高流量负荷下低浓度VOCs废气的生物法处理
摘要：高流量负荷下生物膜填料塔净化低浓度甲苯废气的实验结果表明，当气体流量在0.8m3/h，入口气体甲苯浓度为105mg/m3,停留时间18.3s时，甲苯的净化效率可达到61.9%，出口气体甲苯浓度低于国家对现有企业的排放标准(≤60mg/m3)。适宜的操作温度应控制在20~25℃之间，氮磷营养添加量的配比应控制为C:N:P=200:5:1。依据实验结果数据，对相关的机理问题进行了分析探讨。
关键词：生物膜填料塔 高流量负荷 低浓度甲苯废气 废气净化
近年来，生物法废气净化技术作为一种低浓度工业废气净化处理的新技术，在国内外已受到越来越广泛的关注。相关的研究成果和工业应用实例表明，生物法废气净化技术在净化处理低浓度VOCs废气、恶臭气体等方面确有实效[1-5]，首批应用的再生胶脱硫有机废气生物法工业净化装置已于2000年在云南省昆明市及河北省任丘市相继投入运行，并取得预期的处理效果[6]。低浓度VOCs废气的特点是废气量大、浓度低，按目前工程应用的废气流量负荷运行并达到国家排放标准的要求，工业净化设备体积就显得过于庞大。从进一步减小设备体积、节省投资的需要出发，开展高流量负荷下低浓度VOCs废气的生物法净化处理应用条件研究。 本实验以低浓度甲苯废气(VOCs的代表物)为对象，对生物膜填料塔净化处理高流量负荷下低浓度VOCs废气技术的可行性进行了实验研究，考察了入口气体甲苯浓度、温度和营养物添加量等因素对高流量负荷下低浓度甲苯废气去除效果的影响。
1 实验装置与方法
实验用生物膜填料塔由内径为72mm的有机玻璃管制成，总高度为1.4m，其中填料分为2层，每层高度为500mm，中间间隔100mm。依据经济性及前期对填料特性的研究[7]，采用轻质陶块作为填料，其直径为10~15mm，比表面积170~ 200m2/m3，堆积密度约为200kg/m3。
实验均在常温下(7~26℃)进行。生物膜填料塔入口气体甲苯浓度95~320mg/m3，气体高流量负荷196.6m3/(m3h)，气体空塔停留时间18.3s，生物膜填料塔的运行阻力降为58.8~215.6Pa。实验装置如图1所示。
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图1 生物膜填料塔装置流程示意
1.小气泵 2.纯甲苯瓶 3.风机 4.气体混合瓶 5.生物膜填料塔 6.循环水槽 7.循环水泵 8.高位槽 9.气体流量计 G.气体取样点 L.液体取样点
实验中生物膜填料塔采用逆流操作。低浓度甲苯废气采用动态法配制。甲苯废气浓度采用甲苯检知管法(检测范围50~1000mg/m3)，其精确度已在相关的研究中得到了验证[5]。生物膜填料塔的运行阻力降采用U型压力计测定。
2 结果与分析
2.1 生物膜填料塔的挂膜
采用甲苯废气净化专用菌种[8]以及在高气体流量0.8m3/h(比以往实验的高4倍，停留时间缩短3倍)条件下，对生物膜填料塔进行挂膜操作，并同时观察填料表面被生物膜覆盖的情况、运行阻力降以及低浓度甲苯废气净化效率的变化。定时对进出口气体的甲苯浓度进行取样分析，并计算气体中甲苯的净化效率，结果见图2。
循环液体流量、气体流量负荷及甲苯浓度负荷等均会影响生物膜填料塔的挂膜过程。在实验中，当循环液喷淋量为9L/h，气体流量负荷为196.6m3/(m3h)，入口气体甲苯浓度为95~ 320mg/m3时，生物膜填料塔的填料生物挂膜过程历时16d完成。在挂膜初期的5~8d，由于填料表面上的生物膜覆盖面不大且作用也不太稳定，净化效率在6.7%~35.7%范围内波动。在随后的6~8d里，随着生物膜的生长逐渐成熟和覆盖范围增加，生物膜填料塔对甲苯的生物净化作用也随之逐步增强，甲苯净化效率迅速上升，最后几天基本稳定在60%左右。
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图2 挂膜期间的净化效率与阻力降曲线
—□—净化效率，—△—阻力降
气体流量0.8m3/h，入口气体甲苯浓度95-320mg/m3
判断生物膜的生长是否成熟，可以从微观和宏观两个方面加以判定。微观上，当填料表面上的生物膜增长到一定厚度并趋于稳定，从生物膜上脱落和自溶的微生物菌体数量与其附着在生物膜上的菌体数量趋于平衡时，生物膜的生长即已趋向成熟;宏观上，生物膜填料塔在其生物挂膜期间的运行阻力降有一个从上升到逐步趋于稳定的变化，这是生物膜生长趋于成熟的外部表现[9]。因此，可以由生物塔的运行阻力降的变化来判断生物膜的生长是否成熟。由图2可见，在挂膜初期，运行阻力降是上升的，约11d后阻力降趋于稳定，基本保持在167Pa左右，这标志着塔内填料表面的生物膜已基本生长成熟。
2.2 气体流量的影响
由图3可以看出，随着气体流量的增加，生物膜填料塔对甲苯废气的净化效率是下降的。造成这一现象有2个原因，一是由于气体流量的增加使甲苯废气在塔内停留时间减少，不能满足生物膜中微生物菌种对废气中甲苯分子的捕捉、吸收和生化降解的时间要求，许多甲苯分子尚未与塔内的生物膜接触即被排出塔外，从而导致净化效率下降。二是随着气体流量的增加，气相主体对生物膜的切线冲刷力也相应增加，使部分已被生物膜吸附但结合力不是很牢的甲苯分子重新从生物膜上脱附，进入气相主体。这一结果表明，增加气体流量会对生物膜填料塔的处理运行效果产生不良影响。因此，要结合实际情况及要求，以企业的废气排放标准为目标确定生物膜填料塔的适宜气体流量。
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图3 气体流量对净化效率及进出口甲苯浓度的影响
—△—净化效率，—○—入口甲苯浓度，—◇—出口甲苯浓度
此外，由图3可见，在实验范围内，生物膜填料塔出口气体中甲苯浓度在50~60mg/m3之间，符合国家废气排放标准中对现有企业的要求(≤60mg/m3)，基本可实现达标排放。但在高流量负荷下如何进一步提高低浓度甲苯废气的净化效率，还有待于进一步研究。
2.3 入口气体甲苯浓度的影响
生物膜填料塔对甲苯废气的净化效率与入口气体甲苯浓度密切相关。本实验选择气体流量为0.8m3/h(停留时间18.3s)、入口甲苯浓度为95~160mg/m3的条件(比以往实验的浓度低3~5倍、停留时间缩短2~5倍)，进行入口气体甲苯浓度的影响考察实验，其结果如图4所示。
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图4 入口气体甲苯浓度对净化效率的影响
气体流量0.8m3/h，入口气体甲苯浓度95-160mg/m3
由图4可见，随着入口气体甲苯浓度的增加，生物膜填料塔对甲苯废气的净化效率下降。分析认为，在气体流量不变的情况下，对于同一生物膜填料塔，其有效传质面积是一定的，生物膜对甲苯分子的捕捉吸附量(或生物化学去除量)是一定的。生物膜填料塔净化甲苯废气是一个“吸附-生化降解”过程[10]，其中的吸附是通过单分子层吸附进行的。当入口甲苯浓度较低时，甲苯分子会以单分子层状态覆盖在生物膜表面，而后被微生物捕获并降解。随着入口气体甲苯浓度的增加，多余的甲苯分子(即大于单分子层吸附量的甲苯分子)未能被直接吸附在生物膜表面上，而是随气相主体排出塔外，因而就出现了在同一气体流量下随甲苯浓度增加其净化效率反而下降的现象。这一结果表明，生物法废气净化技术的适用范围是低浓度的工业废气。要想获得较好的净化效果，就必须适当降低入口气体污染物浓度和增加生物膜填料塔的体积(延长停留时间)。
2.4 温度的影响
由图5可以看出，在气温低于15℃时，由于微生物的活性受到影响，生物膜填料塔对甲苯废气的净化处理能力也相对比较弱。随着温度的升高，生物膜填料塔对甲苯废气的净化效率呈上升趋势。当气温升至20℃时，净化效率趋于稳定，基本保持在50%左右。因此，在操作生物膜填料塔净化低浓度甲苯废气时，应注意将操作温度控制在20~25℃范围内。
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图5 温度对净化效率的影响
气体流量0.8m3/h，入口气体甲苯浓度95-110mg/m3
2.5 营养物的影响
微生物的生长有赖于碳、氮、磷3者保持适当的比例，一般情况下营养物的配比为C:N:P= 200:5:1。由于甲苯本身可以为微生物提供足够的碳源，因此营养液中只需加入适当的氮、磷营养液即可。添加量以气体中甲苯的含碳量作为参考。
实验表明，在氮、磷补充过量时，生物膜上微生物过量地生长繁殖，并由此造成运行阻力降显著上升，填料塔出现堵塞现象。因此，要注意适当控制氮、磷的添加量，使微生物始终处于一个良好的分解代谢环境中，并保持较高的净化效率。
对于已因微生物的生长过量而造成生物膜填料塔出现堵塞的情况，可减少氮、磷的添加量，使微生物处于一个内源呼吸环境，来抑制其快速繁殖。可以增加喷淋液冲洗的次数，促进生物膜表层的快速更新，以使堵塞问题得到缓解。
3 结论
3.1 在高气体流量负荷下，可以采用甲苯废气净化专用菌种对生物膜填料塔进行接种挂膜。该技术适用于高气体流量负荷下的低浓度甲苯废气的净化处理。
3.2 在高流量负荷条件下，气体流量和入口气体甲苯浓度对生物膜填料塔的甲苯净化效率有较大的影响。当气体流量为0.8m3/h，入口气体甲苯浓度为105mg/m3，停留时间为18.3s时，甲苯的净化效率可达到61.9%，与国外同类应用研究结果基本相当。使出口气体甲苯浓度低于国家对现有企业的排放标准(≤60mg/m3)。同时，适宜地控制操作温度(20~25℃)和氮、磷营养物添加配比(C:N:P=200:5:1)，将有助于提高生物膜填料塔的净化性能。
参考文献：
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[6] 孙珮石。生物化学法净化低浓度有机废气研究 [D]。昆明:昆明理工大学，2000。
[7] 孙珮石，黄 兵，黄若华，等。生物膜填料塔净化工业废气用填料的研究[J]。 化工环保，2002，22(4):195-198。
[8] 孙珮石，黄 兵，黄若华，等。生物法废气净化专用微生物菌种及其作用[J]。 中国环境科学，2002，22(1):28-31。
[9] 邹华生，陈焕钦。生物填料塔降解低浓度苯废气传质-反应特征[J]。 广东化工，2000，(2):17-20。
[10] 孙珮石，杨显万，黄若华，等。生物法净化废气中低浓度挥发性有机物的过程机理研究 [J]。中国环境科学，1997，17 (6):545-549
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