生物滴滤池处理甲苯废气研究
摘要： 本文以甲苯废气作为实验气体，以阶梯环和鲍尔环作为生物滴滤池的填料，探讨了生物滴滤池对含低浓度挥发性有机物(VOC)废气的处理效果、过程及影响因素。实验研究表明：在实验温度为20℃～30℃，进气中甲苯浓度200～1000mg/m3，容积负荷6.2～30.9mg/Lh，停留时间为117s，投配液量40L/h，生物滴滤池对甲苯的去除效率在87～100%。甲苯负荷、停留时间和进气浓度是影响甲苯去除效率的重要因素。
关键词： 挥发性有机废气(VOCs) 生物滴滤法 甲苯 生物降解
甲苯是一种重要的化工原料和有机溶剂，在工农业生产中广泛应用。甲苯在常温下为无色液体，极易挥发，其蒸汽对眼睛、呼吸道、皮肤有很强的刺激性，吸入八小时浓度为375-750mg/m3的甲苯蒸汽时，会出现疲惫、恶心、错觉、活动失灵、全身无力、恶心、头痛等症状;长时间吸入会因呼吸器官中枢麻痹而导致死亡。在我国规定排放的工业气体中甲苯的浓度必须小于60mg/m3。生物法用于VOCs物质处理具有投资少、运行管理方便、处理效率高、无二次污染等优点.目前，生物法净化低浓度有机废气已成为当今世界上人们广泛关注的发展方向和前沿研究课题之一[1.2]。本研究选择甲苯为VOCs代表，选取阶梯环和鲍尔环为填料，研究滴滤池净化VOCs的性能，为生物法在VOCs净化领域的应用提供依据。
1 材料与方法
1.1 实验装置与流程
工艺流程及试验装置如图1所示。生物滴滤塔由直径250mm，高1700mm不锈钢材料制成，其中填料层高度为660mm，分三层安装，每层填料高度 220mm。上两层填料为15×17×1mm的鲍尔环，最下层为25×12×1mm阶梯环.每层之间采用不锈钢多孔板支撑。
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1.2 废气气源
由空压机输送出的压缩空气首先进入缓冲罐，再分成主、辅两条气路.辅气路向纯甲苯瓶中吹入少量的空气，促使甲苯气体从甲苯瓶中挥发出来，而后，这部分带有甲苯的气体与主气路的空气混合，混合均匀后得到一定浓度的甲苯废气。在试验过程中依*调节主、辅气路内气体流量比例改变进气浓度。
1.3 测试指标及手段
主要测定项目有：(1)甲苯浓度，采用检知管法，监测范围0～1000mg/m3;(2)气体和液体流量采用转子流量计计量;(3)微生物相：光学显微镜观察摄影。
1.4 微生物的培养和驯化
接种污泥取自邯郸市东效污水厂运行良好的onclick="g(’氧化沟’);">氧化沟，该混合液MLSS为4000mg/L，泥生物相丰富，经过三天的强化培养，可以进行接种挂膜，挂膜驯化方法见文献[3]。
2 实验结果与分析
2.1 甲苯的去除效果
在温度为20℃～30℃，投配液量0.8m3/m2h，进气量为1m3/h，改变进口甲苯浓度(200～1000mg/m3)，相应负荷为6.2～30.9mg/Lh。运行两个多月，生物滴滤塔在稳定条件下的运行结果如表1所示。
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表1 实验结果表
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2.2 进气浓度对甲苯去除效率的影响
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从图2可以发现，甲苯的去除效率随进气浓度的增加而下降，尤其是进气量较大时这种下降趋势更为明显。这是因为在生物滴滤池中，微生物对甲苯虽有一定的降解能力，但这种能力是有限的，随着进气浓度的增加，微生物承受的甲苯负荷越来越大，虽然单位时间微生物降解甲苯的量增加，但由于微生物降解能力有限，甲苯的去除效率逐渐降低。
从表1可以看出，生物滴滤池对甲苯的降解速率均随着进气浓度的增加而增加，而且在进气浓度较小时，降解速率随进气浓度增加增大较快，而浓度继续增大，降解速率增大缓慢，当达到某一值时，降解速率达到极限，不再增加。这是因为当甲苯浓度低于某一值时，甲苯在生物膜表面的传质速率远小于其在生物膜中的生化降解速率，被吸附的甲苯分子会被微生物迅速消耗掉，此时甲苯的生化降解速率随废气中甲苯浓度的增加而线性增加，生化反应为一级反应。当废气中甲苯浓度超过一定浓度值时，甲苯分子在生物膜表面的传质过程逐渐进入饱和与稳定状态，即传质与生化反应达到了动态平衡，表现为生化反应速率不再随甲苯浓度的增加而改变，而是保持在一定范围内，这时生化反应为零级反应。
2.3 停留时间对甲苯去除效率的影响
保持营养液循环量为40L/h，通过改变气体流量，进行了三个不同停留时间(即117s、78s和59s)下甲苯的去除效率实验。由图2可知，随着停留时间的缩短，甲苯的去除效率降低，并且停留时间不同下降的速度不同。停留时间越短去除效率下降的越快。对于相同进气浓度，停留时间越长，去除效率越高。这是因为停留时间较长时，有利于进气中的甲苯扩散进入生物膜，微生物对甲苯降解较充分。
2.4 喷洒量的影响
实验条件：停留时间为78s，进气浓度为500mg/m3，考察了喷洒量对甲苯净化效率的影响。由图3可以看出：增加喷淋量，甲苯的净化效果提高，当达到某一值时，净化效率变化不大。这主要是由于喷淋量过小，会导致填料上的水分被蒸发过度、填料干燥，微生物生长的液体环境受到破坏，细胞与环境渗透压差急剧增加，导致细胞失水而死亡，从而影响甲苯的净化效率;当循环喷淋量增加，对填料表面生物膜的水力冲刷增强，生物膜更新加快，有利于降低微生物生长的环境渗透压及微生物降解甲苯中间产物的浓度，但当喷洒量过多时有可能引起填料的持水量增加过多，使填料的配气不均匀而导致降解效果下降。由此可见，适量的喷淋水会有利于系统降解甲苯的能力的保持。
3 生物滴滤塔的恢复运行试验
考虑到实际运行中要受到周末停止运行的影响，在进气量为1.5m3/L，进气浓度为490mg/m3条件下，进行了恢复性实验。停止供气48h(不停止供给营养液)，表示周末停止运行情况，48h后开始正常运行，恢复实验结果如表2所示。由表2可以看出，在停止运行48h后，大约80min后生物滴滤塔可以恢复到原来状态，该生物滴滤池恢复时间快，适用于间歇运行的条件。
表2 恢复实验结果
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4 结论
1)以鲍尔环和阶梯环作为填料，采用城市污水处理厂的污泥接种，快速排泥法挂膜，在低负荷下直流驯化，生物滴滤塔的挂膜和驯化时间短。
2)实验温度20-300℃，气体流量1-2m3/h，进气甲苯浓度小于1000mg/m3，容积负荷4.6-30.9mg/L.h，生物滴滤池对甲苯废气都有良好的净化效果。生物滴滤塔处理甲苯废气的影响因素主要有：容积负荷、进气浓度、停留时间。随着液体喷淋量的增加，甲苯的净化效率增加，但增加到一定的值，去除效率变化不大。本实验装置液体喷淋量不适宜小于40L/h。
3)生物滴滤池在停止运行48小时后，80分钟可恢复到停止运行前的状态，恢复时间短。
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