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(wèn)題進(jìn)行了分析探討.

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，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。

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(guò)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(kāi)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,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/(m3×h),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.

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~1000mg/m3),其精確度已在相關(guān)的研究中得到了驗(yàn)證.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(zhuān)用菌種以及在高氣體流量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(jiàn)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(guò)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/(m3×h),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(guò)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.

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).

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(jiàn),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.

此外,由圖3可見(jiàn),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.

由圖4可見(jiàn),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(guò)程,其中的吸附是通過(guò)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).

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?tīng)I(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(guò)量時(shí),生物膜上微生物過(guò)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(guò)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.可以增加噴淋液沖洗的次數(shù),促進(jìn)生物膜表層的快速更新,以使堵塞問(wèn)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(zhuān)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(lèi)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.

來(lái)源:《中國(guó)環(huán)境科學(xué)》  作者:孫珮石 鄭順生等

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