生物滴濾法處理噴漆廢氣

曹 春，王麗萍，王晴晴，徐子媛

（中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116）

生物滴濾法處理噴漆廢氣

曹 春，王麗萍，王晴晴，徐子媛

（中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116）

采用生物滴濾系統處理噴漆廢氣，在研究了混合氣體中甲苯與二甲苯之間相互作用的基礎上，對生物滴濾系統凈化噴漆廢氣的穩定性進行了研究。實驗結果表明：在掛膜啟動階段，進氣流量為22.5 m3/h、空塔停留時間為33.9 s、進氣甲苯質量濃度為400～1500 mg/m3的條件下，最終甲苯去除率可穩定在97%以上；在總進氣質量濃度為1000 mg/m3的條件下處理甲苯和二甲苯混合氣體，混合氣體中甲苯與二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯對二甲苯的抑制作用更強；在進氣流量為20.0 m3/h、空塔停留時間為38.0 s、進氣中總揮發性有機物（TVOCs）質量濃度為300～900 mg/m3的條件下處理噴漆廢氣，平均TVOCs去除率為90.84%，出口二甲苯質量濃度低于GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》中規定的排放限值（二甲苯質量濃度為70 mg/m3），基本滿足排放要求。

生物滴濾法；噴漆廢氣；甲苯；二甲苯

油漆作為重要的工業用品，廣泛應用于電氣機械、金屬制品、五金機械等制造行業［1］。在噴漆過程中產生的大量有毒揮發性有機物（VOCs）嚴重污染空氣，危害人類健康。生物滴濾法是在傳統生物過濾法基礎上發展起來的一種生物處理技術，是高效化工反應裝置（吸附塔）和污染控制技術（生物膜技術）的有機結合［2］。已有學者對使用該法處理單一或混合組分有機廢氣的影響因素及凈化效果進行了研究［3-4］，并在實驗室模擬的基礎上進行了不同工業領域VOCs的治理應用，如電子行業［5-6］、制藥行業［7-8］、油漆涂料行業［9-10］等，但缺少對生物滴濾系統工業化應用穩定性的研究。

本工作在研究了混合氣體中甲苯與二甲苯之間相互作用的基礎上，采用生物滴濾法對某噴漆車間排放的含甲苯、二甲苯等復雜多組分的有機廢氣進行長期動態處理，并對生物滴濾系統凈化噴漆廢氣的穩定性進行了研究。

1 實驗部分

1.1 試劑和材料

甲苯、二甲苯：分析純。

噴漆廢氣：取自某環保公司除塵器噴漆車間風機出風口。噴漆廢氣的組成見表1。

表1 噴漆廢氣的組成 ρ，mg/m3

由表1可見：噴漆廢氣主要由甲苯、二甲苯、乙苯和乙酸丁酯組成，其中，二甲苯和乙酸丁酯分別占50%和35%；噴漆廢氣中總揮發性有機物（TVOCs）質量濃度約為540 mg/m3。

循環營養液：按照文獻［11］報道的方法配制。

1.2 實驗裝置及流程

生物滴濾法凈化噴漆廢氣的工藝流程見圖1。生物滴濾塔φ600 mm×3390 mm，有機玻璃材質。填料采用改良型瓷質拉西環，分3層填裝，由開孔率大于50%的有機孔板支撐，每層有效填料高度自上而下依次為150，300，300 mm，有效填充體積為0.212 m3。噴漆車間正常工作時，由集氣罩收集噴漆廢氣并通入生物滴濾塔；噴漆車間停工時，由圖1中虛線部分向系統供給油漆稀料，以維護生物滴濾系統的穩定。

1.3 實驗方法

圖1 生物滴濾法凈化噴漆廢氣的工藝流程

生物滴濾系統中溫度穩定在（25±5）℃，適宜微生物的生長。營養液噴淋流量為0.16～0.32 m3/h，且每周更換外排1/3的循環營養液。系統pH控制在6.5～7.0，以構建適宜真菌與細菌共存的復合微生物體系。

控制生物滴濾系統進氣流量為22.5 m3/h（空塔停留時間為33.9 s），進氣甲苯質量濃度為400～1500 mg/m3，完成生物滴濾系統的啟動掛膜；掛膜成功后逐漸添加二甲苯，甲苯和二甲苯混合氣體的總進氣質量濃度維持在1000 mg/m3左右，對甲苯和二甲苯之間的相互作用進行研究；而后調整進氣流量為20.0 m3/h（空塔停留時間為38.0 s），通入噴漆廢氣進行工業化穩定性研究。

1.4 分析方法

采用安捷倫科技有限公司的HP 6890型氣相色譜儀測定甲苯、二甲苯及噴漆廢氣中TVOCs的質量濃度。

2 結果與討論

2.1 生物滴濾系統的掛膜啟動

在進氣流量為22.5 m3/h、空塔停留時間為33.9s的條件下，掛膜啟動階段的甲苯去除效果見圖2。由圖2可見：掛膜啟動Ⅰ階段，進氣甲苯質量濃度為400～950 mg/m3，隨運行時間的延長，甲苯去除率緩慢提高至21.50%，此階段瓷質拉西環表面生物膜薄且覆蓋面積小，第5天生物膜中的微生物濃度為8.38×106CFU/mL，甲苯的去除主要依靠填料和填料上活性污泥的吸附作用及活性污泥中微生物微弱的新陳代謝作用；掛膜啟動Ⅱ階段，進氣甲苯質量濃度為500～1500 mg/m3，甲苯去除率迅速提高，至第14天，甲苯去除率增至93.80%，填料表面生物膜覆蓋面積及厚度逐漸增大，通過氣液相傳質作用，甲苯進入到生物膜內，繼而被微生物降解，微生物濃度達到9.45×109CFU/mL；掛膜啟動Ⅲ階段，進氣甲苯質量濃度為550～850 mg/m3，甲苯去除率穩定在97%以上，此時生物膜表面濕潤光滑，顏色厚度均勻，附著于整個填料表面，微生物濃度較啟動第1天上升了5個數量級，高達7.00×1010CFU/mL。從生物膜中微生物的增殖情況及甲苯凈化效果分析，可確定生物滴濾塔掛膜成功。

2.2 生物滴濾系統凈化甲苯、二甲苯混合氣體

圖2 掛膜啟動階段的甲苯去除效果

在進氣流量為22.5 m3/h、空塔停留時間為33.9 s、甲苯和二甲苯混合氣體總進氣質量濃度為1000 mg/m3的條件下，甲苯和二甲苯的去除效果見圖3。由圖3可見：當ρ（甲苯）∶ρ（二甲苯）=1∶1時，甲苯去除率為92.66%；隨ρ（甲苯）∶ρ（二甲苯）的減小，甲苯去除率略有增加，二甲苯對甲苯的抑制作用逐漸減弱；當ρ（甲苯）∶ρ（二甲苯）=1∶9時，甲苯去除率為96.36%。由圖3還可見，二甲苯去除率基本穩定在75%左右。這表明混合氣體中甲苯與二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯對二甲苯的抑制作用更強。底物對微生物的競爭是產生相互抑制作用的原因之一，當甲苯和二甲苯共存時，微生物優先降解甲苯。甲苯和二甲苯在降解過程中對氧氣的競爭也可能產生相互間的抑制作用。此外，有研究指出，甲苯及其降解產物的積累或毒性限制了二甲苯誘導酶的活性，從而抑制了二甲苯的去除［12］。

2.3 生物滴濾系統處理噴漆廢氣的穩定性

圖3 甲苯和二甲苯的去除效果

進氣流量為20.0 m3/h、空塔停留時間為38.0 s的條件下通入噴漆廢氣，考察生物滴濾系統處理噴漆廢氣的工業穩定性，噴漆廢氣中TVOCs的去除效果見圖4。由圖4可見，在連續64 d的運行中，生物滴濾系統基本穩定運行，進氣TVOCs為300～900 mg/m3，平均TVOCs去除率為90.84%。對連續64 d的處理后廢氣成分進行檢測，經生物滴濾系統處理后的噴漆廢氣中的污染物僅為二甲苯。除第15天和第29天，出口二甲苯質量濃度分別為98 mg/m3和128 mg/m3，其余62 d出口二甲苯質量濃度均低于GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》［13］中規定的排放限值（二甲苯質量濃度為70 mg/m3），基本滿足排放要求。

圖4 噴漆廢氣中TVOCs的去除效果

對于噴漆廢氣中含有的有機物，乙苯和乙酸丁酯易降解，可完全礦化生成CO2和H2O；甲苯在降解過程中會產生鄰苯二酚的積累，當進氣甲苯質量濃度為310～900 mg/m3時，積累的中間產物鄰苯二酚可在4～6 h內完全礦化［14］；而二甲苯不能完全礦化為CO2和H2O（其礦化率僅為65%±3%［15］），在降解過程中可能會產生少量中間產物，因此需進一步實驗研究二甲苯的降解過程，探討二甲苯的降解機理。

2.4 生物滴濾系統工業應用的技術經濟分析

生物滴濾法處理噴漆廢氣的經濟可行性分析包括生物滴濾設備投資成本和運行費用兩部分。生物滴濾設備投資費用見表2。由表2可見，生物滴濾設備投資總成本為85480元。

表2 生物滴濾設備投資費用

運行費用主要包括電費、藥劑費、人工費和維修費。經計算累計電費約為8379元/a；藥劑（主要包括甲苯、二甲苯及氮肥、磷肥等）費用共計1000元/a；操作人員費用約為9000元/a；維修費用約為6621元/a。總運行費用共計約25000元/a。綜上可見，本工藝的總投資運行費用低，經濟可行。

3 結論

a）在掛膜啟動階段，進氣流量為22.5 m3/h、空塔停留時間為33.9 s、進氣甲苯質量濃度為400～1500 mg/m3的條件下，最終甲苯去除率可穩定在97%以上，微生物濃度達7.00×1010CFU/mL。

b）在總進氣質量濃度為1000 mg/m3的條件下處理甲苯和二甲苯混合氣體，混合氣體中甲苯與二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯對二甲苯的抑制作用更強。

c）在進氣流量為20.0 m3/h、空塔停留時間為38.0 s、進氣TVOCs質量濃度為300～900 mg/m3的條件下處理噴漆廢氣，平均TVOCs去除率為90.84%，出口二甲苯質量濃度低于GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》中規定的排放限值（二甲苯質量濃度為70 mg/m3），基本滿足排放要求。

d）該生物滴濾系統設備投資費用為85480元，預計運行費用約為25000元/a，總投資運行費用低，經濟可行。

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（編輯 王 馨）

Treatment of Spray Paint Waste Gas by Biotrickling Filtration

Cao Chun，Wang Liping，Wang Qingqing，Xu Ziyuan
（School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221116，China）

The spray paint waste gas was treated by a biotrickling fi ltration （BTF） system. On the basis of study on the interaction between toluene and xylene in mixed gas，the stability of BTF system in treatment of spray paint waste gas was investigated. The experimental results show that：Under the start-up conditions of inlet fl ow 22.5 m3/h，EBRT 33.9 s and inlet toluene mass concentration 400-1500 mg/m3，the removal rate of toluene is stable at above 97%；When the toluene-xylene mixed gas with 1000 mg/m3of total inlet mass concentration is treated，the inhibition effects of toluene and xylene on each other are appeared and that of toluene is stronger；When the spray paint waste gas is treated under the conditions of inlet flow 20.0 m3/h，EBRT 38.0 s and TVOCs mass concentration 300-900 mg/m3，the average TVOCs removal rate is 90.84%，and the outlet xylene mass concentration is lower than the emission limits in national air pollutant emission standards of GB 16297-1996.

biotrickling fi ltration；spray paint waste gas；toluene；xylene

X511

A

1006 - 1878（2015）03 - 0288 - 05

2014 - 11 - 07；

2015 - 02 - 11。

曹春（1990—），女，江蘇省南通市人，碩士生，電話 18761426013，電郵 cc07093266@126.com。聯系人：王麗萍，電話 13952118180，電郵 wlpcumt@126.com。

江蘇省環保科研項目（201111）。