文章编号:0253-2468(2001)-增刊-0122-05 中图分类号:X712 文献标识码:A生物过滤塔、生物滴滤塔降解苯和甲苯的性能比较李国文1,胡洪营1,郝吉明1,马广大2(1.清华大学环境工程系,北京 100084;2.西安建筑科技大学,西安 710054)摘要:分别选取活性炭、拉西环为生物过滤塔、生物滴滤塔滤料,苯、甲苯为VOCs 代表,研究过滤塔、滴滤塔VOCs 生物降解性能.实验表明,在总有机负荷低于400g/(h #m 3)、停留时间小于90s 的实验条件下,过滤塔、滴滤塔对苯、甲苯均有较强的降解能力,过滤塔中苯、甲苯的最大削减能力分别为128、175g/(h #m 3),滴滤塔中苯、甲苯的最大削减能力分别为118、140g/(h #m 3),甲苯比苯更易被微生物降解;滤塔中CO 2生成量随苯、甲苯降解量的增加呈线性增长,但实验增长速率小于理论增长速率;菌落分析表明,滤塔中微生物主要有真菌、杆菌、芽孢杆菌,其中芽孢杆菌为优势菌种.关键词:过滤塔;滴滤塔;生物降解;苯;甲苯.Use of biofilter and biotrickling reactors to treat benzene and toluene LI Guow en 1,H U Hongying 1,HAO Jiming 1,M A Guangda 2 (1.Dept of Envir Sci and Eng,Tsinghua Un -i versity,Beijing 100084;2.Dept of Envir Sci and Eng,Xi .an Arch &Tech,Xi .an 710054)Abstract: T his research,selecting Activated Carbon and Ras chig ring as th e filter of bi ofilter and biotrickling reactors resp ectively and taking toluene and benzene as representatives of VOCs,aims to comp are the performance of biofilter to bi otri ckling reactors for the removal of toluene and benzene from air streams.The resu lts show that the biofilter and biotrickling reactors can effectively treat gases containi ng toluene and benzene.For total mass l oading lower than 400g/(h #m 3),retention time ranging from 15s to 90s ,the eliminati on capacities(EC)of toluene and benzene in biofi lter are more higher than those of bi otri ckling reactor:The EC in b iofilter of b enzene and toluene are 128,175g /(h #m 3)respectively ,theEC in bi o -trickling reactor of benzene and toluene are 118,140g/(h #m 3)sevearlly.T he CO 2produ ced increases w ith th e d egrad ation of benzene and toluene,but the exp erimental value is low er than the theoretical valu e.Th e observation of bi oti c community d emonstrates that the microb es are composed of fungi ,bacillus and spore baci llus.of them s pore baci llus i s dominant.K ey words: biofilter;bio -tri ckling reactor;bi o -treatment;benzene;toluene1 前言挥发性有机化合物(VOCs)作为有机化合物的主要分支,是指在常温下饱和蒸汽压大于70Pa 、常压下沸点在260e 以内的有机化合物,VOCs 广泛地存在于水、土壤和大气环境中,其中许多是有毒有害物质.目前,一般采用催化燃烧、化学氧化、吸附、吸收等方法去除VOCs,但都有一定的局限性.生物净化技术是近年来发展起来的VOCs 控制技术,与常规处理法相比,具有设备简单、运行费用低、较少形成二次污染等优点,尤其在处理低浓度、生物可降解性好的气态污染物时更显其经济性.根据系统的运转情况和微生物的存在形式,可将生物处理工艺分为生物过滤塔系统和滴滤塔系统[1].本研究选择苯、甲苯为VOCs 代表,选取柱状活性炭和拉西环为过滤塔和滴滤塔滤料,研究过滤塔、滴滤塔对苯、甲苯生物降解性能,为生物法在VOCs 净化领域的应用提供依据.基金项目:清华大学百人计划支持基金;陕西省自然科学基金作者简介:李国文(1968)),男,博士后第21卷增刊2001年6月 环 境 科 学 学 报ACTA SCIENTIAE CIRCUM STANTIAE Vol.21,SupplJun.,20012 实验材料与方法2.1 生物过滤塔工艺流程及实验装置见图1.采用柱状活性炭为过滤塔滤料,接种炼油厂活性污泥对滤料静态挂膜,待达到较好的降解性能后进行动态实验.过滤塔由内径100mm 、有效高度800m m 的有机玻璃塔组成,沿塔高度方向设置4个气体采样口、3个温度测定口和滤料介质提取口.实验过程中,循环液通过注塞泵从循环液槽提升至滤塔顶部与气向主体同向下渗为微生物提供水分和营养,液相为非流动相[2].图1 过滤塔、滴滤塔降解VOCs 工艺流程Fig.1 Lab oratory biofilter and bio -trickling reactor2.2 生物滴滤塔工艺流程及实验装置见图1.采用拉西环为滴滤塔挂膜介质,接种炼油厂活性污泥对滤料动态挂膜.其规格同过滤塔,运行方式也是气液同向流,但与过滤塔不同的是循环液为流动相,起着吸收有机物和为微生物提供水分和营养的双重作用.2.3 VOCs 源气VOCs 源气采用动态法配制,空压机供气进入空气贮罐,通过减压阀减压并经活性炭过滤后的空气分为主气流和辅气流两股,主气流经缓冲瓶进入VOCs 挥发瓶,将VOCs 溶液鼓泡挥发,与辅气流进入气体混合瓶充分混合并增湿后,形成VOCs 源气.源气浓度通过调整挥发瓶温度和主气流与辅气流的比例来控制,通过取样监测来确定.配好的源气由塔顶分别进入过滤塔和滴滤塔.2.4 VOCs 选则和营养液配比选择甲苯(分析纯)为VOCs 代表,研究过滤塔和滴滤塔生物降解性能.根据甲苯有机负荷、系统pH 要求和微生物对营养的需求平衡,配制含有K 2PO 4、NaHPO 4、NH 4Cl 、FeCl 3、Mn -SO 4、M gSO 4、CaCl 2营养液,维持微生物正常生长和较高的降解能力.2.5 测试方法甲苯浓度:用气相色谱法测定,色谱仪装有氢火焰检测器,色谱柱内径为1mm,长为4m 的不锈钢柱,柱内填充玻璃微球(40~60目),柱温64e ,汽化室温度150e ,检测室温度150e ,氢气流量50mL/min ,氮气流量50mL/min,助燃空气流量320mL/min.CO 2浓度测定:便携式CO 2测定仪,量程0)6000mg/m 3.微生物菌落特征分析:分别提取过滤塔和滴滤塔生物膜进行培养,用结晶紫单染色,显微观测菌落形态、大小、特征和颜色并进行平板计数,估算各菌落比例.123增刊 李国文等:生物过滤塔、生物滴滤塔降解苯和甲苯的性能比较3 结果与讨论在温度20)30e ,循环液pH =7)8,气体流量为0.25、0.50、0.75m 3/h,所对应的停流时间分别为75、38、25s,入口苯、甲苯浓度分别为200)4000mg/m 3,过滤塔滤料40%)60%,滴滤塔循环液喷淋量150、200mL/h 的实验条件下,运行生物过滤塔、滴滤塔,实验历时3个月,测定各条件下苯、甲苯浓度、CO 2浓度和温度变化,镜检分析微生物菌落特征和数量,比较过滤塔、滴滤塔对苯、甲苯的降解性能[3].运行结果见图2.图2 浓度、流量、降解能力、CO 2生成量随时间变化曲线Fig.2 Operating cond itions(inlet toluene and benzene concentrati on and flow rate vs.ti m e,eliminati on cap acityand q uantity of CO 2producted vs.time)3.1 过滤塔、滴滤塔降解能力(EC)和降解效率比较[4]评价生物滤塔降解性能的重要指标是有机物的降解能力(EC)和降解效率(EE),EC 是指单位体积滤料单位时间内有机物的降解量,g (VOC)/(h #m 3)(滤料).根据动态实验绘制EC 随负荷F 变化曲线和EE 随浓度变化曲线,分别见图3a 、图3b.图3 降解能力随进口负荷变化曲线Fig.3 Eliminati on capacity vs.inlet load for variou s gas flow rates由图3可知,当负荷较低时,过滤塔和滴滤塔对苯、甲苯消解能力均随负荷的增加而增大,124环 境 科 学 学 报 21卷但两种塔型对甲苯的削减能力大于对苯的削减能力,当苯、甲苯的负荷大于150g /(h #m 3)(滤料)时,滤塔对苯、甲苯的消解能力不再增加,而是稳定在一较高水平,可以认为滤塔生物降解性能达到最佳,此时,EC 最大.过滤塔中苯、甲苯的最大削减能力分别为128、175g/(h #m 3),滴滤塔中苯、甲苯的最大削减能力分别为118、140g/(h #m 3),由此可见过滤塔比滴滤塔有较强的苯、甲苯降解能力,甲苯比苯更易被微生物降解.图4 降解效率随进口浓度变化曲线Fig.4 Removal efficiency vs.inlet concentrati on for various gas flow fate由图4可知,过滤塔、滴滤塔对苯、甲苯的降解效率随浓度的增加呈下降趋势,下降速率随气量的增加而加快,且过滤塔的降解效率大于滴滤塔的降解效率,甲苯的降解效率大于苯的降解效率.当浓度小于1000mg/m 3时,在3种气量条件下,滤塔对苯、甲苯的降解效率均保持在80%以上.当Q =0.25m 3/h 、降解效率大于80%时,滴滤塔、过滤塔苯的进口浓度分别为1600、2000mg /m 3,甲苯的进口浓度分别为3500、4200mg /m 3.说明与滴滤塔相比过滤塔具有更强的苯、甲苯降解能力和抗冲击能力.3.2 过滤塔、滴滤塔CO 2生成量分布图5 CO 2浓度随进口浓度变化曲线Fi g.5 CO 2concentrati on vs.benzene and toluene inlet concentration滤塔生物降解过程中,苯、甲苯被微生物代谢,生成CO 2、H 2O 和生物机体,最终被降解.因此,滤塔CO 2生成量是表征滤塔生物降解性能好坏的一个重要参数.图5是过滤塔、滴滤塔降解苯、甲苯过程中CO 2生成浓度随进口浓度变化曲线.在试验条件下,滤塔出口CO 2生成浓度始终大于0,表明滤塔内部生物降解反应的进行.当Q =0.50m 3/h 时,滤塔CO 2生成浓度随进口浓度的增加而增加,当浓度较低时,增长速率较快,但随着进口浓度的增加,CO 2增长速率逐渐减慢,这一结果与图3中表征的滤塔削减能力曲线相一致,进一步证明了滤塔的生物降解性能.CO 2生成量随苯、甲苯降解量变化曲线见图6,由图可知,CO 2生成量随苯、甲苯的降解量的增长呈线性增长.过滤塔中,甲苯降解过程中单位滤料CO 2的生成量是甲苯降解量的2.15倍,苯降解过程中单位滤料CO 2的生成量是苯降解量的1.66倍;滴滤塔中,甲苯降解过程中CO 2的生成量是甲苯降解量的1.57倍,苯降解过程中CO 2的生成量是苯降解量的1.57倍,进一步表明,过滤塔比滴滤塔有更好的苯、甲苯降解能力,甲苯更易被微生物所降解.但是,在苯、甲苯完125增刊 李国文等:生物过滤塔、生物滴滤塔降解苯和甲苯的性能比较全氧化生成水和CO 2的过程中,CO 2的生成量与苯、甲苯降解量的理论比分别为3.30、3.35,实验值小于理论值,这是由于在有机物的生物降解过程中,部分有机物被微生物利用,生成生物机体,同时,少量的CO 2以HCO 3-、H 2CO 3、CO 32-形态沉积于滤料中或随液向流失所致.图6 CO 2生成量随降解量变化曲线Fig.6 Quantity of carbon dioxide produced vs.elimination capacity 3.3 生物膜菌落分析分别提取过滤塔、滴滤塔微生物膜进行培养、染色,观测记录菌落分析结果,见图7.从图中可知,构成过滤塔、滴滤塔降解苯、甲苯的微生物膜的菌落组成基本相同,均为真菌、杆菌和芽孢杆菌,其中芽孢杆菌为优势菌种.滤塔降解苯、甲苯生物菌落差异是,在降解甲苯过程中短杆菌的数量远远少于降解苯过程中短杆菌的数量.滤塔中的优势菌种杆菌为假单胞菌属,是一种对有机化合物有很强生化能力的化能异氧型细菌,其对苯、甲苯的生物降解能力为生物法降解VOCs 的工业化应用提供生物学基础.图7 滤塔生物菌落分析Fig.7 Observation of bi oti c community4 结论在总有机负荷低于400g/(h #m 3)、停留时间小于90s 的实验条件下,滴滤塔中苯、甲苯的最大削减能力分别为118、140g /(h #m 3),过滤塔中苯、甲苯的最大削减能力分别为128、175g/(h #m 3),过滤塔、滴滤塔有较强的苯、甲苯降解能力,甲苯比苯更易被微生物降解.过滤塔、滴滤塔对苯、甲苯的降解效率随浓度的增加呈下降趋势,下降速率随气量的增加而加快,且过滤塔的降解效率大于滴滤塔的降解效率,甲苯的降解效率大于苯的降解效率,过滤塔比滴滤塔具有更强的抗冲击能力;滤塔中CO 2生成量随苯、甲苯的降解量的增加呈线性增长,但实验增长速率小于理论增长速率,这是由于在有机物的生物降解过程中,部分有机物被微生物利用,生成生物机体,同时,少量的CO 2以HCO 3-、H 2CO 3、CO 32-形态沉积于滤料中或随液向流失所致;菌落分析表明,滤塔中微生物主要有真菌、杆菌、芽孢杆菌,其中芽孢杆菌为优势菌种.参考文献:[1]Paul T ogna,M anjari Singh.Biological vapor-phase treatm ent using biofilter and biotricki ng filter reactor:practical operating regimes[J].Envir Progr,1994,13(2):94)97[2]Aaron B Neal,Raymond C e of bio-fi lters and suspended-grow th reactors to treat VOCs [J].W aste M anage -ment,2000,20:59)68[3]李国文.生物法净化挥发性有机废气(VOCs)的研究[D].西安:西安建筑科技大学.1999[4]李国文,胡洪营,郝吉明,等.生物滴滤塔中挥发性有机物降解模型及应用[J].中国环境科学,2001,21(1):81)84126 环 境 科 学 学 报 21卷/yq_class/yq_269_1.html。