生物轉(zhuǎn)鼓凈化SO2的性能研究

貫文瑤，郭子怡，蔡魯祥,2，沈家辰，應(yīng) 典，沙昊雷

(1.浙江省“生物工程”一流學(xué)科,浙江萬(wàn)里學(xué)院,浙江 寧波 315100； 2.寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,浙江 寧波 315175)

引 言

SO2是重要的大氣污染物之一，它的大氣化學(xué)行為一直被廣泛關(guān)注[1]。大氣環(huán)境中SO2積累會(huì)污染環(huán)境、造成酸雨、破壞臭氧[2]，當(dāng)SO2溶于水中，會(huì)形成亞硫酸，亞硫酸進(jìn)一步在PM2.5存在的條件下氧化，便會(huì)迅速高效生成硫酸，成為酸雨的主要來(lái)源[3]，造成環(huán)境污染并對(duì)人體健康產(chǎn)生巨大危害，因此控制SO2的污染問(wèn)題一直非常重要。

傳統(tǒng)的SO2控制技術(shù)主要以理化法為主，近年來(lái)隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，生物法處理廢氣技術(shù)越來(lái)越多地被應(yīng)用于實(shí)際工程中，而生物法廢氣處理工藝中較常見(jiàn)的生物濾床由于存在氣液分布不均和填料床層堵塞問(wèn)題，導(dǎo)致操作管理復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用較高，如何提高生物濾床中氣態(tài)污染物的處理效率和處理負(fù)荷，也將是生物處理技術(shù)需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)采用生物轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器去除SO2廢氣，通過(guò)改變溫度、轉(zhuǎn)速、pH、氣體流量、進(jìn)氣濃度等因素研究其對(duì)SO2去除效果的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出去除SO2的最佳條件，并研究生物轉(zhuǎn)鼓凈化SO2過(guò)程中的硫平衡。脫硫工藝、鈉堿法脫硫、雙堿法脫硫、氨法脫硫，這些技術(shù)有著占地面積大、脫硫效率不高的缺點(diǎn)[4]。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主體部分采用不銹鋼材料，全密封設(shè)計(jì)[6]，生物轉(zhuǎn)鼓裝置長(zhǎng)38.2cm，寬28.4cm，高47cm，具體見(jiàn)圖1。生物填料采用多孔聚氨酯，填料直徑為220mm，內(nèi)部空心直徑為80mm，圓柱高150mm，體積5L，轉(zhuǎn)軸22cm。SO2模擬廢氣通過(guò)化學(xué)反應(yīng)裝置與主體反應(yīng)器之間的連接管進(jìn)入生物轉(zhuǎn)鼓裝置中，被生物膜凈化后，經(jīng)連接管排出。調(diào)速電機(jī)連接轉(zhuǎn)軸使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)生物膜填料轉(zhuǎn)動(dòng)，由于不停的轉(zhuǎn)動(dòng)，生物膜與營(yíng)養(yǎng)液發(fā)生接觸，生物膜上的微生物汲取營(yíng)養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)成分分解、轉(zhuǎn)化SO2廢氣[7]。

實(shí)驗(yàn)所用的活性污泥取自寧波市污水處理廠二沉池，營(yíng)養(yǎng)液中各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度為，C6H12O63500mg/L，NaCl 500mg/L，K2HPO42000mg/L，MgSO4·7H2O 600mg/L，NaHCO3500mg/L，CaCl255.4mg/L，CaSO4·5H2O 15.7mg/L，CoCl2·6H2O 16.1mg/L，MnCl2·4H2O 50.6mg/L，ZnSO4·7H2O 220mg/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 49.9mg/L。

1.空氣泵；2.SO2發(fā)生裝置；3.氣體流量計(jì)；4.采樣口；5.壓力傳感器；6.進(jìn)氣口；7.填充物； 8.營(yíng)養(yǎng)液；9.出氣口；10.營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)口；11.桌子圖1 生物轉(zhuǎn)鼓裝置圖Fig.1 Device diagram of RDB

1.2 廢氣源及測(cè)定方法

2 結(jié)果與分析

2.1 生物轉(zhuǎn)鼓掛膜情況分析

掛膜期間采用Na2SO4溶液作為微生物的硫源，填料掛膜情況詳見(jiàn)圖2，由圖2可見(jiàn)，前5天微生物掛膜速度緩慢，填料上只有丁點(diǎn)黃色斑點(diǎn)，說(shuō)明微生物處于適應(yīng)期，生長(zhǎng)速度較低；10天后，填料上的微生物生長(zhǎng)迅速，呈線性增長(zhǎng)[9]。一直到25天，生物膜已經(jīng)能將填料完全包裹，完整的生物膜基本形成，此后幾天中，生物膜基本維持穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的變化。35天時(shí)生物膜已經(jīng)能將填料完全包裹，完整的生物膜形成。

圖2 生物轉(zhuǎn)鼓中的填料掛膜情況Fig.2 The situation of packing film hanging in RDB

圖3 掛膜階段濃度變化情況Fig.3 Variation of concentration in film hanging stage

圖4 掛膜階段去除負(fù)荷變化情況Fig.4 Variation of removal load in film hanging stage

2.2 穩(wěn)定運(yùn)行階段SO2去除情況

實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行階段采用SO2廢氣源進(jìn)氣，共進(jìn)行了90天。在營(yíng)養(yǎng)液每日更新2L，營(yíng)養(yǎng)液量為17L，溫度控制在28℃，pH為7，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為3 r/min的條件下，SO2的去除率隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化情況如圖5所示[10]。

圖5 運(yùn)行穩(wěn)定階段SO2去除率情況Fig.5 SO2 removal efficiency in stable operation stage

由圖5可見(jiàn)，在運(yùn)行穩(wěn)定階段SO2去除率基本穩(wěn)定在95.5%～96.5%，有個(gè)別值起伏較大是因?yàn)樵谶\(yùn)行過(guò)程中設(shè)備的維修和外界停電等因素造成，但第2天就能恢復(fù)至原來(lái)的去除率，這說(shuō)明生物轉(zhuǎn)鼓能有較強(qiáng)的適應(yīng)性和耐沖擊負(fù)荷能力[11]。

2.3 溫度對(duì)SO2去除的影響

溫度是影響微生物新陳代謝的重要因素之一[13]，溫度對(duì)SO2去除效果的影響結(jié)果詳見(jiàn)圖6。

圖6 溫度對(duì)SO2去除效果的影響Fig.6 Effect of temperature on SO2 removal efficiency

由圖6可見(jiàn)，隨著溫度從16℃上升到28℃，SO2的去除率也隨之升高，并且在溫度28℃時(shí)SO2的去除率達(dá)到98%；但當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，SO2的去除率反而開(kāi)始下降。說(shuō)明溫度過(guò)高會(huì)使微生物活性降低，SO2的去除效果反而下降。因此在運(yùn)行穩(wěn)定階段溫度控制在26～30℃為宜，SO2的去除率可維持在97.8%～98%，去除效果較好。

2.4 pH對(duì)SO2去除的影響

pH對(duì)微生物的生命活動(dòng)有很大的影響，主要用在：①引起細(xì)胞質(zhì)膜上的電荷性質(zhì)的改變，從而影響了微生物細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收；②影響代謝過(guò)程中酶的活性；③引起細(xì)胞質(zhì)等電點(diǎn)的變化，從而影響微生物的呼吸作用和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝功能，改變有害物質(zhì)的毒性等[16-17]。pH對(duì)SO2去除效果的影響結(jié)果詳見(jiàn)圖7。

圖7 pH對(duì)SO2去除率的影響Fig.7 Effect of pH on SO2 removal efficiency

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)pH<7時(shí)，SO2去除率隨pH的增大而增大，當(dāng)pH>7時(shí)，在堿性環(huán)境下，雖然堿吸收SO2是有利的，但硫酸鹽還原菌的去除效果下降更為明顯，因此SO2去除率隨pH增大而減??；最佳去除效果是pH=7，此時(shí)SO2去除率達(dá)到97.8%，本實(shí)驗(yàn)條件下微生物在pH=7的情況下代謝功能最強(qiáng)，過(guò)高或過(guò)低的pH會(huì)使生物填料上的微生物的活性降低[18]，從而導(dǎo)致SO2去除效果的下降。

2.5 轉(zhuǎn)速對(duì)SO2去除的影響

轉(zhuǎn)速對(duì)微生物活性、凈化效率和填料壓降等都會(huì)產(chǎn)生影響。根據(jù)表面更新理論，轉(zhuǎn)速的加快可以使微生物表面液膜的更新速率加快，使液相中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向微生物膜傳遞的速率加快，增強(qiáng)了微生物的活性[19]。

圖8 轉(zhuǎn)速對(duì)SO2去除率的影響Fig.8 Effect of rotation speed on SO2 removal efficiency

從圖8看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?～5 r/min時(shí)，SO2的去除率隨轉(zhuǎn)速增大而增大，在轉(zhuǎn)速5 r/min時(shí)達(dá)到最大，為98.3%。說(shuō)明轉(zhuǎn)速≤5 r/min時(shí)，微生物表面液膜更新速率加快，液相中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向微生物膜傳遞的速率加快，微生物活性較強(qiáng)，能更好的去除SO2；當(dāng)轉(zhuǎn)速>5 r/min時(shí)，由于轉(zhuǎn)速過(guò)快導(dǎo)致微生物表面液膜更新速率過(guò)快，使液膜增厚，液膜增厚將導(dǎo)致氣體通道直徑變小，SO2廢氣在生物轉(zhuǎn)鼓內(nèi)被凈化時(shí)間縮短，SO2的去除率反而因此降低。

2.6 進(jìn)氣濃度對(duì)SO2去除的影響

本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)Na2SO3與H2SO4進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來(lái)模擬SO2廢氣的產(chǎn)生。因此通過(guò)改變進(jìn)行反應(yīng)的Na2SO3的用量，來(lái)改變SO2的進(jìn)氣濃度，考察進(jìn)氣濃度對(duì)SO2去除效果的影響，如圖9所示。

圖9 進(jìn)氣濃度對(duì)SO2去除率的影響Fig.9 Effect of inlet concentration on SO2 removal efficiency

本實(shí)驗(yàn)階段，控制氣體流量為4 L/min，進(jìn)氣濃度逐步從328 mg/m3增大到2850 mg/m3。由圖9看出，SO2去除率隨著進(jìn)氣濃度的升高而降低，當(dāng)進(jìn)氣濃度為328 mg/m3時(shí)，SO2去除率為97.5%，而當(dāng)進(jìn)氣濃度達(dá)到2850 mg/m3時(shí)，SO2去除率降到了90%，主要是受去除負(fù)荷限制所致。

2.7 生物轉(zhuǎn)鼓凈化SO2過(guò)程中的硫平衡

圖10 SO2轉(zhuǎn)化途徑Fig.10 SO2 conversion pathway

S氣相=(C進(jìn)-C出)×SLM/(MS/MSO2)

(1)

式中，S氣相——?dú)庀嘀械腟含量變化值，mg；C進(jìn)——SO2進(jìn)氣濃度，mg/m3；C出——SO2出氣濃度，mg/m3；SLM——?dú)怏w流量，L/min；MS——SO2中S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；MSO2——SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(2)

S微=EC×V填×24h

(3)

式中，S微——微生物凈化成單質(zhì)S的含量，mg；V填——填料體積，L，本實(shí)驗(yàn)填料體積為5 L；EC——去除負(fù)荷，g/(m3·h)，取為14.5 g/(m3·h)；

表 轉(zhuǎn)化過(guò)程中S元素的變化量及S平衡Tab. Variation of S element and S balance in the process of transformation

由上表可以看出，液相中的S含量變化值與被微生物所凈化的S含量之和與氣相中的S含量變化值基本一致，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)SO2在生物轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中S元素是平衡的。

3 結(jié) 論

利用生物轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾反應(yīng)器去除SO2廢氣，用控制變量法，依次改變溫度、pH、轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣濃度，考察其對(duì)SO2去除率的影響。實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論。

3.2 運(yùn)行穩(wěn)定階段SO2去除率基本穩(wěn)定在95.5%～96.5%，根據(jù)對(duì)幾種因素的考察，得到溫度在26℃～30℃，pH為7，轉(zhuǎn)速為5 r/min時(shí)SO2去除率達(dá)到最大。

3.3 SO2去除率隨著進(jìn)氣濃度的升高而降低，當(dāng)進(jìn)氣濃度為328 mg/m3時(shí)，SO2去除率為97.5%，受去除負(fù)荷限制，當(dāng)進(jìn)氣濃度達(dá)到2 850 mg/m3時(shí)，SO2去除率降到了90%。

3.4 液相中的S含量變化值與被微生物所凈化的S含量之和與氣相中的S含量變化值基本一致，SO2在生物轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中S元素是平衡的。

由以上結(jié)論可見(jiàn)，采用生物轉(zhuǎn)鼓脫硫是切實(shí)可行的，生物轉(zhuǎn)鼓在去除負(fù)荷、凈化高濃度含硫廢氣等方面有更好的表現(xiàn)，具有很好發(fā)展前景。