生物法处理技术最早可以追溯到1950年，起先主要是用于降解空气中的低浓度恶臭物质。1957美国科学家申请了第一个生物法处理废气专利。1970-1980年，生物法在废气处理中的应用引起了世界各国的重视，并在欧洲和日本等发达国家得到了迅速发展。近年来，荷兰、德国、日本等国家已经有相当数量工业规模的各类生物处理废气装置并且投入工业化运行，实际运行的生物法处理废气装置对污染物的去除率可达90％以上。国内许多研究机构包括清华大学等也对生物法处理有机废气进行了深入研究，但目前基本都处于试验室阶段，还未能实现大规模的工业化推广。不过，未来生物法在我国具有较为可观的应用前景。
目前主流的生物处理废气工艺有三种。按照微生物群落和液相形式，可分为生物过滤、生物滴滤和生物洗涤工艺。同时还有转鼓生物过滤器、生物板式塔和膜生物膜法等新型工艺。以上生物法处理废气的简易工艺流程如下图所示。
生物过滤工艺是利用有较强吸附能力的填料如松树皮、活性炭、陶粒、堆肥等完成对废气污染物的吸附，填料中有大量的微生物，微生物通过吸收捕获废气中的污染物，通过微生物的代谢作用完成对污染物的降解。
在生物过滤器工艺中，废气先通过加湿，然后进入生物过滤床。湿润的污染气流通过固定有混合菌种的多孔填料，经净化后气体被排出生物过滤器系统。生物过滤器一般不需要额外补充营养物质（营养不足时，可以偶尔喷洒，主要是补充氮源或者是磷源），这是因为生物过滤器的填料通常是土壤，堆肥，泥炭，木屑，树皮，颗粒活性炭和塑料材料或者数种材料混合使用，所以本身就为微生物的生长提供了足够的营养以及微量营养素。生物过滤器中填料大多包含丰富的菌种，当然也可以额外接种微生物。生物过滤工艺的核心是生物过滤床，理想的生物过滤床应有如下重要特征：(1)用于微生物膜生长以及气/生物膜传质的高比表面积；(2)高空隙率，以促进气体均勾分布；(3)良好的保水能力，避免床层干燥；(4)存在有效的固有营养物质；(5)存在密集的和多样化的固有菌群。
生物过滤工艺处理废气具有工艺简单、操作方便、运行成本低和处理效果好等优点，而且菌种附着在固定填料上比较稳定不易流失。当然，生物过滤工艺也有着自身的局限性，只适合处理溶解度高、易生化降解的VOCs，尤其是对高浓度废气处理效果较差，耐冲击负荷能力弱，滤床需要定期更换等缺点。
生物洗涤工艺是一个由装有惰性填料的吸收器和一个活性污泥反应器组成的悬浮活性污泥处理系统，吸收器内的惰性填充材料，其主要用于增加气液相的接触面积，而不是作为生物相的载体。洗涤循环液从吸收室顶部喷淋而下，使废气中的污染物和氧气通过溶解和吸附作用实现从气相至液相的转移，部分的有机物被直接降解，大部分的有机物进入到活性污泥处理系统，通过活性污泥系统实现有机物的降解，洗涤循环液在活性污泥系统中通过曝气再生。目前，大多数生物洗涤器的运行是以污水处理厂的活性污泥作为接种。
生物洗涤工艺的优点是阻力小压降低、填料由于具有较大的孔隙率因此不易堵塞，不需要定期更换填料，运行过程和反应条件易于控制。但是，其适合治理易溶VOCs，如醇、酮类(Henry系数<0.01)，污染物浓度一般低于5000 mg/Nm3、气液传质的比表面积较小(通常<300 m2·m-3)；由于生物洗涤工艺所需的运行设备较多，运行成本较高，且不宜处理进气流量较大的废气，在一定程度限制了生物洗涤工艺在处理工业废气中的应用。
生物滴滤池，是一种介于生物过滤法和生物洗涤法之间的处理工艺。相比生物过滤器，生物滴滤器中所用的填料是陶瓷、木炭、聚丙烯小球、颗粒活性炭等惰性材料，其不能提供微生物生存以及生长的营养物质。填料只是作为生物生长的载体，但其填料空隙率比生物过滤器高，使用寿命更长，流体阻力小。生物滴滤器整个系统的正常工作必须要有营养液，并通过循环泵将营养液喷淋到吸收塔内的填料上，营养液中一些营养物质(主要是氮源，磷源以及一些痕量元素)外，还起到了调节pH和控制塔内湿度的作用。有机气体在进入吸收塔前也需要加湿，然后被惰性载体上的生物吸附并降解。
相比而言，生物滴滤器能处理范围更广的污染物，承受更大的污染负荷。这是因为生物滴滤器内的环境条件更好控制，而且潜在的有毒、顽固代谢产物会从系统中被清除出去。需要注意的是，生物滴滤器基于滴流的机制，因此这种工艺更适合于水溶性VOCs（Henry系数<0.1），当然由于微生物和污染物之间的接触是同时发生的，所以对于VOCs在水中溶解度没有生物洗涤器要求那么高。另外，由于微生物和污染物之间的接触发生在VOCs扩散到液膜之后，所以对生物滴滤器运行而言，液体流速和循环速度被认为是影响其性能的重要参数。
生物滴滤池的优点在于其运营和投入成本低；日常操作简便；可以人为投加必须的营养物，并调节pH值；适合中高浓度的污染物气体净化。但也有自身的局限性，比如因为塔内微生物的快速繁殖导致的填料层堵塞，压降升高，生物滴滤系统的运行效率下降，必须采取反冲洗等方法来恢复生物滴滤系统的功能，目前常用的防治填料层堵塞的方法有漫灌冲洗法、酸/碱反冲洗、营养限制等。
生物板式塔的基本结构类似于生物滴滤池，与其不同的是在吸收塔内不是填料而是一堆在边界上有孔的平行圆板，相邻两个圆板的放置必须使孔交替平行。通过这种方式，营养液不断改变方向自上而下的流经每块塔板，气相(含VOCs废气)则以逆向自下而上流动。生物膜则平行生长在每块塔板上，塔板表面一般较为粗糙，这样有助于生物膜粘附。
生物板式塔根据所需要的操作时间可以调节总的表面积和塔板之间的空间，同时由于其恒定的表面接触面积使过程中更容易建膜和规模扩大化。相比生物过滤器、生物滴滤器而言，其对于生物相的分析更为方便，且不容易发生由于微生物过度生长而引起的堵塞等问题，即使当塔板生物膜的厚度达到最大值时也易于替换，性能更稳定(生物活性稳定)，能长时间地工作，操作也更加方便。
与生物洗涤类似，转鼓生物过滤器也是由废水生物处理技术所演化而来。它的设计在一定程度上解决了生物过滤器中固有的问题。
转鼓生物过滤器的主体为水平圆筒，其安装在两端固定的转轴(中空)上，圆筒约有30%至40%的面积浸没在水槽中，微生物则附着在转筒上。污染物气体进入密封的反应器后，进而吸附在转筒介质上(如活性炭，海绵等)。当转筒转动时，微生物经过水域并获得其它营养物质后将污染物分解，并由中空转轴排出反应器。结构上多盘式和单盘式类似，只是在微生物的载体以多片同心水平圆筒代替单个水平圆筒。混合式转鼓生物过滤器可以看作多转盘式鼓生物过滤器与活性污泥工艺的结合，不同于多盘式的是其将污染物进气口设在水面以下。
一般而言，转鼓生物过滤器中生物质主要分布在最外层。其中单盘式筒体最外层上生物质分布均匀，但生物质随着筒体深度而呈现出非均匀分布。而多盘式除了在最外层，内层生物质分布也相当均匀，这表明其能够有效防止气体短路，从而获得更好的性能。多盘式转鼓生物过滤器可以长期运行在较髙的污染物负荷以及有介质清洗的情况下。但尚未有该项技术在实际应用的实例。
在典型的膜生物膜反应器中，微生物依附在膜的一侧，膜作为微生物群落生长的载体，并为氧气和挥发性有机物的传质提供了巨大的比表面积。膜被生物膜所覆盖的那一侧浸润在液相中，液相提供营养物质，进而可以控制生物相。而气相中的污染物通过纤维膜微孔扩散到达生物相(生物膜)，然后好氧微生物以氧气为电子受体将VOCs降解。膜生物膜法处理废气有如下优势：
(1)不会发生气相阻塞，压力降小，但在传统的生物法堵塞问题较为严重，尤其是生物过滤器；(2)可以持续不断地去除过剩生物质，因此在VOCs负荷较高的情况下可以防止反应器堵塞；(3)耐冲击负荷能力较强，但最大污染负荷受到膜极限的限制，而传统生物法耐冲击负荷能力差，与营养状态有关，最大污染物负荷速率为50-300 g/（m3·h），50- 2000ppmv； (4)可以去除生物降解过程中所产生副产物，可以添加pH缓冲剂中和酸性代谢产物和提供微生物生长的营养物质，并提供微生物群落生长的载体。(5)可以去除水溶性较低的污染物如NO或甲烷，而传统生物法则由于传质受限导致去除率低；(6)微生物与气相分离，防止了载体中的微生物进入空气，因而可以应用于室内控制的治理；(7)处于气流的最佳湿度，普通生物其则需要额外加湿装置；(8)气、液相独立控制，进而防止了溢流或发泡，而传统生物法则很大程度上取决于操作过程。
相比传统的三大生物反应器(生物过滤器，生物洗涤塔和生物滴滤池)，膜生物膜法虽拥有诸多优势，但目前仍停留在实验室研究阶段。
参考文献：
[1] 王震文：膜生物过滤技术净化工业废气中挥发性有机化合物性能研究。
来源：VOCs管理与技术交流驿站公众号