技术，受到了广泛关注。生物技术利用微生物的降解能力将有机过氧化物转化为无害物质。研究表明，通过合适的生物反应器设计和优化操作条件，可以实现高效、经济、环保的有机过氧化物废气处理。生物滤池和生物膜反应器等装置通过固定生物膜降解有机过氧化物，具有高效率和稳定性好的特点。

4.废气成分分析

我国的有机合成工业和石油化学工业正在迅速发展，这导致大气中的有机化合物逐渐增多，其中包括各种挥发性有机物，如有机硫化物和有机氯化物。翟海涛等人[1]认为这些有机化合物会对人体的感官产生刺激，某些物质甚至具有毒性，对周围环境和公众健康造成严重危害。在这种情况下，人们越来越重视对这些污染物的控制，并开始广泛关注生物技术的应用。

（1）有机过氧化物生产过程中产生的主要废气。有机过氧化物生产过程中产生的主要废气成分包括有机溶剂、挥发性有机化合物（VOCs）、颗粒物和氮氧化物等。VOCs是产生有机过氧化物过程中产生的挥发性有机化合物，包括苯、甲醛、乙烯等，具有较强的刺激性和毒性。颗粒物是指空气中的固体或液体颗粒，主要由可燃物质和非可燃物质组成，对环境和人体健康造成直接的污染。氮氧化物是指氮气和氧气在高温下反应生成的化合物，包括一氧化氮、二氧化氮等，具有较强的臭氧形成潜力和毒性。典型工业挥发性有机物的组成和含量因具体行业和生产过程的不同而有所差异。

（2）废气成分对环境和人体健康的影响评估。废气成分对环境和人体健康的影响主要包括空气污染、气候变化和人体健康的影响。废气中的有机溶剂和VOCs会导致空气中挥发性有机物浓度升高，对大气环境造成污染，并可能在一定条件下形成臭氧，对大气层臭氧层的破坏和地球气候变化产生负面影响。颗粒物对环境和人体健康的影响较为直接，高浓度的颗粒物会导致雾霾和光学污染，对空气质量造成影响，并可能导致呼吸系统疾病和心血管疾病等健康问题。

5.生物技术在有机过氧化物生产废气治理中的应用

陈建孟、王家德等人[2]认为有机废气生物净化是利用微生物将废气中的有机组分作为其生命活动的能源或其他养分，通过代谢降解，将其转化为简单的无机物（如CO2、水等）和细胞组成物质。与废水的生物处理过程相比，有机废气处理过程的最大区别在于，废气中的有机物质首先需要经历由气相转移到液相（或固体表面液膜）的传质过程，然后在液相（或固体表面生物层）中通过微生物的吸附和降解来完成转化（如图1）。

图1 微生物净化有机废气模式图

（1）微生物处理废气的机制和原理。岳玉妍[3]认为微生物也可以对废气进行净化。首先，需要将废气转移到液相环境中，并通过液相中的微生物进行降解。在这个过程中，微生物会产生代谢产物，其中一部分可以作为细胞的代谢能源，而另一部分，例如二氧化碳，则会被释放到液相环境中。例如，通过微生物来净化二甲苯的废气可以在室温下进行。废气中二甲苯的浓度范围通常在每立方米250mg至2500mg之间，气流量为每小时100L至400L。废气在处理装置中停留的时间约为28s至83s，处理装置的阻力通常在12.8Pa至40.9Pa之间。根据实验结果，用生物膜填料塔来处理含有二甲苯的废气具有良好的效果，总有效去除率可达到90%以上。

（2）生物滤池的构建和优化。董龙标，冯伟铭等人[4]认为生物过滤法是一种用于处理VOCs（挥发性有机化合物）的废气的方法，这些废气主要来自工业生产、市政污水以及污泥处理等。为了解决恶臭气体污染问题，生物过滤法被提出并广泛应用。

生物滤池是一种常见的微生物处理废气的装置，其构建和优化涉及床层材料的选择、填料层的设计和通气方式的调控等。构建生物滤池时，可以选择高效的床层材料，如活性炭、生物降解塑料等，以提供良好的微生物生长环境。填料层的设计应考虑到填料的比表面积和孔隙度，以提高废气的接触面积和微生物附着量。通气方式的优化可采用上流式、下流式或交流式通气，以提供充足的氧气和维持适宜的温度和湿度条件。

（3）生物膜反应器的设计和运行。生物膜反应器是一种利用微生物附着在载体表面形成生物膜进行废气处理的装置。其设计和运行涉及载体选择、整体结构设计和水质管理等方面。载体的选择应具有高比表面积、良好的附着性和可再生性。整体结构设计可以考虑填料的布置方式、废气进出口的设置和气液分离装置的采用。水质管理包括定期清洗载体、调节水质和监测微生物生长状态等。

（4）生物吸附剂的选取和性能评价生物吸附剂是利用微生物或其产物作为吸附剂对废气中的有机物进行吸附和去除。选取合适的生物吸附剂应考虑其吸附容量、吸附速度和再生性等性能。常用的生物吸附剂包括活性炭、壳聚糖、纤维素等。性能评价可以通过实验室试验和现场应用来进行，包括吸附效果、吸附动力学和再生效率的评估。

6.生物技术在有机过氧化物生产废气治理中的效果评价和优化

（1）废气处理效率的评估。评估废气处理效率可通过测定有机污染物去除率、浓度变化和微生物活性等指标。连续监测系统可以实时监测处理过程中的参数，并传输至计算机进行处理。采样分析可通过采集废气样品，经前处理后进行分析，常见方法包括吸附管法、冷凝法和膜法。现场实测可使用环境监测设备对排放口进行监测。综合以上方法和数据处理统计，可对废气处理效率进行评估。评估过程需考虑影响因素，并对结果进行合理解释和比较，以确保准确性和可靠性。

（2）不同生物技术处理方案的效果对比。处理和统计方法可对比不同生物技术处理方案的效果。废气处理效率是评估不同生物技术处理方案效果的重要指标，可通过测定有机污染物去除率和浓度变化来评估。在实验室规模的试验中，可以设立对照组和实验组，采用不同处理方案，对废气样品进行采样和分析，以比较不同方案的效果。在工程规模的试验中，可以在实际废气处理系统中使用不同处理方案，进行连续监测和采样分析，获取更真实可靠的数据。

（3）影响生物技术效果的关键因素分析和优化策略。关键因素分析可通过实验室和工程规模的试验进行。设立对照组和实验组，改变废气特性、微生物种类和活性、温湿度等条件，比较处理效果。监测关键参数，如有机物去除率、微生物菌群结构和活性，找出影响效果的主要因素。基于关键因素分析，制定优化策略，如分阶段处理、增加微生物数量或引入新种类、改善培养条件、调节反应器参数或增加辅助控制系统等。

7.生物技术在有机过氧化物生产废气治理中的挑战与解决

（1）生物技术处理过程中的操作问题及解决。在生物技术处理过程中可能会遇到操作问题，例如微生物失活、反应器堵塞、产生异味等。这些问题，可采取以下解决方法：①选择适宜的微生物种类和培养条件，提高微生物的生长活性和抗逆能力。②确保适宜的温度和湿度条件，避免过热或过湿导致微生物失活。③定期清洗和维护反应器设备，防止堵塞和污染。④使用活性炭等吸附剂来减少或消除异味。

（2）对微生物群落的影响和稳定性。微生物群落的结构和活性对处理效果有重要影响。为解决外界环境和处理条件的不稳定性对微生物群落的影响，可以选择适应性强的微生物种类、优化培养条件，并采用连续流动反应器等操作方式。评估生物技术在废气治理中的经济性和可行性，包括投资成本、处理效果、处理能力和适用范围等方面。进行经济性分析、风险评估和实地应用监测，以确定技术的可行性和可持续性。

8.结论与前景

(1)研究结论

本研究主要探讨了生物技术在有机过氧化物生产废气治理中的应用。我们了解到生物技术可以有效降低有机过氧化物生产过程中产生的废气对环境和健康的影响。生物技术处理废气的关键是利用微生物群落对有机过氧化物进行降解和转化。然而，生物技术在这一领域面临着操作问题、微生物群落影响和稳定性问题，以及经济性和可行性评估等挑战。为了克服这些挑战，需要选择适应性较强的微生物种类，优化培养条件，并进行经济性和可行性评估。

(2)应用前景

生物技术在有机过氧化物生产废气治理中具有广阔的应用前景。首先，生物技术可以实现对有机过氧化物的高效降解和转化，从而减少有害废气的排放。其次，生物技术可以根据不同的废气成分进行优化设计，提高处理效果和稳定性。此外，生物技术还具有较低的投资和运营成本，以及较小的对环境的二次污染风险。因此，生物技术在有机过氧化物生产废气治理领域具有广阔的市场前景和应用潜力。