管式生物過(guò)濾器對(duì)苯乙烯的降解性能的研究

文_易鳴 湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司

作為一種非常重要的化工原料，苯乙烯在化工行業(yè)中應(yīng)用極為廣泛，但在使用過(guò)程中，會(huì)釋放出具有較低濃度的苯乙烯氣體。而苯乙烯氣體不僅僅有三致作用，同時(shí)還能夠產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致大氣二次污染。

要去除的廢氣在生物過(guò)濾器中，從氣態(tài)逐步轉(zhuǎn)化為液態(tài)，或者附著在過(guò)濾介質(zhì)中的微生物上，通過(guò)代謝去除，這種方式就是氣相生物過(guò)濾。這種過(guò)濾方式相對(duì)于傳統(tǒng)的處理方式而言，具有較好的凈化效果，且操作較為便捷穩(wěn)定，投入成本較低，便于管理等優(yōu)勢(shì)。但生物過(guò)濾反應(yīng)器目前存在的最大問(wèn)題就是其在處理有機(jī)氣體時(shí)，多次運(yùn)行之后處理效率會(huì)逐步降低。究其原因，主要在于生物過(guò)濾器中的生物膜因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)而累積較多，導(dǎo)致過(guò)濾床層堵塞，反應(yīng)器運(yùn)行效率不斷降低。

本文研究的管式過(guò)濾器可以有效解決生物過(guò)濾器存在的缺陷。生物過(guò)濾器的凈化功能主要取決于其填充進(jìn)去的營(yíng)養(yǎng)液，生物量以及VOCs 的分布情況。楊春平等對(duì)轉(zhuǎn)股生物過(guò)濾器進(jìn)行研究后，明確大多數(shù)VOCs 負(fù)荷能夠通過(guò)表面床層予以過(guò)濾。根據(jù)這個(gè)理論，該課題組研發(fā)出管式生物過(guò)濾器，并獲得相關(guān)專利，這種反應(yīng)器較為簡(jiǎn)單，能夠采用由內(nèi)向外和由外向內(nèi)的填料方式。其優(yōu)勢(shì)在于填料厚度低，容積負(fù)荷高，處理廢氣量大等等。從目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)外還沒有采用管式生物過(guò)濾器來(lái)對(duì)苯乙烯廢氣予以處理。該研究將苯乙烯為模擬VOCs，空心管狀聚氨酯海綿為填料，對(duì)轉(zhuǎn)股生物過(guò)濾器在不同條件下對(duì)低濃度苯乙烯清除能力予以考察。

1 材料與方法

1.1 管式生物過(guò)濾器與管式聚氨酯海綿

圓柱形外筒（內(nèi)徑16．0cm，管壁0．5cm，高15．0cm）、空心管狀填料、營(yíng)養(yǎng)液分布器和氣(液)體進(jìn)出口共同組成了管式生物過(guò)濾器，工藝流程詳見圖1。

圖1 管式生物過(guò)濾器工藝流程

采用聚氨酯海綿為填料的主要優(yōu)勢(shì)有空隙大、適合微生物生長(zhǎng)等。學(xué)界在研究中主要是分析了單層或多層聚氨酯海綿制備的生物過(guò)濾器，在研究中發(fā)現(xiàn)讓揮發(fā)性有機(jī)污染物和生物膜在填料上分布更加均勻?；谶@些原因，本研究主要以海綿作為填充料，研究中所采用的填料相關(guān)的參數(shù)信息見表1。

表1 填料性能參數(shù)

1.2 苯乙烯氣源及微生物菌種

分析純苯乙烯（styrene，C8H8，99．0%）。在研究中通過(guò)動(dòng)態(tài)配氣的方式可以獲得較低濃度的苯乙烯氣體，氣泵能夠提供主輔氣流，主氣流進(jìn)入苯乙烯揮發(fā)瓶后獲得氣態(tài)苯乙烯，再和輔氣流進(jìn)行混合。在混合瓶中苯乙烯氣源濃度可以采用輔氣流來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.3 營(yíng)養(yǎng)液

通過(guò)自動(dòng)定時(shí)定量來(lái)進(jìn)行噴灑營(yíng)養(yǎng)液，保持每天噴灑6L，在噴灑中采用硝酸鈉并加入了混合的磷營(yíng)養(yǎng)液作為緩沖劑，同時(shí)還摻加了磷酸氫鈉和磷酸二氫鈉，通過(guò)加入這些材料可以對(duì)PH 值起緩沖作用。該營(yíng)養(yǎng)液的主要成分和用量為：NaNO3490．00mg/L、K2HPO428．16mg/L、KH2PO49．25mg/L、NaHCO324．00mg/L、MgSO44．40mg/L、CaCl22．69mg/L。系統(tǒng)在正常運(yùn)行的過(guò)程中可以通過(guò)管式生物過(guò)濾器來(lái)添加一定量的營(yíng)養(yǎng)液，緩沖劑種類以及數(shù)量都能夠滿足實(shí)際需求。

1.4 分析方法

進(jìn)出口氣相中的苯乙烯濃度的測(cè)定可以通過(guò)采用裝有氫火焰離子檢測(cè)器（FID）氣相色譜（HP 5890，Series II， Hewlett-Packard，Palo Alto，California）進(jìn)行檢測(cè)。在具體研究中采取分析條件為毛細(xì)管柱HP-VOC（60 m×320μm ID×1．8μm），爐溫120．0℃，氣化室溫度120．0℃，檢測(cè)器溫度250．0℃。高純氫氣（99．0%）流量 30．0 mL/min，高純氮?dú)猓?9．0%）流量30．0mL/min，設(shè)置的調(diào)節(jié)壓縮空氣流量350．0mL/min。在該實(shí)驗(yàn)中采取高純氮?dú)狻?/p>

1.5 運(yùn)行方法

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用進(jìn)口濃度、有機(jī)負(fù)荷、停留時(shí)間相關(guān)的參數(shù)來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行分析，運(yùn)行階段操作條件改變?cè)斠姳?。因此，在研究過(guò)程中主要考察系統(tǒng)中的有機(jī)負(fù)荷和停留時(shí)間產(chǎn)生的相關(guān)影響，為了能夠保證相關(guān)研究結(jié)果的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行設(shè)置參數(shù)下的恢復(fù)性試驗(yàn)。在有機(jī)負(fù)荷階段，進(jìn)氣濃度設(shè)置為20．0mg/m3，停留時(shí)間15s，有機(jī)負(fù)荷4．8g/(m3·h)。為了能夠更好地明確在停留時(shí)間中更高有機(jī)負(fù)荷之下管式生物過(guò)濾器的運(yùn)行情況，把系統(tǒng)中進(jìn)氣濃度的參數(shù)設(shè)置為80．0mg/m3，系統(tǒng)的停留時(shí)間設(shè)置為30s，設(shè)置的有機(jī)負(fù)荷9．6 g/(m3·h)。通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)和條件觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整確保反應(yīng)器能夠恢復(fù)相關(guān)性能后，再設(shè)置其他參數(shù)再次運(yùn)行。在研究中每個(gè)階段的營(yíng)養(yǎng)液噴灑量保持不變，確保不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)液噴灑量而帶來(lái)的影響。

表2 運(yùn)行階段操作條件改變

2 結(jié)果

2.1 管式生物過(guò)濾器啟動(dòng)性能研究

管式生物過(guò)濾器啟動(dòng)階段，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置停留時(shí)間為15s，在下面的兩個(gè)階段分別設(shè)置苯乙烯濃度為80．0 mg/m3和40．0 mg/m3，設(shè)置有機(jī)負(fù)荷分別為19．2g/(m3·h)和 9．6g/(m3·h)。過(guò)濾器在啟動(dòng)階段的信息如圖2 所示。

從圖2 可以看出，第1 天到第12 天，進(jìn)口濃度都保持在80．0mg/m3，在過(guò)濾器啟動(dòng)之初，去除效率一直都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，雖第五天達(dá)到了50．2%，但之后一直都保持穩(wěn)定。為了確保生物膜生長(zhǎng)的成熟度，在第13 天到20 天，系統(tǒng)的進(jìn)口濃度會(huì)降低到40．0mg/m3，設(shè)置的停留時(shí)間不變可以使系統(tǒng)去除率提高至75．4%，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到14 天的時(shí)候去除率達(dá)到95．0%，在后續(xù)會(huì)保持不變。由此可以明確管式生物過(guò)濾器啟動(dòng)成功。

2.2 進(jìn)口濃度對(duì)管式生物過(guò)濾器的影響

在管式生物過(guò)濾器成功啟動(dòng)之后，再展開苯乙烯氣體進(jìn)口濃度不同對(duì)其運(yùn)行的影響進(jìn)行考察。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)氣濃度為20．0mg/m3、40．0mg/m3、80．0mg/m3停留時(shí)間均為15s的參數(shù)條件下展開研究，每一次改變進(jìn)氣濃度時(shí)，管式生物過(guò)濾器都會(huì)進(jìn)行恢復(fù)性實(shí)驗(yàn)，且恢復(fù)性實(shí)驗(yàn)參數(shù)均為進(jìn)口濃度20．0mg/m3、停留時(shí)間15s、有機(jī)負(fù)荷4．8g/(m3·h)，才能有效保證反應(yīng)器的性能良好，不同進(jìn)口濃度對(duì)于廢氣去除率的影響見圖3 所示。

通過(guò)圖3 分析可知，當(dāng)系統(tǒng)中設(shè)置的有機(jī)負(fù)荷較低的時(shí)候，通過(guò)提升有機(jī)負(fù)荷并不會(huì)明顯影響去除效率，但是當(dāng)系統(tǒng)中的有機(jī)負(fù)荷達(dá)到一個(gè)相對(duì)較高的數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)中的去除效率顯著降低。當(dāng)進(jìn)口濃度從20．0 mg/m3升至40．0mg/m3，去除效率由95．5%下降到92．2%。第40 天，進(jìn)口濃度進(jìn)一步增大至80．0 mg/m3，去除效率驟降至50．2%。在恢復(fù)性試驗(yàn)階段，去除率均達(dá)到95%以上。由此可以確定該過(guò)濾器在性能良好的情況下可以改變相關(guān)參數(shù)。

2.3 氣體停留時(shí)間的影響

保持系統(tǒng)中的有機(jī)負(fù)荷為9．6 g/(m3·h)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置停留時(shí)間參數(shù)為60s、30s、15s，同時(shí)將系統(tǒng)的進(jìn)口濃度分別設(shè)置為160．0mg/m3、80．0mg/m3、40．0mg/m3進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)停留時(shí)間改變，該過(guò)濾器都應(yīng)該在進(jìn)口濃度為80．0mg/m3、設(shè)置停留時(shí)間為30 s、設(shè)置有機(jī)負(fù)荷為9．6 g/(m3·h）時(shí)來(lái)開展實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果詳見圖4。

通過(guò)圖4 分析可知，停留時(shí)間并不會(huì)顯著影響苯乙烯去除率，當(dāng)對(duì)系統(tǒng)設(shè)置停留時(shí)間30s 時(shí)可以使去除率達(dá)到93．0%；設(shè)置停留時(shí)間為60s 時(shí)，苯乙烯去除效率略有上升，從93．0%上升到95．4%；設(shè)置停留時(shí)間下降至15s 時(shí)，苯乙烯去除效率下降至91．2%。因此，在恢復(fù)性試驗(yàn)階段，苯乙烯去除效率均超過(guò)90．1%。

3 結(jié)論

管式生物過(guò)濾器降解低濃度的苯乙烯氣體能夠在20 天內(nèi)快速啟動(dòng)，有利于工業(yè)上的應(yīng)用。

在進(jìn)口濃度高且停留時(shí)間不變的情況下，去除率會(huì)因?yàn)檫M(jìn)口濃度增加而提升，但效果不明顯。而在進(jìn)口濃度最高時(shí)去除率會(huì)快速降低。

保持系統(tǒng)中有機(jī)負(fù)荷不變，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的停留時(shí)間來(lái)觀察是否會(huì)影響去除率。同時(shí)在系統(tǒng)中管式生物過(guò)濾器會(huì)在進(jìn)氣量較多且停留時(shí)間較短的情況下保持較高的苯乙烯去除率。