生物滴濾池處理甲苯廢氣研究
摘要： 本文以甲苯廢氣作為實(shí)驗(yàn)氣體，以階梯環(huán)和鮑爾環(huán)作為生物滴濾池的填料，探討了生物滴濾池對(duì)含低濃度揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)廢氣的處理效果、過程及影響因素。實(shí)驗(yàn)研究表明：在實(shí)驗(yàn)溫度為20℃～30℃，進(jìn)氣中甲苯濃度200～1000mg/m3，容積負(fù)荷6.2～30.9mg/Lh，停留時(shí)間為117s，投配液量40L/h，生物滴濾池對(duì)甲苯的去除效率在87～100%。甲苯負(fù)荷、停留時(shí)間和進(jìn)氣濃度是影響甲苯去除效率的重要因素。
關(guān)鍵詞： 揮發(fā)性有機(jī)廢氣(VOCs) 生物滴濾法 甲苯 生物降解
甲苯是一種重要的化工原料和有機(jī)溶劑，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。甲苯在常溫下為無色液體，極易揮發(fā)，其蒸汽對(duì)眼睛、呼吸道、皮膚有很強(qiáng)的刺激性，吸入八小時(shí)濃度為375-750mg/m3的甲苯蒸汽時(shí)，會(huì)出現(xiàn)疲憊、惡心、錯(cuò)覺、活動(dòng)失靈、全身無力、惡心、頭痛等癥狀;長(zhǎng)時(shí)間吸入會(huì)因呼吸器官中樞麻痹而導(dǎo)致死亡。在我國(guó)規(guī)定排放的工業(yè)氣體中甲苯的濃度必須小于60mg/m3。生物法用于VOCs物質(zhì)處理具有投資少、運(yùn)行管理方便、處理效率高、無二次污染等優(yōu)點(diǎn).目前，生物法凈化低濃度有機(jī)廢氣已成為當(dāng)今世界上人們廣泛關(guān)注的發(fā)展方向和前沿研究課題之一[1.2]。本研究選擇甲苯為VOCs代表，選取階梯環(huán)和鮑爾環(huán)為填料，研究滴濾池凈化VOCs的性能，為生物法在VOCs凈化領(lǐng)域的應(yīng)用提供依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程
工藝流程及試驗(yàn)裝置如圖1所示。生物滴濾塔由直徑250mm，高1700mm不銹鋼材料制成，其中填料層高度為660mm，分三層安裝，每層填料高度 220mm。上兩層填料為15×17×1mm的鮑爾環(huán)，最下層為25×12×1mm階梯環(huán).每層之間采用不銹鋼多孔板支撐。
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1.2 廢氣氣源
由空壓機(jī)輸送出的壓縮空氣首先進(jìn)入緩沖罐，再分成主、輔兩條氣路.輔氣路向純甲苯瓶中吹入少量的空氣，促使甲苯氣體從甲苯瓶中揮發(fā)出來，而后，這部分帶有甲苯的氣體與主氣路的空氣混合，混合均勻后得到一定濃度的甲苯廢氣。在試驗(yàn)過程中依*調(diào)節(jié)主、輔氣路內(nèi)氣體流量比例改變進(jìn)氣濃度。
1.3 測(cè)試指標(biāo)及手段
主要測(cè)定項(xiàng)目有：(1)甲苯濃度，采用檢知管法，監(jiān)測(cè)范圍0～1000mg/m3;(2)氣體和液體流量采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量;(3)微生物相：光學(xué)顯微鏡觀察攝影。
1.4 微生物的培養(yǎng)和馴化
接種污泥取自邯鄲市東效污水廠運(yùn)行良好的onclick="g(’氧化溝’);">氧化溝，該混合液MLSS為4000mg/L，泥生物相豐富，經(jīng)過三天的強(qiáng)化培養(yǎng)，可以進(jìn)行接種掛膜，掛膜馴化方法見文獻(xiàn)[3]。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 甲苯的去除效果
在溫度為20℃～30℃，投配液量0.8m3/m2h，進(jìn)氣量為1m3/h，改變進(jìn)口甲苯濃度(200～1000mg/m3)，相應(yīng)負(fù)荷為6.2～30.9mg/Lh。運(yùn)行兩個(gè)多月，生物滴濾塔在穩(wěn)定條件下的運(yùn)行結(jié)果如表1所示。
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表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表
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2.2 進(jìn)氣濃度對(duì)甲苯去除效率的影響
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從圖2可以發(fā)現(xiàn)，甲苯的去除效率隨進(jìn)氣濃度的增加而下降，尤其是進(jìn)氣量較大時(shí)這種下降趨勢(shì)更為明顯。這是因?yàn)樵谏锏螢V池中，微生物對(duì)甲苯雖有一定的降解能力，但這種能力是有限的，隨著進(jìn)氣濃度的增加，微生物承受的甲苯負(fù)荷越來越大，雖然單位時(shí)間微生物降解甲苯的量增加，但由于微生物降解能力有限，甲苯的去除效率逐漸降低。
從表1可以看出，生物滴濾池對(duì)甲苯的降解速率均隨著進(jìn)氣濃度的增加而增加，而且在進(jìn)氣濃度較小時(shí)，降解速率隨進(jìn)氣濃度增加增大較快，而濃度繼續(xù)增大，降解速率增大緩慢，當(dāng)達(dá)到某一值時(shí)，降解速率達(dá)到極限，不再增加。這是因?yàn)楫?dāng)甲苯濃度低于某一值時(shí)，甲苯在生物膜表面的傳質(zhì)速率遠(yuǎn)小于其在生物膜中的生化降解速率，被吸附的甲苯分子會(huì)被微生物迅速消耗掉，此時(shí)甲苯的生化降解速率隨廢氣中甲苯濃度的增加而線性增加，生化反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。當(dāng)廢氣中甲苯濃度超過一定濃度值時(shí)，甲苯分子在生物膜表面的傳質(zhì)過程逐漸進(jìn)入飽和與穩(wěn)定狀態(tài)，即傳質(zhì)與生化反應(yīng)達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，表現(xiàn)為生化反應(yīng)速率不再隨甲苯濃度的增加而改變，而是保持在一定范圍內(nèi)，這時(shí)生化反應(yīng)為零級(jí)反應(yīng)。
2.3 停留時(shí)間對(duì)甲苯去除效率的影響
保持營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)量為40L/h，通過改變氣體流量，進(jìn)行了三個(gè)不同停留時(shí)間(即117s、78s和59s)下甲苯的去除效率實(shí)驗(yàn)。由圖2可知，隨著停留時(shí)間的縮短，甲苯的去除效率降低，并且停留時(shí)間不同下降的速度不同。停留時(shí)間越短去除效率下降的越快。對(duì)于相同進(jìn)氣濃度，停留時(shí)間越長(zhǎng)，去除效率越高。這是因?yàn)橥Ａ魰r(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，有利于進(jìn)氣中的甲苯擴(kuò)散進(jìn)入生物膜，微生物對(duì)甲苯降解較充分。
2.4 噴灑量的影響
實(shí)驗(yàn)條件：停留時(shí)間為78s，進(jìn)氣濃度為500mg/m3，考察了噴灑量對(duì)甲苯凈化效率的影響。由圖3可以看出：增加噴淋量，甲苯的凈化效果提高，當(dāng)達(dá)到某一值時(shí)，凈化效率變化不大。這主要是由于噴淋量過小，會(huì)導(dǎo)致填料上的水分被蒸發(fā)過度、填料干燥，微生物生長(zhǎng)的液體環(huán)境受到破壞，細(xì)胞與環(huán)境滲透壓差急劇增加，導(dǎo)致細(xì)胞失水而死亡，從而影響甲苯的凈化效率;當(dāng)循環(huán)噴淋量增加，對(duì)填料表面生物膜的水力沖刷增強(qiáng)，生物膜更新加快，有利于降低微生物生長(zhǎng)的環(huán)境滲透壓及微生物降解甲苯中間產(chǎn)物的濃度，但當(dāng)噴灑量過多時(shí)有可能引起填料的持水量增加過多，使填料的配氣不均勻而導(dǎo)致降解效果下降。由此可見，適量的噴淋水會(huì)有利于系統(tǒng)降解甲苯的能力的保持。
3 生物滴濾塔的恢復(fù)運(yùn)行試驗(yàn)
考慮到實(shí)際運(yùn)行中要受到周末停止運(yùn)行的影響，在進(jìn)氣量為1.5m3/L，進(jìn)氣濃度為490mg/m3條件下，進(jìn)行了恢復(fù)性實(shí)驗(yàn)。停止供氣48h(不停止供給營(yíng)養(yǎng)液)，表示周末停止運(yùn)行情況，48h后開始正常運(yùn)行，恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，在停止運(yùn)行48h后，大約80min后生物滴濾塔可以恢復(fù)到原來狀態(tài)，該生物滴濾池恢復(fù)時(shí)間快，適用于間歇運(yùn)行的條件。
表2 恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
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4 結(jié)論
1)以鮑爾環(huán)和階梯環(huán)作為填料，采用城市污水處理廠的污泥接種，快速排泥法掛膜，在低負(fù)荷下直流馴化，生物滴濾塔的掛膜和馴化時(shí)間短。
2)實(shí)驗(yàn)溫度20-300℃，氣體流量1-2m3/h，進(jìn)氣甲苯濃度小于1000mg/m3，容積負(fù)荷4.6-30.9mg/L.h，生物滴濾池對(duì)甲苯廢氣都有良好的凈化效果。生物滴濾塔處理甲苯廢氣的影響因素主要有：容積負(fù)荷、進(jìn)氣濃度、停留時(shí)間。隨著液體噴淋量的增加，甲苯的凈化效率增加，但增加到一定的值，去除效率變化不大。本實(shí)驗(yàn)裝置液體噴淋量不適宜小于40L/h。
3)生物滴濾池在停止運(yùn)行48小時(shí)后，80分鐘可恢復(fù)到停止運(yùn)行前的狀態(tài)，恢復(fù)時(shí)間短。
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