生物滴濾塔去除甲苯氣體最佳條件探索

張長(zhǎng)平，程靜辰

（河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

生物滴濾塔去除甲苯氣體最佳條件探索

張長(zhǎng)平，程靜辰

（河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

從天津生活污水處理廠取得活性污泥，接種于生物滴濾塔中。設(shè)計(jì)均勻試驗(yàn)，考察在pH=5～7.8，硝酸根濃度為0.6～2.1g·L-1，表面活性劑用量為0.001～0.021mL·L-1，噴淋量為2～10 L·h-1條件下，生物滴濾塔對(duì)甲苯廢氣的處理效果。結(jié)果表明，各因素對(duì)生物滴濾塔去除甲苯的影響力由大到小順序?yàn)椋撼跏紁H值，噴淋量，硝酸根濃度，表面活性劑。其中表面活性劑影響效果很小，可忽略不計(jì)。對(duì)最佳條件進(jìn)行驗(yàn)證，生物滴濾塔運(yùn)行過程中，處理效率保持在80%以上，最高時(shí)可達(dá)到88.6%。同時(shí)也探究了營(yíng)養(yǎng)液pH變化對(duì)生物滴濾塔去除甲苯的影響規(guī)律。

甲苯；生物滴濾塔；均勻?qū)嶒?yàn)

生活中揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）主要來自工廠排放、汽車尾氣以及建筑材料、保溫材料等。VOCs成分復(fù)雜，其中以苯、甲苯、二甲苯為代表的苯系物，具有毒性、刺激性，也會(huì)產(chǎn)生一系列致癌致畸、致突變效應(yīng)，嚴(yán)重影響人類的身體健康。苯系物易揮發(fā)進(jìn)入大氣中，促進(jìn)臭氧的形成，參與光化學(xué)反應(yīng)，形成光化學(xué)煙霧。

VOCs的治理也出現(xiàn)了包括光催化氧化處理法、等離子體法、微波凈化技術(shù)、膜分離法、納米材料凈化技術(shù)等在內(nèi)的新技術(shù)。生物法降解甲苯，具有比傳統(tǒng)工藝投資少、降解效果好、占地面積小、工藝流程簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。據(jù)報(bào)道[2-4]，VOCs和惡臭廢氣生物處理工藝主要包括生物濾池、生物滴濾塔、生物洗滌器、膜生物反應(yīng)器。其中，生物過濾器和生物滴濾塔應(yīng)用最為廣泛[5-6]。生物滴濾塔可以處理VOCs氣體中的烷烴、烯烴、醇、酮、酯、單環(huán)芳烴、鹵代烴等，其優(yōu)勢(shì)在于，反應(yīng)器簡(jiǎn)單，成本較低，運(yùn)行費(fèi)用低，壓降低，同時(shí)具有較高的去除效率。

1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行流程

1.1 試驗(yàn)裝置

采用的小型生物滴濾塔由透明有機(jī)玻璃柱制成，塔徑140mm，填料層共4層，每層高170mm。以活性炭作為濾料，氣液逆流操作，營(yíng)養(yǎng)液頂部流入，底部流出，廢氣底部流入，頂部流出，實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)。

1.2 運(yùn)行流程

該生物滴濾塔的運(yùn)行流程圖如圖1所示。

圖1 生物滴濾塔運(yùn)行流程圖

1.3 監(jiān)測(cè)儀器

Bruker 450-GC用于測(cè)定甲苯進(jìn)出口含量，pHs-3c測(cè)定營(yíng)養(yǎng)液pH，mp 523pH/ISE meter測(cè)定硝酸根的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物的馴化掛膜

試驗(yàn)所取菌種來自天津生活污水處理廠的活性污泥。采取馴化好的甲苯降解混合菌作為菌源，將菌液與生理鹽水、葡萄糖、蛋白胨等配置成營(yíng)養(yǎng)液加入滴濾塔中，循環(huán)噴淋。通入含甲苯氣體再次馴化。連續(xù)培養(yǎng)2～3d后，隨著甲苯進(jìn)氣量的增大，甲苯的去除率達(dá)到穩(wěn)定并最大，活性炭的表面上附著表面光滑黃褐色的生物膜。

2.2 均勻法確定生物滴濾塔去除甲苯的最佳條件

采用4 因素5 水平均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)（表1）?？紤]了4個(gè)因素，分別為營(yíng)養(yǎng)液的初始pH值、活性劑、N源、噴淋量，每個(gè)因素設(shè)置5個(gè)水平。其中曲拉通X-100是一種用途廣泛的非離子表面活性劑，可以增大甲苯在水中的溶解度，提高微生物接觸甲苯的機(jī)會(huì)，并且對(duì)微生物的毒性較小。

表1 均勻設(shè)計(jì)表

其中室溫為15～20℃，進(jìn)氣濃度為1000～1200mg·m-3, 生物滴濾塔每天運(yùn)行8h。

圖2是試驗(yàn)組數(shù)、生物滴濾塔的平均進(jìn)出口甲苯濃度和去除率之間的比較。顯然第一組實(shí)驗(yàn)降解甲苯的效率最高，為75.4%。對(duì)比這5組實(shí)驗(yàn)條件，初始pH 5.0、硝酸根濃度0.6g·L-1、活性劑0.011mL·L-1、噴淋量8L·h-1時(shí)在其中是最優(yōu)的。

圖2 實(shí)驗(yàn)組數(shù)平均進(jìn)、出口甲苯濃度和去除效率之間的比較

用回歸法對(duì)均勻?qū)嶒?yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到回歸方程：

其中y為生物滴濾塔去除甲苯的效率，x1、x2、x3、x4分別代表營(yíng)養(yǎng)液的初始pH、硝酸根濃度、曲拉通濃度和噴淋量。根據(jù)回歸方程可知，表面活性劑曲拉通的相關(guān)系數(shù)很小，可以忽略不計(jì)。由于0.135＞0.028＞0.007, 所以各因素對(duì)生物滴濾塔去除甲苯的影響力由大到小排序?yàn)椋撼跏紁H值，噴淋量，硝酸根濃度，表面活性劑曲拉通X-100濃度。

圖3 實(shí)驗(yàn)組數(shù)之間各因素關(guān)系

對(duì)比圖3，可以看出在第一組實(shí)驗(yàn)中pH 是最低值5.0，在第5組實(shí)驗(yàn)中噴淋量是最高值10L·h-1，在第5組試驗(yàn)中硝酸根濃度是最高值2.1g·L-1，而甲苯的去除率最好是在第一組實(shí)驗(yàn)中，這也證實(shí)了初始的pH值是生物滴濾塔去除甲苯能力的關(guān)鍵因素。

按照生物滴濾塔去除甲苯廢氣最佳實(shí)驗(yàn)條件的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，運(yùn)行過程中，處理效率保持在80%以上，最高時(shí)可達(dá)到88.6%。

2.3 生物滴濾塔運(yùn)行過程中pH的變化對(duì)甲苯去除率的影響

當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液初始pH=5.0，硝酸根濃度為0.6g·L-1，曲拉通X-100為0.011mL·L-1，噴淋量為8L·h-1時(shí)，甲苯去除率如圖4(a)所示。隨著pH值不斷增大，甲苯去除效率在不斷提高，但pH增至7.21后緩慢降低，最后穩(wěn)定至7.1左右。而甲苯去除效率依然在提高，最終達(dá)到83.5%。這可能是由于在生物滴濾塔開始運(yùn)行前，營(yíng)養(yǎng)液的pH值為5.0，微生物通過自身代謝活動(dòng)，產(chǎn)生堿性物質(zhì)，中和酸性環(huán)境，使?fàn)I養(yǎng)液的pH升高，從而改善生存環(huán)境。營(yíng)養(yǎng)液中的磷酸氫二鉀和磷酸二氫鉀起到緩沖劑的作用，使微生物的生存環(huán)境最終維持一個(gè)較穩(wěn)定的pH值。

當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液初始pH=5.7，硝酸根濃度為1.6g·L-1，曲拉通X-100為0.001mL·L-1，噴淋量為6L·h-1時(shí)，甲苯去除率如圖4(b)所示?？梢钥闯霎?dāng)初始pH為5.7時(shí)，pH值和甲苯的處理效率總體的走勢(shì)與第一組實(shí)驗(yàn)類似，pH值最終也在穩(wěn)定在7.1左右。

當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液初始pH=6.4，硝酸根濃度為0.1g·L-1，曲拉通X-100為0.016mL·L-1，噴淋量為4L·h-1時(shí)，甲苯去除率如圖4(c)所示。pH逐漸升高，最終穩(wěn)定在7.1左右，但甲苯的處理效率卻長(zhǎng)時(shí)間維持在一個(gè)較低的范圍內(nèi)沒有較高的增長(zhǎng)，這可能是由于噴淋量減少，降低了甲苯氣的傳質(zhì)效率，故甲苯的處理效率不高。

前面幾組實(shí)驗(yàn)最終的pH都穩(wěn)定在了7.1左右。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液初始pH=7.1，硝酸根濃度為1.1g·L-1，曲拉通X-100為0.006mL·L-1，噴淋量為2L·h-1時(shí)，甲苯去除率如圖4(d)所示。由于初始pH 已經(jīng)達(dá)到微生物生長(zhǎng)適宜的pH 條件，故pH的變化較小。但是甲苯的去除效率依然維持在一個(gè)低值，這可能是本組實(shí)驗(yàn)噴淋量最小，不足以滿足微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需要。微生物生長(zhǎng)緩慢，生物滴濾塔中生物膜少，故甲苯去除效率不高。

當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液初始pH=7.8，硝酸根濃度為2.1g·L-1，曲拉通X-100為0.021mL·L-1，噴淋量為10L·h-1，甲苯去除率如圖4(e)所示。當(dāng)初始pH 高于最適pH 7.8時(shí)，甲苯處理效率整體較低，幅度小。同時(shí)，pH變化較小，說明生物滴濾塔內(nèi)的微生物不適應(yīng)堿性環(huán)境，不能通過自身的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)，將堿性中和，改善生長(zhǎng)環(huán)境。

圖4 生物滴濾塔pH值和甲苯去除率的變化圖

3 結(jié)論

1）對(duì)均勻試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得出在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，表面活性劑曲拉通的相關(guān)系數(shù)很小，可以忽略不計(jì)。各因素對(duì)生物滴濾塔去除甲苯的影響力由大到小順序?yàn)椋撼跏紁H值，噴淋量，硝酸根濃度，曲拉通X-100。

2）對(duì)最佳條件進(jìn)行驗(yàn)證，生物滴濾塔在最佳條件下運(yùn)行，過程中處理效率保持在80%以上，最高時(shí)可達(dá)到88.6%。

3）在凈化甲苯廢氣時(shí)，生物滴濾塔運(yùn)行的最適pH值為6.9～7.1，微生物能適應(yīng)酸性環(huán)境，通過自身代謝，改善生存環(huán)境，使之變得更有利于自身的生長(zhǎng)繁殖。

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Optimum Conditions for Removal of Toluene from Biological Filter Tower

ZHANG Changping，CHEGN Jingchen
(Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China）

The uniform experiment was designed to investigate the treatment effect of toluene waste gas by biological flter tower when pH=5～7.8, nitrate concentration was 0.6～2.1 g/L, surface active agent was 0.001～0.021 mL/L, spray amount was 2～10 L/h. The results showed that the infuence of various factors on the removal of toluene by the large to small order was∶ initial pH value, spray amount, nitrate concentration, surfactant.Among them, the effect of surfactant was very small, and it could be ignored. The optimal conditions were verifed, and the effciency of the process was maintained at more than 80% during the operation of the flter, and the maximum effciency was 88.6%.At the same time, the effect of pH on the removal of toluene by the change of nutrient solution was also studied.

toluene; biological flter tower; uniform experiment

X 701

A

1671-9905(2016)12-0045-04

2016-10-14