生物滴滤系统处理模拟甲苯废气的研究

高 亭,戴 珏,关 杰,王晓璞,朱秋杰,范丹丹, 王 冠

(1.上海第二工业大学a.环境与材料工程学院;b.资源循环科学与工程中心,上海201209;2.河北大学 建筑工程学院,河北 保定071002)

0 引言

随着城市化程度及工农业的不断扩大和发展,空气质量恶化问题日趋严重,特别是化工行业迅速发展所导致的大量挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)排入大气中,引起严重的环境和社会问题。目前,有机废气已成为全球第二大严重空气污染因素[1],而甲苯作为一种典型的有机废气,其排放控制及治理技术已成为关键问题。美国环境保护委员会(environmental protection agency,EPA)将苯、甲苯、乙苯和二甲苯列为首要治理的污染物[2]。我国以国务院办公厅转发《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》(国办发[2010]33号)文件为标志,VOCs污染控制步入重点环境保护工作,通过制订一系列标准,明确了甲苯在内的VOCs控制要求[3]。

甲苯废气具有来源广泛、排放量大、难于治理等特点。2010—2017年相关数据显示,我国所排放的有机废气浓度高达美国的5∼15倍以上[4],2010年我国人为源VOCs排放总量已经达到2 230.0万t[5]。张靖等[6]在调查北京市大气中VOCs的组成时发现,检出物中的54种有毒有害物质的主要成分是苯系物和卤代烃。这不仅给环境带来污染问题,也造成了大量资源的浪费。甲苯废气治理技术大致分为物理、化学和生物方法3类,主要包括冷凝、吸收和吸附、焚烧、催化燃烧[7]、光催化法[8]、催化氧化[9]、等离子体法、生物滤池、生物洗涤及生物滴滤(biological trickle f i lter,BTF)等净化方法[10-11]。为了提高降解的速率和效率,不少研究者将这些技术联合使用[12-17]。生物法净化甲苯等VOCs因操作简易、维护方便、运行费用低、无二次污染等优点而备受世界各国关注[18]。同时因其在经济分析和环境友好发展上均达到环保要求,生物法治理工业有机废气已成为一种主流优选的办法[19]。生物法主要包括生物过滤、BTF和生物洗涤法,其中BTF技术可作为传统空气污染控制技术的替代方案[20]。

本文自行设计BTF系统,聚氨酯海绵作为填料,模拟的甲苯废气作为目标气体,活性污泥作为菌源直接挂膜,分别探究了室温条件下空白系统、启动挂膜以及稳定运行3个阶段甲苯进气浓度、进气量及营养液喷淋速率对甲苯去除效率(η)的影响。在节约成本的条件下,BTF系统可以高效、稳定运行,为后续的研究工作提供一定的理论支撑。

1 实验材料与方法

1.1 BTF塔的设计

BTF系统的主体为有机玻璃材质的圆柱形塔体,即 BTF塔 (见图 1),其内径 180 mm,外径190 mm,壁厚5 mm,总塔高926.01 mm,塔体截面积和有效体积分别为254 cm2和1.27×10−2m3。

图1 BTF塔(mm)Fig.1 BTF tower(mm)

BTF塔分为4部分,上层为喷淋及气体除雾层;中层和下层分别为2 m和3 m高的填料层,每层之间隔板的开孔率超过60%,起到均匀分布气体及喷淋液的作用,每层都有设置气体采样口和填料采样口;最底层为循环营养液缓冲区及出口。填料性能是BTF塔的重要参数之一,本文使用1 cm×1 cm×1 cm立方体聚氨酯填料,详细参数如表1所示。

表1 聚氨酯填料性能参数Tab.1 Performance parameters of polyurethane f i ller

1.2 实验试剂

营养液可以为微生物提供必要的营养物质,同时保证其生长环境所需的湿度。启动挂膜初期加入适量的葡萄糖作为碳源,随着微生物适应时间的增加葡萄糖含量逐渐减少,最终达到以甲苯为唯一碳源的目的,提高甲苯的降解效率。营养液成分及浓度[21-23]如表2所示。

表2 营养液成分及浓度Tab.2 Nutrient solution composition and concentration

1.3 实验流程

BTF系统(见图2)包括气液两路,由配气及输气装置、BTF塔、尾气缓冲装置和喷淋循环装置组成,且采用气液逆流的操作方式。甲苯经吹脱瓶后在混合瓶中与另一路空气混匀后(动态配气法)制得目标气体;经输送气泵从BTF塔底部进入塔体,通过两层负载有微生物且经过循环营养液喷淋的的填料层后,从BTF塔顶端进入到尾气缓冲装置排出;循环营养液从底部流出经蠕动泵再次从塔体顶部喷淋。进气采样口位于塔体底端,出气采样口位于塔体顶端。

图2 BTF系统Fig.2 BTF system

首先进行空塔试运行实验,主要考察BTF系统的气密性;其次进行空白系统运行实验,主要考察除微生物降解外系统对甲苯吸附或吸收作用的影响;最后考察BTF系统挂膜阶段和稳定阶段的表现。各阶段的操作条件如表3所示。进气量和进气浓度由输送气泵、气体流量计和阀门进行调控,营养液喷淋速率和频次由蠕动泵调控。营养液采取循环间歇式喷淋,每喷淋5 min间歇5 min,每周添加新配制营养液。气体的采集时间在喷淋间歇期间,每次采集3次平行样,取平均值作为该阶段的数值。

表3 BTF系统各阶段操作条件Tab.3 Operating conditions at various stages of BTF system

1.4 分析方法

甲苯质量浓度由岛津GC-2014气相色谱仪测定,具体操作条件为气化室温度150℃,色谱柱温度80℃,火焰离子化检测器(f l ame ionization detector,FID)温度250℃,色谱柱为长度60.0 m、内径0.25 mm且由岛津生产的名为WandaCap的毛细管柱,载气N2的流量30.0 mL/min,空气流量400.0 mL/min,H2流速40.0 mL/min,N2和空气均由钢瓶提供,H2由型号为KCH-300的氢气发生器提供,气化室压力124.3 kPa,检测时间11 min。

营养液喷淋速率由卡川流体科技(上海)有限公司生产的型号为S16 32 mm×64 mm 6转子LLS Plus卡默尔蠕动泵控制。

气体流量由祥锦流量仪表厂生产的型号为LZB-4WB玻璃转子流量计测定。

BTF系统的表现由η体现,即甲苯的净化程度,其表达式为

式中:η为甲苯去除效率,%;ρ为甲苯进气口浓度,mg/m3;ρ0为甲苯出气口浓度,mg/m3。

进气量的对应相为停留时间,即甲苯在有效体积内的停留时间,其表达式为

式中:EBRT为停留时间,s;V有效为系统有效体积,m3;Q为进气量,m3/s。

数据分析和图谱采用Excel 2013及OriginLab OriginPro 8.5软件分析。

2 结果与分析

2.1 空白系统运行表现

空白系统运行前先进行空塔试运行,测试结果表明进出口浓度相差<3%,整个系统气密性良好。空白系统是在未添加活性污泥的条件下运行的,考察没有挂膜的填料、喷淋液及整个系统对甲苯气体的吸附或吸收作用,最终系统达到甲苯吸附饱和状态,排除因微生物降解以外因素造成的实验误差。

BTF系统在仅有填料未添加营养液喷淋条件下,控制温度 22∼28℃,甲苯进气浓度200∼300 mg/m3,考察进气量5∼25 L/min对甲苯去除效果的影响(见图3);在进气量15 L/min条件下,考察甲苯进气浓度200∼1 200 mg/m3对甲苯去除效果的影响(见图4)。从图3、4可以看出,随着进气量和进气浓度的不断增加,系统对甲苯的吸附效率在3%∼5%之间变化。

图3 空白系统下进气量对η的影响Fig.3 Effect of intake air amount on η under blank system

图4 在进气量15 L/min的空白系统下甲苯进气浓度对η的影响Fig.4 Effect of toluene intake concentration on η in a blank system with an intake air volume of 15 L/min

在BTF系统温度22∼28℃,进气量15 L/min,甲苯进气浓度100∼500 mg/m3条件下,考察喷淋速率10∼100 mL/min对η的影响。从图5可以看出,随着甲苯进气浓度及营养液喷淋速率的变化,系统对甲苯吸收作用稳定在5%左右。

图5 空白系统下营养液喷淋速率对η的影响Fig.5 Effect of spray rate of nutrient solution on η in a blank system

由此可见,在未添加污泥的条件下,空白系统对甲苯的吸收作用在3%∼5%,证明系统对甲苯的吸附作用甚微,对后期挂膜及稳定运行阶段的影响可忽略不计。

2.2 BTF系统启动挂膜表现

BTF系统空塔试运行及空白系统运行结果表明,进气量、进气浓度和营养液喷淋速率对甲苯降解效率的影响较小。系统启动挂膜期,活性污泥中的微生物需要一定的适应时间,所以需要初期进气浓度较低,后期逐渐升高,进气量和营养液喷淋速率保持在相对恒定范围内,因此本文选择影响程度较小的进气量15 L/min,以及为了保证微生物生活环境湿度的喷淋速率为60 mL/min。控制温度22∼28℃,甲苯进气浓度100∼300 mg/m3,从图6可以看出,挂膜前3 d,η低于20%,此阶段为微生物适应甲苯阶段;3 d后采用未添加葡萄糖的营养液喷淋,3∼25 d期间,η随着挂膜时间的增加而不断增加;25 d后η>90%,改变甲苯进气浓度为100∼500 mg/m3,η仍维持在90%∼95%。由此可见,在未添加外源菌种的条件下,活性污泥30 d内完成挂膜。

图6 启动挂膜期间η的表现Fig.6 Performance of η during the f i lming process

本阶段研究结果表明,BTF系统在进气量15 L/min,即停留时间50 s,甲苯进气浓度100∼500 mg/m3的条件下,η在第25 d后可达90%以上。这与文献[23-24]中研究的BTF塔挂膜成功时η>90%结果一致,但是,文献中的实验停留时间分别为96 s和120 s,而本实验停留时间仅为50 s,大大缩短了停留时间,适用于大多数工业中气量大、浓度低的工况,具有较强应用性。

2.3 BTF系统稳定运行表现

BTF系统挂膜成功后,考察运行期间进气量、进气浓度及营养液喷淋速率对系统降解甲苯效果的影响。

控制系统温度 22∼28℃,甲苯进气浓度100∼500 mg/m3,喷淋速率60 mL/min的条件下,考察进气量5∼25 L/min对η的影响。从图7可以看出,随着进气量的增大,去除效率有所下降;当进气量<15 L/min时,>96%,继续增大进气量至25 L/min,效率降至90%;增大进气量的同时降低了甲苯在系统中的停留时间,与生物膜接触时间过短,故η有所下降,由此可见,合适的进气量可提高甲苯净化效率。

图7 稳定运行期间进气量对η的影响Fig.7 Effect of intake air amount on η during steady operation

Chen等[21]对上述因素也进行了研究,当进气量从0.02 m3/h增加至0.06 m3/h的条件下,η由95%下降到80%,η下降了15%,而本文进气量从5.00 L/min增至25.00 L/min,η由96%下降至90%,仅下降6%。由此可见,本文的BTF具有较好的稳定性,能够应对外界因素变化的影响。

系统稳定运行期间,控制温度22∼28℃,进气量15 L/min,喷淋速率60 mL/min,考察甲苯进气浓度100∼800 mg/m3对η的影响。如图8所示,甲苯进气浓度<400 mg/m3时,η在95%左右,随着进气浓度的增加,η略微下降;当甲苯进气浓度增大至600 mg/m3和800 mg/m3时,η分别为90%和85%。由此可见,本文BTF系统甲苯进气浓度增加400 mg/m3,η仅下降10%左右,这与Singh等[25]甲苯进气浓度增大100 mg/m3时η从95%降至80%这一结果相比,本系统受外界因素变化的自控稳定性较强。

图8 稳定运行期间甲苯进气浓度对η的影响Fig.8 Effect of toluene intake concentration on η duringstable operation

控制BTF系统温度22∼28℃,进气量15 L/min,甲苯进气浓度 100∼300 mg/m3,考察喷淋速率10∼100 mL/min对η的影响。如图9所示,η随着喷淋速率的改变没有较大幅度的变化,基本稳定在90%以上。在相对恒定的甲苯进气浓度条件下,喷淋速率>60 mL/min后去除效率稳定在96%左右。由此可见,喷淋速率对η的影响甚微。

图9 稳定运行期间喷淋速率对η的影响Fig.9 Effect of spray rate on η during stable operation

从图10可以看出,系统成功挂膜后30 d以上可稳定运行,即使改变进气量、进气浓度及喷淋速率等条件,η稳定在85%∼97%。在甲苯进气浓度为800 mg/m3的条件下,η仍高于85%,降低进气浓度后η能快速达到90%以上,说明本文BTF系统具有较好的稳定性能。

图10 稳定运行期间η的表现Fig.10 Performance of η during stable operation

3 结论

(1)空白系统试运行结果表明,在未添加污泥的条件下,系统的η为3%∼5%,对启动挂膜和稳定运行阶段的影响可忽略不计。

(2)本文BTF系统采用活性污泥直接挂膜方式,控制进气量15 L/min,温度22∼28℃,甲苯进气浓度100∼300 mg/m3,喷淋速率60 mL/min,系统在30 d内成功完成挂膜,η稳定在95%左右。

(3)系统成功挂膜后30 d以上可稳定运行,改变进气量5∼25 L/min、甲苯进气浓度100∼800 mg/m3及喷淋速率10∼100 mL/min等条件,η稳定在90%左右。甲苯进气浓度增大至800 mg/m3,η有所下降,但在降低浓度后η能快速达到96%以上,说明本文BTF系统随外界环境因素的改变,波动较小。

综上可知,本文BTF系统选用价格低廉性能较优的聚氨酯填料、污水处理厂的活性污泥作为菌源、多次循环使用的喷淋液,操作简便、维护费用低,具有较好的稳定性能,且对甲苯具有良好的净化效果。因而该系统具有较广的应用前景,但生物膜生长及变化状况等研究仍需深入探索。