高流量負荷下低濃度VOCs廢氣的生物法處理
摘要：高流量負荷下生物膜填料塔凈化低濃度甲苯廢氣的實驗結果表明，當氣體流量在0.8m3/h，入口氣體甲苯濃度為105mg/m3,停留時間18.3s時，甲苯的凈化效率可達到61.9%，出口氣體甲苯濃度低于國家對現有企業的排放標準(≤60mg/m3)。適宜的操作溫度應控制在20~25℃之間，氮磷營養添加量的配比應控制為C:N:P=200:5:1。依據實驗結果數據，對相關的機理問題進行了分析探討。
關鍵詞：生物膜填料塔 高流量負荷 低濃度甲苯廢氣 廢氣凈化
近年來，生物法廢氣凈化技術作為一種低濃度工業廢氣凈化處理的新技術，在國內外已受到越來越廣泛的關注。相關的研究成果和工業應用實例表明，生物法廢氣凈化技術在凈化處理低濃度VOCs廢氣、惡臭氣體等方面確有實效[1-5]，首批應用的再生膠脫硫有機廢氣生物法工業凈化裝置已于2000年在云南省昆明市及河北省任丘市相繼投入運行，并取得預期的處理效果[6]。低濃度VOCs廢氣的特點是廢氣量大、濃度低，按目前工程應用的廢氣流量負荷運行并達到國家排放標準的要求，工業凈化設備體積就顯得過于龐大。從進一步減小設備體積、節省投資的需要出發，開展高流量負荷下低濃度VOCs廢氣的生物法凈化處理應用條件研究。 本實驗以低濃度甲苯廢氣(VOCs的代表物)為對象，對生物膜填料塔凈化處理高流量負荷下低濃度VOCs廢氣技術的可行性進行了實驗研究，考察了入口氣體甲苯濃度、溫度和營養物添加量等因素對高流量負荷下低濃度甲苯廢氣去除效果的影響。
1 實驗裝置與方法
實驗用生物膜填料塔由內徑為72mm的有機玻璃管制成，總高度為1.4m，其中填料分為2層，每層高度為500mm，中間間隔100mm。依據經濟性及前期對填料特性的研究[7]，采用輕質陶塊作為填料，其直徑為10~15mm，比表面積170~ 200m2/m3，堆積密度約為200kg/m3。
實驗均在常溫下(7~26℃)進行。生物膜填料塔入口氣體甲苯濃度95~320mg/m3，氣體高流量負荷196.6m3/(m3h)，氣體空塔停留時間18.3s，生物膜填料塔的運行阻力降為58.8~215.6Pa。實驗裝置如圖1所示。
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圖1 生物膜填料塔裝置流程示意
1.小氣泵 2.純甲苯瓶 3.風機 4.氣體混合瓶 5.生物膜填料塔 6.循環水槽 7.循環水泵 8.高位槽 9.氣體流量計 G.氣體取樣點 L.液體取樣點
實驗中生物膜填料塔采用逆流操作。低濃度甲苯廢氣采用動態法配制。甲苯廢氣濃度采用甲苯檢知管法(檢測范圍50~1000mg/m3)，其精確度已在相關的研究中得到了驗證[5]。生物膜填料塔的運行阻力降采用U型壓力計測定。
2 結果與分析
2.1 生物膜填料塔的掛膜
采用甲苯廢氣凈化專用菌種[8]以及在高氣體流量0.8m3/h(比以往實驗的高4倍，停留時間縮短3倍)條件下，對生物膜填料塔進行掛膜操作，并同時觀察填料表面被生物膜覆蓋的情況、運行阻力降以及低濃度甲苯廢氣凈化效率的變化。定時對進出口氣體的甲苯濃度進行取樣分析，并計算氣體中甲苯的凈化效率，結果見圖2。
循環液體流量、氣體流量負荷及甲苯濃度負荷等均會影響生物膜填料塔的掛膜過程。在實驗中，當循環液噴淋量為9L/h，氣體流量負荷為196.6m3/(m3h)，入口氣體甲苯濃度為95~ 320mg/m3時，生物膜填料塔的填料生物掛膜過程歷時16d完成。在掛膜初期的5~8d，由于填料表面上的生物膜覆蓋面不大且作用也不太穩定，凈化效率在6.7%~35.7%范圍內波動。在隨后的6~8d里，隨著生物膜的生長逐漸成熟和覆蓋范圍增加，生物膜填料塔對甲苯的生物凈化作用也隨之逐步增強，甲苯凈化效率迅速上升，最后幾天基本穩定在60%左右。
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圖2 掛膜期間的凈化效率與阻力降曲線
—□—凈化效率，—△—阻力降
氣體流量0.8m3/h，入口氣體甲苯濃度95-320mg/m3
判斷生物膜的生長是否成熟，可以從微觀和宏觀兩個方面加以判定。微觀上，當填料表面上的生物膜增長到一定厚度并趨于穩定，從生物膜上脫落和自溶的微生物菌體數量與其附著在生物膜上的菌體數量趨于平衡時，生物膜的生長即已趨向成熟;宏觀上，生物膜填料塔在其生物掛膜期間的運行阻力降有一個從上升到逐步趨于穩定的變化，這是生物膜生長趨于成熟的外部表現[9]。因此，可以由生物塔的運行阻力降的變化來判斷生物膜的生長是否成熟。由圖2可見，在掛膜初期，運行阻力降是上升的，約11d后阻力降趨于穩定，基本保持在167Pa左右，這標志著塔內填料表面的生物膜已基本生長成熟。
2.2 氣體流量的影響
由圖3可以看出，隨著氣體流量的增加，生物膜填料塔對甲苯廢氣的凈化效率是下降的。造成這一現象有2個原因，一是由于氣體流量的增加使甲苯廢氣在塔內停留時間減少，不能滿足生物膜中微生物菌種對廢氣中甲苯分子的捕捉、吸收和生化降解的時間要求，許多甲苯分子尚未與塔內的生物膜接觸即被排出塔外，從而導致凈化效率下降。二是隨著氣體流量的增加，氣相主體對生物膜的切線沖刷力也相應增加，使部分已被生物膜吸附但結合力不是很牢的甲苯分子重新從生物膜上脫附，進入氣相主體。這一結果表明，增加氣體流量會對生物膜填料塔的處理運行效果產生不良影響。因此，要結合實際情況及要求，以企業的廢氣排放標準為目標確定生物膜填料塔的適宜氣體流量。
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圖3 氣體流量對凈化效率及進出口甲苯濃度的影響
—△—凈化效率，—○—入口甲苯濃度，—◇—出口甲苯濃度
此外，由圖3可見，在實驗范圍內，生物膜填料塔出口氣體中甲苯濃度在50~60mg/m3之間，符合國家廢氣排放標準中對現有企業的要求(≤60mg/m3)，基本可實現達標排放。但在高流量負荷下如何進一步提高低濃度甲苯廢氣的凈化效率，還有待于進一步研究。
2.3 入口氣體甲苯濃度的影響
生物膜填料塔對甲苯廢氣的凈化效率與入口氣體甲苯濃度密切相關。本實驗選擇氣體流量為0.8m3/h(停留時間18.3s)、入口甲苯濃度為95~160mg/m3的條件(比以往實驗的濃度低3~5倍、停留時間縮短2~5倍)，進行入口氣體甲苯濃度的影響考察實驗，其結果如圖4所示。
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圖4 入口氣體甲苯濃度對凈化效率的影響
氣體流量0.8m3/h，入口氣體甲苯濃度95-160mg/m3
由圖4可見，隨著入口氣體甲苯濃度的增加，生物膜填料塔對甲苯廢氣的凈化效率下降。分析認為，在氣體流量不變的情況下，對于同一生物膜填料塔，其有效傳質面積是一定的，生物膜對甲苯分子的捕捉吸附量(或生物化學去除量)是一定的。生物膜填料塔凈化甲苯廢氣是一個“吸附-生化降解”過程[10]，其中的吸附是通過單分子層吸附進行的。當入口甲苯濃度較低時，甲苯分子會以單分子層狀態覆蓋在生物膜表面，而后被微生物捕獲并降解。隨著入口氣體甲苯濃度的增加，多余的甲苯分子(即大于單分子層吸附量的甲苯分子)未能被直接吸附在生物膜表面上，而是隨氣相主體排出塔外，因而就出現了在同一氣體流量下隨甲苯濃度增加其凈化效率反而下降的現象。這一結果表明，生物法廢氣凈化技術的適用范圍是低濃度的工業廢氣。要想獲得較好的凈化效果，就必須適當降低入口氣體污染物濃度和增加生物膜填料塔的體積(延長停留時間)。
2.4 溫度的影響
由圖5可以看出，在氣溫低于15℃時，由于微生物的活性受到影響，生物膜填料塔對甲苯廢氣的凈化處理能力也相對比較弱。隨著溫度的升高，生物膜填料塔對甲苯廢氣的凈化效率呈上升趨勢。當氣溫升至20℃時，凈化效率趨于穩定，基本保持在50%左右。因此，在操作生物膜填料塔凈化低濃度甲苯廢氣時，應注意將操作溫度控制在20~25℃范圍內。
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圖5 溫度對凈化效率的影響
氣體流量0.8m3/h，入口氣體甲苯濃度95-110mg/m3
2.5 營養物的影響
微生物的生長有賴于碳、氮、磷3者保持適當的比例，一般情況下營養物的配比為C:N:P= 200:5:1。由于甲苯本身可以為微生物提供足夠的碳源，因此營養液中只需加入適當的氮、磷營養液即可。添加量以氣體中甲苯的含碳量作為參考。
實驗表明，在氮、磷補充過量時，生物膜上微生物過量地生長繁殖，并由此造成運行阻力降顯著上升，填料塔出現堵塞現象。因此，要注意適當控制氮、磷的添加量，使微生物始終處于一個良好的分解代謝環境中，并保持較高的凈化效率。
對于已因微生物的生長過量而造成生物膜填料塔出現堵塞的情況，可減少氮、磷的添加量，使微生物處于一個內源呼吸環境，來抑制其快速繁殖。可以增加噴淋液沖洗的次數，促進生物膜表層的快速更新，以使堵塞問題得到緩解。
3 結論
3.1 在高氣體流量負荷下，可以采用甲苯廢氣凈化專用菌種對生物膜填料塔進行接種掛膜。該技術適用于高氣體流量負荷下的低濃度甲苯廢氣的凈化處理。
3.2 在高流量負荷條件下，氣體流量和入口氣體甲苯濃度對生物膜填料塔的甲苯凈化效率有較大的影響。當氣體流量為0.8m3/h，入口氣體甲苯濃度為105mg/m3，停留時間為18.3s時，甲苯的凈化效率可達到61.9%，與國外同類應用研究結果基本相當。使出口氣體甲苯濃度低于國家對現有企業的排放標準(≤60mg/m3)。同時，適宜地控制操作溫度(20~25℃)和氮、磷營養物添加配比(C:N:P=200:5:1)，將有助于提高生物膜填料塔的凈化性能。
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