甘蔗渣／活性炭為填料的生物過濾塔去除甲苯氣體

摘要：采用兩個生物過濾塔處理空氣中的甲苯，生物過濾塔A以活性炭：甘蔗渣：花土=2:1:1的混合物為填料，過濾塔B以甘蔗渣：花土=3：1為填料。考察了甲苯的去除率、去除負(fù)荷、填料堆積密度、pH、含水率、可溶性總氮（TN）和可溶性總磷（TP）的變化。結(jié)果表明，在甲苯濃度低于600 mg·m-3，兩個過濾塔對甲苯的去除率均在80 %以上，甲苯的去除為近似的一級動力學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過30天的運行，兩個過濾塔中填料pH均從7.5降至6.9；生物過濾塔A的堆積密度從原來的650kg·m-3減少到590 kg·m-3，含水量從67%降至52%，TN和TP分別從7 mg·kg-1和5mg·kg-1降至約5和4 mg·kg-1；過濾塔B中填料的堆積密度從450 kg·m-3增加到約600kg·m-3，含水量從65%降至50%，TN和TP分別從8 mg·kg-1和6 mg·kg-1降至約5 mg·kg-和4 mg·kg-1。

關(guān)鍵詞：生物過濾；甲苯；甘蔗渣

空氣中的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是形成光化學(xué)煙霧的前驅(qū)物以及形成酸雨的氧化劑，也是可吸入顆粒物和細(xì)粒子的主要成分。

生物處理技術(shù)尤其是生物過濾技術(shù)在處理VOCs方面具有成本經(jīng)濟(jì)、操作簡單、無二次污染等特點而受到廣泛的關(guān)注和研究[1-3]。在生物過濾工藝中，生物過濾塔內(nèi)裝具有生物載體（填料），可降解污染物微生物附著在填料的表面，VOCs 氣體直接與附著在固體填料表面的生物膜接觸，形成沒有連續(xù)液相存在的反應(yīng)體系，微生物將氣體中的污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)[2]。載體是廢氣生物處理的核心，新鮮載體的pH應(yīng)為7~8，孔隙率要大于80 %，有機(jī)質(zhì)含量要大于55 %。農(nóng)作物殘渣和堆肥具有一定的pH緩沖能力、釋放營養(yǎng)物的能力、表面可附著VOCs降解微生物，可用作微生物載體[4-7]。Sakuma et.al[7] 發(fā)現(xiàn)含有牛骨的陶土顆粒對空氣污染的去除能力大于珍珠巖、聚亞胺酯泡沫等。Hwang[8]等在實驗中發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物堆肥可以成功用于去除VOCs。Willie Jones B. Saliling[9]等利用木屑和麥稈作為生物過濾池填料用以污水處理，結(jié)果表明木屑和麥稈在處理效果上可以和商業(yè)合成塑料相當(dāng)甚至更好。

本研究選取甘蔗渣和甘蔗渣/活性炭混合物作為生物過濾塔的主要填料，構(gòu)建生物過濾塔，考察不同填料對生物過濾去除甲苯的影響并評價以甘蔗渣作為生物過濾塔填料去除甲苯的性能。

1材料與方法

1.1實驗裝置與填料組成

本研究的試驗裝置如圖1 所示. 其中，過濾塔（反應(yīng)器）A和B均由有機(jī)玻璃制成，圓柱形，內(nèi)徑5 cm，高度50cm，填料層高度25 cm。

反應(yīng)器A中的填料組成為活性炭：甘蔗渣：百花土=2：1：1(體積比)，反應(yīng)器B中的填料組成為甘蔗渣：百花土=3：1，兩種混合物均以4：1的體積比與活性污泥接種。活性炭為直徑0.5cm，高1.0cm的圓柱形，甘蔗渣直徑1-2cm。活性污泥來自廣州新塘污水處理廠，填料性質(zhì)見表1。

1.2 生物過濾塔的運行條件

兩個生物過濾塔均置于室內(nèi)，氣速5m/s，空塔停留時間3min，連續(xù)運行30d，期間空氣濕度50%-90%。在馴化期（反應(yīng)器運行的第一周），進(jìn)口甲苯濃度在100-150mg·m3。在馴化期間未檢測生物過濾塔對甲苯的去除效果，根據(jù)耿長君等[3]的研究結(jié)果，經(jīng)過一天的馴化，甲苯就可以達(dá)到穩(wěn)定去除率。

1.3 分析方法

氣相中甲苯濃度采用FID 檢測器的氣相色譜(Therimo， Ultra-GC 2000， USA) 測定. 分析條件如下:DB-5毛細(xì)管柱(0.25mm×30m，Angilet)，柱溫100 ℃，進(jìn)口溫度120 ℃，檢測器溫度150 ℃。填料中可溶性總氮（TN）和可溶性總磷（TP）的測定參考文獻(xiàn)[10]，pH采用PHS-3C型精密PH計（中國，上海）。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 過濾塔A對甲苯的去除效果

生物過濾塔A對甲苯的去除率和去除負(fù)荷見圖2和圖3。圖1可以看出，在甲苯濃度低于50 mg·m-3時，甲苯去除率在90%以上，當(dāng)甲苯濃度在200-400 mg·m-3之間時，甲苯去除率在85%，當(dāng)甲苯濃度在600 mg·m-3時，生物過濾塔A對甲苯的去除率在80-85%之間。由圖2可以看出，去除負(fù)荷隨甲苯進(jìn)口負(fù)荷的增加而增加，表明在運行濃度范圍甲苯去除反應(yīng)近似為一級反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)。

2.2 過濾塔B對甲苯的去除效果

生物過濾塔B對甲苯的去除率和去除負(fù)荷規(guī)律和過濾塔B類似（圖4和圖5）。圖4可以看出，在甲苯濃度低于50 mg·m-3時，甲苯去除率在90%以上，當(dāng)甲苯濃度在200-400 mg·m-3之間時，甲苯去除率在80-85%之間，當(dāng)甲苯濃度在600 mg·m-3時，生物過濾塔A對甲苯的去除率在80 %以上。由圖5可以看出，去除負(fù)荷隨甲苯進(jìn)口負(fù)荷的增加而增加，表明在實驗濃度范圍甲苯去除近似為一級動力學(xué)反應(yīng)。

2.3 過濾塔A和B的比較

2.3.1 去除率隨進(jìn)口負(fù)荷的變化

過濾塔A和B對甲苯去除率隨進(jìn)口負(fù)荷的變化如圖6所示。在負(fù)荷比較低時（低于1 g·m-3·h-1），去除率大致相同，甲苯負(fù)荷在 4-7 g·m-3·h-1之間時，生物過濾塔A對甲苯的去除率略高于生物過濾塔B，甲苯負(fù)荷在11-14 g·m-3·h-1之間時，雖然過濾塔A去除負(fù)荷仍然略高于B，但是有趨于一致的趨勢。生物過濾去除有機(jī)廢氣的過程中，有機(jī)物需要從氣相轉(zhuǎn)移到生物膜內(nèi)，在生物膜被微生物降解，降解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移則相反。在甲苯濃度相對較高時（4-7 g·m-3·h-1），可能由于活性炭較強(qiáng)的吸附作用，促進(jìn)了甲苯從氣相到生物膜的轉(zhuǎn)移，使得反應(yīng)器A具有相對較高的甲苯去除率。負(fù)荷繼續(xù)增加至11-14 g·m-3·h-1時，過濾塔A優(yōu)勢降低的原因可能是因為甘蔗渣和花土可以緩慢釋放供微生物新陳代謝的營養(yǎng)，而活性炭的存在稀釋了甘蔗渣和花土的含量，從而使單位體積內(nèi)可利用營養(yǎng)的含量不具有優(yōu)勢所造成，由于實驗運行時間在一個月左右，目前已經(jīng)設(shè)計了新的實驗考察較高負(fù)荷下的運行狀況。

2.3.2 填料性質(zhì)的變化

過濾塔A和B使用前后填料性質(zhì)的變化見圖7。由(a)可以經(jīng)過約30天的運行后，過濾A中的堆積密度由650kgom-3減少到590 kgom-3，過濾塔B中的填料堆積密度從450 kg·m-3增加到約600kg·m-3。這是因為生物過濾過程中甘蔗渣的腐爛、填料中有機(jī)質(zhì)的消耗和氣體流動的壓實作用使得B中的填料體積收縮，而活性炭良好的支撐作用以及填料中有機(jī)質(zhì)的消耗使得過濾塔A中的填料堆積密度在運行30天后略有減少。這種減少有兩方面的影響，一方面增加了填料的空襲率和流動阻力，有利于氣態(tài)污染物的降解，另一方面有可能會導(dǎo)致填料內(nèi)部出現(xiàn)短路，從而不利于污染物的降解，這也有可能是導(dǎo)致過濾塔A和B在不同負(fù)荷下去除率不同的原因之一。

由圖7中的（b）、（c）、(d)可以看出，經(jīng)過30天運行后，過濾塔A和B中填料的pH均從7.5下降到6.9左右，表明在甲苯降解過程中填料發(fā)生了酸化，填料的含水率分別從67 %和65 %下降至52 %和50 %；過濾塔A填料中TN和TP的含量分別7mg·kg-1和5mg·kg-1降至約5和4mg·kg-1，過濾塔B填料中TN和TP分別從8mg·kg-1和6mg·kg-1降至約5mg·kg-和4mg·kg-1。這和大多數(shù)研究者的結(jié)果相符[10，11-1２]，表明在利用活性炭/甘蔗渣或者甘蔗渣作為生物過濾塔填料處理甲苯過程中，需要補(bǔ)充水、pH緩沖劑和微生物所要的營養(yǎng)。

結(jié)論

以甘蔗渣/活性炭/花土或者以甘蔗渣/花土作為生物過濾塔的填料，可以成功去除空氣中的甲苯，在停留時間3min，甲苯濃度在600mg·m-3以下，甲苯的去除率在80%以上。

在生物過濾去除甲苯的過程中，由于填料中有機(jī)質(zhì)的降解和活性炭的支持作用，以甘蔗渣/花土的堆積密度增加，甘蔗渣/活性炭/花土的堆積密度略有減小。

經(jīng)過30天的運行，填料pH、含水率和可溶性總氮和總磷的含量均減小，表明生物過濾過程需要補(bǔ)充pH緩沖劑、水分和微生物可利用營養(yǎng)。

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