生物滴濾塔處理甲苯廢氣

徐校良，王志良，吳海鎖，黃 瓊，陳英文，沈樹寶

（1.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036）

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）中含有大量脂肪族和芳香族有機(jī)物［1］，具有致癌、致畸、致突變性，還能參與光化學(xué)反應(yīng)，形成光化學(xué)污染，對大氣環(huán)境和生命健康危害巨大。生物法處理VOCs以其運(yùn)行費(fèi)用低、管理方便、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)已成為當(dāng)前環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［2］。填料作為微生物的載體，是影響生物法處理VOCs效果的重要因素之一。Filho等［3］比較了分別以聚氨酯泡沫、甘蔗渣、椰子纖維為填料去除H2S的效果。He等［4］比較了以聚氨酯泡沫和分子篩為填料時生物滴濾塔對甲苯的降解效率，發(fā)現(xiàn)分子篩為填料時生物滴濾塔對甲苯的降解效果更佳。Hornos等［5］分別用顆粒狀的高礦化泥煤和纖維泥煤作為生物滴濾塔的填料降解廢氣中的乙苯，發(fā)現(xiàn)以纖維泥煤為填料時生物滴濾塔對乙苯的降解性能更佳，兩種填料都具有較低的壓降。作為填料，生物陶粒具有質(zhì)輕、比表面積大、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，聚氨酯泡沫具有造價低、不易堵塞、易掛膜等優(yōu)點(diǎn)。

本工作分別以生物陶粒和聚氨酯泡沫作為生物滴濾塔的填料，考察不同生物滴濾塔掛膜啟動時間以及甲苯廢氣的氣體流量和甲苯質(zhì)量濃度條件下生物滴濾塔對甲苯廢氣的處理效果。

1 實(shí)驗部分

1.1 材料、裝置與儀器

生物陶粒：φ4～6 mm，江西全興化工填料有限公司；聚氨酯泡沫：10 mm×8 mm×8 mm，江蘇江南創(chuàng)新海綿有限公司。

實(shí)驗裝置由兩套平行操作的生物滴濾塔和模擬配氣系統(tǒng)組成。生物滴濾塔內(nèi)徑為9 cm，有效高度為40 cm，填料層設(shè)有觀察孔，用于觀察和進(jìn)行生物相分析。兩個生物滴濾塔分別裝有高度為30 cm的生物陶粒和高度為25 cm的聚氨酯泡沫。實(shí)驗裝置示意見圖1。氣泵輸送的空氣分為兩條支路，一條支路的空氣通入裝有液體甲苯的配氣瓶用以甲苯揮發(fā)，揮發(fā)的甲苯與另一支路的空氣在混合瓶中混合，再經(jīng)緩沖瓶進(jìn)一步混合均勻后通入生物滴濾塔的底部，氣體在上升過程中與填料表面濕潤的生物膜接觸而被凈化，凈化后的氣體由排氣口排空，營養(yǎng)液則通過電磁隔膜計量泵不斷循環(huán)噴淋。

GC-2014型氣相色譜儀：日本島津公司。

圖1 實(shí)驗裝置示意

1.2 活性污泥的培養(yǎng)與馴化

實(shí)驗所用活性污泥取自中國石化揚(yáng)子石油化工股份有限公司廢水處理場二沉池，活性污泥的初始性狀：黃褐色，pH 6.9，MLSS 3 210 mg/L，TOC 73 mg/L。

活性污泥培養(yǎng)初期，以葡萄糖作為微生物生長的唯一碳源，每天曝氣22 h，靜置2 h，排出30%的上清液，補(bǔ)充等量的新鮮營養(yǎng)液，營養(yǎng)液配方與循環(huán)噴淋的營養(yǎng)液相同。營養(yǎng)液配方為：NH4Cl 800 mg/L，Na2HPO4200 mg/L，KH2PO4400 mg/L，MgSO4·7H2O 340 mg/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 10 mg/L，CaCl215 mg/L，ZnSO4·7H2O 0.5 mg/L，Na2MoO4·2H2O 0.5 mg/L。

每兩天測定MLSS，在MLSS增加到一定量時，用甲苯逐漸取代葡萄糖對活性污泥進(jìn)行馴化，馴化過程中，每天曝氣22 h，靜置2 h，排出30%的上清液，補(bǔ)充等量的新鮮營養(yǎng)液。活性污泥培養(yǎng)馴化時，所加入的新鮮培養(yǎng)液中葡萄糖與甲苯質(zhì)量濃度的變化見表1。

表1 活性污泥培養(yǎng)馴化時葡萄糖與甲苯質(zhì)量濃度的變化

1.3 實(shí)驗流程

生物滴濾塔的掛膜啟動采用淹沒式［6］。將培養(yǎng)馴化后的活性污泥混合液分別注滿裝有生物陶粒與聚氨酯泡沫的生物滴濾塔，從生物滴濾塔的進(jìn)氣口通入一定流量的含甲苯空氣，使活性污泥在生物滴濾塔內(nèi)翻動，同時將新鮮營養(yǎng)液以0.3 L/h的流量加入到生物滴濾塔內(nèi)，測定進(jìn)水和出水COD，當(dāng)出水COD達(dá)到50 mg/L左右時，排空活性污泥混合液，以一定流量通入含甲苯質(zhì)量濃度為0.19～0.38 g/m3的空氣，且在循環(huán)噴淋的營養(yǎng)液（總體積為4 L）中加入1 mg/L的甲苯和750 mg/L的葡萄糖，以加快活性污泥中菌種在填料上的生長繁殖。

1.4 分析方法

采用氣相色譜儀測定氣態(tài)甲苯的質(zhì)量濃度，F(xiàn)ID檢測器，色譜柱為RTX-01，柱溫75 ℃，檢測器溫度180 ℃，進(jìn)樣口溫度180 ℃，以N2為載氣。按式（1）計算甲苯去除率（R，%）。

式中：ρ0為進(jìn)口甲苯質(zhì)量濃度，g/m3；ρ1為出口甲苯質(zhì)量濃度，g/m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 活性污泥的培養(yǎng)

活性污泥培養(yǎng)馴化過程中MLSS的變化情況見圖2。由圖2可見：以葡萄糖為唯一碳源時，隨著污泥培養(yǎng)馴化時間的延長，MLSS不斷增加；加入甲苯后，MLSS先迅速下降后緩慢增加；培養(yǎng)馴化28 d 時MLSS達(dá)到3 919 mg/L。這是因為：在活性污泥培養(yǎng)馴化初期，活性污泥處于一個碳源豐富的環(huán)境中，利用營養(yǎng)液，MLSS快速增加；加入甲苯后葡萄糖的質(zhì)量濃度下降，活性污泥中不能適應(yīng)甲苯的菌種大量死亡，鏡檢觀察，污泥絮體結(jié)構(gòu)松散；隨著污泥培養(yǎng)馴化時間的延長，活性污泥中菌種利用甲苯的能力逐漸增強(qiáng)，菌種不斷生長繁殖，MLSS增加，鏡檢觀察，活性污泥中有較大的菌膠團(tuán)，還含有細(xì)菌、原生動物、后生動物等。

圖2 活性污泥培養(yǎng)馴化過程中MLSS的變化情況

2.2 生物滴濾塔的掛膜啟動

生物滴濾塔掛膜啟動時，維持進(jìn)口甲苯負(fù)荷為14～26 g/（m3·h），分別以生物陶粒和聚氨酯泡沫為填料的生物滴濾塔的掛膜啟動情況見圖3和圖4。由圖3和圖4可見：隨著掛膜啟動時間的延長，甲苯去除率均逐漸提高；掛膜啟動的前3天，生物滴濾塔對甲苯的去除率均在30%左右，因為接種的是相同的活性污泥，且掛膜啟動開始時，經(jīng)過馴化的活性污泥還不適應(yīng)氣相中的甲苯，故甲苯去除率較低。

圖3 生物陶粒為填料時生物滴濾塔的掛膜啟動情況

圖4 聚氨酯泡沫為填料時生物滴濾塔的掛膜啟動情況

以生物陶粒為填料的生物滴濾塔從啟動第3天到第4天，甲苯去除率明顯提高，去除率由33%升高到61%；啟動第4天到第9天，甲苯去除率緩慢增加；第9天時甲苯去除率達(dá)到82%，這是因為生物陶粒具有較大的比表面積，且具有一定的吸附性能，微生物較易在生物陶粒表面生長繁殖，形成穩(wěn)定的生物膜。

以聚氨酯泡沫為填料的生物滴濾塔，在掛膜啟動的前6天，甲苯去除率增加緩慢，由27%升高到33%，這是因為聚氨酯泡沫屬于大孔載體填料，微生物在聚氨酯泡沫上生長成一定的生物量需要的時間較長；啟動第6天到第7天，甲苯去除率明顯提高，由43%升高到67%；啟動第7到第15天，甲苯去除率緩慢增加；第15天時甲苯去除率達(dá)87%，這是因為隨著掛膜啟動時間的繼續(xù)延長，聚氨酯泡沫填料上的微生物對氣態(tài)甲苯的適應(yīng)能力不斷增強(qiáng)，且在填料表面不斷生長繁殖，形成了穩(wěn)定的生物膜。

兩種填料比較，微生物更易在生物陶粒表面生長繁殖，形成穩(wěn)定的生物膜，以生物陶粒為填料的生物滴濾塔所需要的掛膜啟動時間更短。

2.3 含甲苯的空氣流量對生物滴濾塔性能的影響

維持甲苯進(jìn)口質(zhì)量濃度在0.90 g/m3左右，含甲苯的空氣流量對以生物陶粒和聚氨酯泡沫為填料的生物滴濾塔的甲苯去除率的影響分別見圖5和圖6。由圖5和圖6可見：使用不同的填料在含甲苯空氣流量為250 L/h時，甲苯去除率均隨運(yùn)行時間的延長而逐漸提高，以聚氨酯泡沫為填料的生物滴濾塔的甲苯去除率更高。

由圖5可見：以生物陶粒為填料的生物滴濾塔在含甲苯空氣流量從250 L/h增加到350 L/h時，甲苯去除率先略有下降，隨著運(yùn)行時間的延長，甲苯去除率穩(wěn)定在82 %左右；含甲苯空氣流量增加到450 L/h時，甲苯去除率明顯下降，穩(wěn)定在72%左右。由圖6可見：以聚氨酯泡沫為填料的生物滴濾塔在含甲苯空氣流量為350 L/h時，甲苯去除率穩(wěn)定在73%左右；在含甲苯空氣流量為450 L/h時，甲苯去除率下降至65%左右。

圖5 含甲苯的空氣流量對以生物陶粒為填料的生物滴濾塔的甲苯去除率的影響

圖6 含甲苯的空氣流量對以聚氨酯泡沫為填料的生物滴濾塔的甲苯去除率的影響

2.4 甲苯質(zhì)量濃度對生物滴濾塔性能的影響

在含甲苯空氣流量為350 L/h的條件下，甲苯質(zhì)量濃度對以生物陶粒和聚氨酯泡沫為填料的生物滴濾塔甲苯去除率的影響分別見圖7和圖8。

由圖7可見：以生物陶粒為填料時，隨著甲苯濃度的提高，甲苯去除率逐漸下降；甲苯質(zhì)量濃度為1.1 g/m3時，甲苯去除率約為80%；甲苯質(zhì)量濃度為1.5 g/m3時，甲苯去除率約為70%；甲苯質(zhì)量濃度為1.8 g/m3時，甲苯去除率約為50%。為了考察是否是由于傳質(zhì)效率的影響，在運(yùn)行第25天加入吐溫乳化劑，增加氣態(tài)甲苯在液相中的傳質(zhì)效率，甲苯去除率略有提高，這可能是由于高濃度的甲苯對微生物的活性有抑制作用。以生物陶粒為填料，隨甲苯質(zhì)量濃度增加，甲苯去除率下降幅度較大的原因是由于生物陶粒粒徑較小，比表面積較大，隨甲苯質(zhì)量濃度增加，微生物在生物陶粒上大量增殖，造成比表面積減小，填料與氣態(tài)甲苯的接觸面積減小，故甲苯去除率下降。

由圖8可見：以聚氨酯泡沫為填料時，隨甲苯質(zhì)量濃度提高，甲苯去除率下降幅度較小；甲苯質(zhì)量濃度為1.8 g/m3時，甲苯去除率仍在72%以上。這是因為聚氨酯泡沫屬于大孔載體，隨甲苯質(zhì)量濃度提高，生物量在填料上大量增殖，生物量分布于孔的內(nèi)外表面，菌種與甲苯有更大的接觸面積，故甲苯去除率下降幅度較小。

圖7 甲苯質(zhì)量濃度對以生物陶粒為填料的生物滴濾塔甲苯去除率的影響

圖8 甲苯質(zhì)量濃度對以聚氨酯泡沫為填料的生物滴濾塔甲苯去除率的影響

3 結(jié)論

a）分別以生物陶粒和聚氨酯泡沫作為生物滴濾塔的填料，掛膜啟動時微生物更易在生物陶粒表面生長繁殖，形成穩(wěn)定的生物膜，以生物陶粒為填料的生物滴濾塔所需要的掛膜啟動時間更短。

b）以生物陶粒為填料的生物滴濾塔在含甲苯空氣流量從250 L/h增加到350 L/h時，甲苯去除率先略有下降，后穩(wěn)定在82 %左右；含甲苯空氣流量增加到450 L/h時，甲苯去除率明顯下降，穩(wěn)定在72%左右。以聚氨酯泡沫為填料的生物滴濾塔在含甲苯空氣流量為350 L/h時，甲苯去除率穩(wěn)定在73%左右；在含甲苯空氣流量為450 L/h時，甲苯去除率下降至65%左右。以聚氨酯泡沫為填料的生物滴濾塔的甲苯去除率更高。

c）以生物陶粒為填料時，甲苯質(zhì)量濃度由1.1 g/m3提高至1.8 g/m3時，甲苯去除率由80%左右降至50%左右；以聚氨酯泡沫為填料時，隨甲苯質(zhì)量濃度提高，甲苯去除率下降幅度較小；甲苯質(zhì)量濃度為1.8 g/m3時，甲苯去除率仍在72%以上。

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