生物滴滤法处理喷漆废气

曹 春，王丽萍，王晴晴，徐子媛

（中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116）

生物滴滤法处理喷漆废气

曹 春，王丽萍，王晴晴，徐子媛

（中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116）

采用生物滴滤系统处理喷漆废气，在研究了混合气体中甲苯与二甲苯之间相互作用的基础上，对生物滴滤系统净化喷漆废气的稳定性进行了研究。实验结果表明：在挂膜启动阶段，进气流量为22.5 m3/h、空塔停留时间为33.9 s、进气甲苯质量浓度为400～1500 mg/m3的条件下，最终甲苯去除率可稳定在97%以上；在总进气质量浓度为1000 mg/m3的条件下处理甲苯和二甲苯混合气体，混合气体中甲苯与二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯对二甲苯的抑制作用更强；在进气流量为20.0 m3/h、空塔停留时间为38.0 s、进气中总挥发性有机物（TVOCs）质量浓度为300～900 mg/m3的条件下处理喷漆废气，平均TVOCs去除率为90.84%，出口二甲苯质量浓度低于GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》中规定的排放限值（二甲苯质量浓度为70 mg/m3），基本满足排放要求。

生物滴滤法；喷漆废气；甲苯；二甲苯

油漆作为重要的工业用品，广泛应用于电气机械、金属制品、五金机械等制造行业［1］。在喷漆过程中产生的大量有毒挥发性有机物（VOCs）严重污染空气，危害人类健康。生物滴滤法是在传统生物过滤法基础上发展起来的一种生物处理技术，是高效化工反应装置（吸附塔）和污染控制技术（生物膜技术）的有机结合［2］。已有学者对使用该法处理单一或混合组分有机废气的影响因素及净化效果进行了研究［3-4］，并在实验室模拟的基础上进行了不同工业领域VOCs的治理应用，如电子行业［5-6］、制药行业［7-8］、油漆涂料行业［9-10］等，但缺少对生物滴滤系统工业化应用稳定性的研究。

本工作在研究了混合气体中甲苯与二甲苯之间相互作用的基础上，采用生物滴滤法对某喷漆车间排放的含甲苯、二甲苯等复杂多组分的有机废气进行长期动态处理，并对生物滴滤系统净化喷漆废气的稳定性进行了研究。

1 实验部分

1.1 试剂和材料

甲苯、二甲苯：分析纯。

喷漆废气：取自某环保公司除尘器喷漆车间风机出风口。喷漆废气的组成见表1。

表1 喷漆废气的组成 ρ，mg/m3

由表1可见：喷漆废气主要由甲苯、二甲苯、乙苯和乙酸丁酯组成，其中，二甲苯和乙酸丁酯分别占50%和35%；喷漆废气中总挥发性有机物（TVOCs）质量浓度约为540 mg/m3。

循环营养液：按照文献［11］报道的方法配制。

1.2 实验装置及流程

生物滴滤法净化喷漆废气的工艺流程见图1。生物滴滤塔φ600 mm×3390 mm，有机玻璃材质。填料采用改良型瓷质拉西环，分3层填装，由开孔率大于50%的有机孔板支撑，每层有效填料高度自上而下依次为150，300，300 mm，有效填充体积为0.212 m3。喷漆车间正常工作时，由集气罩收集喷漆废气并通入生物滴滤塔；喷漆车间停工时，由图1中虚线部分向系统供给油漆稀料，以维护生物滴滤系统的稳定。

1.3 实验方法

图1 生物滴滤法净化喷漆废气的工艺流程

生物滴滤系统中温度稳定在（25±5）℃，适宜微生物的生长。营养液喷淋流量为0.16～0.32 m3/h，且每周更换外排1/3的循环营养液。系统pH控制在6.5～7.0，以构建适宜真菌与细菌共存的复合微生物体系。

控制生物滴滤系统进气流量为22.5 m3/h（空塔停留时间为33.9 s），进气甲苯质量浓度为400～1500 mg/m3，完成生物滴滤系统的启动挂膜；挂膜成功后逐渐添加二甲苯，甲苯和二甲苯混合气体的总进气质量浓度维持在1000 mg/m3左右，对甲苯和二甲苯之间的相互作用进行研究；而后调整进气流量为20.0 m3/h（空塔停留时间为38.0 s），通入喷漆废气进行工业化稳定性研究。

1.4 分析方法

采用安捷伦科技有限公司的HP 6890型气相色谱仪测定甲苯、二甲苯及喷漆废气中TVOCs的质量浓度。

2 结果与讨论

2.1 生物滴滤系统的挂膜启动

在进气流量为22.5 m3/h、空塔停留时间为33.9s的条件下，挂膜启动阶段的甲苯去除效果见图2。由图2可见：挂膜启动Ⅰ阶段，进气甲苯质量浓度为400～950 mg/m3，随运行时间的延长，甲苯去除率缓慢提高至21.50%，此阶段瓷质拉西环表面生物膜薄且覆盖面积小，第5天生物膜中的微生物浓度为8.38×106CFU/mL，甲苯的去除主要依靠填料和填料上活性污泥的吸附作用及活性污泥中微生物微弱的新陈代谢作用；挂膜启动Ⅱ阶段，进气甲苯质量浓度为500～1500 mg/m3，甲苯去除率迅速提高，至第14天，甲苯去除率增至93.80%，填料表面生物膜覆盖面积及厚度逐渐增大，通过气液相传质作用，甲苯进入到生物膜内，继而被微生物降解，微生物浓度达到9.45×109CFU/mL；挂膜启动Ⅲ阶段，进气甲苯质量浓度为550～850 mg/m3，甲苯去除率稳定在97%以上，此时生物膜表面湿润光滑，颜色厚度均匀，附着于整个填料表面，微生物浓度较启动第1天上升了5个数量级，高达7.00×1010CFU/mL。从生物膜中微生物的增殖情况及甲苯净化效果分析，可确定生物滴滤塔挂膜成功。

2.2 生物滴滤系统净化甲苯、二甲苯混合气体

图2 挂膜启动阶段的甲苯去除效果

在进气流量为22.5 m3/h、空塔停留时间为33.9 s、甲苯和二甲苯混合气体总进气质量浓度为1000 mg/m3的条件下，甲苯和二甲苯的去除效果见图3。由图3可见：当ρ（甲苯）∶ρ（二甲苯）=1∶1时，甲苯去除率为92.66%；随ρ（甲苯）∶ρ（二甲苯）的减小，甲苯去除率略有增加，二甲苯对甲苯的抑制作用逐渐减弱；当ρ（甲苯）∶ρ（二甲苯）=1∶9时，甲苯去除率为96.36%。由图3还可见，二甲苯去除率基本稳定在75%左右。这表明混合气体中甲苯与二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯对二甲苯的抑制作用更强。底物对微生物的竞争是产生相互抑制作用的原因之一，当甲苯和二甲苯共存时，微生物优先降解甲苯。甲苯和二甲苯在降解过程中对氧气的竞争也可能产生相互间的抑制作用。此外，有研究指出，甲苯及其降解产物的积累或毒性限制了二甲苯诱导酶的活性，从而抑制了二甲苯的去除［12］。

2.3 生物滴滤系统处理喷漆废气的稳定性

图3 甲苯和二甲苯的去除效果

进气流量为20.0 m3/h、空塔停留时间为38.0 s的条件下通入喷漆废气，考察生物滴滤系统处理喷漆废气的工业稳定性，喷漆废气中TVOCs的去除效果见图4。由图4可见，在连续64 d的运行中，生物滴滤系统基本稳定运行，进气TVOCs为300～900 mg/m3，平均TVOCs去除率为90.84%。对连续64 d的处理后废气成分进行检测，经生物滴滤系统处理后的喷漆废气中的污染物仅为二甲苯。除第15天和第29天，出口二甲苯质量浓度分别为98 mg/m3和128 mg/m3，其余62 d出口二甲苯质量浓度均低于GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》［13］中规定的排放限值（二甲苯质量浓度为70 mg/m3），基本满足排放要求。

图4 喷漆废气中TVOCs的去除效果

对于喷漆废气中含有的有机物，乙苯和乙酸丁酯易降解，可完全矿化生成CO2和H2O；甲苯在降解过程中会产生邻苯二酚的积累，当进气甲苯质量浓度为310～900 mg/m3时，积累的中间产物邻苯二酚可在4～6 h内完全矿化［14］；而二甲苯不能完全矿化为CO2和H2O（其矿化率仅为65%±3%［15］），在降解过程中可能会产生少量中间产物，因此需进一步实验研究二甲苯的降解过程，探讨二甲苯的降解机理。

2.4 生物滴滤系统工业应用的技术经济分析

生物滴滤法处理喷漆废气的经济可行性分析包括生物滴滤设备投资成本和运行费用两部分。生物滴滤设备投资费用见表2。由表2可见，生物滴滤设备投资总成本为85480元。

表2 生物滴滤设备投资费用

运行费用主要包括电费、药剂费、人工费和维修费。经计算累计电费约为8379元/a；药剂（主要包括甲苯、二甲苯及氮肥、磷肥等）费用共计1000元/a；操作人员费用约为9000元/a；维修费用约为6621元/a。总运行费用共计约25000元/a。综上可见，本工艺的总投资运行费用低，经济可行。

3 结论

a）在挂膜启动阶段，进气流量为22.5 m3/h、空塔停留时间为33.9 s、进气甲苯质量浓度为400～1500 mg/m3的条件下，最终甲苯去除率可稳定在97%以上，微生物浓度达7.00×1010CFU/mL。

b）在总进气质量浓度为1000 mg/m3的条件下处理甲苯和二甲苯混合气体，混合气体中甲苯与二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯对二甲苯的抑制作用更强。

c）在进气流量为20.0 m3/h、空塔停留时间为38.0 s、进气TVOCs质量浓度为300～900 mg/m3的条件下处理喷漆废气，平均TVOCs去除率为90.84%，出口二甲苯质量浓度低于GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》中规定的排放限值（二甲苯质量浓度为70 mg/m3），基本满足排放要求。

d）该生物滴滤系统设备投资费用为85480元，预计运行费用约为25000元/a，总投资运行费用低，经济可行。

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（编辑 王 馨）

Treatment of Spray Paint Waste Gas by Biotrickling Filtration

Cao Chun，Wang Liping，Wang Qingqing，Xu Ziyuan
（School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221116，China）

The spray paint waste gas was treated by a biotrickling fi ltration （BTF） system. On the basis of study on the interaction between toluene and xylene in mixed gas，the stability of BTF system in treatment of spray paint waste gas was investigated. The experimental results show that：Under the start-up conditions of inlet fl ow 22.5 m3/h，EBRT 33.9 s and inlet toluene mass concentration 400-1500 mg/m3，the removal rate of toluene is stable at above 97%；When the toluene-xylene mixed gas with 1000 mg/m3of total inlet mass concentration is treated，the inhibition effects of toluene and xylene on each other are appeared and that of toluene is stronger；When the spray paint waste gas is treated under the conditions of inlet flow 20.0 m3/h，EBRT 38.0 s and TVOCs mass concentration 300-900 mg/m3，the average TVOCs removal rate is 90.84%，and the outlet xylene mass concentration is lower than the emission limits in national air pollutant emission standards of GB 16297-1996.

biotrickling fi ltration；spray paint waste gas；toluene；xylene

X511

A

1006 - 1878（2015）03 - 0288 - 05

2014 - 11 - 07；

2015 - 02 - 11。

曹春（1990—），女，江苏省南通市人，硕士生，电话 18761426013，电邮 cc07093266@126.com。联系人：王丽萍，电话 13952118180，电邮 wlpcumt@126.com。

江苏省环保科研项目（201111）。