生物滴滤塔去除甲苯气体最佳条件探索

张长平，程静辰

（河北工业大学，天津 300401）

生物滴滤塔去除甲苯气体最佳条件探索

张长平，程静辰

（河北工业大学，天津 300401）

从天津生活污水处理厂取得活性污泥，接种于生物滴滤塔中。设计均匀试验，考察在pH=5～7.8，硝酸根浓度为0.6～2.1g·L-1，表面活性剂用量为0.001～0.021mL·L-1，喷淋量为2～10 L·h-1条件下，生物滴滤塔对甲苯废气的处理效果。结果表明，各因素对生物滴滤塔去除甲苯的影响力由大到小顺序为：初始pH值，喷淋量，硝酸根浓度，表面活性剂。其中表面活性剂影响效果很小，可忽略不计。对最佳条件进行验证，生物滴滤塔运行过程中，处理效率保持在80%以上，最高时可达到88.6%。同时也探究了营养液pH变化对生物滴滤塔去除甲苯的影响规律。

甲苯；生物滴滤塔；均匀实验

生活中挥发性有机化合物（VOCs）主要来自工厂排放、汽车尾气以及建筑材料、保温材料等。VOCs成分复杂，其中以苯、甲苯、二甲苯为代表的苯系物，具有毒性、刺激性，也会产生一系列致癌致畸、致突变效应，严重影响人类的身体健康。苯系物易挥发进入大气中，促进臭氧的形成，参与光化学反应，形成光化学烟雾。

VOCs的治理也出现了包括光催化氧化处理法、等离子体法、微波净化技术、膜分离法、纳米材料净化技术等在内的新技术。生物法降解甲苯，具有比传统工艺投资少、降解效果好、占地面积小、工艺流程简单、应用范围广、无二次污染等优点，迅速成为国内外研究的热点[1]。据报道[2-4]，VOCs和恶臭废气生物处理工艺主要包括生物滤池、生物滴滤塔、生物洗涤器、膜生物反应器。其中，生物过滤器和生物滴滤塔应用最为广泛[5-6]。生物滴滤塔可以处理VOCs气体中的烷烃、烯烃、醇、酮、酯、单环芳烃、卤代烃等，其优势在于，反应器简单，成本较低，运行费用低，压降低，同时具有较高的去除效率。

1 试验装置与运行流程

1.1 试验装置

采用的小型生物滴滤塔由透明有机玻璃柱制成，塔径140mm，填料层共4层，每层高170mm。以活性炭作为滤料，气液逆流操作，营养液顶部流入，底部流出，废气底部流入，顶部流出，实现循环流动。

1.2 运行流程

该生物滴滤塔的运行流程图如图1所示。

图1 生物滴滤塔运行流程图

1.3 监测仪器

Bruker 450-GC用于测定甲苯进出口含量，pHs-3c测定营养液pH，mp 523pH/ISE meter测定硝酸根的浓度。

2 结果与讨论

2.1 微生物的驯化挂膜

试验所取菌种来自天津生活污水处理厂的活性污泥。采取驯化好的甲苯降解混合菌作为菌源，将菌液与生理盐水、葡萄糖、蛋白胨等配置成营养液加入滴滤塔中，循环喷淋。通入含甲苯气体再次驯化。连续培养2～3d后，随着甲苯进气量的增大，甲苯的去除率达到稳定并最大，活性炭的表面上附着表面光滑黄褐色的生物膜。

2.2 均匀法确定生物滴滤塔去除甲苯的最佳条件

采用4 因素5 水平均匀实验设计（表1）。考虑了4个因素，分别为营养液的初始pH值、活性剂、N源、喷淋量，每个因素设置5个水平。其中曲拉通X-100是一种用途广泛的非离子表面活性剂，可以增大甲苯在水中的溶解度，提高微生物接触甲苯的机会，并且对微生物的毒性较小。

表1 均匀设计表

其中室温为15～20℃，进气浓度为1000～1200mg·m-3, 生物滴滤塔每天运行8h。

图2是试验组数、生物滴滤塔的平均进出口甲苯浓度和去除率之间的比较。显然第一组实验降解甲苯的效率最高，为75.4%。对比这5组实验条件，初始pH 5.0、硝酸根浓度0.6g·L-1、活性剂0.011mL·L-1、喷淋量8L·h-1时在其中是最优的。

图2 实验组数平均进、出口甲苯浓度和去除效率之间的比较

用回归法对均匀实验的数据进行分析，得到回归方程：

其中y为生物滴滤塔去除甲苯的效率，x1、x2、x3、x4分别代表营养液的初始pH、硝酸根浓度、曲拉通浓度和喷淋量。根据回归方程可知，表面活性剂曲拉通的相关系数很小，可以忽略不计。由于0.135＞0.028＞0.007, 所以各因素对生物滴滤塔去除甲苯的影响力由大到小排序为：初始pH值，喷淋量，硝酸根浓度，表面活性剂曲拉通X-100浓度。

图3 实验组数之间各因素关系

对比图3，可以看出在第一组实验中pH 是最低值5.0，在第5组实验中喷淋量是最高值10L·h-1，在第5组试验中硝酸根浓度是最高值2.1g·L-1，而甲苯的去除率最好是在第一组实验中，这也证实了初始的pH值是生物滴滤塔去除甲苯能力的关键因素。

按照生物滴滤塔去除甲苯废气最佳实验条件的结论进行验证，运行过程中，处理效率保持在80%以上，最高时可达到88.6%。

2.3 生物滴滤塔运行过程中pH的变化对甲苯去除率的影响

当营养液初始pH=5.0，硝酸根浓度为0.6g·L-1，曲拉通X-100为0.011mL·L-1，喷淋量为8L·h-1时，甲苯去除率如图4(a)所示。随着pH值不断增大，甲苯去除效率在不断提高，但pH增至7.21后缓慢降低，最后稳定至7.1左右。而甲苯去除效率依然在提高，最终达到83.5%。这可能是由于在生物滴滤塔开始运行前，营养液的pH值为5.0，微生物通过自身代谢活动，产生碱性物质，中和酸性环境，使营养液的pH升高，从而改善生存环境。营养液中的磷酸氢二钾和磷酸二氢钾起到缓冲剂的作用，使微生物的生存环境最终维持一个较稳定的pH值。

当营养液初始pH=5.7，硝酸根浓度为1.6g·L-1，曲拉通X-100为0.001mL·L-1，喷淋量为6L·h-1时，甲苯去除率如图4(b)所示。可以看出当初始pH为5.7时，pH值和甲苯的处理效率总体的走势与第一组实验类似，pH值最终也在稳定在7.1左右。

当营养液初始pH=6.4，硝酸根浓度为0.1g·L-1，曲拉通X-100为0.016mL·L-1，喷淋量为4L·h-1时，甲苯去除率如图4(c)所示。pH逐渐升高，最终稳定在7.1左右，但甲苯的处理效率却长时间维持在一个较低的范围内没有较高的增长，这可能是由于喷淋量减少，降低了甲苯气的传质效率，故甲苯的处理效率不高。

前面几组实验最终的pH都稳定在了7.1左右。当营养液初始pH=7.1，硝酸根浓度为1.1g·L-1，曲拉通X-100为0.006mL·L-1，喷淋量为2L·h-1时，甲苯去除率如图4(d)所示。由于初始pH 已经达到微生物生长适宜的pH 条件，故pH的变化较小。但是甲苯的去除效率依然维持在一个低值，这可能是本组实验喷淋量最小，不足以满足微生物对营养物质的需要。微生物生长缓慢，生物滴滤塔中生物膜少，故甲苯去除效率不高。

当营养液初始pH=7.8，硝酸根浓度为2.1g·L-1，曲拉通X-100为0.021mL·L-1，喷淋量为10L·h-1，甲苯去除率如图4(e)所示。当初始pH 高于最适pH 7.8时，甲苯处理效率整体较低，幅度小。同时，pH变化较小，说明生物滴滤塔内的微生物不适应碱性环境，不能通过自身的生长代谢活动，将碱性中和，改善生长环境。

图4 生物滴滤塔pH值和甲苯去除率的变化图

3 结论

1）对均匀试验结果进行回归分析，得出在实验范围内，表面活性剂曲拉通的相关系数很小，可以忽略不计。各因素对生物滴滤塔去除甲苯的影响力由大到小顺序为：初始pH值，喷淋量，硝酸根浓度，曲拉通X-100。

2）对最佳条件进行验证，生物滴滤塔在最佳条件下运行，过程中处理效率保持在80%以上，最高时可达到88.6%。

3）在净化甲苯废气时，生物滴滤塔运行的最适pH值为6.9～7.1，微生物能适应酸性环境，通过自身代谢，改善生存环境，使之变得更有利于自身的生长繁殖。

[1] 汪印，史长东，鲁树成，等.有机废气生物处理进展[J].吉林化工学院学报，2001，18(2)：73-76.

[2] CHEN J M, ZHU R Y, YANG W B, et al. Treatment of a BTo-X-contaminated gas stream with a biotrickling filter inoculated with microbes bound to a wheat bran/red wood powder/diatomaceous earth carrier[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(21): 8067-8073.

[3] 成卓韦，林雯雯，蒋轶锋，等.利用紫外预处理加强氯苯的生物滴滤净化[J].环境科学， 2010，31(5)：1160-1166.

[4] YU J M, CHEN J M, WANG J D. Removal of dichloromethane from waste gases by a biotrickling filter[J]. Journal of Environmental Sciences-China, 2006, 18(6): 1073-1076.

[5] ZHANG Y F, Liss S N, Allen D G. Effect of methanol on pH and stability of inorganic biofilters treating dimethyl sulfide[J]. Environment Science and Technology, 2007, 41(10): 3752-3757.

[6] Cox HJ，Deshusses MA. Effect of starvation on the performance and re-acclimation of biotrickling filters for air pollution control[J].Environment Science and Technology, 2002, 36(14): 3069-3073.

Optimum Conditions for Removal of Toluene from Biological Filter Tower

ZHANG Changping，CHEGN Jingchen
(Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China）

The uniform experiment was designed to investigate the treatment effect of toluene waste gas by biological flter tower when pH=5～7.8, nitrate concentration was 0.6～2.1 g/L, surface active agent was 0.001～0.021 mL/L, spray amount was 2～10 L/h. The results showed that the infuence of various factors on the removal of toluene by the large to small order was∶ initial pH value, spray amount, nitrate concentration, surfactant.Among them, the effect of surfactant was very small, and it could be ignored. The optimal conditions were verifed, and the effciency of the process was maintained at more than 80% during the operation of the flter, and the maximum effciency was 88.6%.At the same time, the effect of pH on the removal of toluene by the change of nutrient solution was also studied.

toluene; biological flter tower; uniform experiment

X 701

A

1671-9905(2016)12-0045-04

2016-10-14