摘要：高流量負(fù)荷下生物膜填料塔凈化低濃度甲苯廢氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氣體流量在0.8m³/h，入口氣體甲苯濃度為105mg/m³,停留時(shí)間18.3s時(shí)，甲苯的凈化效率可達(dá)到61.9%，出口氣體甲苯濃度低于國(guó)家對(duì)現(xiàn)有企業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)(≤60mg/m³)。適宜的操作溫度應(yīng)控制在20~25℃之間，氮磷營(yíng)養(yǎng)添加量的配比應(yīng)控制為C:N:P=200:5:1。依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)相關(guān)的機(jī)理問題進(jìn)行了分析探討。

關(guān)鍵詞：生物膜填料塔 高流量負(fù)荷 低濃度甲苯廢氣 廢氣凈化

近年來(lái)，生物法廢氣凈化技術(shù)作為一種低濃度工業(yè)廢氣凈化處理的新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外已受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。相關(guān)的研究成果和工業(yè)應(yīng)用實(shí)例表明，生物法廢氣凈化技術(shù)在凈化處理低濃度VOCs廢氣、惡臭氣體等方面確有實(shí)效^[1-5]，首批應(yīng)用的再生膠脫硫有機(jī)廢氣生物法工業(yè)凈化裝置已于2000年在云南省昆明市及河北省任丘市相繼投入運(yùn)行，并取得預(yù)期的處理效果^[6]。低濃度VOCs廢氣的特點(diǎn)是廢氣量大、濃度低，按目前工程應(yīng)用的廢氣流量負(fù)荷運(yùn)行并達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，工業(yè)凈化設(shè)備體積就顯得過于龐大。從進(jìn)一步減小設(shè)備體積、節(jié)省投資的需要出發(fā)，開展高流量負(fù)荷下低濃度VOCs廢氣的生物法凈化處理應(yīng)用條件研究。 本實(shí)驗(yàn)以低濃度甲苯廢氣(VOCs的代表物)為對(duì)象，對(duì)生物膜填料塔凈化處理高流量負(fù)荷下低濃度VOCs廢氣技術(shù)的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察了入口氣體甲苯濃度、溫度和營(yíng)養(yǎng)物添加量等因素對(duì)高流量負(fù)荷下低濃度甲苯廢氣去除效果的影響。

1  實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)用生物膜填料塔由內(nèi)徑為72mm的有機(jī)玻璃管制成，總高度為1.4m，其中填料分為2層，每層高度為500mm，中間間隔100mm。依據(jù)經(jīng)濟(jì)性及前期對(duì)填料特性的研究^[7]，采用輕質(zhì)陶塊作為填料，其直徑為10~15mm，比表面積170~ 200m²/m³，堆積密度約為200kg/m³。

實(shí)驗(yàn)均在常溫下(7~26℃)進(jìn)行。生物膜填料塔入口氣體甲苯濃度95~320mg/m³，氣體高流量負(fù)荷196.6m³/(m³h)，氣體空塔停留時(shí)間18.3s，生物膜填料塔的運(yùn)行阻力降為58.8~215.6Pa。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1  生物膜填料塔裝置流程示意

1.小氣泵  2.純甲苯瓶  3.風(fēng)機(jī)  4.氣體混合瓶  5.生物膜填料塔 6.循環(huán)水槽  7.循環(huán)水泵  8.高位槽  9.氣體流量計(jì) G.氣體取樣點(diǎn)  L.液體取樣點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)中生物膜填料塔采用逆流操作。低濃度甲苯廢氣采用動(dòng)態(tài)法配制。甲苯廢氣濃度采用甲苯檢知管法(檢測(cè)范圍50~1000mg/m³)，其精確度已在相關(guān)的研究中得到了驗(yàn)證[5]。生物膜填料塔的運(yùn)行阻力降采用U型壓力計(jì)測(cè)定。

2  結(jié)果與分析

2.1  生物膜填料塔的掛膜

采用甲苯廢氣凈化專用菌種[8]以及在高氣體流量0.8m³/h(比以往實(shí)驗(yàn)的高4倍，停留時(shí)間縮短3倍)條件下，對(duì)生物膜填料塔進(jìn)行掛膜操作，并同時(shí)觀察填料表面被生物膜覆蓋的情況、運(yùn)行阻力降以及低濃度甲苯廢氣凈化效率的變化。定時(shí)對(duì)進(jìn)出口氣體的甲苯濃度進(jìn)行取樣分析，并計(jì)算氣體中甲苯的凈化效率，結(jié)果見圖2。

循環(huán)液體流量、氣體流量負(fù)荷及甲苯濃度負(fù)荷等均會(huì)影響生物膜填料塔的掛膜過程。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)循環(huán)液噴淋量為9L/h，氣體流量負(fù)荷為196.6m³/(m³h)，入口氣體甲苯濃度為95~ 320mg/m³時(shí)，生物膜填料塔的填料生物掛膜過程歷時(shí)16d完成。在掛膜初期的5~8d，由于填料表面上的生物膜覆蓋面不大且作用也不太穩(wěn)定，凈化效率在6.7%~35.7%范圍內(nèi)波動(dòng)。在隨后的6~8d里，隨著生物膜的生長(zhǎng)逐漸成熟和覆蓋范圍增加，生物膜填料塔對(duì)甲苯的生物凈化作用也隨之逐步增強(qiáng)，甲苯凈化效率迅速上升，最后幾天基本穩(wěn)定在60%左右。 

圖2  掛膜期間的凈化效率與阻力降曲線

　　—□—凈化效率，—△—阻力降

　　氣體流量0.8m³/h，入口氣體甲苯濃度95-320mg/m³

判斷生物膜的生長(zhǎng)是否成熟，可以從微觀和宏觀兩個(gè)方面加以判定。微觀上，當(dāng)填料表面上的生物膜增長(zhǎng)到一定厚度并趨于穩(wěn)定，從生物膜上脫落和自溶的微生物菌體數(shù)量與其附著在生物膜上的菌體數(shù)量趨于平衡時(shí)，生物膜的生長(zhǎng)即已趨向成熟;宏觀上，生物膜填料塔在其生物掛膜期間的運(yùn)行阻力降有一個(gè)從上升到逐步趨于穩(wěn)定的變化，這是生物膜生長(zhǎng)趨于成熟的外部表現(xiàn)[9]。因此，可以由生物塔的運(yùn)行阻力降的變化來(lái)判斷生物膜的生長(zhǎng)是否成熟。由圖2可見，在掛膜初期，運(yùn)行阻力降是上升的，約11d后阻力降趨于穩(wěn)定，基本保持在167Pa左右，這標(biāo)志著塔內(nèi)填料表面的生物膜已基本生長(zhǎng)成熟。

2.2  氣體流量的影響

由圖3可以看出，隨著氣體流量的增加，生物膜填料塔對(duì)甲苯廢氣的凈化效率是下降的。造成這一現(xiàn)象有2個(gè)原因，一是由于氣體流量的增加使甲苯廢氣在塔內(nèi)停留時(shí)間減少，不能滿足生物膜中微生物菌種對(duì)廢氣中甲苯分子的捕捉、吸收和生化降解的時(shí)間要求，許多甲苯分子尚未與塔內(nèi)的生物膜接觸即被排出塔外，從而導(dǎo)致凈化效率下降。二是隨著氣體流量的增加，氣相主體對(duì)生物膜的切線沖刷力也相應(yīng)增加，使部分已被生物膜吸附但結(jié)合力不是很牢的甲苯分子重新從生物膜上脫附，進(jìn)入氣相主體。這一結(jié)果表明，增加氣體流量會(huì)對(duì)生物膜填料塔的處理運(yùn)行效果產(chǎn)生不良影響。因此，要結(jié)合實(shí)際情況及要求，以企業(yè)的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)確定生物膜填料塔的適宜氣體流量。

圖3  氣體流量對(duì)凈化效率及進(jìn)出口甲苯濃度的影響

　　—△—凈化效率，—○—入口甲苯濃度，—◇—出口甲苯濃度

此外，由圖3可見，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，生物膜填料塔出口氣體中甲苯濃度在50~60mg/m³之間，符合國(guó)家廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)現(xiàn)有企業(yè)的要求(≤60mg/m³)，基本可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。但在高流量負(fù)荷下如何進(jìn)一步提高低濃度甲苯廢氣的凈化效率，還有待于進(jìn)一步研究。

2.3  入口氣體甲苯濃度的影響

生物膜填料塔對(duì)甲苯廢氣的凈化效率與入口氣體甲苯濃度密切相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)選擇氣體流量為0.8m³/h(停留時(shí)間18.3s)、入口甲苯濃度為95~160mg/m³的條件(比以往實(shí)驗(yàn)的濃度低3~5倍、停留時(shí)間縮短2~5倍)，進(jìn)行入口氣體甲苯濃度的影響考察實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖4所示。

　圖4  入口氣體甲苯濃度對(duì)凈化效率的影響

　　氣體流量0.8m3/h，入口氣體甲苯濃度95-160mg/m3　

 由圖4可見，隨著入口氣體甲苯濃度的增加，生物膜填料塔對(duì)甲苯廢氣的凈化效率下降。分析認(rèn)為，在氣體流量不變的情況下，對(duì)于同一生物膜填料塔，其有效傳質(zhì)面積是一定的，生物膜對(duì)甲苯分子的捕捉吸附量(或生物化學(xué)去除量)是一定的。生物膜填料塔凈化甲苯廢氣是一個(gè)“吸附-生化降解”過程^[10]，其中的吸附是通過單分子層吸附進(jìn)行的。當(dāng)入口甲苯濃度較低時(shí)，甲苯分子會(huì)以單分子層狀態(tài)覆蓋在生物膜表面，而后被微生物捕獲并降解。隨著入口氣體甲苯濃度的增加，多余的甲苯分子(即大于單分子層吸附量的甲苯分子)未能被直接吸附在生物膜表面上，而是隨氣相主體排出塔外，因而就出現(xiàn)了在同一氣體流量下隨甲苯濃度增加其凈化效率反而下降的現(xiàn)象。這一結(jié)果表明，生物法廢氣凈化技術(shù)的適用范圍是低濃度的工業(yè)廢氣。要想獲得較好的凈化效果，就必須適當(dāng)降低入口氣體污染物濃度和增加生物膜填料塔的體積(延長(zhǎng)停留時(shí)間)。

2.4  溫度的影響

由圖5可以看出，在氣溫低于15℃時(shí)，由于微生物的活性受到影響，生物膜填料塔對(duì)甲苯廢氣的凈化處理能力也相對(duì)比較弱。隨著溫度的升高，生物膜填料塔對(duì)甲苯廢氣的凈化效率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)氣溫升至20℃時(shí)，凈化效率趨于穩(wěn)定，基本保持在50%左右。因此，在操作生物膜填料塔凈化低濃度甲苯廢氣時(shí)，應(yīng)注意將操作溫度控制在20~25℃范圍內(nèi)。

圖5  溫度對(duì)凈化效率的影響

　　氣體流量0.8m3/h，入口氣體甲苯濃度95-110mg/m3

2.5  營(yíng)養(yǎng)物的影響

微生物的生長(zhǎng)有賴于碳、氮、磷3者保持適當(dāng)?shù)谋壤?，一般情況下營(yíng)養(yǎng)物的配比為C:N:P= 200:5:1。由于甲苯本身可以為微生物提供足夠的碳源，因此營(yíng)養(yǎng)液中只需加入適當(dāng)?shù)牡?、磷營(yíng)養(yǎng)液即可。添加量以氣體中甲苯的含碳量作為參考。

實(shí)驗(yàn)表明，在氮、磷補(bǔ)充過量時(shí)，生物膜上微生物過量地生長(zhǎng)繁殖，并由此造成運(yùn)行阻力降顯著上升，填料塔出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。因此，要注意適當(dāng)控制氮、磷的添加量，使微生物始終處于一個(gè)良好的分解代謝環(huán)境中，并保持較高的凈化效率。

對(duì)于已因微生物的生長(zhǎng)過量而造成生物膜填料塔出現(xiàn)堵塞的情況，可減少氮、磷的添加量，使微生物處于一個(gè)內(nèi)源呼吸環(huán)境，來(lái)抑制其快速繁殖?？梢栽黾訃娏芤簺_洗的次數(shù)，促進(jìn)生物膜表層的快速更新，以使堵塞問題得到緩解。

3  結(jié)論

3.1  在高氣體流量負(fù)荷下，可以采用甲苯廢氣凈化專用菌種對(duì)生物膜填料塔進(jìn)行接種掛膜。該技術(shù)適用于高氣體流量負(fù)荷下的低濃度甲苯廢氣的凈化處理。

3.2  在高流量負(fù)荷條件下，氣體流量和入口氣體甲苯濃度對(duì)生物膜填料塔的甲苯凈化效率有較大的影響。當(dāng)氣體流量為0.8m³/h，入口氣體甲苯濃度為105mg/m³，停留時(shí)間為18.3s時(shí)，甲苯的凈化效率可達(dá)到61.9%，與國(guó)外同類應(yīng)用研究結(jié)果基本相當(dāng)。使出口氣體甲苯濃度低于國(guó)家對(duì)現(xiàn)有企業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)(≤60mg/m³)。同時(shí)，適宜地控制操作溫度(20~25℃)和氮、磷營(yíng)養(yǎng)物添加配比(C:N:P=200:5:1)，將有助于提高生物膜填料塔的凈化性能。 

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