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生物膜填料塔净化有机废气

    许多挥发性有机污染物在工业生产过程中排入大气。有机化工、冶金药剂、油漆喷涂等工业过程排放的低浓度有机废气以及恶臭气体中的甲苯、有机硫化物等挥发性有机污染物会严重危害人体健康和生态环境。
    采用好氧微生物净化工业废气中低浓度挥发性有机污染物可以获得良好的净化效果,例如,德国某工厂用生物法吸取净化其油漆喷涂车间的恶臭有机废气时,去除效率高达99%,且除去了其中很难治理的恶臭气体.
    生物化学净化方法以前多被应用于废水处理领域,已经约有一百多年的历史,而研究利用微生物处理废气的历史则很短,比较广泛的研究是从80年代初开始的。目前,这一方法已成为世界工业废气净化研究的热点课题之一,但至今尚未见到我国有关这方面的研究报道。
    本研究以含有有机污染物甲苯的废气为对象,率先在国内开展生物化学法净化低浓度有机废气的研究工作,其目的是采用国内的微生物菌种,对生物膜填料塔净化低浓度甲苯废气的基本性能进行研究,为在我国国内开展这一方面的研究工作奠定基础。
一、实验条件与方法
实验的主要装置是塔径为40mm的小型玻璃生物膜填料塔,其中填料为不锈钢拉西环(@10X 10X 0. 5mm),填料层高度260mm。实验在常温常压下进行,入口气体中甲苯浓度范围
0. 183-1. 803mg/L,气体流量86.4~190.8 L/h,气体在生物膜填料层中的停留时间6. 2~13. 6s,塔顶循环液体喷淋量6. 3~47.OL/h,液体pH=6~7。实验装置流程如图1所示。
实验装置
    实验采用逆流操作,循环液体由高位槽进入塔内并从塔顶向下喷淋到填料上,在填料层中自上向下流动,最后由塔底排出进入循环水槽,再由循环水泵打回到高位槽。甲苯气体采用动态法配制,即由一小气泵向纯甲苯瓶中吹入少量空气,而后这部分带有甲苯的气体进入主气道,并在气体混合瓶中混合均匀。混合均匀的甲苯气体由塔底进入生物膜填料塔,在上升的过程中与润湿的生物膜接触而被净化,净化后的气体从塔顶排出。
    在先期筛选液相甲苯生化降解的适宜微生物菌种以及研究甲苯生化降解规律的基础上,采用经由甲苯及氮磷营养液驯化后的国内焦化废水处理厂的微生物菌种(以短杆菌类微生物为优势)的溶液,对填料塔进行挂膜操作并保养生物膜24天后,即进行低浓度甲苯气体的净化实验。
    实验过程中定时抽取气相与液相甲苯样,以便考察生物膜填料塔对气体中甲苯的净化性能。甲苯样品均用气相色谱仪检测分析。
二、实验结果与分析
    本研究的目的是对生物膜填料塔净化低浓度甲苯废气的基本性能进行研究,因此,以下以生物膜填料塔对气体中甲苯的生物化学去除能力为指标,对入口气体甲苯浓度和气体流量两项主要因素的影响进行分析讨论。
2. 1入口气体甲苯浓度对净化性能的影响
    入口气体甲苯浓度对生物膜填料塔甲苯生化去除能力的影响如图2所示。在实验的浓度范围内,随入口气体甲苯浓度增加,生物膜填料塔的甲苯生化去除量随之呈线性增加,每升体积的生物膜填料对甲苯的生化去除量最大可达157. 13mg/h。这表明生物膜填料塔对气体中的甲苯有很强的去除能力。
    Kirchne:等人1987年进行的采用生物膜填料塔净化去除废气中甲苯的研究中,入口气体甲苯浓度与甲苯生化去除量之间的关系与本实验研究的结果相同,但由于他们只采用了含单一红球菌种的生物膜填料塔,故其每升体积的生物膜填料对甲苯的生化去除量低于本研究结果,最大仅为42. 32mg/h。
入口气体甲苯浓度对甲苯生化去除能力的影响
2. 2气体流量对净化性能的影响
    图3表明了气体流量对生物膜填料塔的甲苯生化去除能力的影响。随气体流量增加,生物膜填料塔的甲苯生化去除量也随之呈线性增加,在实验范围内,甲苯生化去除量约增加了22000这说明所采用的微生物菌种对甲苯具有很强的生化降解能力。
气体流量对甲苯生化去除能力的影响
    根据化学反应工程学原理,气体流量增加,则塔内气体流速增大,有利于甲苯从气相进入液相的传质过程,在实验结果中表现为甲苯的去除量增加。然而,随气体流量增加,每升体积生物膜填料的甲苯负荷量也随之增大。但是,图3表明甲苯负荷量的增加并没有影响生物膜填料塔对甲苯的去除。从这一现象可以推断,生物膜填料塔中甲苯的净化去除过程属于传质控制过程。这一推断与Kirchner等人的研究结果是一致的。
三、动力学模拟研究
    对于生物化学法净化处理有机废气的机理研究虽然已做了许多工作但目前还没有统一的理论,一般认为这一过程经历以下几个步骤:(1)有机废气成分首先同水接触并溶解于水中,即有机污染物由气相转移到液相;(2)溶解于水中的有机污染物成分被微生物吸取;(3)进入微生物细胞的有机污染物在微生物体内的代谢过程中作为能源和营养物质被分解,最终转化成为无害的化合物(如CO2和H2O).
    图4所示的甲苯在生物膜表面的生化降解反应速率与液相甲苯浓度之间的关系表明,在本研究的实验范围内,甲苯在生物膜内的降解为一级生化反应过程,其反应速率方程式可表示如下:
式中、r、为表面反应速率(mg/m²·h),k1a为一级表面反应速度常(m/h),S,为液相甲苯浓度(mg/m³)。由本实验结果数据求得一级表面反应速度常数k,a = 0. 1593m/h,这一数值与丹麦学者J. P. Arcangeli和E. Arvin于1992年从事的甲苯在好氧生物膜反应器中的生化降解与生物膜生长的研究中所得的结果k,3=0. 1583m/h十分接近。
甲苯表面生化降解反应速率与液相甲苯浓度的关系
    根据化学反应工程学原理和生物化学反应动力学原理,针对塔内生物膜填料的微单元,可建立关于甲苯生化降解反应速率的微分方程式,通过求解,便可获得由生物膜填料塔入口气体甲苯浓度求算出口气体甲苯浓度的动力学计算
式中,Sgout为出口气体浓度(mg/L ) , Sgin为人口气体浓度(mg/L ) ; k,。为一级表面反应速度常数(m/h),S,为液相甲苯浓度(mg/L) ,a为填料比表面积(m²/m³);Tn为气体在填料层中的停留时间((h);HC为亨利常数;KL为液相总传质系数(1/h);A为中间计算量。
    对于不同的入口气体甲苯浓度,运用上述模式计算。并将计算值与实验值进行对比,其结果如图5所示。由图5中的对比结果可知,计算值与实验值之间有很好的相关性(相关系数R=0. 98),由此也证实了本研究建立的动力学模式的正确性。
出口气体甲苯浓度计算值与实验值的相关对比
四结论
    本研究结果表明,采用国内现有微生物菌种挂膜接种的生物膜填料塔净化低浓度有机废气是可行的。
    考察生物膜填料塔对废气中甲苯的净化性能的初步实验研究结果表明,增加入口气体甲苯浓度和气体流量,可使甲苯的生化去除量增大,每升体积的生物膜填料对甲苯的生化去除量最大可达157. 13mg/h。
    由本研究的实验结果可以推断,生物膜填料塔对废气中甲苯的净化去除过程属于传质控制过程。经计算值与实验值的对比验证表明,本研究建立的动力学模式对实际过程有很好的适用性。
    本研究取得了部分与国外同类研究接近或相当的结果,从而为在我国开展生物化学法净化低浓度有机废气的研究工作奠定了良好的基础。
 
 


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