生物滴濾塔處理氯苯廢氣的工藝性能

楊百忍，王麗萍，牛 仙，丁 成，徐蘇文，繆家歡

（1. 中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 鹽城工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

氯苯類有機化合物是化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的一類持久性有機污染物，廣泛用于染料、塑料、香料、醫(yī)藥、農(nóng)藥和有機合成的中間體［1］。氯苯類有機化合物具有一定的毒性、生物累積性和持久性，可導(dǎo)致植物腐爛［2］、土壤和地下水的污染［3-4］。由于氯苯的揮發(fā)性較強，大氣中的氯苯污染情況不容忽視［5］。據(jù)報道，人體長期暴露于含氯苯氣體的環(huán)境中會對健康造成嚴(yán)重損害［6］。因此，氯苯類污染物的控制和處理顯得尤為必要。目前，生物法處理揮發(fā)性有機污染物已成為國內(nèi)外研究的熱點，相比傳統(tǒng)的生物過濾器和生物洗滌塔，生物滴濾塔可以通過控制噴淋液的流量、改變噴淋液的成分及pH的方式來提供微生物生長所需的條件，對硫化氫［7］和氨［8］等酸性氣體及多種揮發(fā)性有機物［9-11］的降解具有明顯的優(yōu)勢。但目前國內(nèi)對生物滴濾塔應(yīng)用于氯苯廢氣的處理還鮮有報道，以活性污泥接種生物滴濾塔進行氯苯生物降解的相關(guān)研究更是罕見報道。

本工作將活性污泥培養(yǎng)及馴化后接種于生物滴濾塔中，掛膜啟動后處理模擬氯苯廢氣（簡稱氯苯廢氣）?？疾炝松锏螢V塔在掛膜啟動階段及穩(wěn)定運行階段的性能，研究了穩(wěn)定運行階段工藝參數(shù)的改變對氯苯降解性能的影響。

1 實驗部分

1.1 裝置和材料

生物滴濾塔：φ100 mm×1 200 mm， 有機玻璃材質(zhì)，分為噴淋段、進氣段和4個填料段，各段間以法蘭連接。填料為活性炭纖維布與多面空心球的混合填料。每個填料段填料高度為200 mm，填料裝填總體積為0.00 628 m3。

接種污泥取自鹽城某污水處理廠的曝氣池。循環(huán)噴淋液的成分［12］：NH4Cl 800 mg/L，Na2HPO4200 mg/L，KH2PO4400 mg/L，MgSO4·7H2O 340 mg/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 10 mg/L，CaCl215 mg/L，ZnSO4·7H2O 0.5 mg/L，Na2MoO4·2H2O 0.5 mg/L。

1.2 實驗方法

活性污泥的培養(yǎng)及馴化：污泥經(jīng)淘洗后去除上清液和底層沉渣，加入一定量的水形成活性污泥混合液，以葡萄糖為唯一碳源，向混合液中加入一定量的營養(yǎng)液，控制混合液pH約為7，每天連續(xù)曝氣23 h，靜置1 h，排出30%的上清液，補充等量的新鮮營養(yǎng)液，營養(yǎng)液與噴淋液的成分相同?；钚晕勰嗯囵B(yǎng)結(jié)束后，采用逐步降低葡萄糖加入量而增加氯苯加入量的方法對污泥進行馴化，最終用氯苯完全替代葡萄糖成為微生物的唯一碳源。

掛膜啟動：將馴化好的活性污泥注滿生物滴濾塔，完全淹沒填料，浸泡24 h后放空，開始掛膜。進氣的氯苯質(zhì)量濃度從53.30 mg/m3逐漸增至1 190.99 mg/m3，氣體停留時間為56 s，噴淋液流量為25.0 m L/min。每3天更新500 m L活性污泥及相應(yīng)比例的營養(yǎng)液。每天測定生物滴濾塔進出口的氯苯質(zhì)量濃度，計算氯苯去除率。

穩(wěn)定運行：常溫常壓條件下采用氣液逆流操作，噴淋液由循環(huán)蠕動泵提升至生物滴濾塔的頂部，通過布水器均勻地噴灑在填料的表面。采用動態(tài)配氣法配制氯苯廢氣，來自空壓機的空氣分為兩路，一路進入避光的裝有氯苯的吹脫瓶，將氯苯吹脫后帶出，再與另一路空氣混合后形成氯苯廢氣，從底部進入滴濾塔。通過氣體流量計控制氯苯廢氣中氯苯的質(zhì)量濃度。氯苯廢氣流量為0.25～0.80 m3/h，進氣中氯苯的質(zhì)量濃度為648.90～2 019.85 mg/m3，生物滴濾塔的進氣負荷為15.70～146.18 g/（m3·h），相對應(yīng)的空塔停留時間（EBRT）為28～90 s，噴淋液流量為7.83～47.33 m L/m in。生物滴濾塔處理氯苯廢氣的工藝流程見圖1。

圖1 生物滴濾塔處理氯苯廢氣的工藝流程

1.3 分析方法

采用美國PerkinElmer Clarus公司的GC580型氣相色譜儀分析氯苯廢氣中的氯苯質(zhì)量濃度，氣相色譜條件為：色譜柱Elite-5，毛細管柱0.32 mm×0.5 μm×30 m；柱溫采用程序升溫，初溫70 ℃，保留1 m in，升溫速率10 ℃/m in，終溫110 ℃，保留1 m in；汽化室溫度200 ℃；檢測器（FID）溫度250℃；柱流量1.5 m L/m in，N2為載氣，不分流進樣，氫氣流量45 m L/m in，空氣流量450 m L/min，進樣量500 μL。采用上海儀電科學(xué)技術(shù)股份有限公司的PHS-3C 型pH計測定噴淋液的pH。按照文獻［13］報道的方法測定MLSS和MLVSS。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物滴濾塔掛膜啟動階段的工藝性能

2.1.1 活性污泥馴化階段MLSS和MLVSS的變化

活性污泥馴化階段M LSS和M LVSS的變化見圖2。由圖2可見，馴化期的前16 d內(nèi)，活性污泥的MLSS和MLVSS均逐漸降低，MLSS由13. 771 g/L降至8.950 g/L，MLVSS由9.297 g/L降至7.230 g/L，說明隨著馴化液中氯苯質(zhì)量濃度的升高及葡萄糖質(zhì)量濃度的降低，活性污泥中不能適應(yīng)氯苯的微生物死亡。從馴化期的第16天開始，MLSS和MLVSS逐漸增大，說明活性污泥中的微生物已基本適應(yīng)了氯苯，對氯苯具有良好降解效果的優(yōu)勢菌種開始繁殖。M LVSS/M LSS表示單位質(zhì)量的活性污泥中所含微生物的比例。由圖2還可見，從馴化的第8天開始，MLVSS/MLSS逐漸增大，到馴化結(jié)束時MLVSS/M LSS由馴化初期的0.7左右增至0.8，說明活性污泥中的微生物含量有較大幅度的提高，污泥的活性也相應(yīng)提高。

圖2 活性污泥馴化階段MLSS和MLVSS的變化

2.1.2 生物滴濾塔掛膜啟動階段的氯苯去除率

生物滴濾塔掛膜啟動階段的氯苯去除率見圖3。

圖3 生物滴濾塔掛膜啟動階段的氯苯去除率

由圖3可見：掛膜啟動階段的前20 d內(nèi)，隨進氣中氯苯質(zhì)量濃度的升高，氯苯去除率整體呈上升趨勢但波動較大，說明生物滴濾塔內(nèi)的微生物仍處于對塔內(nèi)環(huán)境逐漸適應(yīng)的階段；掛膜啟動20 d后，隨進氣中氯苯質(zhì)量濃度的升高，氯苯去除率呈逐漸升高的趨勢，說明生物滴濾塔內(nèi)的微生物已經(jīng)適應(yīng)了塔內(nèi)環(huán)境，微生物開始大量增殖；掛膜41 d后，氯苯去除率達90%以上，此時生物滴濾塔掛膜啟動完成，生物滴濾塔進入穩(wěn)定運行階段。

2.2 生物滴濾塔穩(wěn)定運行階段的工藝性能

2.2.1 進氣中氯苯質(zhì)量濃度對氯苯去除率及氯苯去除負荷的影響

生物滴濾塔穩(wěn)定運行階段，在噴淋液流量為30.0 m L/m in、EBRT為37 s的條件下，進氣中氯苯質(zhì)量濃度對氯苯去除率及氯苯去除負荷的影響見圖4。由圖4可見，隨著進氣中氯苯質(zhì)量濃度由303.82 mg/m3逐漸增至1 489.05 mg/m3，氯苯去除率從85.1%降至70.1%，氯苯去除負荷逐漸升高，最高達到100.27 g/（m3·h）。

圖4 進氣中氯苯質(zhì)量濃度對氯苯去除率及氯苯去除負荷的影響

2.2.2 EBRT對氯苯去除率的影響

EBRT是生物滴濾塔運行過程中重要的控制參數(shù)之一，EBRT太短，微生物與填料間的傳質(zhì)不夠充分；EBRT太長，不利于生物滴濾塔系統(tǒng)的高效運行。生物滴濾塔穩(wěn)定運行50 d后，在進氣中氯苯質(zhì)量濃度為1 200.00 mg/m3的條件下，EBRT對氯苯去除率的影響見圖5。

圖5 EBRT對氯苯去除率的影響

由圖5可見：當(dāng)EBRT為90 s時，氯苯去除率約為99.0%；當(dāng)EBRT縮短為75 s時，氯苯去除率幾乎沒有變化；當(dāng)EBRT縮短為45 s時，氯苯去除率為94.7%；當(dāng)EBRT縮短為28 s時，氯苯去除率明顯下降至91.4%。本實驗選擇EBRT超過45 s較適宜。2.2.3 噴淋液流量對氯苯去除率的影響

在進氣中氯苯質(zhì)量濃度為1 200.00 mg/m3、EBRT為56 s的條件下，噴淋液流量對氯苯去除率的影響見圖6。由圖6可見：隨著噴淋液流量的增加，氯苯去除率先增大后減??；當(dāng)噴淋液流量為31.8 m L/min時，氯苯去除率最高，為90.7%。本實驗選擇噴淋液流量為31.8 m L/m in較適宜。

圖6 噴淋液流量對氯苯去除率的影響

2.2.4 氯苯進氣負荷對氯苯去除負荷的影響

在進氣中氯苯質(zhì)量濃度為1 200.00 mg/m3的條件下，氯苯進氣負荷對氯苯去除負荷的影響見圖7。

圖7 氯苯進氣負荷對氯苯去除負荷的影響

由圖7可見：當(dāng)進氣負荷為23.97～128.01 g/（m3·h）時，去除負荷隨進氣負荷的增加基本呈線性增加，說明傳質(zhì)過程和氯苯降解過程均運行良好；當(dāng)進氣負荷繼續(xù)增加時，雖然去除負荷也繼續(xù)增加，但去除率卻明顯下降。這是因為進氣負荷越低，氯苯的降解越完全；進氣負荷越高，降解氯苯的總量逐漸受到生物滴濾塔生化降解能力的限制。本實驗選擇氯苯進氣負荷為23.97～128.01 g/（m3·h）較適宜。

2.2.5 噴淋液pH及氯苯去除率的變化

在進氣中氯苯質(zhì)量濃度為1 200.00 mg/m3、噴淋液流量為31.8 m L/m in、EBRT為56 s的條件下，在一個噴淋液更換周期內(nèi)，噴淋液pH及氯苯去除率的變化見圖8。由圖8可見：從噴淋液更換完成開始計時，前10 h內(nèi)噴淋液pH大幅下降，pH由7.5降至3.0，同時，氯苯去除率也逐漸下降，由90.0%降至85.0%；運行12 h后，噴淋液pH降至2.9，繼續(xù)延長運行時間，噴淋液pH基本不再變化，氯苯去除率也穩(wěn)定在85.0%以上。說明本實驗過程中，生物滴濾塔對噴淋液的酸性環(huán)境有較好的適應(yīng)性，噴淋液pH的變化對氯苯降解性能無顯著影響。

圖8 噴淋液pH及氯苯去除率的變化

3 結(jié)論

a） 將塔外培養(yǎng)并定向馴化的活性污泥接種于生物滴濾塔中凈化氯苯廢氣，接種41 d后生物滴濾塔成功掛膜，此時氯苯去除率穩(wěn)定在90%以上。

b） 生物滴濾塔穩(wěn)定運行階段，隨著進氣中氯苯質(zhì)量濃度由303.82 mg/m3逐漸增到1 489.05 mg/m3，氯苯去除率從85.1%降至70.1%；降解氯苯廢氣適宜的工藝條件為：EBRT超過45 s，噴淋液流量31.8 m L/m in，氯苯進氣負荷23.97～128.01 g/（m3·h）。

c） 生物滴濾塔對噴淋液的酸性環(huán)境有較好的適應(yīng)性，噴淋液pH的變化對氯苯降解性能無顯著影響。

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