生物膜填料塔对低浓度甲苯废气净化处理

2011-01-31蔡岐峰

科学之友 2011年10期

蔡岐峰

（广州宇晴环境顾问工程有限公司，广东广州 510000）

生物膜填料法废气净化技术就是为解决既无回收利用价值，又污染环境的低浓度工业有机废气净化处理的难题而开发的。在木制工艺品的生成过程中，用到大量的油漆和油漆稀释剂。这些油漆稀释剂主要以甲苯、苯、乙酸乙酯为主，还有少量的酮类，在喷漆过程中油漆稀释剂基本全部挥发进入大气。而这类化合物往往带有恶臭，甚至具有一定的毒性，给人体及环境造成了严重的危害，如苯和甲苯对人体的神经系统、感官有刺激作用，影响身体健康。因此，工艺品的废气净化处理已成为大气污染控制的一个重要方面，越来越受到政府和人们的广泛关注。

对于高浓度有机废气的净化处理，目前已有吸收法、吸附法和催化氧化法等有效的净化处理方法。但是在木制工艺品的喷漆过程中产生的有机废气浓度比较低，又无回收价值，如果用吸收法、催化氧化法等去处理，处理成本远远高于所得得利润，因此不适用高浓度的处理方法。根据国内外有关对于低浓度（＜3 mg/L）有机废气的净化处理研究表明，微生物对各类污染物均有较强、较快的适应性，并可将其作为代谢物而降解、转化，针对既无回收价值，又严重污染环境的低浓度有机废气的净化具有效果好、操作稳定、运行费用低、无二次污染的优点。

1 材料与方法

1.1 培养液的配制

在实验过程中，参照国外相关文献报道选择查氏培养液，以甲苯为唯一的碳源和能源。

1.2 菌种的驯化

本研究是利用微生物来净化甲苯废气，因此，必须对微生物进行驯化。为了缩短菌种的驯化时间和提高驯化效率，实验选用含有甲苯这种物质的废水处理站的活性污泥为微生物菌种源。基于这一考虑，本课题选用浙江新农化工公司污水处理站的活性污泥作为本研究使用的原始菌种。

1.3 填料成膜工艺

用于实验的生物膜填料塔由内径为90 mm的有机玻璃管制作而成，采用破碎马鞍型陶瓷作为实验用填料进行研究。破碎马鞍型陶瓷填料层的高度为560；实验温度为22.0～28 ℃，pH值为7.0左右；入口气体中甲苯的浓度为400～5 000 mg/L；气体流量为0.2～0.7 m3/h；气体在破碎马鞍型陶瓷生物膜填料中的停留时间为30 s；塔顶部的液体喷淋量为5.80～1 151/h；破碎马鞍型陶瓷生物膜填料的全塔阻力降为110～980 mmH2O。

实验时采用逆流操作，液体由水泵打入到塔顶（液体流量大小由出口阀门调节），由塔顶向下喷淋到填料上，在填料层中自上而下流动，最后由塔底流回到循环槽内，再由水泵打回到塔顶内部。甲苯废气的产生是由罗茨风机把空气压缩到缓冲罐中，气体通过存有甲苯液体的废气发生罐，甲苯气体经与主气流混合、稀释后获得实验用的模拟废气流。废气流由塔底进入到生物膜填料塔，在上升过程中与填料表面湿润的生物膜接触，经气液相的传质过程，甲苯在液相（或固体表面生物层）中被微生物吸附降解，净化后的气体从塔顶排出。

实验开始时，采用预先驯化好的菌悬液接入到循环槽内的培养液中，让微生物在循环过程中进一步扩培和进行塔上挂膜操作。当填料上的生物膜长到一定的厚度时，进行低浓度的甲苯废气净化实验。在实验过程中，对生物膜填料塔的进出口处气体定时采样，作浓度分析。

1.4 要分析项目及测定方法

（1）菌体生长情况及生长规律：三功能光学显微镜，722型光栅分光光度计。

（2）甲苯气体浓度分析：气相色谱法。

2 实验结果与分析

2.1 挂膜时间

以向循环槽中接入菌种作为挂膜的第0天开始计算，到填料上能够观察到生物膜为止，这段时间称为挂膜时间。不同的填料挂膜时间也不同，本实验所用的破碎马鞍型陶瓷填料挂膜时间大约为7 d。

2.2 入口气体浓度

对甲苯净化效率及容积负荷的影响在本实验中，测试入口气流量对甲苯净化效率及容积负荷的影响，测试结果见图 1、图2。

图1 入口气体中甲苯浓度对净化率的影响

图2 入口气体中甲苯浓度对容积负荷的影响

容积负荷L＝Cin·Q/1 000 V

式中，Cin：气体浓度，mg/m3；

Q：气体流量，m3/h；

V：填料层体积，m3。

由图 1、图2可知，入口气体中的甲苯浓度较低时，净化效率随容积负荷的增大改变不大，但当负荷较高时，甲苯的净化效率降低的幅度较大。当入口气体中甲苯浓度低于3 000 mg/m3（即相当于容积负荷为210 mg/m3h）时，甲苯的净化效率可维持在80 %以上。

综上实验结果表明，对于低浓度的废气处理中，采用生物膜填料法具有较为理想的去除效果。

2.3 入口气体流量对甲苯净化效率及容积负荷的影响

在本实验中，测试入口气流量对甲苯净化效率及容积负荷的影响，测试结果如图3、图4所示（图略）。从中可以看出，随着气流量的增加，生物膜填料塔对气体中甲苯的净化效率降低，当气流量从0.25 m3/h增大到0.70 m3/h时，净化效率从90.9%降到46.7%。然而此时甲苯在膜填料上的容积负荷却随着气流量的增加而增加，从88 g/m3h增大到168 g/m3h。这一现象说明了此时生物膜填料塔对气体中甲苯的去除率属于传质控制过程，同时也间接体现了本研究所采用的微生物菌种具有很强的生化降解能力。因此，如采取措施改善塔内的气液传质条件，将有助于提高生物膜填料塔的净化效率。同时在操作中也应注意适当控制气体流量，以保证生物膜填料塔对有机废气的净化效果。

2.4 液体喷淋量对甲苯净化效率的影响

首先，废气中的有机污染物同水接触并溶解于水中（即由气膜扩散进入液膜）；其次溶解于液膜中的有机物成分在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜中，进而被其中的微生物捕获并吸收；最后，进入微生物体内的有机污染物在其自身代谢过程中被作为能源和营养物质被分解，经生物化学反应最终转化成为无害的化合物，如CO2和H2O。

由此可见，喷淋水量（无机盐培养液）充分是微生物生长的保障。因此，研究喷淋液量对甲苯净化效率的影响是相当必要的。

在实验范围内，液体喷淋量对净化效率没有显著影响。低浓度有机废气中的有机污染物大多为挥发性有机物，一般不溶于水或微溶于水。喷淋液的主要作用是湿润填料表面的生物膜，并向其中的微生物提供无机盐营养成分。因此，液体的喷淋量只需能够湿润填料表面的生物膜即可，这样可以使运行的费用降低。