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烟 气 污 染 治 理 生物过滤塔处理工业有机废气 ＊ 曹 旭 王 黎 刘 广 沈阳化工学院环境与生物工程学院, 沈阳 110142 摘要 选用生物载体作为反应器的填料, 并利用沈阳北部污水处理厂的活性污泥对填料进行挂膜, 由低到高通入工业 有机气体进行驯化。 在系统稳定后进行了生物过滤塔净化工业有机气体的实验研究。 实验结果表明 入口气体浓 度25 mg m3时, 有机废气的净化效率可保持在 97以上, 当超过此值时, 效率有明显下降。 随着进口气体流量的增 加, 净化率逐渐下降, 由入口流量为0. 2 m3 h时的 97. 2下降到入口流量为0. 8 m3 h时的 73. 0。 湿度对净化率的影 响较大, 其中当湿度达到 40以上时, 反应器有良好的去除效果。 生物过滤塔的压降随着气体流量和填料高度的增 加而增加。 关键词 生物过滤塔; 甲醛; 净化效率; 生化去除量 PURIFICATION OF INDUSTRIAL ORGANIC WASTE GAS BY BIOFILTER Cao Xu Wang Li Liu Guang College of Environmental and Biological Engineering, Shenyang Institute of Chemical Technology, Shenyang 110142, China Abstract The crushed bio-carrier was selected as the filler in a reactor, and the sludge was filled into it from Shenyang northern wastewater treatment plant. The biofilm was ed on the surface of the carrier and acclimated by using industrial organic waste gas from low concentration to high into the biofilter. After the system was stable, the research on purification of industrial organic waste gas by biofilter was started. The experimental results showedthat the purification efficiency ofaldehyde was up to over 97when inlet gas concentration was less than25 mg m3, if itwasover 25 mg m3, the removal rate was decreased significantly. As the inlet gas flux was continuously increased, the removal efficiency was gradually declined and the removal efficiency was declinedfrom 97. 2 in the inlet gas flux of 0. 2 m3 h to 73. 0 in the inlet gas flux of 0. 8 m3 h.Humidity is important factor to affect the removal efficency, When the humidity reached 40, the removal efficiency was very high. The pressure drop in the biofilter was increased as the increase in inlet gas flux and the height of fillers. Keywords biofilter; aldehyde; elimination efficiency; biodegradation capacity ＊教育部留学人员启动基金 2006 ; 辽河油田科技开发基金。 0 引言 随着现代工业的高速发展 ,工业生产过程中排放 的挥发性有机废气已成为世界环境公害之一。石油 化工、有机合成、建材、污水处理、垃圾填埋等工业工 程中排放出的挥发性有机废气给大气造成严重的污 染,废气中的苯系物 、 有机硫化物、醇类 、 醚类 、 醛类严 重地影响着人体的健康 [ 1] 。 对于工业有机废气的处理 ,传统的方法有物理吸 附法 [ 2-3] , 化学氧化法 [ 4] , 高温焚烧法 [ 5] , 近年来又出 现了光催化氧化法 [ 6] , 非平衡等离子体空气净化法, 液体吸收法 [ 7] 等,但生物法以其良好的净化效果和较 低的运行费用表现出了巨大的市场竞争力 。生物法 处理VOCs 的研究最早由美国开始, 自 20 世纪 70 年 代在国外大规模兴起, 我国相关的研究则始于 20 世 纪90 年代初 [ 8] 。 生物净化技术主要有生物洗涤 ,生物滴滤和生物 过滤 [ 9-11] 3种 。其中生物过滤法以其结构简单、投资 及操作费用低, 且处理效果好等优点受到国内外研究 人员的广泛重视。本实验主要以工业甲醛废气作为 目标污染物 ,采用生物过滤塔对生物膜的净化性能进 行研究,并在此基础上探讨生物膜净化过程的机理, 为生物过滤塔的优化性能提供技术支持 。 1 实验 1. 1 实验流程 生物过滤塔由PVC 材料制成,内径11 cm ,有效高 47 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 度45 cm ,分 3 层 , 层间间隔10 cm。生物过滤塔净化 工业有机废气实验流程如图 1所示。 1气泵; 2阀门; 3甲醛贮槽; 4气体混合缓冲罐; 5采样口; 6气体流量计; 7生物过滤塔; 8液体流量计; 9水槽; 10循环水泵; 11喷头; 12出气口。 图 1 生物过滤塔净化工业有机废气实验流程 工业有机废气是动态配制的 [ 12] ,空气压缩机排出 的空气分 2路, 一路经装有液体甲醛的贮槽带出气态 甲醛,直接与另一路气体汇合,最后经过气体缓冲罐充 分混合后从塔底部进入。通过过滤塔下面的水槽,利 用水泵将水送到反应器上部喷淋下来 ,定时对其进行 供液,每2 天在水中按比例加入一定量的无机盐 [ 13] ,以 保持湿度并供给微生物生长所需的营养元素。 实验填料选用破碎的生物载体, 其填料特性如 表1 所示。 表 1 生物载体特性 外观 粒径 mm 空隙率 堆积密度 kgm- 3 饱和含水 率 不规则, 暗黄17156034020 1. 2 分析方法 分析方法见表 2。 表 2 分析方法 分析项目分析方法[ 14- 16] 甲醛变色酸比色法 COD重铬酸钾法 pH 值pH 计 压降U 型管 湿度重量法 2 结果与讨论 2. 1 微生物的培养挂膜和驯化 挂膜菌种选用沈阳北部污水处理厂的活性污泥, 根据微生物生长所需营养元素的比例关系 [ 13] , 投加 葡萄糖、 尿素、 磷酸氢二钾 、 氯化钙 、 镁、铁等营养物对 其进行培养 , 投加量如表 3 所示 。2 d后将其以营养 液的形式由水泵打入生物过滤塔进行挂膜 [ 17] 。3 d后 发现在填料上形成较薄的生物膜, 此时系统对 COD 的去除效率为 36; 1 周后生物载体上出现了较清晰 的生物膜, 此时 ,COD的去除率为 80; 在系统运行 2 周后 COD 的去除能力已经稳定在 90以上 ,说明生 物膜已经成熟。 表 3 挂膜阶段混合营养液各组分质量浓度mg L 葡萄糖尿素 K2HPO4MgSO4CaCl2FeSO4 3005015022527525 此时, 在温度为25 ℃、 气体流量在0. 2 m 3 h、 湿度 为40的条件下开始通入甲醛气体对微生物进行驯 化,甲醛的净化效率如图 2 所示 。 图 2 生物过滤塔驯化时间对净化效率的影响 启动期 ,通入低浓度甲醛气体直接驯化, 生物过 滤塔在初始阶段净化效率较低且不稳定 ,但随着时间 的推移,净化效率有明显的提高 。运行驯化期, 当进 气质量浓度 30 mg m 3 时净化效率能够达到 95以 上。根据国内外一些废气装置挂膜及驯化经验 [ 18] , 当生物过滤塔的净化效率连续几天保持稳定时,则表 明系统驯化成功 。本研究在驯化10 d以后, 发现生物 过滤塔对甲醛废气 质量浓度 40 时 ,净化率增加趋于平缓。 生物过滤塔填料的湿度是影响生物过滤系统正 常运行的关键因素之一, 其可以从微生物活性和目标 污染物的传质两方面来影响净化过程 [ 20] 。微生物生 长需要水分 ,填料中水分过少会导致微生物失活、填 料干涩 ,抑制微生物正常的代谢, 填料在达到一定的 湿度后 ,气液才能够充分的接触, 甲醛通过液膜进入 气膜 ,进行降解 。而当湿度较大时, 填料的透气性会 降低 ,产生堵塞 、 压降升高 、 气流短路甚至可能产生厌 氧区域 , 降低净化效率。李晓梅等人 [ 21] 利用生物滴 滤塔处理甲醛气体 ,当增加液体喷淋量时 ,溶于液相 的甲醛量增加, 使得甲醛易扩散到生物膜中 ,并被其 中的微生物捕获 、 吸收。但是 ,当喷淋量过大时,气液 比降低 ,此刻塔内填料层中的空隙率减少 ,造成气液 流通不畅, 对净化效率产生不利影响, 此结果与本实 验利用湿度反应甲醛的净化效率所取得的结论有着 相似之处 。 2. 5 压降分析 压降的变化直接影响着系统运行的稳定性,对系 统的压降影响最大的就是气体流量和填料层高度 ,其 对生物过滤塔压降的影响如图 8 所示 。 图 8 气体流量与高度对生物过滤塔压降的影响 如图 8所示, 随着气体流量的增加, 压降随着增 加; 流量从0. 2 m 3 h增加到1. 0 m3 h时, 填料层总压降 从45 Pa增加到350 Pa; 填料层分为 3 段, 其中, 前两段 填料层的压降占全塔压降的 80左右。利用欧根方 程可以解释 ,欧根方程是一个半经验公式 ,其表达式 如下 ΔP l A μ ε d 2 e u B ρ ε 2 deu 2 式中 ΔP l 填料层压降 ,Pa m ; u 空塔气速,m s; ε 空隙率 ,无量纲 ; de 填料的当量直径 ,m; μ 流体的黏度 ,Pas; ρ 流体的密度 ,kg m 3 。 本文利用不同流量下的有机废气通入生物过滤 塔所产生的压降数据 ,经过线性回归 ,计算得出 A 7. 4; B 0. 196 10 -5 。 根据求得的 A 及 B 值 , 利用欧根方程对系统压 降进行模拟计算 ,已验证其与实际过程的相符性, 结 果如图9 所示。 图 9 生物过滤塔压降实验值与模拟值的对比 由图9 可知, 模拟值与实验点之间比较接近, 两 者间相关系数为 0. 996。这表明采用本研究所求得的 A 和B 值及欧根方程可以模拟计算生物过滤塔在不 同流量下压降的变化 。 由欧根方程可知, 填料的压降与气体流速成正 比,随着气体流量的增加 ,气体在塔内的流速变大 ,填 料之间的摩擦损失增加, 此时气体的净压头损失增 加,表现为进出口气体的压差增加。压降与空隙率成 反比 ,空隙率越小,则气体与填料的摩擦阻力大,静压 头损失越大 ,气体的压降越大 。填料压降与填料层高 度呈正比, 当填料层高度增加时, 填料之间的摩擦会 进一步加大 ,从而表现为随着高度的增加压降也有增 加的趋势。另外 ,生物过滤塔的压降主要出现在填料 层的前两段 ,这是由于实验采用逆流进气 ,气体从塔 底部进入, 在填料塔的下部营养丰富, 有机负荷较上 部多, 而使生物量也较上部多, 导致下部空隙率较上 部小 ,则压降集中在这一区域 。 3 结论 本实验用生物过滤塔对工业有机废气的典型污 染物甲醛的净化效率 ,生物去除量以及反应器的压降 进行了研究, 通过以上数据的分析, 得出下列几点 结论 1 甲醛废气进口浓度、气体流量与净化效率成反 比,与生物去除量成正比 。 2 湿度对生物过滤塔的去除效率影响较大 ,在其 达到40时, 对于低浓度的工业有机废气有很好的 50 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 去除效果 ,湿度继续增加净化效果增加不明显 。 3 生物过滤塔的压降随着进口气体的流量、 填料 层高度增加而增加。 致谢 作者感谢教育部留学人员启动基金 2006 和辽河油田科技开发基金对本项目的支持。 参考文献 [ 1] 赵鹏, 栾金义, 王京刚. 恶臭气体生物处理技术研究进展[ J] . 化 工环保, 2005, 25 1 29-32. 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