生物膜填料塔對低濃度甲苯廢氣凈化處理

蔡岐峰

（廣州宇晴環境顧問工程有限公司，廣東 廣州 510000）

生物膜填料法廢氣凈化技術就是為解決既無回收利用價值，又污染環境的低濃度工業有機廢氣凈化處理的難題而開發的。在木制工藝品的生成過程中，用到大量的油漆和油漆稀釋劑。這些油漆稀釋劑主要以甲苯、苯、乙酸乙酯為主，還有少量的酮類，在噴漆過程中油漆稀釋劑基本全部揮發進入大氣。而這類化合物往往帶有惡臭，甚至具有一定的毒性，給人體及環境造成了嚴重的危害，如苯和甲苯對人體的神經系統、感官有刺激作用，影響身體健康。因此，工藝品的廢氣凈化處理已成為大氣污染控制的一個重要方面，越來越受到政府和人們的廣泛關注。

對于高濃度有機廢氣的凈化處理，目前已有吸收法、吸附法和催化氧化法等有效的凈化處理方法。但是在木制工藝品的噴漆過程中產生的有機廢氣濃度比較低，又無回收價值，如果用吸收法、催化氧化法等去處理，處理成本遠遠高于所得得利潤，因此不適用高濃度的處理方法。根據國內外有關對于低濃度（＜3 mg/L）有機廢氣的凈化處理研究表明，微生物對各類污染物均有較強、較快的適應性，并可將其作為代謝物而降解、轉化，針對既無回收價值，又嚴重污染環境的低濃度有機廢氣的凈化具有效果好、操作穩定、運行費用低、無二次污染的優點。

1 材料與方法

1.1 培養液的配制

在實驗過程中，參照國外相關文獻報道選擇查氏培養液，以甲苯為唯一的碳源和能源。

1.2 菌種的馴化

本研究是利用微生物來凈化甲苯廢氣，因此，必須對微生物進行馴化。為了縮短菌種的馴化時間和提高馴化效率，實驗選用含有甲苯這種物質的廢水處理站的活性污泥為微生物菌種源。基于這一考慮，本課題選用浙江新農化工公司污水處理站的活性污泥作為本研究使用的原始菌種。

1.3 填料成膜工藝

用于實驗的生物膜填料塔由內徑為90 mm的有機玻璃管制作而成，采用破碎馬鞍型陶瓷作為實驗用填料進行研究。破碎馬鞍型陶瓷填料層的高度為560；實驗溫度為22.0～28 ℃，pH值為7.0左右；入口氣體中甲苯的濃度為400～5 000 mg/L；氣體流量為0.2～0.7 m3/h；氣體在破碎馬鞍型陶瓷生物膜填料中的停留時間為30 s；塔頂部的液體噴淋量為5.80～1 151/h；破碎馬鞍型陶瓷生物膜填料的全塔阻力降為110～980 mmH2O。

實驗時采用逆流操作，液體由水泵打入到塔頂（液體流量大小由出口閥門調節），由塔頂向下噴淋到填料上，在填料層中自上而下流動，最后由塔底流回到循環槽內，再由水泵打回到塔頂內部。甲苯廢氣的產生是由羅茨風機把空氣壓縮到緩沖罐中，氣體通過存有甲苯液體的廢氣發生罐，甲苯氣體經與主氣流混合、稀釋后獲得實驗用的模擬廢氣流。廢氣流由塔底進入到生物膜填料塔，在上升過程中與填料表面濕潤的生物膜接觸，經氣液相的傳質過程，甲苯在液相（或固體表面生物層）中被微生物吸附降解，凈化后的氣體從塔頂排出。

實驗開始時，采用預先馴化好的菌懸液接入到循環槽內的培養液中，讓微生物在循環過程中進一步擴培和進行塔上掛膜操作。當填料上的生物膜長到一定的厚度時，進行低濃度的甲苯廢氣凈化實驗。在實驗過程中，對生物膜填料塔的進出口處氣體定時采樣，作濃度分析。

1.4 要分析項目及測定方法

（1）菌體生長情況及生長規律：三功能光學顯微鏡，722型光柵分光光度計。

（2）甲苯氣體濃度分析：氣相色譜法。

2 實驗結果與分析

2.1 掛膜時間

以向循環槽中接入菌種作為掛膜的第0天開始計算，到填料上能夠觀察到生物膜為止，這段時間稱為掛膜時間。不同的填料掛膜時間也不同，本實驗所用的破碎馬鞍型陶瓷填料掛膜時間大約為7 d。

2.2 入口氣體濃度

對甲苯凈化效率及容積負荷的影響在本實驗中，測試入口氣流量對甲苯凈化效率及容積負荷的影響，測試結果見圖 1、圖2。

圖1 入口氣體中甲苯濃度對凈化率的影響

圖2 入口氣體中甲苯濃度對容積負荷的影響

容積負荷L＝Cin·Q/1 000 V

式中，Cin：氣體濃度，mg/m3；

Q：氣體流量，m3/h；

V：填料層體積，m3。

由圖 1、圖2可知，入口氣體中的甲苯濃度較低時，凈化效率隨容積負荷的增大改變不大，但當負荷較高時，甲苯的凈化效率降低的幅度較大。當入口氣體中甲苯濃度低于3 000 mg/m3（即相當于容積負荷為210 mg/m3h）時，甲苯的凈化效率可維持在80 %以上。

綜上實驗結果表明，對于低濃度的廢氣處理中，采用生物膜填料法具有較為理想的去除效果。

2.3 入口氣體流量對甲苯凈化效率及容積負荷的影響

在本實驗中，測試入口氣流量對甲苯凈化效率及容積負荷的影響，測試結果如圖3、圖4所示（圖略）。從中可以看出，隨著氣流量的增加，生物膜填料塔對氣體中甲苯的凈化效率降低，當氣流量從0.25 m3/h增大到0.70 m3/h時，凈化效率從90.9%降到46.7%。然而此時甲苯在膜填料上的容積負荷卻隨著氣流量的增加而增加，從88 g/m3h增大到168 g/m3h。這一現象說明了此時生物膜填料塔對氣體中甲苯的去除率屬于傳質控制過程，同時也間接體現了本研究所采用的微生物菌種具有很強的生化降解能力。因此，如采取措施改善塔內的氣液傳質條件，將有助于提高生物膜填料塔的凈化效率。同時在操作中也應注意適當控制氣體流量，以保證生物膜填料塔對有機廢氣的凈化效果。

2.4 液體噴淋量對甲苯凈化效率的影響

首先，廢氣中的有機污染物同水接觸并溶解于水中（即由氣膜擴散進入液膜）；其次溶解于液膜中的有機物成分在濃度差的推動下進一步擴散到生物膜中，進而被其中的微生物捕獲并吸收；最后，進入微生物體內的有機污染物在其自身代謝過程中被作為能源和營養物質被分解，經生物化學反應最終轉化成為無害的化合物，如CO2和H2O。

由此可見，噴淋水量（無機鹽培養液）充分是微生物生長的保障。因此，研究噴淋液量對甲苯凈化效率的影響是相當必要的。

在實驗范圍內，液體噴淋量對凈化效率沒有顯著影響。低濃度有機廢氣中的有機污染物大多為揮發性有機物，一般不溶于水或微溶于水。噴淋液的主要作用是濕潤填料表面的生物膜，并向其中的微生物提供無機鹽營養成分。因此，液體的噴淋量只需能夠濕潤填料表面的生物膜即可，這樣可以使運行的費用降低。

2.5 填料層高度的影響

測定氣相中有機氣態污染物隨填料層高度的變化曲線，這是設計生物膜填料塔的一項十分重要的基礎資料。進行本項實驗是建立在前面實驗結果的基礎之上的，因此，在控制入口氣體流量和濃度以及液體噴淋量相同（在實驗范圍內）的條件下進行測定。

3 結束語

生物膜填料塔處理低濃度有機廢氣的工業應用試驗表明，生物膜填料塔處理工業有機廢氣是可行的，當運行條件控制適當時，凈化效率可保持在90%以上，能夠實現達標排放。投資省，運行費用低。這一技術成果在國內的推廣應用將會產生明顯的環境效益、社會效益和經濟效益。

1 劉強.生物滴濾法凈化揮發性有機廢氣（VOCs）的研究［D］.西安建筑科技大學，2003

2 徐軍.膜吸收——真空膜蒸餾技術分離凈化甲苯/N_2的研究［D］.南京理工大學，2010