生物滴滤器处理高温甲苯废气的探讨.pdf

烟 气 污 染 治 理 生物滴滤器处理高温甲苯废气的探讨 ＊ 王 娟 钟 秦 李建林 南京理工大学化工学院, 南京 210094 摘要 以甲苯为目标污染物, 设计可控温的双塔生物滴滤器为净化装置, 考察了高温条件下挥发性有机物的生物处理 性能 , 镜检确定了高温条件下降解甲苯的优势菌种。 结果表明 1 液相驯化菌种对气相甲苯适应性较差 , 挂膜 120～ 140 h 可形成稳定的生物膜; 2 随甲苯废气温度升高, 甲苯去除效率下降, 40 ℃效率最高, 60 ℃仍有一定的去除能力; 3 短杆菌和球形菌为降解甲苯的优势菌种, 球形菌是高温优势菌; 4 温度高于 40 ℃时降解产物中检测到有机中间 产物。 关键词 生物滴滤器 高温 甲苯 废气处理 挥发性有机化合物 ＊江苏省自然科学基金资助项目 BK2001060 1 引言 生物法处理低浓度、负荷大的污染气体技术比较 经济且没有二次污染 。这项技术被限制于处理低于 40 ℃的气体排放物 。对于高温气体 , 以往的处理方 法都是将高温废气降温再进行生物处理 ,但在工艺中 增加换热器会使流程变得复杂 ,初始设备投资和操作 费用都会随之增大。 对于用生物法处理高温气体, 国外已有相关的报 道 [ 1- 3] ,而国内只有处理高温含油污水及净化油烟废 气的一些报道 [ 4,5] 。本课题拟以甲苯废气为例, 考察 高温条件下甲苯生物处理的可行性 ,对工业上采用生 物法处理高温挥发性有机物 VOCs 废气进行探讨。 2 试验 2. 1 微生物培养 从南京市某石化公司污水处理厂的曝气池中采 集活性污泥 简称石化污泥 , 用甲苯气体驯化 30 d 以上 。每隔48 h 停止曝气, 静止 2～ 3 h 排去上清液, 加入营养液。污泥浓度 6 g L ,pH 值为 6 ～ 8。驯化初 期以酵母膏作为唯一碳源 ,并加入 N、 P 、 Mg 、 Ca 、 Fe 等 营养元素 。随着驯化时间的增加, 逐渐减少酵母膏的 量,增加甲苯的量,最终甲苯的浓度为 0. 5 mg L 。 培养 基 0. 5 g L KH2PO4; 0. 5 g L Na2HPO4; 0. 3 g L MgSO4 7H2O; 0. 2 g L 酵 母 膏 ; 2. 0 g L NH4 2SO4。 2. 2 实验装置及流程 实验净化装置由两个平行操作的可控温生物滴 滤塔和模拟配气系统组成 。生物滴滤塔内径 14 cm, 有效高度 110 cm, 塔内装填 10 mm 10 mm 0. 5 mm 不锈钢拉西环填料, 比表面积为 500 m 2 m3 , 孔隙率 0. 88,工艺流程如图1 所示。 1压缩机; 2, 3, 5缓冲罐; 4配气瓶; 6, 11高位槽; 7, 8, 9, 10预热器; 12生物滴滤塔; 13视镜; 14差压计; 15,16循环槽; 17循环泵; 18入气口采样口; 19出气口采样口; 20转子流量计。 图1 工艺流程图 低浓度甲苯废气是动态配制的 。空气压缩机排 出的空气经过一级缓冲罐后, 分为两路 , 一路经过二 级缓冲罐从而使气流更加平稳 ,另一路通过装有液体 甲苯的配气瓶, 带出的气态甲苯直接与前一路空气汇 合,再经过混合缓冲罐充分混合经转子流量计进入预 热器 。循环槽中菌悬液经循环泵送入塔顶恒位槽 ,从 塔顶与气体并流进入 。 2. 3 分析方法 采用气相色谱法测定苯系化合物浓度,色谱填充 柱 内径3 mm, 长2 m 的不锈钢柱 中为101 硅藻土型 白色担体 80 ～ 100 目 , 涂有 8的硅酮 SE-30 固定 液。FID检测器 ,柱温 110 ℃, 汽化室温度 160 ℃, 检 测器温度 140 ℃。外标法分析。 34 环 境 工 程 2006年 8 月第24 卷第4 期 3 结果及讨论 3. 1 挂膜阶段甲苯的去除效率 η 气体流量为 0. 35 m 3 h,温度 40 ℃下生物滴滤塔 挂膜阶段去除效率随时间的变化如图 2 所示 ,图 2 表 明,在挂膜的起始阶段, 生物滴滤塔仅有 30的去除 效率 包括吸附作用 。可见 , 经过液相驯化培育之 后,菌种仍然不能立刻适应气相中的甲苯 ,气相驯化 过程必不可少。 图 2 挂膜阶段去除效率随时间的变化 挂膜24 h 内是细菌大量繁殖 , 填料表面生物膜 生长速度最快的阶段 ,这从图中降解效率变化的趋势 可看出。由于挂膜阶段甲苯废气的流量和进口浓度 维持不变 ,生物滴滤塔的甲苯生化去除能力也随时间 增加, 挂膜 120～ 140 h 时生化去除能力达到最大值。 此时可以认为挂膜阶段已经结束, 取样观察发现填料 表面被一层乳白色絮状物生物膜所包裹 。 3. 2 温度对甲苯去除效率 η 的影响 在液体流量为 50 L h, 气体停留时间为 2. 5 min 时逐渐升温分别测定 30～ 60 ℃ 下的降解效率 。结果 表明 30 、40、50、60 ℃滴滤塔平均降解效率分别为 74. 8、82. 7、 59. 5和 55. 9。40 ℃时生物滴滤 塔的降解效率达到最大, 随着温度上升 , 降解效率逐 渐下降,60 ℃时仍有一定的降解能力 。 3. 3 温度对甲苯降解途径的影响 生物滴滤塔逐渐升温到 50 ℃, 直到 60 ℃,反应 过程中持续检测到有新物质生成 , 反应结束 1 ～ 2 d 内消失,如图 3所示。在质谱数据库中未能找到与其 匹配的标准谱图 ,故推测温度条件的大幅度改变, 可 能改变了甲苯在常温下的降解途径 ,高温下甲苯在降 解过程中生成了新的中间产物 ,最终又分解为 CO2和 H2O。 3. 4 高温优势菌种的确定 镜检发现 生物膜内主要存在 2 种类型菌种, 短 杆菌和球形菌; 随温度升高,菌种数量减少,说明了高 温对细菌生长的影响, 这也是 60 ℃情况下净化效率 图 3 高温下新物质的气质联用谱图 降低的本质原因 。 镜检还发现填料表面的生物膜中短杆菌数量多 于球形菌, 说明短杆菌的挂膜能力比球形菌强; 而随 温度升高, 短杆菌减少的数量远高于球形菌 ,说明球 形菌是高温优势菌。 4 结论与建议 1 经过液相培育驯化之后, 细菌对气相中的甲 苯适应性仍然很差 。在通甲苯进行气相驯化后 24 h 内细菌才能逐渐适应。细菌繁殖速率迅速加快。说 明菌种再经气相驯化后, 性能快速增强 , 菌种可直接 利用吸附在生物膜表面的气相甲苯分子 ,进行生化降 解反应 ,而不需要通过表面气 液膜间的相间传质 ,从 而证实了生物膜净化气相中甲苯时, 存在吸附-降解 的作用过程 [ 6] 。 2 在本实验中可降解甲苯的细菌中 ,短杆菌和 球形菌为优势菌种 。其中短杆菌比球形菌更容易挂 膜。但球形菌比短杆菌耐热性好。 3 在气体停留时间为 2. 5 min 时,研究4 个温度 下的降解效率时发现 ,40 ℃时的降解效率最大 ,其后 依次为 30、50、60 ℃。降解 效率依次为 82. 7、 74. 8、 59. 5、 55. 9。 4 高温下新物质的生成说明高温条件下甲苯可 能具有不同的降解途径, 为高温甲苯降解机理的研究 提供了信息 。 5 这项研究明确地表明气体生物净化可在 40 ℃ 以上实行。可应用该项技术治理更宽范围的排 放物, 优化高温 VOCs 废气治理流程, 进一步工作希 望能对实际的废气做现场实验 。 参考文献 [ 1] Cox H H J, Homsaaexton T, Shareefdeen Z, Deshusses M . Thermophilic Biotrickling Filtration of Ethanol Vapors. Environ Sci Technol, 2001, 35 2612 -2619. 下转第 39 页 35 环 境 工 程 2006年 8 月第24 卷第4 期 vθ w 筒体壁面处的切向速度 m s; ρp 固相颗粒密度 kg m 3 ; Cc Cunningham 修正系数 ; dp 固相颗粒粒径 m; C0 固相颗粒初始浓度 kg m 3 ; fin dp 固相颗粒初始粒径分布; Re、 Rw 排出管和筒体半径 m 。 最后通过电算, 得到分级效率和总效率。 图7 中的分散点是本次实验得到的结果, 曲线是 根据加料石灰的粒径分布依据式 7 ～ 12 计算出的 总分离效率。对比理论计算得到的结果以及以往采 用石英粉尘高温得到的实验数据 [ 4] , 可以看出 本实 验得到的分离效率偏高 ,均保持在 94以上 , 较计算 值高出 10～ 15以上 , 也说明通过分级效率对分 离机理进行分析的方法在本实验中不适用 。其主要 原因是团聚造成了粒径分布的变化 ,从而造成总分离 效率的提高。虽然温度升高使烟气粘度急剧上升 ,但 是在高温下石灰吸收剂颗粒反应后产物和附着在颗 粒表面的易融杂质开始软化和熔融 ,使颗粒间的粘附 力增大,团聚现象加剧,颗粒粒径增大, 抵消分离效率 下降的效果也加强。 图 7 烟气温度对生成物分离效率的影响 HCl 浓度 478～ 614 mg m3, 钙氯比 2 此外,在高温烟气中 ,石灰颗粒本身因吸收 HCl 气体和CO2生成不同于原始石灰的反应产物 ,引起密 度增加 , 也使分离效率得以维持 。 当温度继续升高 时,一方面石灰会分解 , 另一方面吸收剂颗粒间会发 生更强烈的团聚现象 。使高温工况下的情况要比常 温下的复杂得多 ,对分离机理的研究还需要进一步地 深入; 在实际应用时 , 也需要针对具体情况进行具体 分析 。 3 结论 主要研究了 450～ 760 ℃ 范围内石灰净化 HCl 气 体后反应产物的旋风分离效果 。研究表明,反应产物 在旋风分离器内发生了较强烈的团聚现象,造成颗粒 度分布向大粒径偏移 ,并且团聚现象随烟气温度的上 升而加剧。团聚现象的发生使高温下的分离效率显 著提高 ,初始索太尔平均粒径为 6. 11 μ m 的石灰颗粒 在450～ 760 ℃ 经过不完全反应后的高温分离效率均 在94 以上, 较不考虑团聚现象时的理论预测高出 10～ 15 以上, 有利于利用旋风分离器高温分离烟 气的净化反应产物。此外 ,由于高温下烟气粘度的上 升以及流态的变化, 实际实验数据仍呈现旋风分离器 的效率随温度上升而下降的趋势。 参考文献 [ 1] Milligan Michael. S. and Altwicker, Elmar R. Mechanistic aspects of the de novo synthesis of polychlorinated dibenzo-p -dioxins and furans in fly ash from experiments using isotopically labeled reagents. Environmental Science and Technology-Columbus,1995, 29 5 1353 -1358. [ 2] Stairmand C. J. Design and perance of cylone separators Institution of chemical Engineer -Transactions, 1951, 29 3 356 -373. [ 3] 汪雄平, 陈德珍等. 改性石灰中高温净化 HCl 的试验研究. 工程 热物理学报,2002, 23 增刊 229 -232. [ 4] 许世森. 细微尘粒的预团聚对旋风分离器高温除尘性能影响的 实验研究. 动力工程, 1999, 19 4 309-313. [ 5] 刁永发, 沈恒根等. 高温旋风分离分级效率的理论计算及其分 析. 化工机械,2000, 27 1 16 -19. [ 6] Jianyi Chen and Mingxian Shi . Analysis on cyclone collection efficiencies at high temperatures. China Particuology , 2003,1 1 20 -26. 作者通讯处 陈德珍 200092 同济大学热能与环境工程研究所 2005- 08-30 收稿 上接第 35页 [ 2] Kong Z, Farhana L, Roberta R, Fulthorpe D, Allen G . Treatment of Volatile Organic Compounds in a Biotricking Filter under Thermophilic Condition. Environ Sic Technol, 2001, 35 4347 -4352. [ 3] Matteau Y, RamsayB. Active Compost Biofiltration of Toluene . Biodegradation, 1997,8 135 -141. [ 4] 廖雷, 钱公望, 蓝惠霞. 曝气生物滴滤器净化油烟废气的实验研 究. 华南理工大学学报,2002, 30 8 95 -98. [ 5] 杨二辉, 李太平, 赵长洪等. 高温优势菌生物膜法处理含油污水 的中试. 环境工程,2004, 22 3 11 -13. [ 6] 孙石, 黄兵, 黄若华等. 生物法废气净化专用微生物菌种及其 作用. 中国环境科学,2002, 22 1 28 -31. 作者通讯处 钟秦 210094 南京理工大学化工学院 304 教研室 电话 025 84315517 2005- 08-15 收稿 39 环 境 工 程 2006年 8 月第24 卷第4 期 standards, the ditch can not operate regularly. According to the condition, the working parameters of the ditch are adjusted to the pattern under the low organic loading and the operational pattern under this situation is also found out. Keywords wastewater treatment, organic loading , three -tank oxidation ditch, aeration, sludge loading and sludge residence time TREATMENT OF LEACHATE BY IMMOBILIZED MICROORGANISMS TECHNOLOGY Xiao Meilan Ye Zhengfang Ni Jinren et al 25 Abstract A full -scale plant of leachate treatment by immobilized microorganisms technology was built with a capacity of 60 m3 d. The running results showed thatwhenCODCrand ammonia -nitrogen of the influentwere about 1980 mg L and820mg L respectively, the effluentCODCr and ammonia -nitrogen were 130 mg L and 0. 80 mg L. The results also indicated that this technology had an ablity to resist loads fluctuating. Microorgannism especially the nitrobacteria was never restrained by the variation of the influent quality. Keywords immobilizedmicroorganisms, biological aerobic filter bed BAF system, leachate and high ammonia -nitrogen APPLICATION OF PROCESS OF USRIOD IN TREATMENT OF PIG FARM WASTEWATER Zheng Yuyi 27 Abstract The process of USR and IOD was used to treat the pig farm wastewater in an engineering example. Its design parameters and operationwere introduced. The monitoring results of completed engineering approval show that all effluent pollutant indices can meet the requirements of the Professional Discharge Standard. Keywords USR, IOD and livestock wastewater MIXINGTREATMENTTECHNOLOGYFOR LIVESTOCKANDPOULTRYCULTIVATION WASTEWATERDeng Shihuai Li Yuanwei Zheng Renhong et al 29 Abstract Aiming at the problem of high contents of CODCr, NH3-N and SS in wastewater, a combined process of airfloat-ABR -CASS- constructedwetland and ecological pond was used. Result showed that the contents of CODCr, NH3-N, SS of treatedwastewater couldmeet the first- level discharge criteria in GB8978 -1996. Keywords livestock and poultry cultivation wastewater, technique and discharge standard EFFECT ANALYSIS OF OPERATIONPRACTICE IN THE SEWAGE TREATMENT PLANT USING DAT-IAT PROCESSSu Qingyong Chu Jinyu 31 Abstract DAT -IAT process is used in a sewage treatment plant of Tianjin Economic and Technical Development Zone. The operating effect in both summer andwinter was compared and the removal effect of organic matter in both DAT tank and IAT tank was analysed. The discovery shows that the removal effect of CODCrand BOD5was almost the same in summer and winter. The removal effect of BOD5was much more complete. The removal rate of BOD5in DAT tank would make an unfavorable influence towards removing phosphorus and nitrogen. Keywords DAT -IAT, sewage treatment plant and removal effect INVESTIGATION ON PURIFYING TOLUENE WASTE GAS IN BIOTRICKLING FILTERS UNDER THERMOPHILIC CONDITIONSWang Juan Zhong Qin Li Jianlin 34 Abstract The objectives of this research were to investigate the potential to biologically treat toluene waste gas at thermophilic conditions and to examine the dominant strains to degrade toluene at high temperatures. The results showed that the dominant strains had poor adaptation to toluene gasafter cultured in toluene liquid. The biofilm edinpacking of a biotrickling filter BTFtendto stabilization after 120 h～ 140 h. The removal efficiency was highest at 40 ℃, and then at 30 ℃, 50 ℃, 60 ℃. The average removal efficiency were 82. 7, 74. 8, 59. 5and 55. 9. The dominant strain was bacillus and ball bacterium, of which the bacillus grew easier on the packing, but ball bacterium had good adaptation under thermophilic condition. New by -productwas found when the temperature was above 40 ℃. Keywords biotrickling filter BTF , thermophilic, toluene, treating waste gas and volatile organic compounds VOCs DUST COLLECTION OF HIGH -TEMPERATURE PURIFIED REACTION PRODUCT OF SMOKE BY INCINERATING REFUSESMei Hongsheng ChenDezhen Lin Yu et al 36 Abstract Removing the acidic gases in the flue gaswith lime particles at high temperature and separating the reaction product immediately benefit the operation of incinerator and improves its safety and economy. It was researched the separation efficiency of reaction product from a cyclone and the variation of particulate size distribution of lime particles by a Stairmand type model atmedium and hightemperatures. Experimental results showed that agglomerations happened among lime particulates at high temperature and resulted in a significant increase of the particle size. Consequently the dust collection efficiency was above 94 at a temperature range of 450～ 760 ℃. Keywords cyclone, high temperature, particulate size distribution, separation efficiency and agglomeration 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24,No. 4, Aug . , 2006