改良型生物滴濾塔凈化SO2廢氣的影響因素研究

李娟娟 段學軍 竇艷艷 曹 健

（1.中原工學院能源與環境學院，河南 鄭州 151191；2.河南工業大學生物工程學院，河南 鄭州 150001）

隨著城市化和工業化的迅速發展，大氣污染已經嚴重影響了人們的生活和生命健康。SO2是一種具有辛辣和窒息性氣味的氣體，已經成為當今人們面臨的主要大氣污染物之一［1-2］。二氧化硫形成的酸水，不僅會對設備和管路有腐蝕作用，而且對人和植物的健康都有嚴重的危害［3］。

目前，國內外處理SO2氣體的方法，可分為物理法、化學法和生物法三種。生物法由于其建設投資成本低、反應條件溫和、脫硫效率高、設備操作簡單、不易造成二次污染等優點，受到越來越多的關注。現今微生物脫硫技術主要是利用無機硫的自養型微生物對SO2的代謝作用，通過氧化還原，將SO2轉化成含硫化合物或硫單質［4］。

同生物過濾池和生物洗滌池比較，生物滴濾池法體系中的微生物既有固定附著在填料上的，也有懸浮在于噴淋循環液中的，兼有生物過濾池和生物洗滌池的雙重作用。該方法具有反應條件易控制、操作簡單、生物相和液相均循環流動、壓降低、填料不易堵塞、污染物去除效率高等優點［5］。但是該方法具有需要外加營養物，運行成本較高，適合處理負荷較高以及降解后會產生酸性物質的污染氣體。本試驗采用改良型生物滴濾塔工藝，用菌液代替傳統滴濾塔系統中的營養液作為循環液，研究其對SO2凈化效果的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

改良型生物滴濾塔凈化二氧化硫氣體的實驗流程如圖1所示。實驗裝置分為四個部分：配氣部分，生物滴濾塔凈化部分，菌液循環部分，尾氣檢測部分。生物滴濾塔由有機玻璃制成，塔體內徑80mm，塔體總高750mm。滴濾塔的總有效體積為2.26×10-3m3，分上中下3層填裝，每層填料高度為150mm，通過多孔有機玻璃板隔開，用以支撐濾料。由于填料是影響廢氣凈化系統好壞的關鍵性因素之一，所以本實驗選用性能較好的陶粒作為填料［6］。填料層設有觀察孔，用于觀察和進行生物相分析。塔頂設有出氣口，且在填料上方裝有噴液頭，下端設有排液口和進氣口。本實驗的掛膜菌種采用實驗室篩選出來的菌種。

鋼瓶中的SO2與空氣在緩沖瓶中充分混合均勻，獲得濃度與流量較為均勻的模擬工業廢氣，然后經過轉子流量計以一定流量由滴濾塔底部通入塔內。廢氣逆著液相方向向上運動的過程中，與附著在填料表面潤濕的生物膜接觸，被微生物捕獲并降解。凈化后的氣體由塔頂部排氣口排至尾氣吸收瓶進行檢測。循環液經塔頂布水器均勻噴灑在填料表面上，在填料層表面形成薄膜，經填料間隙向下流動，最后進入塔底端連接的貯液槽，再由提升水泵循環至塔頂。定期向菌液中添加氮、磷營養源，有機碳源和微生物生長必需的微量元素。菌液中廢棄物濃度積累較高時，須更換部分菌液。

圖1 生物滴濾塔脫除SO2氣體的工藝流程圖

1.2 試驗與測定方法

用馴化過的菌液對生物滴濾塔進行接種和掛膜，連續運行十幾天之后，濾料表面有乳白色沉淀物出現，表示已經掛膜成功，穩定運行兩周后，開始考察各項參數的變化對改良型生物滴濾塔處理SO2效果的影響。實驗過程中主要研究SO2的入口濃度、菌液的噴淋密度、氣體停留時間、循環液pH值對SO2去除效率的影響，SO2的濃度采用碘量法進行檢測。

2 結果與討論

2.1 SO2入口濃度對去除效率的影響

在溫度25℃的條件下，設定氣體停留時間為23s，菌液噴淋密度為1.8m3/h·m2，SO2入口濃度在0～6 000mg/m3的范圍內，由低到高，逐一考察不同SO2進氣濃度可達到的凈化效率。試驗結果見圖2。

圖2 入口氣體濃度對SO2去除效率的影響

由圖2可知，當SO2入口濃度小于2 000mg/m3時，去除效率在99%左右且保持穩定；當SO2濃度大于2 000mg/m3時，系統的處理效率隨SO2入口濃度的增加而下降。分析認為，氣體流量不變的情況下，大部分SO2分子可以附著到微生物表面被其降解。然而，隨著SO2進氣濃度的不斷上升，增加了單位體積生物膜的SO2的負荷量，而生物膜的反應面積不會變化，將有一部分的氣體分子不能被微生物捕獲、降解，隨氣流排出滴濾塔外，從而導致了生物滴濾塔凈化效率下降。另一方面，可能由于SO2濃度的增加使反應環境的pH值下降，菌種對營養物質的吸收和所需酶的形成受到了影響，或者菌種的生長繁殖受到一定的限制，而使脫硫效率下降。建議用改良型生物滴濾塔處理SO2工業廢氣時，為保證較高的去除效率，入口濃度不宜大于4 000mg/m3。

2.2 菌液的噴淋密度對SO2凈化效率的影響

在氣體停留時間為23s，SO2進氣質量濃度為2 959mg/m3的情況下，改變菌液噴淋密度，比較不同噴淋密度對凈化效率的影響。其結果見圖3。

圖3 噴淋密度對SO2去除率的影響

由圖2可以看出，在噴淋密度較低時，SO2凈化效率隨噴淋密度的增加而增加；當噴淋密度升高到1.65m3/h·m2時，凈化效率達到最大值，但繼續增大噴淋密度，凈化效率反而出現下降趨勢。隨著噴淋密度的增加，SO2凈化效率先升高后下降的主要原因可歸結為：循環噴淋液可以濕潤生物膜，給微生物提供充足的養分和水分，不僅有助于液膜的更新，補充高活性的微生物，而且可以沖刷掉老化的生物膜［7］。當噴淋液密度較小時，生物膜上的微生物營養不足，活性較低，缺少足夠厚的液膜快速凈化SO2氣體，并且老化的生物膜沒有被沖刷掉，生物膜不能及時得到更新，因此增大噴淋效率可以提高脫硫效率。當噴淋密度過大時，會因為水分子的親和作用，使生物膜減少對SO2的吸附力，還會引起濾料層的阻力增大，同時也有可能將適宜的生物膜沖刷掉，從而導致對SO2的凈化效率降低。

2.3 停留時間對SO2凈化效率的影響

停留時間是生物除臭研究、設計、評估中最重要的依據。本試驗對改良型生物滴濾塔中氣體空床停留時間與SO2去除效率的關系進行了研究，以期獲得改良型生物滴濾塔處理SO2時的最佳停留時間。本實驗考察了入口SO2濃度、噴淋液密度分別為2 959mg/m3、1.8m3/h·m2的條件下，滴濾塔在氣體停留時間為10～50s范圍內的凈化效果。SO2去除率和氣體停留時間之間的關

圖4 氣體停留時間對二氧化硫去除率的影響

當氣體停留時間在23～40s之間時，去除率達97%以上；當停留時間降低至20s和18s時，去除率分別降至95%和90%。這表明氣體停留時間降低時SO2去除率的下降很可能是由于SO2從氣相主體傳遞到具有降解活性的細菌液相主體步驟較慢，微生物來不及捕捉和降解廢氣中的SO2分子。另外，隨著氣速的增加，氣流對生物膜的切向沖刷作用也加大，從而使部分已被生物膜吸附的SO2分子重新從生物膜上脫落出來進入氣相主體，降低SO2的脫除效率。由試驗可知，最佳氣體停留時間為25s。

2.4 循環液pH值對SO2去除效率的影響

控制進氣SO2的濃度為2 959mg/m3，噴淋液密度為1.8m3/h·m2，氣體停留時間為23s。系統穩定后，通過在貯液槽里添加NaOH和HCl溶液來調節循環菌液的pH值。測定不同pH值條件下改良型生物滴濾塔對SO2凈化效率的影響。實驗結果如圖5所示。

圖5 pH值對二氧化硫去除率的影響

由圖5可以看出，當pH小于5.3時，SO2去除效率隨pH值的下降而快速降低，這是由于噴淋液酸性較強時，微生物的生存環境遭到破壞，致使微生物活性降低，從而影響凈化效果。當pH在5.3～7.0之間時，微生物的去除效率比較穩定，保持在較高的范圍內。當pH大于7.0時，循環液呈堿性。強堿情況下，微生物活性降低甚至死亡，觀察到循環液中有死亡微生物形成的黑色絮狀物出現，這樣的條件下，主要是由氫氧化鈉與二氧化硫反應使脫除效率增高。因此，為保證微生物的活性和較高的處理效率，最佳的pH為5.3。

3 結論

3.1 入口氣體濃度、噴淋液密度、氣體停留時間和pH值均對改良型生物滴濾塔處理SO2氣體效果影響顯著。

3.2 在室溫25℃，二氧化硫入口濃度低于2 000mg/m3，氣體停留時間為25s，噴淋密度為1.8m3（/m2·h），pH為5.3～7.0時，改良型生物滴濾塔凈化高濃度SO2廢氣的效果最佳，且去除率在95%以上。

［1］劉玉香.SO2的危害及流行病學與毒理學研究［J］.生態毒理學報，2007，2（2）：226-231.

［2］孫克勤.電廠煙氣脫硫設備及運行［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［3］周學霞，姚偉國.生物滴濾塔處理鄰二甲苯廢氣研究［J］.浙江大學學報（理學版），2013，40（1）:71-75.

［4］賈惠茗.生物滴濾塔脫除二氧化硫的試驗研究［D］.西安:西安建筑科技大學，2012.

［5］王小軍，徐校良.生物法凈化工業廢氣的研究進展［J］.化工進展，2014，33（1）:213-218.

［6］劉建偉，王志良.生物滴濾塔處理有機廢氣的填料選擇研究［J］.環境污染與防治，2012，34（4）:17-21.

［7］王鵬飛，王藝.生物滴濾塔處理“三苯”廢氣的影響因素研究［J］.哈爾濱工業大學學報，2003，35（1）:73-80.