（环境工程专业论文）生物滤池法处理低浓度甲苯有机废气的研究.pdf

摘要 有机废气由于其浓度低、风量大且都很容易挥发、既无回收价值又严重污 染环境，因此一直是世界各国空气污染控制领域的一大难题。生物滤池净化有 机废气的研究，国外是从2 0 世纪8 0 年代逐步展开并取得广泛的实际运用，目 前我国在这方面还处于起步阶段。生物滤池处理有机废气，不仅设备简单，运 行费用和能量消耗低，无二次污染，且可以大大提高有机废气的去除率，具有 传统方法不可比拟的优越性和安全性，已成为工业有机废气净化研究的前沿和 热点课题之一。 本课题是以含有低浓度挥发性有机污染物一甲苯的废气为研究对象，采用生 物滤池法进行低浓度有机废气的实验研究，其目的是找出强化传质和控制有利 于生物降解的条件，并对生物净化低浓度挥发性有机物的机理进行探讨，以期 为这一方法的工程实际应用提供理论依据。 论文首先介绍了生物滤池的发展历史和现状，指出了本课题研究具有理论和 实际意义以及潜在的工程应用前景。然后通过实验比较，从三种活性污泥中培 养、分离、驯化出适合于特定有机废气的专属高效微生物菌种。再通过实验室 型生物滤池的设计，进行低浓度甲苯有机废气的动态模拟实验，确定生物滤池 的最佳性能参数及影响因素。最后利用双膜理论描述了生物滤池处理低浓度有 机废气的反应机理，并通过合理的模型简化，建立了生物滤池处理低浓度有机 废气的动力学模型。 实验结果表明，分离、驯化后的微生物菌种对甲苯的生化降解性能可以快速 提高。生物膜内的微生物种类较多，主要以短杆菌为优势菌种，其次为芽孢杆 菌和真菌。在填料为4 0 0 m m 高的生物滤池中，甲苯的质量浓度应控制在1 9 m 3 以 下，废气与滤料的最佳接触时间为6 5 s 。宜采用逆流式的进气方式。生物滤料的 湿度应控制在4 5 6 5 之间，最适宜降解菌降解甲苯的p h 值为7 8 ，温度应 控制在2 5 4 0 之间，最佳温度为3 5 。甲苯的生物降解速率最大可达 5 0 9 ( m h ) ，甲苯的去除率在9 0 以上。通过在生物滤料中添加活性炭等对甲苯 负荷具有较强的缓冲能力。生物滤池处理甲苯废气，是以气膜控制为主的传质 控制过程。通过理论得出的动力学模型与实验数据也有较好的一致性。 关键词：生物滤池，有机废气，微生物，甲苯，动力学模型 a b s t r a c t t h eo r g a n i cw a s t eg a sh a sb e e nab i gi n t e r n a t i o n a lh a r dn u ti nt h er e a l mo f a i r p o l l u t i o nc o n t r o lf o ri t sl o w c o n c e n t r a t i o na n de a s yv o l a t i l i z a t i o n ，ag r e a td e a lo fg a s ， t h er e c o v e r yv a l u e l e s sa n ds e r i o u s l yc o n t a m i n a t i n ge n v i r o n m e n t 1 1 坞s t u d ya b r o a do f t r e a t m e n to fo r g a n i cw a s t eg a sb yt h eb i o f i l t e rh a sg r a d u a l l yd e v e l o p e df r o mt h e 1 9 8 0 sa n da c h i e v e dw i d e l yp r a c t i c a b l ea p p l i c a t i o n ，b u tt h er e s p e c to fo u rc o u n t r yi s s t i l li nt h es t a r ts t a g ea tp r e s e n t t h et r e a t m e n to fo r g a n i cw a s t eg a sb yb i o f i l t e rh a s n o to n l ys i m p l ee q u i p m e n t s ，l o wo p e r a t i n gc o s t sb u ta l s ol o we n e r g yr e q u i r e m e n t s ， t h ea v o i d a n c eo fas e c o n dp o l l u t i o n i tc a na l s oi m p r o v et h er a t eo fw i p i n go f ft h e o r g a n i cw a s t eg a s ，a n dc o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a lm e t h o di tp o s s e s s e sn oa n a l o g o u s s u p e r i o r i t ya n ds e c u r i t y n o wi t h a sb e e no n eo ft h ef r o n ta n dh o t s p o tq u e s t i o nf o r d i s c u s s i o ni nt h es t u d yo f t r e a t m e n to f i n d u s t r i a lo r g a n i cw a s t eg a s t h ea s s i g n m e n to ft h i sq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o ni st h a tt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h e s a r ec a r r i e do n b y t h el o wc o n c e n t r a t i o na n dv o l a t i l eo r g a n i cc o n t a m i n a t i o n c o n t a i n i n g t o l u o li nt h eb i o f i l t e r t h ea i mi st oi m p r o v et r a n s f e rp r o c e s sa n df i n do u tt h ec o n t r o l c o n d i t i o n st h a ta r ep r o p i t i o u st ot h eb i o d e g r a d a b l ep o l l u t a n t sb y m i c r o b e f i n a l l yi ti s h o p et h a tt h i sm e t h o dc a np r o v i d ee n g i n e e r i n gp r a c t i c a la p p l i c a t i o nw i t ht h e o r e t i c a l t h e r e u n d e r f i s to fa l l ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fh i s t o r ya n dc u r r e n t s t a t u so ft h eb i o f i l t e r ，a n d p o i n t s o u tt h e t h e o r y a n dp r a c t i c e s i g n i f i c a n c e a n d p o t e n t i a lp r o s p e c to fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s e c o n d l y f i n do u tt h eh i g he f f e c t i v e m i c r o b e sw h i c ha r et r a i n e d ，s e p a r a t e da n dd o m e s t i c a t e dt ob ef i tt o d e c o m p o s e s p e c i a lo r g a n i cw a s t eg a sf r o mt h r e ea c t i v es l u d g et h r o u g h t h ee x p e r i m e n t a lc o n t r a s t ， a n dt h e np r o c e s sd y n a m i cs i m u l a t i v ee x p e r i m e n to fl o wc o n c e n t r a t i o no r g a n i cw a s t e g a sb ye x p e r i m e n t a ld e s i g no fb i o f i l t e r , a n dc o n f i r mt h eb e s tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r a n da f f e c tf a c t o ro ft h eb i o f l i t c ha t1 a s t ，d e s c r i b et h er e a c t i v em e c h a n i s mo f l o w d e n s i t yo r g a n i cg a sd e g r a d e db ym i c r o b e si nt h eb i o - f i l t e rb yt h ed o u b l e t h e c a t h e o r y , a n ds e tu p t h ek i n e t i c sm o d e lw i t ht h er e a s o n a b l ys i m p l i f y i n gm o d e l t h er e s u l to f e x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h eb i o d e g r a d a b l e c a p a b i l i t yo f t o u a lc a n b eq u i c k l yi n c r e a s e db ys e p a r a t e da n dd o m e s t i c a t e dm i c r o b eb a c t e r i u m t h e r ea r e m a n yt y p e so fm i c r o b e si nt h eb i o v e l u m ，b u tt h em a i na d v a n t a g e o u sf u n g u si s n s h o r t b a c i l l i ，t h es e c o n d a r yi ss u b t i l i s b a c i l l ia n de p i p h y t e w h e nt h eh e i g h to f b i o f i l t e ri s4 0 0m i l l i m e t e rt h et h i c k n e s so f q u a l i t yi sc o n t r o l l e du n d e rl g m ，t h eb e s t t i m eo fc o n t a c tb e t w e e nw a s t e g a sa n d s t r a i ns t u f fa l s os h o u l db e6 5s e c o n d sa n di ti s b e t t e rt oa d o p tt h em o d eo f b a c k w a s h t h e h u m i d i t yo f t h es t r a i ns t u f f i nt h eb i o - f i l t e r s h o u l db ec o n t r o l l e db e t w e e n4 5 a n d6 5 ，t h eo p t i m u mp hs h o u l db ef r o m7t o8 a n dt e m p e r a t u r e3 5 t h er a t eo f b i o d e g r a d m i o n c a nr e a c ham a x i m u mo f 5 0 9 ( m 3 h 1 a n dt h er a t eo f w i p i n go f f t h et o l u a lo v e r9 0 i tc a n p o s s e s sa r a t h e rs t r o n ga b i l i t y o fc u s h i o nt ot o l u a li fs o m ea c t i v ec a r b o ni s a p p e n d e di n t h es t r a i ns t u f f t h e t r e a t m e n to fw a s t eg a so ft o l u a lb yb i o - f i l t e ri sat r a n s f e rp r o c e s st h a ti s m a i n l y c o n t r o l l e db yg a s - f i l m t h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e ri sw e l li na c c o r d a n c ew i t ht h e p a r a m e t e ro f t h et h e o r e t i c a lk i n e t i c sm o d e l k e y w o r d ：b i o f i l t e r , o r g a n i cw a s t eg a s ，m i c r o b e ，t o l u a l ，k i n e t i c sm o d e l 1 1 1 亟堡堡三奎堂堡圭笙苎 第l 章低浓度有机废气的处理概况 环境问题是当今中国乃至世界都关注的热点问题。我国是世界上大气污染最 严重的国家之一。大气污染物有颗粒物和气态物两类，其中气态污染物占主要 部分，在每年全世界排入大气的污染物中，气态污染物占7 5 ，而气态污染物 又分为无机污染物和有机污染物两大类，就种类来说有机污染物占绝大多数。 在美国国家环境保护署( e p a ) 所列的有毒气体排放物清单( t r i ) 中的2 5 种气 体中，有1 8 种是有机物，占有毒气体排放量的7 4 2 。美国1 9 9 0 年通过的清洁 空气法修正案严格限制的1 8 9 种危害空气污染物中，有7 0 是挥发性有机物。 我国环境监测总站提出的6 8 种优先控制的污染物中，有机化合物有5 8 种。可 见治理有机废气是大气环境保护的一个极为重要部分。有机废气多产生于石油、 化工、印染、粘结、涂料等工业生产过程，主要包括苯、甲苯、多环芳烃、有 机硫化物以及其它恶臭物质，这些有机废气的主要特点是浓度低、风量大且都 很容易挥发、既无回收价值又严重污染环境。我国目前只对高浓度的工业有机 废气采取了净化处理，常用的方法如催化燃烧法、吸收法、吸附法等，对于低 浓度的有机废气( 污染物浓度 5 9 m 5 低浓度的废气。小，处理效率 9 5 。 运行费用特别昂贵；湿润停留时间短，操作稳定、仅限于低浓 活性炭吸附法废气会缩短碳的使用寿可靠；中等投资费用；可度有机废气。 命；废气需进行预处理。回收溶剂。 后期处理投赘大，费用高；流程简单，建造快，占地适用f 高浓 溶剂吸收法高温气体需降温：溶剂对少，溶剂便宜：废气不需度有机废气。 废气成份的选择大。预处理。 反应条件控制较难：占地气液比面积大；操作和进气中的污 土地生面积大；对进气浓度波动启动容易：不需外加营养染物浓度 1 长法性适应能力差。物；运行费用低。 g m 传质表面积低：增长缓慢反应条件( 如p f l 、营养物 生的微生物会被冲出反应 质) 易于控制：可避免产进气中的污 物生物吸器；剩余污泥需处置：启 物积累：设备占地少，压染物浓度 1 4 4 1 2 。 2 6 。 1 1 。 2 7 。 2 3 。可见，在七组高效甲苯降解菌中，芽孢杆菌对甲苯 的降解能力最强。通过筛选，选取无机盐培养基表面生物膜的覆盖率生长较快 的前四种菌种为研究对象，即1 9 、1 4 。、1 2 。、2 6 。菌株。 表4 1 菌株的镜检与染色结果 菌株编号菌落特征革兰氏染色芽孢染色菌体形态十天覆盖率 1 1 4乳白色不规则 + 杆状 1 5 1 2 白色囊状 + 杆状 3 5 1 4 # 白色干燥 + 杆状4 5 1 9 4乳白色粘稠 + 短杆状5 5 2 3 4近无色半透明 杆状5 2 6 #乳白色光滑+ 杆状2 5 2 7 8桔黄色光滑 球状 8 爨 槲 删 鼎 辎 爨 刊 l234 567891 0 驯化培养时间( d ) 图4 3 菌种驯化培养时间与生物膜覆盖率曲线 对筛选后得到的四种甲苯净化菌种，再进行培育驯化，对以上四种菌种进 行第二次无机盐培养基平板平行划线驯化试验。菌种采用第1 次接种膜内生长 l o d 的菌种，编号分别为1 9 ”、1 4 ”、1 2 “、2 6 ”。同样，第3 次接种时，菌种采 加如加m 武汉理工人学硕士论文 用第2 次接种膜内生长5 d 时的菌种，编号分别为1 9 “。、1 4 、1 2 、2 6 “4 a 经上 述3 次顺序接种驯化培养后，即可获得甲苯净化专用微生物菌种。将1 9 、1 4 “。、 1 2 ”。、2 6 放入4 的冰箱保存备用。 菌种的驯化培养实验研究结果表明，3 次顺序接种驯化后，其生物膜形成时 间逐渐缩短且覆盖率增长速度加快，第二次明显优于第一次，第三次明显优于 第二次。这表明该菌种经甲苯驯化培养后，其性能能快速增强，且所选用的四 种微生物菌种对甲苯都有很强的生化降解和适应能力。以1 9 。菌种为例，在三次 菌种驯化培养时，生物膜覆盖率与接种后的反应时间曲线如图4 3 所示。 武汉理王大学硕士论文 第5 章生物滤池设计及处理甲苯动态模拟实验 工业毒枧瘦气豹净化处理是大气污染控刿的一个重要方逝，有机化工、煤 化工、橡胶再生以及浊滚喷涂等工业过程撑放的台苯、甲苯、二甲苯、多环芳 烃、有机硫化物等污染物及恶臭气体，已对些地区的人体健康与生态环境造 成了很大危害。这热有机废气基本无回收价值，用常规高浓度有机废气处理方 法，难度大且费用意。本实验以甲苯废气为研究对象，采用自行设计的小型实 验装置，对生物滤池法净化低浓度有机废气进行研究，找出影响生物滤池的主 要因素包括：进气条件( 如气体流量、甲苯浓度、气体中氧气含量、进气操作 方式等) 、滤料参数( 如滤料高度、滤料种类、滤料的p h 值、滤料温度、滤料 湿度) 以及营养物质等，与甲苯净化效率和甲苯生化去除量的关系，并用无接 种堆肥、驯化活性污泥接种堆肥、混合高效菌种接种堆肥进行对比实验，然后 用甲苯的同系物及其它有机物作对比净化研究，最后对生物膜中微难物菌落作 进一步观察研究。 5 1 实验室鹫生物滤沲的设计 5 。1 1 生物滤池的主要参数 实验用生物滤池采用直径为l o o m m 的有机玻璃簧制成，篱的总高度为7 5 0 m m ， 其中填料屡有效高度5 5 0 r a m ，有效容积为4 3 2 l 。在实验过程中，为了加快生物 滤池反应器的扇动，缩短其滞膳期，有必要预先用实验分离获得的高效降解微 生物对滤料进行菌种接种挂膜实验。待生物膜形成后，进一步研究其对低浓度 甲苯的生物降解作用。 5 2 滤料选择及其制警 滤料酶选择一般应符合以下条件：有较大瓣魄表露积秽空羰率，激尽哥熊 提蓊污染物与微生物豹接皴瑟积和院盎堵塞；蠢较轻豹圪蘩和较好豹续掬强度， 不至予在运行中产生压实露撩大滤池阻力和减少气体在滤痰中的捧塑对闽；毒 最健的微生物生长爆境秘较好麴傈漫能力，易于控制湿度、营养条传、期等： 易于获季寻，搜爝寿念较长。 生物滤池的滤辩多静多样，掌选用堆肥、壤、溅炭以及活性炭等多孔、 武汉理工大学硕士论文 适宜微生物生长且有较强保持水分能力的材料。它们不仅有上述特点，而且本 身即含有大量各种微生物及其所需营养成分。其中堆肥是目前应用较多的材料， 主要是由生活垃圾、碎木屑、树皮、树叶、干草及谷壳等组成的混合物。在天 然滤料中通常还混合一些具有大的比表面积、大孔隙率和粗糙表面的惰性材料 如溶岩、陶瓷颗粒、聚苯乙烯颗粒或活性材料如小木块等，以保持床层填充均 匀和减小对气流的阻力。 本实验主要以：堆肥、堆肥颗粒活性炭两种滤料为生物滤池填料，为了满 足一定的孔隙率和均匀气流，对滤料进行筛分，其组成( 质量分数) 如表5 1 所 7 乔。 表5 - 1滤料的组成 滤料名称滤料组成孔隙率 生活垃圾5 0 ，碎木屑、树皮、树 堆肥3 9 4 3 叶、干草及谷壳各1 0 堆肥颗粒活性炭堆肥9 5 ，颗粒活性炭5 3 9 4 3 5 1 3 滤料的菌种接种 纯菌液的制备：首先进行菌种液体接种，将驯化获得的四种菌种接种子普通 牛肉膏培养基上( 取1 0 0 0 m 的锥形瓶，加入5 0 0 m l 普通牛肉膏液体培养基，用 接种环挑取菌种送入液体培养基中，使环在液体表面与瓶壁接触并轻轻研磨， 将环上的菌种全部洗入液体培养基中) 。3 0 好氧富集培养4 8h ，离心处理，然 后用磷酸盐缓冲液冲洗几次后，再用磷酸盐缓冲液稀释，将细菌浓度调至l 舻个 细胞毫升左右备用。 尽管生物滤料上生长的微生物是多种多样的，但是通过微生物的接种可较 快地开始降解反应，接种的方法主要有以下三种： ( i ) 活性污泥法：对于易于降解的有机物质，经过目标物驯化后的活性污 泥，可以倒在填料上或与填料混合，作为微生物的主要来源。 ( 2 ) 适合的填料法：对于难降解的有机物，将旧填料与新填料混合，利用 旧填料作为接种物。 ( 3 ) 纯培养的微生物法：对于某些只能被有限的几种微生物降解的有机物 质，用活性污泥接种需要时间较长，通过加入纯培养液可以明显缩短培养时间。 本实验采用驯化后焦化活性污泥和分离纯化后的四种纯菌种液与两种填料 进行接种。接种情况如表5 2 所示。将菌液按滤料的0 0 5 ( 重量比) 均匀撒于 武汉理工大学硕士论文 滤料中，接种2 0 天后待用。 表5 2 菌种与填料的接种情况 编号填料种类菌种类型 o 。堆肥不接种菌种 1 。堆肥 驯化后焦化污泥菌液 2 。 堆肥1 9 菌株 3 。 堆肥一颗粒活性炭1 9 菌株 i4 。 堆肥1 2 “。、1 4 “。、1 9 “。、2 6 “。菌株 5 2 实验工艺流程和实验方法 生物过滤法处理甲苯气体的动态模拟实验主要采用逆流方式，其工艺流程 及实验装置如图5 - 1 所示。为了研究进气操作方式对甲苯净化效率和生物去除量 的影响，图5 2 所示为动态模拟实验的顺流方式。 1 6 1 风机2 空气3 4 5 6 阀门7 鼓泡器8 填料9 布气板l o 气体流量计 11 液体流量计1 2 进气采样口 1 3 排水1 4 排气采样口1 5 聩淋头 1 6 稳压槽】7 气体混合瓶 图5 - 1 生物滤池处理甲苯气体实验装置图( 逆流) 采用含有预先筛选好的1 9 “高效菌种对过滤材料进行接种挂膜实验并保养 2 0 天后，& p n - i 进行低浓度甲苯的净化实验。实验中甲苯气体采用动态法配制， 武汉理工大学硕士论文 即向甲苯纯溶液瓶中鼓入空气，产生高浓度的甲苯气体，与空压机鼓入的空气 在气体混合瓶中混合均匀，以满足实验所需甲苯浓度。实验过程中主要采用逆 流操作方式，即甲苯气体e h 塔底进入过滤塔，在流动过程中与已接种挂膜的生 物滤料接触而被净化，净化后的气体由塔顶排出。定期在塔顶喷淋一定量的水 样，为滤料微生物提供水分并保持滤料具有一定的湿度，同时调整滤料的p h 值。 水样星非连续相，其流向与气体流向相反。 1 风机2 空气3 4 5 6 阀门7 鼓泡器8 填料9 布气板1 0 气体流量计 1 1 液体流量计1 2 进气采样口1 3 排水1 4 排气采样口1 5 喷淋头 1 6 稳压槽1 7 抽气泵1 8 气体户和瓶 图5 - 2 生物滤池处理甲苯气实验装置图( 顺流) 表5 3 生物滤池实验运行工况参数范围 参数名称参数变化范围参数名称参数变化范围 气体流量8 5 - 2 5 0 l h滤料p h 值 4 一1 0 入口甲苯浓度0 2 - 3 m g l滤料温度 2 0 4 5 进气操作方式顺流、逆流滤料湿度 2 0 - 8 0 滤料高度 5 0 m m 一4 0 0 r a m喷淋量 0 1 1 l h 滤料种类 0 4 、l 。、2 。、3 、4 4停留时间3 0 s - l o o s 在实验过程中，各参数变化范围如表5 3 所示。实验中，用气体流量计和液 体流量计测定气体流速和水样流速，并定期对生物滤池的入口和出口气体取样， 武汉理工大学硕士论文 用气相色谱仪检测分析甲苯浓度，以便于研究生物过滤法净化低浓度甲苯废气 的影响因素与去除率的关系。 5 3 实验及结果分析 5 3 1 进气条件对甲苯净化结果的影响 本实验讨论生物滤池净化甲苯气体能力主要采用两个指标：甲苯生化降解 效率和甲苯生化降解速率，生化降解速率又称为生化去除量或体积降解速率。 甲苯的生化降解速率是入口甲苯浓度和出1 2 1 甲苯浓度差与入1 3 甲苯浓度的比 值，是指单位时间、单位体积滤料降解的甲苯物质的量，单位为m g l h 。甲苯 的质量负荷是指单位时间内，进入生物滤池中单位体积的甲苯质量。在实际生 产过程中，一般要求入口气体甲苯的甲苯的质量负荷应小于生物滤池对甲苯的 最大生化降解速率。 5 3 1 1 入口气体甲苯浓度改变对甲苯净化性能的影响 实验条件如表5 - 4 所示。入口气体流量为1 0 0 l h ，填料层的有效容积为 2 3 6 l ，甲苯气体在滤料中的停留时间为8 5 s 。入口气体甲苯浓度改变对甲苯净 化性能的影响如图5 - 3 和图5 4 所示。 表5 - 4 实验运行参数 参数入口甲气体进气滤料滤料滤料滤料滤料喷淋 名称苯浓度流量操作高度种类p h 值温度湿度量 m g ，l u h 方式 l h 参数 02 31 0 0 逆流3 0 02 47 2 7 6 0 0 4 ，范围常温 由图5 3 入口气体甲苯浓度对净化效率的影响曲线表明，随着生物滤池甲 苯浓度的增加，其对气体中甲苯的净化效率是下降的。当入口气体甲苯浓度低 于0 6 m g l 时，生物滤池几乎可以完全吸收降解甲苯气体；当入口气体甲苯浓 度在0 6 - l m g l 时，生物滤池对甲苯的净化效率保持在8 5 以上：当入口气体甲 苯浓度从l m g l 增加到2 m g l 时，生物滤池对甲苯的净化效率由8 5 降到了3 5 左右，这时，生物滤池对甲苯的降解速率小于甲苯气体的增加速率，有一部分 甲苯未经处理就排除了，因此生物滤池对甲苯的净化效率迅速下降。由图5 - 4 入口气体甲苯浓度对净化速率的影响曲线可知，当入口浓度小于l m g l 时，甲 武汉理工大学硕士论文 苯降解速率随入口浓度的增加而增大，浓度小于o 6 时，呈线性关系；当入口 浓度大于l i n g l e 时，甲苯降解速率随入e l 浓度的增加变化缓慢，基本保持在 3 6 m g i 。h 左右，最大值为4 0 m g l h 。 摹 斟 楼 s 史 三 毫 要 槲 瑙 鼍 史 0 20 61i 4 1 82 22 63 0 入口气体甲苯浓度( r a g l ) 图5 3 入口气体甲苯浓度对净化效率豹影响 , n e j 气体甲苯浓度( r a g l ) 图5 - 4 入口气体甲苯浓度对甲苯生化降解速率的影响 由图5 - 3 、图5 4 可得出，入口气体甲苯浓度在约l m g l 处，曲线有一突变 点，称为生物滤池处理甲苯气体的浓度变化的临界点。当入口气体浓度小于l 临 界浓度时，生物滤池中的微生物能有效地净化去除甲苯，几乎是进气量等于反 应量。当入口浓度大于临界浓度时，滤料的表面很快被甲苯饱和，使进入量大 亟望型：e 盔堂堡主堡塞一 于反应量，在有效时间内一些甲苯不能有效去除，从而导致甲苯净化效率降低， 甲苯的生化去除速率趋于平衡。 这一分析结果表明，生物滤池对低浓度甲苯气体具有良好的净化效果。入e l 气体甲苯浓度应小于l m g l ，使入口气体中的甲苯质量负荷低于生物滤池的最大 生化去除速率，才能达到预期的净化效果。 5 3 1 2 入口气体流量变化对甲苯净化性能的影响 实验条件如表5 - 4 所示。入口气体甲苯浓度为0 8 5 m g l ，流量变化范围为 8 5 2 5 0 l h 时，甲苯气体在滤层的停留时间为3 6 s - l o o s 。入口气体流量改变对 甲苯净化性能的影响见图5 5 和图5 6 所示。 8 0l o o1 2 01 4 01 6 01 8 02 0 02 2 02 4 0 入口气体流量( l h ) 图5 5 入口气体流量变化对甲苯净化效率的影响 从图5 5 、图5 6 中可知，当入口气体流量在8 5 1 3 0l h 时，生物滤池对 甲苯的去除率在9 5 以上，且随着入口气体流量的增加。生物滤池对甲苯的净化 效率不断减少，丽生物滤池对甲苯的净化速率呈线性增加。根据传递过程原理 和生物降解理论，这一现象说明在低负荷下，生物滤池内气体流速增加，有利 于甲苯从气相进入液相的传质过程，从而加快了有机物的降解速率，表现为甲 苯的去除量增加，同时也间接体现了本研究所采用的微生物菌种对甲苯有较强 的生化降解能力( 生化反应速度足够大) 。当入口气体浓度超过1 3 0l h 时，生 物滤池对甲苯的净化效率和净化速率都迅速降低，当入口气体浓度达到2 5 0l h 时，甲苯的净化效率只有1 0 左右，甲苯的净化速率也减少到1 0m g h h 左右。 这一现象表明，随着有机负荷的增加，微生物的生长必将受到生存空问和代谢 如孔如加m o 一器v甜簌甚逝 墓望堡三盔堂堡主鲨茎 产物等其它因素的制约，致使其对有机物的降解趋于极限，表现在降解能力方 面出现极限值。同时当气体流速增加过大时，甲苯气体在生物滤池内的停留时 间过短，甚至造成气流短路，不能满足微生物对气体中甲苯污染物的捕集、吸 收和生化降解的实际要求，使部分甲苯气体不经处理就直接排除，结果表现为 去除效率和去除速率都迅速降低。 昱 一 强 g 一 斛 删 基 史 8 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 02 2 02 4 0 入口气体流量( l h ) 图5 - 6 入口气体流量对甲苯生化降解速率的影响 通过以上分析可知，当生物滤池处理甲苯气体的最佳流速为1 3 0l h 时， 甲苯气体在滤层中的停留时间为6 5 s ，此时生物滤池的最大净化速率可达4 6 m g l h 。 5 3 1 3 不同进气操作方式对甲苯净化性能的影响 实验条件如表5 - 4 所示。气体流量为1 3 0 l h ，甲苯气体在滤层的停留时间 为6 5 s ，进气操作方式采用顺流式和逆流式两种。通过改变入口气体甲苯浓度来 研究不同进气操作方式对甲苯净化性能的影响。实验结果见图5 7 所示。 由实验结果可知，在甲苯生化降解有效浓度范围内，相同的甲苯浓度下， 生物滤池在逆流式操作时的净化效率明显高于顺流式。由于使用的是同一生物 滤池，其滤料的有效体积保持不变，因此分别以两种不同的方式操作时，其甲 苯的生化去除速率逆流式操作也高于顺流式操作。同时顺流式还需要外加抽气 动力。分析这一实验结果，在实际操作中，生物滤池净化低浓度有机废气时， 宜采用逆流式进行操作，即经济又高效。 武汉理工火学硕士论文 零 v 槲 较 s 史 o0 10 20 3040 50 60 70 80 9】 入口气体甲苯浓度( m g l ) 图5 7 入口气体操作方式对甲苯生化降解速率的影响 5 3 2 滤料参数对甲苯去除率的影响 5 3 2 1 滤料的湿度、温度对甲苯去除率的影响 实验运行参数如表5 - 4 所示。液体的喷淋量控制在o 卜l l h ，入口甲苯浓 度为0 8 5 m g l 。本实验采用手动控制，用l 临时水管控制水样喷淋量的大小，调 节滤料的湿度为2 0 8 0 ，调节滤料的温度为2 0 4 5 。c 。滤料湿度对甲苯净化效 率的影响如图5 8 所示，滤料温度对甲苯净化效率的影响如图5 9 所示。 摹 v 槲 较 基 史 oi o2 03 04 0 5 06 07 08 0 滤料湿度( ) 图5 8 滤料湿度对甲苯净化效率的影响 如蚰加如帅如加m o 吣阳m m如加m o 武汉理工大学硕士论文 由图5 8 可知，滤料湿度在2 5 4 5 范围内，净化效率随湿度的增加而增 加，在4 5 6 5 范围内，净化效率基本稳定在较高水平，在6 5 8 0 范围内， 净化效率随湿度增加反而呈下降趋势。实验中观察到，当滤料湿度很低时( 小 于3 0 ) ，滤料层发生老化现象，呈干裂状态，使气体极易短路，从而降低了微 生物活性，表现为甲苯生化去除效率很低。随着滤料湿度的增大，微生物活性 增强，对甲苯的代谢能力增大，甲苯的生化去除效率也增大。甲苯气体难溶于 水，必须经过吸附后才能降解，当滤料湿度大于6 5 时，由于水分子的亲合作用， 充满了滤料的孔隙，减少了气体的停留时间，降低了氧的传递速率，使生物滤 料对甲苯吸附力大大减弱，同时也引起滤料阻力增加，最终导致去除效率迅速 f 降。 摹 - 料 较 基 史 1 62 02 42 83 23 64 04 44 8 滤料温度( ) 图5 - 9 滤料温度对甲苯净化效率的影响 温度是微生物生长繁殖的重要环境因素之，任何微生物都只能在一定的 温度范围内生存，在适宜的温度范围内微生物能大量的生长繁殖。生物滤池中 温度的变化，引起微生物数量和种群的交替变化，一部分菌种因不适应环境而 大量死亡，另一部分菌种则可能大量生长繁殖，成为优势菌种，从而影响对甲 苯废气的降解作用。由图5 9 可知，随着温度的升高，微生物对甲苯的降解速 率也不断提高，当温度超过4 0 时，甲苯的降解速率会迅速下降。在3 5 时， 对甲苯的净化效率最佳，因此生物滤池中降解甲苯的菌种主要以中温菌群为主。 以上实验结果表明，由于甲苯是挥发性有机物，生物滤池操作时只需少量 喷淋液润湿附着在滤料表面的生物膜即可，增大喷淋液量，反而会使甲苯净化 如鲫加如加如加m 0 武汉理工大学硕士论文 效率下降。对于易挥发性的有机废气而言，较高的温度一方面不利于微生物的 生长繁殖，另一方面也降低了甲苯在生物膜表面的吸附作用，不利于甲苯的生 化降解。因此，在生物滤池处理低浓度甲苯操作过程中，为保证较高的去除效 率，生物滤料的最佳湿度应控制在4 5 6 5 之间，温度应控制在2 5 4 0 之间。 可以在生物滤池上方安装喷水器进行间歇喷洒，既可以保持生物滤料的湿度 调节滤料的温度，控制生物滤料的p h 值，同时亦能向微生物提供其生长所必须 的营养物质和微量元素。在进气中喷水以增加气体湿度也是一种较好的方法。 5 322 滤料的p h 值变化对甲苯净化性能的影响 实验运行参数如表5 4 所示，入口甲苯浓度为0 8 5 m g l 。实验过程中采用 盐酸、氢氧化钠和磷酸氢二钾溶液调节喷淋液的p h 值在4 1 0 范围内进行实验。 滤料p h 值对甲苯净化性能的影响如图5 一l o 和图5 - 1 l 所示。 誉 v 斟 竣 翠 建 滤料p h 值 图5 1 0 滤料p h 值对甲苯净化效率的影响 从图5 一l o 和图5 一1 1 可知，低p h 值( 小于6 ) 和高p h 值( 大于