生物滴濾法處理噴漆廢氣

曹 春，王麗萍，王晴晴，徐子媛

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

生物滴濾法處理噴漆廢氣

曹 春，王麗萍，王晴晴，徐子媛

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

采用生物滴濾系統(tǒng)處理噴漆廢氣，在研究了混合氣體中甲苯與二甲苯之間相互作用的基礎(chǔ)上，對(duì)生物滴濾系統(tǒng)凈化噴漆廢氣的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在掛膜啟動(dòng)階段，進(jìn)氣流量為22.5 m3/h、空塔停留時(shí)間為33.9 s、進(jìn)氣甲苯質(zhì)量濃度為400～1500 mg/m3的條件下，最終甲苯去除率可穩(wěn)定在97%以上；在總進(jìn)氣質(zhì)量濃度為1000 mg/m3的條件下處理甲苯和二甲苯混合氣體，混合氣體中甲苯與二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯對(duì)二甲苯的抑制作用更強(qiáng)；在進(jìn)氣流量為20.0 m3/h、空塔停留時(shí)間為38.0 s、進(jìn)氣中總揮發(fā)性有機(jī)物（TVOCs）質(zhì)量濃度為300～900 mg/m3的條件下處理噴漆廢氣，平均TVOCs去除率為90.84%，出口二甲苯質(zhì)量濃度低于GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的排放限值（二甲苯質(zhì)量濃度為70 mg/m3），基本滿足排放要求。

生物滴濾法；噴漆廢氣；甲苯；二甲苯

油漆作為重要的工業(yè)用品，廣泛應(yīng)用于電氣機(jī)械、金屬制品、五金機(jī)械等制造行業(yè)［1］。在噴漆過(guò)程中產(chǎn)生的大量有毒揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）嚴(yán)重污染空氣，危害人類(lèi)健康。生物滴濾法是在傳統(tǒng)生物過(guò)濾法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種生物處理技術(shù)，是高效化工反應(yīng)裝置（吸附塔）和污染控制技術(shù)（生物膜技術(shù)）的有機(jī)結(jié)合［2］。已有學(xué)者對(duì)使用該法處理單一或混合組分有機(jī)廢氣的影響因素及凈化效果進(jìn)行了研究［3-4］，并在實(shí)驗(yàn)室模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同工業(yè)領(lǐng)域VOCs的治理應(yīng)用，如電子行業(yè)［5-6］、制藥行業(yè)［7-8］、油漆涂料行業(yè)［9-10］等，但缺少對(duì)生物滴濾系統(tǒng)工業(yè)化應(yīng)用穩(wěn)定性的研究。

本工作在研究了混合氣體中甲苯與二甲苯之間相互作用的基礎(chǔ)上，采用生物滴濾法對(duì)某噴漆車(chē)間排放的含甲苯、二甲苯等復(fù)雜多組分的有機(jī)廢氣進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)處理，并對(duì)生物滴濾系統(tǒng)凈化噴漆廢氣的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和材料

甲苯、二甲苯：分析純。

噴漆廢氣：取自某環(huán)保公司除塵器噴漆車(chē)間風(fēng)機(jī)出風(fēng)口。噴漆廢氣的組成見(jiàn)表1。

表1 噴漆廢氣的組成 ρ，mg/m3

由表1可見(jiàn)：噴漆廢氣主要由甲苯、二甲苯、乙苯和乙酸丁酯組成，其中，二甲苯和乙酸丁酯分別占50%和35%；噴漆廢氣中總揮發(fā)性有機(jī)物（TVOCs）質(zhì)量濃度約為540 mg/m3。

循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液：按照文獻(xiàn)［11］報(bào)道的方法配制。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

生物滴濾法凈化噴漆廢氣的工藝流程見(jiàn)圖1。生物滴濾塔φ600 mm×3390 mm，有機(jī)玻璃材質(zhì)。填料采用改良型瓷質(zhì)拉西環(huán)，分3層填裝，由開(kāi)孔率大于50%的有機(jī)孔板支撐，每層有效填料高度自上而下依次為150，300，300 mm，有效填充體積為0.212 m3。噴漆車(chē)間正常工作時(shí)，由集氣罩收集噴漆廢氣并通入生物滴濾塔；噴漆車(chē)間停工時(shí)，由圖1中虛線部分向系統(tǒng)供給油漆稀料，以維護(hù)生物滴濾系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 生物滴濾法凈化噴漆廢氣的工藝流程

生物滴濾系統(tǒng)中溫度穩(wěn)定在（25±5）℃，適宜微生物的生長(zhǎng)。營(yíng)養(yǎng)液噴淋流量為0.16～0.32 m3/h，且每周更換外排1/3的循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液。系統(tǒng)pH控制在6.5～7.0，以構(gòu)建適宜真菌與細(xì)菌共存的復(fù)合微生物體系。

控制生物滴濾系統(tǒng)進(jìn)氣流量為22.5 m3/h（空塔停留時(shí)間為33.9 s），進(jìn)氣甲苯質(zhì)量濃度為400～1500 mg/m3，完成生物滴濾系統(tǒng)的啟動(dòng)掛膜；掛膜成功后逐漸添加二甲苯，甲苯和二甲苯混合氣體的總進(jìn)氣質(zhì)量濃度維持在1000 mg/m3左右，對(duì)甲苯和二甲苯之間的相互作用進(jìn)行研究；而后調(diào)整進(jìn)氣流量為20.0 m3/h（空塔停留時(shí)間為38.0 s），通入噴漆廢氣進(jìn)行工業(yè)化穩(wěn)定性研究。

1.4 分析方法

采用安捷倫科技有限公司的HP 6890型氣相色譜儀測(cè)定甲苯、二甲苯及噴漆廢氣中TVOCs的質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物滴濾系統(tǒng)的掛膜啟動(dòng)

在進(jìn)氣流量為22.5 m3/h、空塔停留時(shí)間為33.9s的條件下，掛膜啟動(dòng)階段的甲苯去除效果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：掛膜啟動(dòng)Ⅰ階段，進(jìn)氣甲苯質(zhì)量濃度為400～950 mg/m3，隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，甲苯去除率緩慢提高至21.50%，此階段瓷質(zhì)拉西環(huán)表面生物膜薄且覆蓋面積小，第5天生物膜中的微生物濃度為8.38×106CFU/mL，甲苯的去除主要依靠填料和填料上活性污泥的吸附作用及活性污泥中微生物微弱的新陳代謝作用；掛膜啟動(dòng)Ⅱ階段，進(jìn)氣甲苯質(zhì)量濃度為500～1500 mg/m3，甲苯去除率迅速提高，至第14天，甲苯去除率增至93.80%，填料表面生物膜覆蓋面積及厚度逐漸增大，通過(guò)氣液相傳質(zhì)作用，甲苯進(jìn)入到生物膜內(nèi)，繼而被微生物降解，微生物濃度達(dá)到9.45×109CFU/mL；掛膜啟動(dòng)Ⅲ階段，進(jìn)氣甲苯質(zhì)量濃度為550～850 mg/m3，甲苯去除率穩(wěn)定在97%以上，此時(shí)生物膜表面濕潤(rùn)光滑，顏色厚度均勻，附著于整個(gè)填料表面，微生物濃度較啟動(dòng)第1天上升了5個(gè)數(shù)量級(jí)，高達(dá)7.00×1010CFU/mL。從生物膜中微生物的增殖情況及甲苯凈化效果分析，可確定生物滴濾塔掛膜成功。

2.2 生物滴濾系統(tǒng)凈化甲苯、二甲苯混合氣體

圖2 掛膜啟動(dòng)階段的甲苯去除效果

在進(jìn)氣流量為22.5 m3/h、空塔停留時(shí)間為33.9 s、甲苯和二甲苯混合氣體總進(jìn)氣質(zhì)量濃度為1000 mg/m3的條件下，甲苯和二甲苯的去除效果見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：當(dāng)ρ（甲苯）∶ρ（二甲苯）=1∶1時(shí)，甲苯去除率為92.66%；隨ρ（甲苯）∶ρ（二甲苯）的減小，甲苯去除率略有增加，二甲苯對(duì)甲苯的抑制作用逐漸減弱；當(dāng)ρ（甲苯）∶ρ（二甲苯）=1∶9時(shí)，甲苯去除率為96.36%。由圖3還可見(jiàn)，二甲苯去除率基本穩(wěn)定在75%左右。這表明混合氣體中甲苯與二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯對(duì)二甲苯的抑制作用更強(qiáng)。底物對(duì)微生物的競(jìng)爭(zhēng)是產(chǎn)生相互抑制作用的原因之一，當(dāng)甲苯和二甲苯共存時(shí)，微生物優(yōu)先降解甲苯。甲苯和二甲苯在降解過(guò)程中對(duì)氧氣的競(jìng)爭(zhēng)也可能產(chǎn)生相互間的抑制作用。此外，有研究指出，甲苯及其降解產(chǎn)物的積累或毒性限制了二甲苯誘導(dǎo)酶的活性，從而抑制了二甲苯的去除［12］。

2.3 生物滴濾系統(tǒng)處理噴漆廢氣的穩(wěn)定性

圖3 甲苯和二甲苯的去除效果

進(jìn)氣流量為20.0 m3/h、空塔停留時(shí)間為38.0 s的條件下通入噴漆廢氣，考察生物滴濾系統(tǒng)處理噴漆廢氣的工業(yè)穩(wěn)定性，噴漆廢氣中TVOCs的去除效果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，在連續(xù)64 d的運(yùn)行中，生物滴濾系統(tǒng)基本穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)氣TVOCs為300～900 mg/m3，平均TVOCs去除率為90.84%。對(duì)連續(xù)64 d的處理后廢氣成分進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)生物滴濾系統(tǒng)處理后的噴漆廢氣中的污染物僅為二甲苯。除第15天和第29天，出口二甲苯質(zhì)量濃度分別為98 mg/m3和128 mg/m3，其余62 d出口二甲苯質(zhì)量濃度均低于GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》［13］中規(guī)定的排放限值（二甲苯質(zhì)量濃度為70 mg/m3），基本滿足排放要求。

圖4 噴漆廢氣中TVOCs的去除效果

對(duì)于噴漆廢氣中含有的有機(jī)物，乙苯和乙酸丁酯易降解，可完全礦化生成CO2和H2O；甲苯在降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生鄰苯二酚的積累，當(dāng)進(jìn)氣甲苯質(zhì)量濃度為310～900 mg/m3時(shí)，積累的中間產(chǎn)物鄰苯二酚可在4～6 h內(nèi)完全礦化［14］；而二甲苯不能完全礦化為CO2和H2O（其礦化率僅為65%±3%［15］），在降解過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生少量中間產(chǎn)物，因此需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究二甲苯的降解過(guò)程，探討二甲苯的降解機(jī)理。

2.4 生物滴濾系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

生物滴濾法處理噴漆廢氣的經(jīng)濟(jì)可行性分析包括生物滴濾設(shè)備投資成本和運(yùn)行費(fèi)用兩部分。生物滴濾設(shè)備投資費(fèi)用見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，生物滴濾設(shè)備投資總成本為85480元。

表2 生物滴濾設(shè)備投資費(fèi)用

運(yùn)行費(fèi)用主要包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)和維修費(fèi)。經(jīng)計(jì)算累計(jì)電費(fèi)約為8379元/a；藥劑（主要包括甲苯、二甲苯及氮肥、磷肥等）費(fèi)用共計(jì)1000元/a；操作人員費(fèi)用約為9000元/a；維修費(fèi)用約為6621元/a。總運(yùn)行費(fèi)用共計(jì)約25000元/a。綜上可見(jiàn)，本工藝的總投資運(yùn)行費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)可行。

3 結(jié)論

a）在掛膜啟動(dòng)階段，進(jìn)氣流量為22.5 m3/h、空塔停留時(shí)間為33.9 s、進(jìn)氣甲苯質(zhì)量濃度為400～1500 mg/m3的條件下，最終甲苯去除率可穩(wěn)定在97%以上，微生物濃度達(dá)7.00×1010CFU/mL。

b）在總進(jìn)氣質(zhì)量濃度為1000 mg/m3的條件下處理甲苯和二甲苯混合氣體，混合氣體中甲苯與二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯對(duì)二甲苯的抑制作用更強(qiáng)。

c）在進(jìn)氣流量為20.0 m3/h、空塔停留時(shí)間為38.0 s、進(jìn)氣TVOCs質(zhì)量濃度為300～900 mg/m3的條件下處理噴漆廢氣，平均TVOCs去除率為90.84%，出口二甲苯質(zhì)量濃度低于GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的排放限值（二甲苯質(zhì)量濃度為70 mg/m3），基本滿足排放要求。

d）該生物滴濾系統(tǒng)設(shè)備投資費(fèi)用為85480元，預(yù)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用約為25000元/a，總投資運(yùn)行費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)可行。

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（編輯 王 馨）

Treatment of Spray Paint Waste Gas by Biotrickling Filtration

Cao Chun，Wang Liping，Wang Qingqing，Xu Ziyuan
（School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221116，China）

The spray paint waste gas was treated by a biotrickling fi ltration （BTF） system. On the basis of study on the interaction between toluene and xylene in mixed gas，the stability of BTF system in treatment of spray paint waste gas was investigated. The experimental results show that：Under the start-up conditions of inlet fl ow 22.5 m3/h，EBRT 33.9 s and inlet toluene mass concentration 400-1500 mg/m3，the removal rate of toluene is stable at above 97%；When the toluene-xylene mixed gas with 1000 mg/m3of total inlet mass concentration is treated，the inhibition effects of toluene and xylene on each other are appeared and that of toluene is stronger；When the spray paint waste gas is treated under the conditions of inlet flow 20.0 m3/h，EBRT 38.0 s and TVOCs mass concentration 300-900 mg/m3，the average TVOCs removal rate is 90.84%，and the outlet xylene mass concentration is lower than the emission limits in national air pollutant emission standards of GB 16297-1996.

biotrickling fi ltration；spray paint waste gas；toluene；xylene

X511

A

1006 - 1878（2015）03 - 0288 - 05

2014 - 11 - 07；

2015 - 02 - 11。

曹春（1990—），女，江蘇省南通市人，碩士生，電話 18761426013，電郵 cc07093266@126.com。聯(lián)系人：王麗萍，電話 13952118180，電郵 wlpcumt@126.com。

江蘇省環(huán)?？蒲许?xiàng)目（201111）。