鸡胰腺冻干粉|鸡胰腺粉(冻干)| 片碱| 乙二醇丁醚|乙二醇|食品级白油(食品级石蜡油)|山梨醇| 聚乙二醇|二甲基乙酰胺(DMAC)| 二甲基亚砜
  您现在的位置是:首页 >> 技术专栏 >> 技术文章
管式生物过滤器去除乙苯废气

                                 管式生物过滤器去除乙苯废气
                 徐超1,2 杨春平1,2,3何慧军1,2 程燕1,2 吕黎3
    ( 1. 湖南大学环境科学与工程学院,长沙410082; 2. 湖南大学环境生物与控制教育部重点实验室,长沙410082;3. 浙江工商大学环境科学与工程学院,浙江省固体废物处理与资源化重点实验室,杭州310018)
    摘要:生物过滤由于其良好的成本效益和环境友好性已经成为控制挥发性有机化合物( VOCs) 含量和气味气体排放的常规技术。营养物质的均匀分布、生物膜和介质床内的气体流是成就一个性能优良的生物过滤器至关重要的因素。而由本实验室开发的管式生物过滤器( TBFs) 已被证明具备此优势。本实验的管式生物过滤器以聚氨酯海绵作为填料,研究在不同有机负荷、气体停留时间( EBCT) 、进气量和表面活性剂等条件下乙苯废气的去除效率( RE) 。实验同时记录了管式生物过滤器启动阶段的表现。初期使附着在填料上的微生物暴露在浓度为40 mg /m3 的乙苯废气中40 d,此时的气体停留时间为15 s,使微生物慢慢适应并逐步降解乙苯废气; 然后连续地控制管式生物过滤器的入口乙苯浓度为40、80、120 和160 mg /m3 ,以使有机负荷逐步升高。结果表明,乙苯去除效率随着有机负荷的增大而逐步减小。当气体停留时间从15 s增加到30 s 和60 s,而有机负荷控制在38. 60 g /( m3·h) 时,乙苯废气去除效率略微增加。此外,随着进气量的增大乙苯废气的最大平均去除效率有所下降而此时的降解容量增大,这个过程中乙苯进气浓度保持不变。结果还表明,在营养液中加入聚乙二醇辛基苯基醚这种表面活性剂可以提高乙苯废气的去除效率。
    关键词:生物过滤 乙基苯 表面活性剂 管式生物过滤器 挥发性有机化合物
    中图分类号:X701. 7  文献标识码:A  文章编号:1673-9108( 2014) 04-1579-07
    苯、甲苯、乙苯和二甲苯( BTEX) 是重要的工业溶剂。每年都有大量的BTEX 蒸气排放到大气中,对大气环境与人类健康造成有害影响。生物技术是净化这类物质的有效方法之一[1,2]。相对于传统净化方法,如活性炭吸附、液体洗涤、浓缩、燃烧和催化燃烧等,对浓度低、气量大的BTEX 蒸气,生物法具有设备简单、投资处理费用低、无二次污染等优点[3,4]。对苯、甲苯和二甲苯的生物法净化研究,国内外已有报道[5-8],但通过管式生物过滤技术净化乙苯的报道所见不多,本研究即对乙苯的生物法净化进行考察[9, 10]。目前国内对生物法净化有机物研究较多的是滴滤法,然而滴滤法普遍存在填料需要定期更换的缺点,运行和维护成本较高,且生物过度膜蓄积易造成堵塞[11-19]。与生物滴滤法相比,生物过滤法适于处理气体流量大、污染物浓度低、不产酸的废气,且填料易得、结构简单、设计弹性大、投资成本低,所以我们选择生物过滤法[20-23]。
    由于聚氨酯海绵性能稳定,不用短期更换,且聚氨酯海绵填料具有孔隙率大、比表面积大、空隙分布均匀、堆积密度小、持水性较好及机械强度较高等优点。因此本研究采用聚氨酯海绵做填料,这对稳定压降、避免沟流、使污染物浓度波动较小和稳定pH等方面有利。采用本课题组自主研制的管式生物过滤系统实验装置。根据表层过滤理论,自主研制管状构型、从外至内进气、薄层填料的管式生物过滤器,使营养液、微生物及VOCs 分布更加均匀,以提高反应器性能。另外,由于管式生物过滤器的独特构造和表面活性剂的使用有效地抑制了生物膜的过度蓄积,避免了反应器的堵塞。本研究在恒温条件下进行,以乙苯为污染源,空心管状聚氨酯海绵为填料,进行了启动阶段、进口浓度、停留时间、进气量以及在添加表面活性剂的情况下对管式生物过滤器去处乙苯性能影响的研究,为该反应器的工程应用提供依据。
    1 ·实验部分
    1. 1 实验菌种
    直接采用本实验室管式生物过滤器床层中保留的处理苯乙烯的生物膜。该生物膜的接种菌种取自湖南省长沙市第二污水厂二沉池的污泥。
    1. 2 载体填料
    管状填料是TBFs 系统的核心以普通市场所售。采用发泡法制得的聚氨酯海绵( 深圳洁纯过滤材料有限公司,中国广东省深圳市) 作为TBF 的填料,本实验选取的管状聚氨酯海绵填料的孔隙率为96%,厚度30 mm,内径80 mm,外径140 mm,高度100 mm,体积为1. 036 L。
    1. 3 实验装置
    TBFs 主要由柱形外筒、管状填料、营养液分布器和气( 液) 体进出口组成。柱形外筒采用有机玻璃管材质,内径16 cm,管壁0. 5 cm,高15 cm。废气经过TBF 顶端中心的气体进口进入,绕过营养液分布器,由外至内穿过竖直放置的管状填料。净化后废气从TBF 底部中心气体出口排出。管状填料上附着了生物膜。废气穿过填料时,其中VOC 从气相被传递至生物膜相中,并被微生物作为碳源降解成CO2和H2O,或其他中间产物。同时,营养液提供微生物生长繁殖和生命代谢活动所需的其他营养元素。
    
    1. 4 乙苯气源
    分析纯乙苯( ethylbenzene,C8H10,99. 0%) 。低浓度乙苯气体由动态配气制得,一台空气压缩机提供的空气进入乙苯挥发瓶,另一台空气压缩机提供的空气进入加湿瓶,带出的气态乙苯与经过增湿的空气一并进入混合瓶混合得到乙苯气源。乙苯气源浓度通过调节2 个空气压缩机的空气流量来控制。
    1. 5 营养液供给
    营养液中包括常量营养元素、微量营养元素、维生素和缓冲剂。硝酸钠作为惟一氮源,磷酸氢钠和磷酸二氢钠作为磷的营养源和缓冲剂。碳酸氢钠也被用作缓冲剂。营养液中各组分及浓度见表1[24]。
     
    1. 6 分析方法
    采用装有氢火焰离子检测器( FID) 的气相色谱( HP 5890,Series II,Hewlett-Packard,Palo Alto,California)测定苯乙烯浓度。分析条件为毛细管柱HPVOC(60 m × 320 μm ID × 1. 8 μm) ,炉温120℃,汽化室温度120℃,外检测器温度250℃。高纯氢气( 99%) 流量30 mL /min,高纯氮气( 99%) 流量30mL /min,压缩空气流量350 mL /min。其中,高纯氮气为载气。
    1. 7 运行方法
    反应器成功启动后一直在室温条件下运行。在考察TBF 对乙苯的降解性能时,忽略环境温度的影响。本实验研究了实验启动阶段、乙苯有机负荷、气体EBCT 和添加表面活性剂等不同运行操作条件对反应器的长期运行性能的影响。反应器总运行时间为238 d。其中,第1 ~ 34 天为启动阶段; 第35 ~82、75 ~ 110、111 ~ 166 和167 ~ 238 天分别考察不同有机负荷、气体EBCT 、不同进气量和添加表面活性剂等操作条件下的乙苯降解效率。实验方案拟定了各个阶段的运行条件,见表2。
    
    2· 结果分析与讨论
    2. 1 管式生物过滤器启动性能
    管式生物过滤器处理乙苯是在苯乙烯降解基础上的后续研究,启动阶段将污染源苯乙烯替换为乙苯,并未重新挂膜。更换污染源乙苯后,设定停留时间15 s,进口苯乙烯气体浓度分为2 阶段: 第1 阶段进口浓度和有机负荷逐步升高,第2 阶段将进口浓度稳定在40 mg /m3 左右,有机负荷9. 65 g /( m3·h) 。管式生物过滤器启动阶段研究结果如图2。
    
    动初期,为了让微生物适应乙苯气氛,将进口浓度控制在20 mg /m3,去除效率在80%左右。随着微生物处理效率的逐步稳定,缓慢提高乙苯进口浓度,最后达到40 mg /m3 左右,微生物对乙苯的去除效率也逐步升高并稳定在90%左右,即成功完成了反应器的启动过程。Yang C. P. 等[25]认为,转鼓生物过滤器净化挥发性有机化合物的启动过程中,在进口浓度和停留时间一定的条件下,去除效率稳定并维持在较高水平,则系统成功启动。因此,生物驯化阶段需要几周至几月的时间,这与Deshusses M. A. 等[26]的研究结果相符。
    研究表明,TBF 反应器能在参考条件( 进气浓度为40 mg /m3,气体EBCT 为15 s) 下成功启动,并得到稳定、高效的乙苯去除效率。尽管能得到高效稳定的去除效率,但是TBF 启动阶段需要较长的时间。第34 天,TBF 的乙苯去除效率才超过90%,为91. 1%。王宝庆等[27]研究了生物过滤法净化乙苯废气,对微生物进行培养、驯化和筛选,最终得到优势菌种,并把它们接种到填料中挂膜,降解有机物乙苯,其中对微生物驯化制备优势菌种花费7 d 时间,挂膜启动阶段只需12 d 就可以达到很高的去除效率,总体启动时间为19 d。虽然用时更短,但工序复杂,花费人力。相比而言,本实验的驯化阶段具有周期较短,工序简单易行的优势。
    2. 2 不同有机负荷对管式生物过滤器性能的影响
    在管式生物过滤器成功启动之后,实验开始研究不同有机负荷对反应器性能的影响。第35 ~ 42天,TBF 的乙苯废气进口浓度为40 mg /m3,运行有机负荷为9. 65 g /( m3·h) 。此后,第43 ~ 53、61 ~69 和75 ~ 82 天的进口浓度分别为80、160 和320mg /m3,对应的机负荷分别为19. 30、28. 95 和38. 80g /( m3·h) 。每次增大有机负荷前,TBF 均运行在参考条件进行恢复实验( 即进口浓度40 mg /m3,有机负荷: 9. 65 g /( m3·h) ) ,确保TBF 反应器在最佳性能时改变运行条件。有机负荷对管式生物过滤器性能的影响如图3 所示。
     
    由图3 可知,增大有机负荷,去除效率下降,并且需要较长的时间才能得到稳定的去除效率。第35 ~ 42 天参考条件下的乙苯最大平均去除效率为90. 2%。第43 天有机负荷增大一倍,进气乙苯浓度为参考条件的2 倍,乙苯去除效率下降至79. 3%,并随时间而增大,趋于稳定,得到最大平均去除效率为81. 1%。第61 天进气乙苯浓度增大为参考条件的3 倍,乙苯去除效率突然下降至65. 9%,并随时间而增大,最后最大平均去除效率达到71. 6%。第75 天进气乙苯浓度增大为参考条件的4 倍,乙苯去除效率下降至64. 6%,最后最大平均去除效率达到65. 5%。每次增大有机负荷,均需要约2 ~ 3 d 才能得到稳定的乙苯去除性能。
    研究表明,有机负荷增大越多,去除效率下降越大,长期运行至稳定状态的去除效率越小。这是因为高流量下对微生物的活性有强烈的抑制作用; 受管式生物过滤器本身生化降解能力的限制,随着进口气体乙苯浓度的增加,未能吸附在生物膜上的乙苯分子,随着气流排出,使得乙苯气体在较大的有机负荷条件下无法彻底去除; 乙苯为难溶性有机挥发性气体,低水溶性也影响了反应器的去除效率。对照Chen H. 等[7]的研究结果,生物过滤法在高有机负荷下确实有效率降低的现象,但相比而言,在低浓度情况下管式生物过滤器具有更高的去除效率。研究表明,该管式生物过滤器在较短停留时间条件下,能够处理低浓度有机负荷的乙苯气体,并说明在处理工业废气的过程中,需要把进口气体污染物浓度控制在合适的范围内。
    2. 3 不同EBCT 对管式生物过滤器性能的影响
    在研究不同EBCT 对反应器性能的影响时,控制有机负荷一直保持在38. 80 g /( m3·h) ,第75 ~82 天,TBF 运行的停留时间为15 s。此后,第83 ~93 和102 ~ 110 天的停留时间分别为30 s 和60 s。每次增大停留时间前,TBF 均运行在参考条件进行恢复实验( 即进口浓度160 mg /m3,气体停留时间:15 s) ,确保TBF 反应器在最佳性能时改变运行条件。停留时间对管式生物过滤器性能的影响如图4所示。
    
    由图4 可知,在保证有机负荷等条件不变的情况下,增大停留时间,去除效率略有升高。第75 ~82 天参考条件下的乙苯最大平均去除效率为65. 5%。第83 天停留时间增大一倍,乙苯去除效率缓慢升高至71%,并随时间而增大,逐渐趋于稳定。第102 天停留时间增大为参考条件的4 倍,乙苯去慢升高至74. 4%,并趋于稳定。每次增大停留时间,去除效率均有上升的趋势。
    根据实验结果可知,在保持有机负荷不变的情况下,增长停留时间对管式生物过滤器去除乙苯气体具有促进作用,延长停留时间能在一定程度上提高去除效率。这是因为根据表面过滤理论,设计的管式生物过滤器,其管型填料和由外及里的进气方式增加了进气表面积,降低了表面负荷,使生物分布更加均匀,停留时间的增加使微生物有足够的时间去降解有机物。有机物进入液膜和生物膜的传质和吸附都比较充分,降解效率较高[28]。从其他停留时间恢复到参考条件,管式生物过滤器在较短时间内( 1 ~ 2 d) 就能稳定的去除效率,这也说明管式生物过滤器对外部条件变化的适应力强。与其他的生物法相比,此方法能够在更短的EBCT 达到更高的去除效率,说明了管式设计的优势[4,5, 11]。
    2. 4 不同进气量对管式生物过滤器性能的影响     
    由上述研究可知,维持有机负荷不变,TBF 可以在较短的气体EBCT 下得到较高的去除效率。但上述研究在增大了处理废气量的同时,减小了进气乙苯浓度。若维持进气乙苯浓度不变,保证乙苯处理效果的情况下,选择较小的气体EBCT 具有实践意义[29],因此有必要研究进气量的影响。此阶段乙苯的进气浓度恒定为40 mg /m3。第175 ~ 184、185 ~198 和203 ~ 227 天系统有机负荷分别控制在9. 65、19. 30 和38. 80 g /( m3·h) ,而各阶段对应的气体停留时间分别为15、7. 5 和3. 75 s。每次增大进气量前,TBF 均运行在参考条件进行恢复实验( 有机负荷9. 65 g /( m3·h) ,气体停留时间15 s) ,确保TBF反应器在最佳性能时改变运行条件。实验结果如图5 所示。
    
    如图5 所示第175 ~ 184 天管式生物过滤器运行在参考条件下的最大去除效率为90. 6%。第185天调节管式生物过滤器的进气量增大到0. 5 m3 /h,从而使气体停留时间减少到7. 5 s,而系统有机负荷也对应升高到19. 30 g /( m3·h) ,此时管式生物过滤器的去除效率明显下将。其中第194 天,最大去除效率达到88. 6%。第203 天调节进气量增大到1. 0 m3 /h。这时去除效率显著降低。此阶段最大去除效率出现在第218 天,仅有76. 1%。
    
    从实验结果可以看出维持乙苯进气浓度保持恒定,增大进气量,即减小气体EBCT,乙苯最大平均去除效率随气体EBCT 的减小而减小,而降解容量增大( 表4) 。各阶段去除容量之比为1 ∶ 2. 05 ∶ 3. 69。表3 记录的是有机负荷分别为9. 65、19. 30 和38. 80g /( m3·h) ,而气体停留时间为15 s 时各阶段的去除容量,其去除容量之比为1 ∶ 1. 73 ∶ 2. 73。因此,在维持乙苯进口浓度不变而增大进气量时,去除容量的增大更具有实际应用价值。
    2. 5 表面活性剂对管式生物过滤器性能的影响
    第111 ~ 166 天,研究表面活性剂对管式生物过滤器性能的影响。控制有机负荷保持在9. 65 g /( m3·h) ,EBCT 为15 s。第146 天开始在营养液中添加表面活性剂( 聚乙二醇辛基苯基醚) 。添加表面活性剂对管式生物过滤器性能的影响如图6所示。     
      
    由图可知,在保证有机负荷和EBCT 等条件不变的情况下,第126 ~ 145 天乙苯的平均去除效率为89. 6%。从第146 天开始添加表面活性剂,而添加表面活性剂后的乙苯平均去除效率为93. 7%。虽然去除效率仅提高了约4 个百分点,但从长远应用的角度看,表面活性剂在提高管式生物过滤器性能方面有很大的应用价值。研究表明,添加表面活性剂对提高管式生物过滤器的性能有促进作用。原因在于乙苯是一种极难溶于水的有机溶剂,而增溶作用是表面活性剂存在的基本性质之一,添加表面活性剂在一定程度上促进乙苯进入液膜和生物膜,并被微生物吸收降解。
    3 ·结论
    ( 1) 把管式生物过滤器的惟一污染源由苯乙烯换为乙苯,并未重新挂膜的情况下,用34 d 即可完成启动。说明管式生物过滤器能有效降解低浓度的乙苯气体,且该过滤器在更换污染源的情况下启动较快。
    ( 2) 在维持停留时间不变,且进口浓度较低的条件下,去除效率随有机负荷的升高逐步下降。因此,在实际运用中,需注意把进口浓度控制在合理范围内。
    ( 3) 在维持有机负荷不变的情况下,管式生物过滤器对污染物的去除效率随停留时间增长,有小幅升高。此外,过滤器还能在较短停留时间和较大进气量的情况下,维持较高的去除效率。   
    ( 4) 在维持乙苯进口浓度不变而增大进气量时,去除容量增大。因此,若维持进气乙苯浓度不变,在保证乙苯处理效果的情况下,选择较小的气体EBCT 具有实践意义。
    ( 5) 在营养液中添加表面活性剂对提高管式生物过滤器的性能有促进作用。
    参考文献:略


关闭窗口


Copyright (c) 2004 中国过滤器网 All rights reserved.
联系电话:0371-63920667 传真:0371-63696116 E-mail: fsp214@126.com   QQ:56539122 设计及技术支持:中国过滤器网
版权说明:本站部分文章来自互联网,如有侵权,请与信息处联系

豫公网安备 41010502003793号