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第２卷 第１期环境工程学报Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．１２００８年１月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪａｎ．２００８错流式生物滴滤床净化甲苯废气张 京 李 坚 孙 莉 张书景 金毓! 李依丽（北京工业大学环境与能源工程学院，北京１０００２２）摘 要 采用焦化厂污泥为菌源驯化甲苯降解菌，接种错流式生物滴滤床，净化含甲苯废气。研究了生物滴滤床的挂膜启动和长期运行情况，填料和营养液对滴滤床去除能力的影响，并对长期运行的压降进行了观察分析。反应器挂膜启动需要６ｄ时间，稳定运行的平均去除效率为９５％，单位体积最大去除负荷为２５１ｇ／（ｍ３·ｈ）。结果表明，采用错流式生物滴滤床可以有效去除甲苯废气；以比表面积大的生物陶粒作为填料以及定期适量更换营养液，均有助于提高生物滴滤床的去除能力；错流式生物滴滤床具有压降小、气液分布均匀的特点。关键词 错流 生物滴滤 甲苯 驯化 废气处理中图分类号 Ｘ７０１．７ 文献标识码 Ａ 文章编号 １６７３９１０８（２００８）０１００５９０５ＡｎａｐｐｒｏａｃｈｔｏｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｏｌｕｅｎｅｗａｓｔｅｇａｓｂｙａｃｒｏｓｓｆｌｏｗｂｉｏｔｒｉｃｋｌｉｎｇｆｉｌｔｅｒＺｈａｎｇＪｉｎｇ ＬｉＪｉａｎ ＳｕｎＬｉ ＺｈａｎｇＳｈｕｊｉｎｇ ＪｉｎＹｕｑｕａｎ ＬｉＹｉｌｉ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｎｄＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２２）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｏｆｔｏｌｕｅｎｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙａｃｒｏｓｓｆｌｏｗｂｉｏｔｒｉｃｋｉｎｇｆｉｌｔｅｒ．Ｔｈｅｆｉｌｔｅｒｗａｓｉｎｏｃｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｏｌｕｅｎｅｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｌｅｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍａｃｃｌｉｍａｔｅｄｂｙｓｌｕｄｇｅｆｒｏｍｃｏｋｅｐｌａｎｔａｓｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｅｅｄ．Ｔｈｅｓｔａｒｔｕｐｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｌｏｎｇｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｆｉｌｔｅｒａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐａｃｋｅｄｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｎｕｔｒｉｅｎｔｌｉｑｕｉｄｏｎｒｅｍｏｖａｌｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｆｉｌｔｅｒｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｄｕｒｉｎｇｌｏｎｇｔｉｍｅｒｕｎｎｉｎｇｗａｓａｌｓｏｏｂｓｅｒｖｅｄ．６ｄａｙｓｗｅｒｅｎｅｅｄｅｄｔｏｓｔａｒｔｔｈｅｆｉｌｔｅｒ．Ｔｈｅｌｏｎｇｔｉｍｅｒｕｎｎｉｎｇａｖｅｒａｇｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｗａｓ９５％，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｒｅｍｏｖａｌｌｏａｄｉｎｇｏｆ２５１ｇ／（ｍ３·ｈ）ｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｃｒｏｓｓｆｌｏｗｂｉｏｔｒｉｃｋｌｉｎｇｆｉｌｔｅｒｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｆｏｒｔｏｌｕｅｎｅｒｅｍｏｖａｌ．Ａｎｄｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｆｉｌｔｅｒｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｕｓｉｎｇｃｅｒａｍｉｃｐｅｌｌｅｔｗｉｔｈｂｉｇｇｅｒｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａａｓｔｈｅｐａｃｋｅｄｍｅｄｉａ，ｏｒｒｅｐｌａｃｉｎｇｎｕｔｒｉｅｎｔｌｉｑｕｉｄｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙａｎｄｐｒｏｐｅｒｌｙ．Ｔｈｅｃｒｏｓｓｆｌｏｗｂｉｏｔｒｉｃｋｉｎｇｆｉｌｔｅｒｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｗｉｔｈｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐａｎｄｕｎｉｆｏｒｍｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｇａｓａｎｄｓｐｒａｙｌｉｑｕｉｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃｒｏｓｓｆｌｏｗ；ｂｉｏｔｒｉｃｋｌｉｎｇｆｉｌｔｅｒ；ｔｏｌｕｅｎｅ；ａｃｃｌｉｍａｔｉｏｎ；ｗａｓｔｅｇａｓｔｒｅａｔｍｅｎｔ基金项目：北京市自然科学基金资助项目（８０５２００４）；北京工业大学青年基金资助项目（９７００５０１３２００４０２）收稿日期：２００７－０９－１７；修订日期：２００７－１１－０５作者简介：张京（１９８２～），女，硕士研究生，主要从事大气污染控制工程。Ｅｍａｉｌ：０１０５５１０４＠ｅｍａｉｌｓ．ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯联系人，Ｅｍａｉｌ：ｌｊｉａｎ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 生物法处理挥发性有机废气（ＶＯＣｓ）具有效率高、成本低、无二次污染等优点。随着人们对ＶＯＣｓ污染状况的逐渐重视，生物法必将得到更快的发展。生物法处理工艺主要有生物洗涤法、生物过滤法和生物滴滤法３种，其中生物滴滤因具有可调节微生物营养供给和生长环境的优势更是成为国内外学者的研究热点，主要集中在不同目标污染物、高性能填料、高效降解菌和机理模型等研究内容上［１～４］。大多数生物滴滤装置为生物填料塔，采用气液并流或逆流的操作方式，然而由于滴滤塔具有一定高度，喷淋液中营养物质因被微生物吸收利用，浓度分布随着塔轴线降低呈现不均匀性，导致滤塔内湿度和生物量分布不均，影响了净化效果，易产生压降高堵塞等问题，增大了设备体积和投资费用，给操作管理带来不便，限制了生物滴滤塔在工业实际中的进一步应用。本实验采用自行设计的错流式生物滴滤装置［５］，以甲苯为目标污染物，以陶粒为填料，焦化厂活性污泥为菌源，进行实验研究。相比较于立式滴滤塔而言，水平错流式滴滤床能保持反应器的畅通，床内气液交叉分布较均匀，填料内部不易形成沟流。环境工程学报第２卷１ 实验装置与方法１．１ 实验装置实验采用的生物滴滤床由有机玻璃制成，总长为３５０ｍｍ，总高为２００ｍｍ。床内填料层长２５０ｍｍ，宽１００ｍｍ，高１５０ｍｍ。实验采用２套完全相同的设备，分别加入２种不同规格的陶粒填料，其物性参数如表１所示。表１ 填料物性参数Ｔａｂｌｅ１ Ｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｐａｃｋｅｄｍａｔｅｒｉａｌ填料名称规格（ｍｍ）比表面积（ｍ２／ｇ）堆积密度（ｇ／ｃｍ３）大陶粒３－５１．２８１．５６小陶粒２～３１．３３１．８３１．２ 实验流程实验采用错流的操作方式，甲苯废气采用动态法配制，挥发的甲苯气体和主气流在混合瓶中混合均匀，而后由水平方向进入生物滴滤床，与填料上润湿的生物膜接触而被净化，净化后气体排出。滴滤床顶部设有液体喷淋装置，营养液通过自动进液装置定时定量喷淋而下，经反应器流入水槽循环使用，营养液由一定浓度的磷酸盐缓冲溶液（０１１ｇ／ＬＫ２ＨＰＯ４·Ｈ２Ｏ、０１６ｇ／ＬＮａ２ＨＰＯ４·１２Ｈ２Ｏ、００４ｇ／ＬＫＨ２ＰＯ４和００２５ｇ／ＬＮＨ４Ｃｌ）、ＭｇＳＯ４溶液（００７ｇ／Ｌ）、ＣａＣｌ２溶液（００４ｇ／Ｌ）、ＦｅＣｌ３溶液（０２５ｍｇ／Ｌ）以及微量元素（００４ｍｇ／ＬＭｎＳＯ４·Ｈ２Ｏ、００４ｍｇ／ＬＺｎＳＯ４·Ｈ２Ｏ、００３ｍｇ／ＬＮａ２ＭｏＯ４·４Ｈ２Ｏ）组成［６］。实验系统流程图如图１所示。实验在常温常压下进行，气体流量为０１～０４ｍ３／ｈ，气体空床停留时间为１０８～２７ｓ，循环液喷淋流量为０１２５Ｌ／ｈ，ｐＨ值控制在７０～７２，实验温度２０～３０℃。图１ 错流式生物滴滤床净化甲苯废气实验装置图Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｃｒｏｓｓｆｌｏｗｂｉｏｔｒｉｃｋｌｉｎｇｆｉｌｔｅｒ１．３ 菌种驯化方法实验采用焦化厂污泥作为菌源，好氧摇瓶振荡法［７］进行驯化。在２５０ｍＬ的好氧振荡瓶中加入５０ｍＬ无机培养基，５ｍＬ污泥混合液和一定量的甲苯，培养基成分参考文献［８］配置。每个驯化周期结束时，取５ｍＬ培养基移接至新鲜的培养基中，并逐步提高加入甲苯的量（２～３０ｍｇ／Ｌ）。摇床转速为１５０ｒ／ｍｉｎ，温度为３０℃。驯化５个周期之后，采用ＬＢ富集培养基进行富集培养，ＬＢ培养基成分为３ｇ／Ｌ牛肉膏、１０ｇ／Ｌ蛋白胨、５ｇ／ＬＮａＣｌ，调节ｐＨ值至７０。将富集培养后得到悬浊液于离心管内进行离心沉淀，离心机运行转速为６０００ｒ／ｍｉｎ，离心时间１０ｍｉｎ。去掉上清液，用磷酸缓冲溶液洗涤余下部分，制备成菌悬液。１．４ 检测项目与方法（１）甲苯：气相色谱法。气相色谱仪（Ａｇｉｌｅｎｔ６８９０）参数为：ＦＩＤ检测器，色谱柱为ＨＰ５型毛细柱（柱长３０ｃｍ，内径０３２ｍｍ，柱内涂膜厚０２５μｍ）。色谱检测条件为：炉温６０℃，检测器温度为３００℃，进样口温度１００℃，以氮气为载气。采用静态配气法绘制标准曲线。（２）压降：微压计。２ 实验结果与分析２．１ 挂膜启动将制得的菌悬液均匀喷淋在每层填料上，并通过喷淋装置使之不断循环。含有甲苯的气体从填料层通过，生物滴滤反应器随之开始启动。在启动期内，定期对进出口的气体进行取样分析，观察净化效果，定期补充菌悬液。图２为以小陶粒为填料的生物滴滤床的挂膜启动情况。设备启动后第４ｄ，可以观察到填料表面出现少量乳白色生物膜，颜色随启动时间增加逐渐加深，呈淡黄色。挑取少量生物膜，染色显微镜观察，可以看到菌胶团的长势良好。去除效率随着挂膜时间的增加，由第１ｄ的１０６５％在达到第６ｄ的８０８２％，并继续增加达到稳定，去除效率维持在９０％以上；同时体积去除负荷呈增加趋势，表明反应器内生物膜生长逐渐成熟，对甲苯的生物净化作用逐渐增强。至此表明使用以焦化厂污泥作为菌源进行驯化得到的菌体以及错流的操作方式可以成功挂膜，且比传统生物滴滤塔２周挂膜启动时间缩短将近１周。０６第１期张 京等：错流式生物滴滤床净化甲苯废气图２ 滴滤床挂膜启动运行情况（气体流量为０．１ｍ３／ｈ，进口甲苯浓度为１０００～１４００ｍｇ／ｍ３）Ｆｉｇ．２ Ｓｔａｒｔｕｐｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｆｉｌｔｅｒ２．２ 系统长期运行挂膜启动之后，系统在常温常压下连续运行处理甲苯废气，图３为以小陶粒为填料的反应器长期运行情况。运行实验表明，在气体流量为０１～０４ｍ３／ｈ，气体空床停留时间（ＥＢＲＴ）为１０８～２７ｓ，进气质量浓度为１１２０～１９２８ｍｇ／ｍ３的范围内，装置处理性能稳定，平均去除效率为９５％，单位体积填料最大去除负荷能力为２５１ｇ／（ｍ３·ｈ）（此时对应进气甲苯浓度为１９２７４５ｍｇ／ｍ３气体流量为０４ｍ３／ｈ）。反应器表现出较好的稳定性，也表明错流式生物滴滤装置长期运行的可行性。表２中为其他一些研究者采用生物滴滤装置处理甲苯气体时的情况，可以看出，在本研究情况下反应器的净化能力得到了强化，去除率和体积去除负荷都有了一定提高。Ａ．气量０１ｍ３／ｈ；Ｂ．气量０２ｍ３／ｈ；Ｃ．气量０４ｍ３／ｈ；图３ 滴滤床长期运行情况Ｆｉｇ．３ Ｌｏｎｇｔｉｍｅｒｕｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅｆｉｌｔｅｒ表２ 其他研究报道中生物滴滤法处理甲苯的情况Ｔａｂｌｅ２ Ｂｉｏｔｒｉｃｋｌｉｎｇｆｉｌｔｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｏｒｔｏｌｕｅｎｅｒｅｍｏｖａｌｉｎｏｔｈｅｒｒｅｐｏｒｔｓ操作方式填料入口浓度（ｇ／ｍ３）停留时间（ｓ）去除率（％）体积去除负荷（ｇ／ｍ３·ｈ）研究者并流炉渣０～１１．７１２０～３６０６０～９９６０～１３０文献［９］逆流生物陶粒０．５４～１．０４４３．２～６１．７７０～１００１０３．３５文献［２］逆流不锈钢拉西环０．６～３．１５３０～１２６６０～１００１５７文献［１０］逆流生物陶瓷１．０２～２．０４４０～１２０９４～９９８３文献［１１］错流生物陶粒１．１２～１．９２２７～１０８９０～９９１７４～２５１本研究２．３ 填料对去除效果的影响填料是生物滴滤装置的重要组成部分，微生物生存和生长的介质，影响反应器挂膜的难易程度和生物膜性能的好坏。填料的比表面积、空隙率与单位床层的生物量有关，还直接影响系统的压降和堵塞问题。实验中同时运行了２套完全相同的装置，分别采用大小不同规格的陶粒进行对比研究。图４和图５分别为挂膜启动期间和长期运行期间２种填料的对比图。从挂膜启动期来看，整个挂膜期间，小陶粒的体积去除负荷始终大于大陶粒的体积去除负荷；从稳定运行期来看，２座滤床的净化效果存在着差异，小陶粒为填料的系统平均去除效率维持在９５％，而大陶粒为填料的系统平均去除效率维持在