（环境工程专业论文）高温和常温生物过滤塔处理甲苯气体的对比试验研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y ，t h ee m i s s i o na n dp o l l u t i o no f v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ( v o c s ) i sb e c o m i n go n eo f g r e a te n v i r o n m e n tc o n c e r n s a m o n gt h ev a r i o u st e c h n o l o g i e s f o rv o c st r e a t m e n t ，b i o f i l t r a t i o ni s w i d e l y c o n s i d e r e dac o s t e f f e c t i v et e c h n o l o g yb e c a u s eo fi t sl o wo p e r a t i n gc o s t sa n d c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e h o wt o i m p r o v et h eb i o l o g i c a lf i l t r a t i o nt e c h n o l o g yo f v o c sr e m o v a lp e r f o r m a n c eo fh i g ht e m p e r a t u r eg a si st h er e s e a r c hf o c u s i nt h i s s t u d y , at h e r m o p h i l e sb i o f i l t e ra n dan o r m a lt e m p e r a t u r eb i o f i l t e rw e r es e tu pt o r e m o v eg a s e o u st o l u e n e t h r o u g hal o n gt i m ed y n a m i cs i m u l a t i o n ，t h eb i o m a s s c h a n g e su n d e rv a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n si nt w ob i o f i l t e r sw e r ei n v e s t i g a t e d f u r t h e r m o r e ，t w ob i o f i l t e r st h em i c r o b i a lm e t a b o l i s mc h a r a c t e r i s t i c c h a n g e si s a n a l y s i s t h ep e r f o r m a n c eo ft h et h e r m o p h i l e sb i o f i l t e ra n dn o r m a lt e m p e r a t u r eb i o f i l t e r w e r ec o m p a r e d w h e nt h ei n l e tt o l u e n ec o n c e n t r a t i o ni sl o w ( b e l o w5 0 0 m g m d ) ，t h e r e m o v er a t eo ft o l u e n ei nt h e r m o p h i l e sb i o f i l t e ri sm o r et h a n8 0 w h e nt h ee b r t r e d u c e d ，t h en o r m a lt e m p e r a t u r eb i o f i l t e r sr e m o v a lr a t eh a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ， w h i l et h et h e r m o p h i l e sb i o f i l t e r sr e m a i ns u a b l e s ot h et h e r m o p h i l e sb i o f i l t e ri sm o r e s t a b l et h a nt h en o r m a lt e m p e r a t u r eb i o f i l t e ru n d e rb i gf l o w w h e nt h et o l u e n e c o n c e n t r a t i o ni sm o r et h a nl5 0 0 m gm ，t h em i c r o b i a la c t i v i t yi nt h et h e r m o p h i l e s b i o f i l t e rw e r es u p p r e s s e d t h er e s u l to ft h r e ed i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c es p e c t r ao ft w ob i o f i l t e r sl e a c h a t e i n d i c a t e dt h a tm i c r o o r g a n i s m si nt w ob i o f i l t e rb o t ht r a n s f o r mt o l u e n ei n t oo r g a n i c a c i d s i nt h e t h e r m o p h i l e sb i o f i l t e r , t h em i c r o b i a l sm e t a b o l i s ms p e e du pi nh i g h t e m p e r a t u r e ，a u t o l y s i sh a p p e n i n ga tt h es a m et i m e a l lt h i sl e a dt ot h ei n c r e a s eo f l e a c h a t e t o c ，b u ta l s om a i n t a i n i n gt h es t a b i l i t yo ft h ep r e s s u r ea n ds l o w l yg r o w t h r a t eo fb i o m a s s i nt h en o r m a lt e m p e r a t u r eb i o f i l t e r , r a p i dg r o w t ho fb i o m a s sl e a dt o p r e s s u r ed r o pi sn o ts t a b l e ，a f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o no fr e a c t o r w h e nu n i tq u a l i t y m i c r o o r g a n i s m si nt w ob i o f i l t e rt r a n s f o r mu n i tt o l u e n e ，t h et h e r m o p h i l e sb i o f i l t e r r e l e a s e sm o r ec 0 2 b u ti th a sl a s sb i o m a s s s ot h ec 0 2c o n c e n t r a t i o ni nt h e r m o p h i l e s b i o f i l t e r se x p o r ti sl o w e rt h a nn o r m a lt e m p e r a t u r eb i o f i l t e r t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o b i a lm e t a b o l i s m ，f o u n dt h a t t h e r ea r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sb e t w e e nt w ob i o f i l t e r sm e t a b o l i cf e a t u r e so fd i f f e r e n t c a r b o ns o u r c e f o ra m i n ec l a s s ，s u g a ra n da m i n oa c i d s ，t h et h e r m o p h i l e sb i o f i l t e r s m e t a b o l i ca b i l i t yi ss t r o n g ，a n do f p o l y m e r , e s t e r sc a r b o ns o u r c eo fm e t a b o l i ca b i l i t yi s w e a k t h et h e r m o p h i l e sb i o f i l t e rf o rm e t a b o l i cf u n g ic a r b o ns o u r c e sf a s t e rt h a nf o r m e t a b o l i cb a c t e r i ac a r b o ns o u r c e s s oi t sa d v a n t a g es t r a i n si sf u n g i n ed i v e r s i t yo f m i c r o o r g a n i s mi nt w ob i o f i l t e ri ni n c r e a s ew i t ht i m e ，a n dt h en o n s i m i l a r i t yb e t w e e n t h e mjsi n c r e a s e k e yw o r d s ：v o l a t i l eo r g a n i c c o m p o u n d s ( v o c s ) ；b i o f i l t e r s ；t o l u e n e ； t h e r m o p h i l e s ；h i g ht e m p e r a t u r e 第一章绪论 第一章绪论 随着国民经济的不断发展，尤其是有机合成工业和化工工业的迅速发展，进 入大气中的挥发性有机化合物越来越多，这已被视为继粉尘之后的第二大类主要 的大气污染物【l o 】。挥发性有机物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) 通常是 指沸点小于2 6 0 或2 5 时饱和蒸汽压大于1 m m h g 的有机化合物，其大量排放 不但对局部区域生态环境而且对地球环境产生了严重的影响，同时危害了人体的 健康。因此，v o c s 的处理技术目前已经成为国内外研究的热点。 1 1 研究背景与意义 1 1 1v o c s 的产生与危害 v o c s 主要产生于工业过程。除石化厂、炼油厂等大型化工外，还有在生产 过程中大量使用有机溶剂的工业，如涂装、印刷、绝缘材料、漆包线、树脂加工、 皮革加工、印铁制罐等排放的乙醇、丙酮、甲苯等有机废气。另外，有机污染物 还有以下一些的进入大气的重要途径：( 1 ) 石油、煤炭、天然气等的开采、加工、 储运过程中，部分有机物进入大气；( 2 ) 煤、石油、石油制品、天然气等燃料不 完全燃烧释放的产物；( 3 ) 有机农药、消毒剂、防腐剂、制冷剂及灭火剂等的使 用；( 4 ) 各种合成材料、有机勃结剂及其他制品遇到高温时氧化与裂解，产生部 分低分子有机物；( 5 ) 食品类原料的氧化与降解产生部分挥发性有机物；( 6 ) 生 活垃圾、被污染的水体中也会逸出部分有机物等【4 】。 v o c s 种类繁多，按其组成和特性的不同可分为以下五类化合物：( 1 ) 烃类： 包括烷烃、烯烃和芳烃等；( 2 ) 含氧有机物，如醛、醇、酮及醋等：( 3 ) 含氮有 机物，如胺、酞胺和睛等；( 4 ) 含卤有机物，包括卤代烃、酞氯等；( 5 ) 含硫有 机物，包括硫醇、硫醚、硫脉、硫酚及二硫化碳等【5 7 】。在美国国家环境保护署 所列的有毒气体排放物清单中，有1 8 种是有机物，这1 8 种有机物占有毒气体排 量的7 4 2 。v o c s 作为一种主要的污染物，大多对人体具有神经、肾脏和肝脏 毒性；有些能损害血液成分和心血管系统，引起胃肠道紊乱，诱发免疫系统、内 分泌系统及造血系统疾病，造成代谢缺陷；部分甚至被列为致癌物。如甲苯吸入 后可出现咽喉刺痛感、发痒和灼烧感；刺激眼粘膜，可引起流泪、发红、充血； 溅在皮肤上局部可出现发红、刺痛及泡疹等。另外，很多v o c s 属于易燃、易爆 第一章绪论 类化合物，给企业生产造成较大的危害。 鉴于挥发性有机气体的危性，以及公众对提高环境质量的要求也日益增强。 一些发达国家己经制订相关的环保法律，严格控制废气中污染物的排放，并要求 企业在排放前采取相应的治理措施。如1 9 7 0 年美国制订的空气洁净法，就包 括了减少v o c s 的排放量【8 】。1 9 9 6 年日本立法限制5 3 种v o c s 的排放，2 0 0 2 年 限制1 4 9 种v o c s 的排放 9 。我国的中华人民共和国大气污染防治法要求工 业生产中产生的有毒气体要进行净化处理。中华人民共和国大气污染物综合排 放标准( g b l 6 2 9 7 1 9 9 6 ) ，规定包括苯、甲苯、二甲苯等1 3 种( 类) 有机物的 排放标准，并规定了统一的排放标准为1 5 0 m gm 3 1o 】。 因此，为了国民经济的长期发展、生态环境的保护和人类的健康，高效、经 济地治理v o c s 具有重要的现实意义。针对v o c s 的特点，国内外专家开展了广 泛和深入的研究，主要包括了物理和化学的处理方法以及生物法。 1 1 2v o c s 的处理方法 1 1 2 1 吸附法 吸附法适宜处理成分单一、气流稳定、浓度为一的有机废气，主要用于吸附 回收脂肪和芳香族碳氢化合物，目前在工业v o c s 治理中常用的吸附剂主要包括 活性炭、活性碳纤维、分子筛等。由于吸附的效率很高，而吸附剂的容量有限， 因而往往适用于处理低浓度废气和净化要求高的场合。方平等 采用污泥含炭吸 附剂对中低浓度甲苯( 2 7 0 0 m gm o ) 进行处理，在吸附温度为2 0 ，气体流量为 5 0 0 m l m i n - 1 ( 停留时间为0 4 2 4 s ) ，甲苯浓度为2 7 0m gm 。3 时，甲苯的饱和吸附容量 为1 5 0 0 m g g ，污泥含炭吸附剂对甲苯的吸附以物理吸附为主，并具有一定的化 学吸附和催化氧化作用，其试验结果与l a n g m u i r 方程吻合较好。卢琴芳等【1 2 】研究 了固定床活性炭吸附法治理炼厂表曝池恶臭，指出b p l 炭能有效吸附烃类，而i v p 炭能有效吸附硫化物，但对有机烃类物质几乎没有吸附能力，欲将复杂的现场排 气完全净化，需组合使用。 1 1 2 2 吸收法 吸收法常用于处理高湿度v o c s 气流( 湿度大于5 0 ) ，常用方式有填料塔 和喷淋塔两种【”】。吸收多为物理型吸收，常用的吸收剂有柴油、煤油、水等溶剂 1 4 1 。吸收法存在的主要问题是存在的问题对吸收剂和吸收设备要求较高，单一的 吸收剂很难适用于所有组分的吸收，而且吸收剂需要定期更换。另外，吸收法运 行费用较高。 1 1 2 3 催化燃烧法 催化燃烧法是利用催化剂使有机气体在更低的温度下一氧化分解，从而节省 第一章绪论 燃料。高浓度有机气体在催化燃烧过程中释放出来的热量可用于维持催化反应时 所需要的温度，无需外加热源，燃烧后的热空气又可以用于对吸附剂的热脱附再 生，达到废物及废能综合利用及节能的目的。王联等【1 5 】利用日本j - i c a 技术，采 用自身热平衡式催化燃烧法，应用h b f w 1 蜂窝状金属氧化物催化剂( 主要活 性成分为氧化铜和氧化锰) 对聚酯工艺废气进行处理，处理前废气中的总烃和乙 醛的质量浓度分别为2 8 3 3 4 m gi t i o 和2 6 6 3 2 m gn l 一，经过处理后排放气体的质量 浓度分别为5 4 8 m g i t i 。3 和5 4 2 m gn a ，去除率均在9 8 以上，詹建锋等【1 6 1 采用吸 附。催化燃烧法治理彩印厂三苯废气，治理前废气浓度为1 3 0 0 m g1 1 1 ，治理后浓 度小于5 0 m gi t i 一，刘忠生等【1 7 】对主要含烃类污染物的石化污水处理场隔油池散 发的废气进行处理，采用蜂窝状多组分t c 7 9 2 h 催化剂，总烃去除率达到9 7 以上。 1 1 2 。4 膜吸收法 膜吸收技术一印简称是另外一种气体分离膜技术，它是将膜技术与传统的吸 收过程相祸合，克服了传统吸收过程中存在的夹带、液泛等操作条件的限制。自 上个世纪八十年代以来，膜吸收受到越来越多研究者和工程技术人员的重视。 x i a 1 8 】等用硅酮油作为吸收剂，采用中空纤维膜组件脱除废气中的v o c s ，含有 v o c s 的废气走中空纤维膜内，吸收剂走壳程，两相在微孔内发生接触，大量的 v o c s 被吸收剂吸收，取得了很好的处理效果。m c c a l l i o n t l 9 】开发出了膜分离与冷 凝集成系统，用于聚氯乙烯、聚乙烯及聚丙烯工艺的废气回收处理，回收率可达 9 0 9 9 。张济宇【2 0 】等采用挥发性有机化合物( v o c s ) 分离膜，能将污染源排放 的体积分数从百分之几到百分之几十的汽油等v o c s 蒸气进行回收，得到液态 v o c s 产品。 目前常规的有机废气物化处理工艺，由于其适用范围、去除性能、投资运行 费用等多方面因素，皆制约了其处理技术的应用。表1 1 对常见v o c s 的物化处 理技术进行了比较。 第一章绪论 1 1 1 2 5 生物处理法 自2 0 世纪8 0 年代开始，荷兰和德国利用微生物处理废气获得很好的效果， 随即引起了美国、日本及其他欧美国家的重视，目前生物法己逐渐成为净化有机 废气和恶臭物质的主要方法之一【3 1 1 。生物法是利用微生物将废气中有机污染物 降解或转化为无害或低害类物质的过程【3 2 】。生物处理工艺按照微生物的存在方 式和水分、营养添加方式的差异可以分为生物过滤塔( b f ) 、生物滴滤塔( b t f ) 和生物洗涤塔( b w ) 等 3 3 , 3 4 1 。 ( 1 ) 生物洗涤塔 生物洗涤塔通常由一个装有填料的洗涤器和一个具有活性污泥的生物反应 器构成。循环液自洗涤器顶部喷淋而下，使废气中的污染物$ d 0 2 转入液相，实现 质量传递，被吸收的气态污染物通过微生物分解作用，从液相中除去。由于吸收 过程很快，水在吸收设备中的停留时间仅为几秒钟，而微生物的处理过程较慢， 含有污染物的废水需要在生物反应器中停留停留几个小时，因此吸收器和生物反 应器要分开设置，其结构简图如图1 1 所示。影响反应器处理效率的主要因素为 污泥的浓度、p h 、营养物质的投放量和投加方式有关【3 5 3 7 j 。 第一章绪论 净化气 吸 收 室 废气 图1 1 生物洗涤塔示意图 ( 2 ) 生物滴滤塔 生物滴滤塔被认为是介于生物过滤塔和生物洗涤塔之间的处理技术 3 8 - 4 0 。废 气中污染物的吸收和生物降解同时发生在一个装置内，滴滤塔内填充填料，循环 水不断喷洒在填料上，填料表面被微生物形成的生物膜所覆盖。废气通过滴滤池 时，废气中的污染物被微生物降解。其结构简图如图1 2 所示。生物滴滤塔设备 较简单，生物相静止而液相流动，但生物滴滤池的比表面积( 即单位柱体积接触 面积) 比较大，为1 0 0 3 0 0 m 2 m 一，它不适于处理水溶性差的挥发性有机污染物【4 1 1 。 生物滴滤器使用的填料通常是惰性的材料( 如塑料环、火山岩、陶瓷和泡沫状的 多孔材料等) 。 净化排气 爪卜 循 水 环 液 p h 调节 r 图1 2 生物滴滤塔示意图 液 第一章绪论 ( 3 ) 生物过滤塔 生物过滤塔是目前研究最多、工艺最为成熟、实际应用最广泛的去除有机废 气的方法，早期生物过滤塔主要用于减少废气的恶臭气味，到了2 0 世纪8 0 年代 以后，其应用范围己扩展到去除许多易被生物降解的挥发性有机污染物方面。我 国从2 0 世纪9 0 年代开始废气生物处理方面的研究和应用 4 2 - 4 7 】。其基本构造如图 1 3 所示。生物过滤塔由滤料床层( 生物活性填充物) 、沙砾层、和多管布气管道 等组成，降解有机物的微生物生长在填料表面，废气经加压预湿后，从底部或侧 面进入生物过滤塔，与填料上附着生成的生物膜( 微生物) 接触，被生物膜吸收， 最终降解为水和二氧化碳等物质，处理过的气体从生物滤池的顶部排出。 净化排气 图1 - 3 生物过滤塔示意图 生物滤池、生物洗涤塔和生物滴滤池各有其特点和应用条件，因此，应根据 废气中污染物的特性和条件，选择适宜的处理技术。表1 2 列出了生物洗涤塔、 生物滴滤塔和生物过滤塔的特点、优缺点及应用范围。 从表1 5 可以看出，其它两种工艺相比，生物过滤塔具有传质面积大、不需 后处理、菌种易保持、工艺操作简单、维护方便、经济可行等特点，是目前v o c s 生物处理技术中的常用工艺，得到了广泛应用，基于此，本研究选择生物过滤塔 为处理甲苯的工艺，考察工艺的运行条件。 第一章绪论 1 1 3 生物过滤塔的研究进展 ( 1 ) 影响因素与运行条件的优化 很多的研究者针对生物过滤塔的影响因素与操作条件展开了大量的研究 4 8 - 5 0 。一般而言，过滤塔的操作运行条件可以分成环境条件、气体条件、喷淋条 件和填料层微环境条件四个方面。环境条件包括生物过滤塔所处环境的温度、湿 度等。气体条件包括进口气体的温度、湿度、v o c s 浓度、空塔气速、空塔停留 时问和v o c s 负荷等。国内和国外在这方面的研究和叙述比较多，张彭义 5 1 】等分 别在这方面进行了论述，提出填料的含水率、碳氮比、p h 值、氧气含量、温度 等对生物过滤塔性能的影响。孙玉梅等【5 2 对生物过滤塔在不同的含水率情况下对 甲苯的去除情况和微生物的活性和繁殖等情况进行了研究，得出在合适的含水率 条件下，反应器对甲苯的驱除效果可达9 5 以上，相反情况下，反应器的去除率 比较低。填料层微环境包括填料层温度、含水率、p h 值和营养盐含量等。其中， 温度主要影响微生物的代谢速度，一般生物过滤塔内温度在2 0 4 0 。c 之间。填料 层含水率对微生物活性也有较大影响，一般填料层含水率控制在4 0 以上【53 1 。填 料层中微生物的酸性( 或碱性) 代谢产物积累会改变填料层p h 值。一般过滤塔 填料层p h 值范围为6 8 ，真菌为主的反应器能够适应更低的p h 值 5 4 1 。 ( 2 ) 填料的选择和开发 作为生物过滤塔的填料，要保证能提供微生物生存所需要的营养物质和最佳 的生存环境，同时填料要容易获得，作为过滤器的填料，相关论述的比较多的有 营养丰富的土壤、泥煤、堆肥等 5 5 - 6 0 】。也有学者对有机和无机填料展开对比试验 研究【6 。随着研究的不断深入，一些新型填料也逐步得到开剔嘲。另外，过滤 第一章绪论 塔中填料的堆积方式以及填料层的单元化、模块化设计也逐渐成为生物过滤塔工 艺研究和开发的热点。 ( 3 ) 菌种选择 在生物过滤工艺处理v o c s 的过程当中，主要是利用微生物对污染物的生物 降解作用来实现对v o c s 的去除。因此，微生物的种类、数量和活性对于生物过 滤塔的去除性能有着至关重要的影响。在生物过滤技术最初的研究中，微生物主 要来源于堆肥材料和土壤中的原始微生物。随着生物过滤技术的发展，活性污泥 逐渐成为过滤塔中微生物的主要来源。近年来，一些研究者正在尝试着向过滤塔 中接种对某些v o c s 有高效去除能力的单一微生物【6 3 1 。另外，从微生物的种类来 看，在以活性污泥接种的生物过滤塔系统中，虽然细菌、真菌和放线菌等多种微 生物同时存在过滤系统内，但v o c s 的去除主要是由细菌类微生物的生物降解作 用实现。 由于目前的工业废气多产生于实际的生产工艺过程，排放的废气往往具有较 高的温度。其中，部分排放源的有机废气在某些时段甚至高于1 0 0 ，从目前来 看，生物过滤工艺的应用主要还是集中在处理常温有机气体( 2 0 5 0 ) 方面， 这主要是因为多数的微生物难以在高温条件下存活或发挥出较强的降解能力。另 外，高温也降低了v o c s 在水相和生物相中的溶解度，并导致了生物填料层中的 干燥环境，这些因素都降低了传统生物过滤工艺对高温v o c s 气体的处理性能。 因此，考察嗜热菌生物过滤塔在极端环境下( 高温条件) 的运行特性，具有重要 的学术研究价值。 1 2 嗜热菌的特点及其在生物过滤技术中的应用 嗜热菌是一种嗜热型微生物，这类微生物适宜在高温条件下( 5 5 以上) 生 长和降解有机物。将嗜热菌接种于生物过滤工艺处理高温有机气体，可具有以下 几方面的优点：首先，高温条件下气体的传质效率和微生物的活性均较高，这有 利于v o c s 的去除。其次，绝大多数嗜热菌具有热稳定性，能够抵抗温度的突然 变化对处理系统运行性能带来的影响。再次，高温条件下，生物过滤工艺中部分 微生物细胞将发生自溶，可以避免生物量的过快积累，延缓填料层堵塞现象的发 生。此外，嗜热菌对化学物质具有较高的耐受性，因此在成分复杂的有机气体中， 嗜热菌仍可保持较高的活性。 1 2 1 嗜热菌生物过滤技术的研究进展 目前，国内外已经有部分研究者就嗜热菌处理高温气体进行了尝试性的研究 第一章绪论 工作，如表1 3 所示。从已有的研究来看，嗜热菌生物过滤塔运行的主要温度范 围为5 0 - 7 0 。c ，处理的污染物主要是硫化氢气体、芳香族v o c s ( 如甲苯、苯等) 和脂肪族v o c s ( 如乙醇等) 。下面，将根据所处理的目标污染物类型，详细介 绍嗜热菌生物过滤技术的研究进展。 表1 3 嗜热菌生物过滤塔的温度范围及处理的目标污染物 1 2 2 嗜热菌生物过滤技术对硫化氢气体的处理性能 d a t t a e 6 5 】等人以新西兰罗托鲁阿湖周围温泉中的底泥作为接种微生物，将其 加入到以n o v a i n e r t 为填料的3 个生物过滤塔中。其中一个生物过滤塔填料 层的温度始终维持在4 0 。c ，作为与高温生物过滤塔的对照组。另两个生物过滤 塔的填料层温度维持在5 0 7 0 。c ( 向填料层中喷淋不同温度的营养液) 。上述3 个生物过滤塔平行运行了9 个月，营养液p h 值控制在4 5 之间，硫化氢的进e l 浓度为5 0 1 6 5 0 p p m v ，气体在生物过滤塔的空塔停留时间为1 5 6 0 s 。由于缺乏碳 源，在运行的前2 2 天，三个生物过滤塔对硫化氢的去除效果极低。第2 3 天，在 营养液中加入了1 的葡萄糖，明显提高了对照组生物过滤塔( 4 0 。c ) 的硫化氢 去除效果( 最大h 2 s 去除速率可以达到5 0 9 m 。h 。) ，而高温生物过滤塔( 6 0 。c 、 7 0 ) 的去除率仍然较低。第3 7 天，向营养液中又加入3 的谷氨酸一钠，此时 高温生物过滤塔的去除率有明显提高( 最大h 2 s 去除速率可以达到5 0 9 。m 弓h q ) 。 上述结果表明，在不同温度条件下运行的生物过滤塔中的微生物，表现出不 同的碳源代谢特性。产生这种差异的原因，主要是由于温度改变了生物过滤塔中 微生物的群落结构。在高温条件下运行的生物过滤塔中，成为优势菌群的嗜热菌 与常温菌在生理生化特性上的存在明显差异，因此表现出不同的代行特性，进而 表现出不同的硫化氢去除性能。 r y u t 6 6 】等人以堆肥作为嗜热菌接种源，以方形的聚亚安酯泡沫作为填料，系 统考察了生物过滤塔( 内径l o c m 、高4 0 c m ) 在6 0 c 条件下对硫化氢气体的去 除性能。过滤塔内的p h 值维持在5 5 7 2 之间。运行过程中，每天从塔顶加入 5 9l 。1 的酵母膏营养液5 0 m l ，维持填料层湿度在7 0 以上。当空塔气速( s v ) 第一章绪论 为5 0 h j ( 空塔停留时间为1 2 m i n ) ，进口硫化氢浓度为9 5 0 p p m v 时，生物过滤 塔对硫化氢的去除率可以达到9 5 以上，最大去除速率为5 6 6 9m 。3h 。该研究 对高温生物过滤塔中的微生物进行了分离筛选，获得了一株t s 0 3 的硫氧化菌， 并证明了该菌属于b a c i l l u s s p 菌属。而b a c i l l u s s p 菌属是一类典型的嗜热菌，已 经被广泛用于处理高温污染物【6 9 1 。 上述研究的结果表明，生物过滤塔在高温条件下对硫化氢气体可以达到较好 的去除效果。 1 2 3 嗜热菌生物过滤技术对芳香族v o c s 的处理性能 c h o 6 8 】等人将堆肥材料作为微生物接种源，以泡沫材料为填料( 填料层温度 维持在6 0 ) ，考察了嗜热菌生物过滤塔( 丙烯酸酯柱，0 1 5 m 0 1 5 m 0 8 3 m ) 对苯与甲苯混合气体的处理性能。结果表明，在无机盐营养液中加入5 9 l 的酵 母浸膏( y e ) 有助于提高嗜热菌生物过滤塔的运行性能。当只向填料层加入无 机盐营养液时，过滤塔对v o c s 的最大去除速率仅为4 7 0 9m oh 。( 空塔流速 s v = 3 0 h ，进口负荷约为2 0 0 0g m 。h 1 ) ：当在无机盐营养液中加入y e 后，在相 同的空塔流速和进口负荷的条件下，过滤塔对v o c s 的最大去除速率增加至 1 6 5 0 9 m 。3h 。此外，该研究还对生物过滤塔中的微生物群落进行了d n a 分析， 从中分离获得了两株优势菌，分别为r u b r o b a c t e rs p 菌属和m y c o b a c t e r i u ms p 菌 属，该两类细菌均属于嗜热菌属。另外，研究中还发现，上述两类嗜热菌对混合 气体中苯的去除率高于甲苯，这与传统中温生物过滤塔的处理结果相反( 多数中 温微生物对甲苯的降解性能优于苯) 【7 0 】。这一结果表明，对于一些中温菌难处理 的污染物，可以考虑采用嗜热菌进行处理。 王娟【删等人从某石化公司污水处理厂的曝气池中采集活性污泥，利用甲苯气 体驯化3 0 天。将驯化后菌种接种至生物过滤塔中，挂膜1 2 0 1 4 0 h 后形成稳定的 生物膜。在气体空塔停留时间2 5 m i n 时，逐渐升高填料层温度，分别考察过滤 塔在3 0 6 0 条件下的去除率。结果表明，过滤塔在3 0 、4 0 。c 、5 0 。c 、6 0 条 件下的甲苯平均去除率分别为7 4 8 、8 2 7 、5 9 5 和5 5 9 。4 0 时去除率最 高，随着温度上升，去除率逐渐降低，但6 0 时仍有去除能力。镜检的结果还 发现，随着温度的升高，短杆菌减少的数量远高于球形菌，说明球形菌可能更适 应高温环境。 m o h a m m a d 7 1 】等人比较了生物过滤塔在中温( 2 0 。c ) 和高温( 5 0 。c ) 条件下 对苯、甲苯、乙基苯和二甲苯( b t e x ) 的去除性能。结果表明，在较高的进口 负荷下( 21 3 9m 。3h 。1 ) 。高温生物过滤塔对苯的去除率接近1 0 0 ，而常温生物过 滤塔对苯的去除率只有1 0 。上述结果表明，高温生物过滤工艺在一定条件对 第一章绪论 v o c s 的去除效果明显优于中温条件。表1 4 总结归纳了上述嗜热菌生物过滤塔 处理芳香族v o c s 的具体参数。 表1 - 4 高温嗜热菌生物过滤塔处理芳香族v o c s 的主要参数 1 2 4 嗜热菌生物过滤技术对脂肪类v o c s 的处理性能 c o x 7 】等人比较了生物过滤塔在常温( 2 2 。c ) 和高温( 5 3 。c ) 条件下对乙醇 气体的处理性能。当进气中乙醇浓度为5 9 m 一，空塔停留时间为5 7 s 时，两个生 物过滤塔的乙醇去除性能相当，最大去除速率均超过2 2 0 9 m 3h 。当温度升至 6 2 时，高温生物过滤塔的处理性能明显下降，最佳的运行温度范围为2 0 6 0 。 对微生物的分析结果表明，高温生物过滤塔中的优势菌包括嗜热菌和嗜温菌，多 为杆型菌；高温生物过滤塔1 一1 0 的优势菌群可在常温下存活，而中温生物过 滤塔中的菌种只有约0 0 0 1 0 0 1 可在高温下存活，由此推断高温生物过滤塔 的微生物群落的生物多样性较常温生物过滤更为丰富。二氧化碳的产生数据表 明，乙醇在高温生物过滤塔中的二氧化碳的转化率( 6 0 ) 明显高于常温生物过 滤塔( 4 6 ) 。与之相应，高温生物过滤塔中的生物累积量相对较低，其原因可 能是湿热菌微生物生长速率较低，或是微生物在高温条件下发生了自溶。上述研 究结果证明了嗜热菌生物过滤塔较传统的中温生物过滤塔具有更好的的稳定性 及耐受性。 第一章绪论 1 3 存在的问题 目前，少数的已有相关报道主要是考察了嗜热菌处理高温气体的可行性和运 行性能，已有的研究结果也证明了该研究方向具有较好的研究价值和应用前景。 但是，国内外当前的研究工作仍属于起步阶段，其中一些关键的科学技术问题还 有待进一步深入研究，例如：适嗜热菌生物过滤工艺在不同操作条件下( 尤其是 在特殊操作条件，如冲击负荷等) 的去除特性和系统的优化运行方案；嗜热菌细 胞在高温条件下的生长和自溶过程以及嗜热菌在长期运行中的增殖规律；生物过 滤工艺中微生物群落在高温条件下的演变规律等等。这些问题都是嗜热菌生物过 滤技术应用过程中的关键和难点，也是该领域未来重要的研究方向。 1 4 研究目的、研究内容及技术路线 1 4 1 研究目的 构建高温生物过滤塔和常温生物过滤塔，系统考察高温生物过滤塔和常温过 滤塔在长期运行过程中对高温甲苯气体( 5 5 。c ) 的去除特性，分析生物过滤塔内 微生物量的积累过程，获得微生物增殖变化规律，进一步研究生物过滤塔内微生 物代谢特性及微生物群落的演变规律，为生物过滤技术处理高温有机废气的工程 应用提供技术支持。 1 4 2 研究内容 为达到上述研究目的，本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 生物过滤塔对甲苯气体的去除特性 系统考察关键操作参数：温度、气体流量、进口甲苯浓度等对高温生物过滤 塔和常温生物过滤塔运行性能的影响，通过对比分析，得到两塔对甲苯的去除特 性。 ( 2 ) 生物过滤塔生物量的变化特性 通过对渗滤液、c 0 2 浓度、气体湿度、压降及生物量变化的分析，得出影响 两塔生物量的因素，考察高温生物过滤塔控制生物量增长的优势。 ( 3 ) 生物过滤塔中微生物的代谢特性 采用b i o l o g 考察和比较高温生物过滤塔和常温生物过滤塔填料层微生物代 谢特性的变化规律。 第一章绪论 1 4 3 技术路线 本研究的技术路线如图1 4 所示。首先，针对高温生物过滤塔及常温生物过 滤塔对甲苯的去除特性展开研究，考察温度、卒塔停留时间及甲苯浓度对高温生 物过滤塔运行性能的影响。在此基础上，通过对渗滤液、c 0 2 浓度、气体湿度及 压降、生物量的分析，得出生物量的变化特性及与相关因素的关系。同时，通过 分析微生物代谢特性的变化，掌握嗜热菌生物过滤塔的运行特性。 图1 _ 4 技术路线 第二章生物过滤塔对甲苯的去除性能 第二章生物过滤塔对甲苯的去除性能 2 1 材料与方法 2 1 1 微生物的来源与驯化培养 本研究中采用的菌种为混合菌种，从天津市纪庄子污水处理厂的剩余污泥中 获得，污泥浓度为3 5 0 0 m gl 1 。取3 l 污泥，每天加入5 0 m l 甲苯并曝气8 h ，驯 化3 0 天后将污泥混合液注入生物过滤装置，循环喷淋3 天，使其在填料表面挂 膜。 2 1 2 试验装置 本试验使用的装置系统如图2 1 所示。试验装置包括生物过滤塔主体反应器、 配气系统、温控系统、喷淋系统四个部分。 图2 - 1 生物过滤塔试验装置示意图 审渗滤液 营养液 过滤塔试验反应器的特性参数为：有机玻璃材质，圆柱形，内径9 0 r a m ，塔 第二章生物过滤塔对甲苯的去除性能 内2 层填料，上层为3 0 c m 的活性炭( 直径：约3 m m ，长：3 - 6 r a m ) ，下层为3 c m 的陶粒( 直径：3 - 5 m m ) ，填料层总容积为3 8 l 。 本试验配气系统的主要设备有：电磁式空气压缩机( 海利a c o 3 0 8 ，功率 3 0 w ，排气量5 5 l m i n ) ，微量进样器( a l c i p 9 0 0 ) ，玻璃转子流量计( 雷尔达 l z b 1 0 ) ，三通，橡胶管等。试验过程中控制空气压缩机的出口压力为o 3 0 4 m p a 。 温控系统的主要设备为数显调节仪( 上海德兆有限公司x m t d ) 。 喷淋系统的主要设备有：计量泵( i w a k ie s b n 4 ) ，喷淋液罐( 2 l ) 和微电 脑时空开关( 上海卓一电子有限公司z y t l 6 g ) 。喷淋液的配方见表2 1 。试验 运行时，由时间控制器控制整个喷淋过程。本试验采用间歇喷淋法，每6 小时喷 淋1 次，每次持续时间为3 分钟。 表2 1 无机营养液细分及其浓度 组分 浓度( gl 1 ) n a n 0 3 n a 2 h p 0 4 k h 2 p 0 4 c o c | 2 6 i - 1 , o m n s 0 4 h 2 0 c u c l 2 2h 2 0 c a c l 2 2h 2 0 n a 2 m 0 0 4 2h 2 0 f e s 0 4 ( n h 4 ) 2 s 0 4 6h 2 0 2 1 3 操作条件 试验装置连续运行了3 7 0 d ，运行期间的操作条件如表2 2 所示。 7 2 6 4 9 2 o 记 加 l 0 l 0 o 0 0 o o 0 o 0 0 o 0 第二章生物过滤塔对甲苯的去除性能 试验分三个阶段分别考察了温度、空塔停留时间( 气体流量) 及甲苯浓度对 嗜热菌生物过滤塔运行性能的影响。 在阶段i ( 1 1 4 0 d ) 中，气体流量为0 1 m 3h 。( e b r t = 6 4 s ) ，进气甲苯浓度 为2 0 0 m g m ，考察了温度对高温生物过滤塔运行性能的影响。 在阶段i i ( 1 4 1 2 5 2 d ) 中，控制温度为5 5 。c ，进气甲苯浓度为3 0 0 m gm ， 考察空塔停留时间( 气体流量) 对高温生物过滤塔运行性能的影响。 在阶段i i i ( 2 5 3 3 7 0 d ) 中，控制温度为5 5 ，流量为0 3 m 3h ，考察进口 甲苯浓度对嗜热菌生物过滤塔运行性能的影响。 试验装置运行期间的操作条件设计如图2 2 所示。 1 8 0 0 昌1 2 0 0 b o 皇 蜊 将6 0 0 0 o1 0 02 0 03 0 0 时间( d a y ) 图2 - 2 生物过滤塔操作条件 4 0 0 6 0 4 0 p 赵 2 0 赠 0 第二章生物过滤塔对甲苯的去除性能 2 1 4 分析方法 气相中甲苯浓度采用f i d 检测器的气相色谱( a g i l e n t 6 8 9 0 ，美国安捷伦公司) 测定。用玻璃注射器从生物过滤塔取样口采集约5 0 m l 气体样品，然后用2 5 0 l 气密进样针( 美国安捷伦公司) 从玻璃注射器中取1 0 0 l 气体样品注入气相色 谱进样口进行分析。分析条件如下：毛细管柱0 2 5 m m 3 0 m ，后进样口温度2 0 0 ，前检测器温度2 5 0 ，柱温为1 0 0 ，甲苯气体的相对保留时间约为2 1 m i n 。 外标法定量，标准气体用静态配气法配制。 生物过滤塔内生物量的变化通过过滤塔反应器总重量的变化来表征。采用称 重法测定生物过滤塔的总重量。测定方法为：在一次喷淋后约2 h 放空渗出液， 并将与生物过滤塔相连接的管路拆下后，采用电子称量台秤( 凯丰a c s 6 ) 称量 其总重。称量结果减去挂膜后生物过滤塔的总重即为生物量的增加量。生物过滤 塔填料层的压降采用u 型管测压法。 2 2 两种生物过滤塔的处理性能比较 2 2 1 生物过滤塔对甲苯气体的去除率变化 高温生物过滤塔及常温生物过滤塔在运行期间的进出口甲苯浓度、甲苯去除 率随时间的变化如图2 3 和图2 4 所示。 2 5 0 0 2 0 0 0 g 1 5 0 0 b d g 蜊1 0 0 0 蠖 r 杖r x 旺5 0 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 0 时间( d a y ) 图2 3 两塔进出口甲苯浓度随时问的变化 第二章生物过滤塔对甲苯的去除性能 1 0 0 8 0 一6 0 装 槲4 0 篮 悄 2 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 0 时间( d a y ) 图2 - 4 两塔甲苯去除率随时i 司的变化 在图2 3 中，两塔的出口甲苯浓度随着进口甲苯浓度的增大而升高。由图2 4 中甲苯去除率的变化可以看出，高温生物过滤塔的去除性能受温度、