甘蔗渣／活性炭為填料的生物過(guò)濾塔去除甲苯氣體

摘要：采用兩個(gè)生物過(guò)濾塔處理空氣中的甲苯，生物過(guò)濾塔A以活性炭：甘蔗渣：花土=2:1:1的混合物為填料，過(guò)濾塔B以甘蔗渣：花土=3：1為填料?？疾炝思妆降娜コ省⑷コ?fù)荷、填料堆積密度、pH、含水率、可溶性總氮（TN）和可溶性總磷（TP）的變化。結(jié)果表明，在甲苯濃度低于600 mg·m-3，兩個(gè)過(guò)濾塔對(duì)甲苯的去除率均在80 %以上，甲苯的去除為近似的一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過(guò)30天的運(yùn)行，兩個(gè)過(guò)濾塔中填料pH均從7.5降至6.9；生物過(guò)濾塔A的堆積密度從原來(lái)的650kg·m-3減少到590 kg·m-3，含水量從67%降至52%，TN和TP分別從7 mg·kg-1和5mg·kg-1降至約5和4 mg·kg-1；過(guò)濾塔B中填料的堆積密度從450 kg·m-3增加到約600kg·m-3，含水量從65%降至50%，TN和TP分別從8 mg·kg-1和6 mg·kg-1降至約5 mg·kg-和4 mg·kg-1。

關(guān)鍵詞：生物過(guò)濾；甲苯；甘蔗渣

空氣中的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是形成光化學(xué)煙霧的前驅(qū)物以及形成酸雨的氧化劑，也是可吸入顆粒物和細(xì)粒子的主要成分。

生物處理技術(shù)尤其是生物過(guò)濾技術(shù)在處理VOCs方面具有成本經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染等特點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注和研究[1-3]。在生物過(guò)濾工藝中，生物過(guò)濾塔內(nèi)裝具有生物載體（填料），可降解污染物微生物附著在填料的表面，VOCs 氣體直接與附著在固體填料表面的生物膜接觸，形成沒(méi)有連續(xù)液相存在的反應(yīng)體系，微生物將氣體中的污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)[2]。載體是廢氣生物處理的核心，新鮮載體的pH應(yīng)為7~8，孔隙率要大于80 %，有機(jī)質(zhì)含量要大于55 %。農(nóng)作物殘?jiān)投逊示哂幸欢ǖ膒H緩沖能力、釋放營(yíng)養(yǎng)物的能力、表面可附著VOCs降解微生物，可用作微生物載體[4-7]。Sakuma et.al[7] 發(fā)現(xiàn)含有牛骨的陶土顆粒對(duì)空氣污染的去除能力大于珍珠巖、聚亞胺酯泡沫等。Hwang[8]等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物堆肥可以成功用于去除VOCs。Willie Jones B. Saliling[9]等利用木屑和麥稈作為生物過(guò)濾池填料用以污水處理，結(jié)果表明木屑和麥稈在處理效果上可以和商業(yè)合成塑料相當(dāng)甚至更好。

本研究選取甘蔗渣和甘蔗渣/活性炭混合物作為生物過(guò)濾塔的主要填料，構(gòu)建生物過(guò)濾塔，考察不同填料對(duì)生物過(guò)濾去除甲苯的影響并評(píng)價(jià)以甘蔗渣作為生物過(guò)濾塔填料去除甲苯的性能。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置與填料組成

本研究的試驗(yàn)裝置如圖1 所示. 其中，過(guò)濾塔（反應(yīng)器）A和B均由有機(jī)玻璃制成，圓柱形，內(nèi)徑5 cm，高度50cm，填料層高度25 cm。

反應(yīng)器A中的填料組成為活性炭：甘蔗渣：百花土=2：1：1(體積比)，反應(yīng)器B中的填料組成為甘蔗渣：百花土=3：1，兩種混合物均以4：1的體積比與活性污泥接種?；钚蕴繛橹睆?.5cm，高1.0cm的圓柱形，甘蔗渣直徑1-2cm?；钚晕勰鄟?lái)自廣州新塘污水處理廠，填料性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 生物過(guò)濾塔的運(yùn)行條件

兩個(gè)生物過(guò)濾塔均置于室內(nèi)，氣速5m/s，空塔停留時(shí)間3min，連續(xù)運(yùn)行30d，期間空氣濕度50%-90%。在馴化期（反應(yīng)器運(yùn)行的第一周），進(jìn)口甲苯濃度在100-150mg·m3。在馴化期間未檢測(cè)生物過(guò)濾塔對(duì)甲苯的去除效果，根據(jù)耿長(zhǎng)君等[3]的研究結(jié)果，經(jīng)過(guò)一天的馴化，甲苯就可以達(dá)到穩(wěn)定去除率。

1.3 分析方法

氣相中甲苯濃度采用FID 檢測(cè)器的氣相色譜(Therimo， Ultra-GC 2000， USA) 測(cè)定. 分析條件如下:DB-5毛細(xì)管柱(0.25mm×30m，Angilet)，柱溫100 ℃，進(jìn)口溫度120 ℃，檢測(cè)器溫度150 ℃。填料中可溶性總氮（TN）和可溶性總磷（TP）的測(cè)定參考文獻(xiàn)[10]，pH采用PHS-3C型精密PH計(jì)（中國(guó)，上海）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 過(guò)濾塔A對(duì)甲苯的去除效果

生物過(guò)濾塔A對(duì)甲苯的去除率和去除負(fù)荷見(jiàn)圖2和圖3。圖1可以看出，在甲苯濃度低于50 mg·m-3時(shí)，甲苯去除率在90%以上，當(dāng)甲苯濃度在200-400 mg·m-3之間時(shí)，甲苯去除率在85%，當(dāng)甲苯濃度在600 mg·m-3時(shí)，生物過(guò)濾塔A對(duì)甲苯的去除率在80-85%之間。由圖2可以看出，去除負(fù)荷隨甲苯進(jìn)口負(fù)荷的增加而增加，表明在運(yùn)行濃度范圍甲苯去除反應(yīng)近似為一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。

2.2 過(guò)濾塔B對(duì)甲苯的去除效果

生物過(guò)濾塔B對(duì)甲苯的去除率和去除負(fù)荷規(guī)律和過(guò)濾塔B類(lèi)似（圖4和圖5）。圖4可以看出，在甲苯濃度低于50 mg·m-3時(shí)，甲苯去除率在90%以上，當(dāng)甲苯濃度在200-400 mg·m-3之間時(shí)，甲苯去除率在80-85%之間，當(dāng)甲苯濃度在600 mg·m-3時(shí)，生物過(guò)濾塔A對(duì)甲苯的去除率在80 %以上。由圖5可以看出，去除負(fù)荷隨甲苯進(jìn)口負(fù)荷的增加而增加，表明在實(shí)驗(yàn)濃度范圍甲苯去除近似為一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。

2.3 過(guò)濾塔A和B的比較

2.3.1 去除率隨進(jìn)口負(fù)荷的變化

過(guò)濾塔A和B對(duì)甲苯去除率隨進(jìn)口負(fù)荷的變化如圖6所示。在負(fù)荷比較低時(shí)（低于1 g·m-3·h-1），去除率大致相同，甲苯負(fù)荷在 4-7 g·m-3·h-1之間時(shí)，生物過(guò)濾塔A對(duì)甲苯的去除率略高于生物過(guò)濾塔B，甲苯負(fù)荷在11-14 g·m-3·h-1之間時(shí)，雖然過(guò)濾塔A去除負(fù)荷仍然略高于B，但是有趨于一致的趨勢(shì)。生物過(guò)濾去除有機(jī)廢氣的過(guò)程中，有機(jī)物需要從氣相轉(zhuǎn)移到生物膜內(nèi)，在生物膜被微生物降解，降解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移則相反。在甲苯濃度相對(duì)較高時(shí)（4-7 g·m-3·h-1），可能由于活性炭較強(qiáng)的吸附作用，促進(jìn)了甲苯從氣相到生物膜的轉(zhuǎn)移，使得反應(yīng)器A具有相對(duì)較高的甲苯去除率。負(fù)荷繼續(xù)增加至11-14 g·m-3·h-1時(shí)，過(guò)濾塔A優(yōu)勢(shì)降低的原因可能是因?yàn)楦收嵩突ㄍ量梢跃徛尫殴┪⑸镄玛惔x的營(yíng)養(yǎng)，而活性炭的存在稀釋了甘蔗渣和花土的含量，從而使單位體積內(nèi)可利用營(yíng)養(yǎng)的含量不具有優(yōu)勢(shì)所造成，由于實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間在一個(gè)月左右，目前已經(jīng)設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)考察較高負(fù)荷下的運(yùn)行狀況。

2.3.2 填料性質(zhì)的變化

過(guò)濾塔A和B使用前后填料性質(zhì)的變化見(jiàn)圖7。由(a)可以經(jīng)過(guò)約30天的運(yùn)行后，過(guò)濾A中的堆積密度由650kgom-3減少到590 kgom-3，過(guò)濾塔B中的填料堆積密度從450 kg·m-3增加到約600kg·m-3。這是因?yàn)樯镞^(guò)濾過(guò)程中甘蔗渣的腐爛、填料中有機(jī)質(zhì)的消耗和氣體流動(dòng)的壓實(shí)作用使得B中的填料體積收縮，而活性炭良好的支撐作用以及填料中有機(jī)質(zhì)的消耗使得過(guò)濾塔A中的填料堆積密度在運(yùn)行30天后略有減少。這種減少有兩方面的影響，一方面增加了填料的空襲率和流動(dòng)阻力，有利于氣態(tài)污染物的降解，另一方面有可能會(huì)導(dǎo)致填料內(nèi)部出現(xiàn)短路，從而不利于污染物的降解，這也有可能是導(dǎo)致過(guò)濾塔A和B在不同負(fù)荷下去除率不同的原因之一。

由圖7中的（b）、（c）、(d)可以看出，經(jīng)過(guò)30天運(yùn)行后，過(guò)濾塔A和B中填料的pH均從7.5下降到6.9左右，表明在甲苯降解過(guò)程中填料發(fā)生了酸化，填料的含水率分別從67 %和65 %下降至52 %和50 %；過(guò)濾塔A填料中TN和TP的含量分別7mg·kg-1和5mg·kg-1降至約5和4mg·kg-1，過(guò)濾塔B填料中TN和TP分別從8mg·kg-1和6mg·kg-1降至約5mg·kg-和4mg·kg-1。這和大多數(shù)研究者的結(jié)果相符[10，11-1２]，表明在利用活性炭/甘蔗渣或者甘蔗渣作為生物過(guò)濾塔填料處理甲苯過(guò)程中，需要補(bǔ)充水、pH緩沖劑和微生物所要的營(yíng)養(yǎng)。

結(jié)論

以甘蔗渣/活性炭/花土或者以甘蔗渣/花土作為生物過(guò)濾塔的填料，可以成功去除空氣中的甲苯，在停留時(shí)間3min，甲苯濃度在600mg·m-3以下，甲苯的去除率在80%以上。

在生物過(guò)濾去除甲苯的過(guò)程中，由于填料中有機(jī)質(zhì)的降解和活性炭的支持作用，以甘蔗渣/花土的堆積密度增加，甘蔗渣/活性炭/花土的堆積密度略有減小。

經(jīng)過(guò)30天的運(yùn)行，填料pH、含水率和可溶性總氮和總磷的含量均減小，表明生物過(guò)濾過(guò)程需要補(bǔ)充pH緩沖劑、水分和微生物可利用營(yíng)養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]EPA Report， Using Bioreactors to Control Air Pollution， 2.http://www.epa.gov/ttn/catc/dir1/fbiorect.pdf， Accessed 2007.12.20

[2]王燦，席勁瑛，胡洪營(yíng)，于茵，文湘華，白腐真菌生物過(guò)濾塔處理氯苯氣體的研究，環(huán)境科學(xué)，2008，9（2）：500-505

[3]耿長(zhǎng)君， 張春燕， 吳丹， 郝麗，全燮， 生物過(guò)濾法處理煉油污水廠惡臭廢氣， 化工學(xué)報(bào)，2007，58：1018-1024

[4]H. Taghipour， M.R. Shahmansoury ， B. Bina， H. Movahdian， Operational Parameters in Biofiltration of Ammonia-contaminated Air Streams Using Compost-pieces of Hard Plastics Filter Media， Chem. Eng. J. 2008，137:198-204

[5]Anil K. Mathur， C.B. Majumdera，， Shamba Chatterje， Combined removal of BTEX in air stream by using mixture of sugar cane bagasse， compost and GAC as biofilter media， Journal of Hazardous Materials， 2007， 148: 64-74

[6]P. Christen， F. Domenech， G. Michelena， R. Auria and S. Revah ， Biofiltration of volatile ethanol using sugar cane bagasse inoculated with Candida utilis， Journal of Hazardous Materials， 200289: 253-265

[7]Sakuma Daekeun Kim， George A. Sorial， Role of biological activity and biomass distribution in air biofilter performance， Chemosphere2007， 66: 1758-1764

[8]Jae Woong Hwang， Seok Jin Jang， Eun Yeol Lee ， Cha Yong Choi ， Sunghoon Park， Evaluation of composts as biofilter packing material for treatment of gaseous p-xylene， Biochemical Engineering Journal 2007， 35: 142-149

[9]28.Willie Jones B. Saliling， Philip W. Westerman， Thomas M. Losordo，Wood chips and wheat straw as alternative biofilter media for denitrification reactors treating aquaculture and other wastewaters with high nitrate concentrations，Aquacultural Engineering 2007， 37: 222-233

[10]Yonghui Liu， Xie Quan et al，Removal of Ternary-VOCs in Air Streams at High LoadsUsing a Compost-Based Biofilter， Journal of Chemical Technology Biotechnology， 23， 2005， 85-95.

[11]Takeyuki Sakuma， Toshihiro Hattori， Marc A. Deshusses， Comparison of Different Packing Materials for Biofiltration of Air Toxic， Journal of Air Waste Management Association， 2006， 56（11）: 1567-1575

[12]王家德，高增粱，褚淑祎， 陳建孟，廢氣生物過(guò)濾填料層濕分遷移的數(shù)值模擬，環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27：694-698