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一种复合生物除臭填料的性能评价

发布时间:2021年10月25日 点击数:1011

0 引言

生物过滤 (biofiltration, BF) 是去除废气中有害和恶臭物质的一种有效方法。该法主要是利用微生物对恶臭成分进行分解转化, 由于运行过程中既不需要化学药剂, 也不像吸附法那样需要再生, 因此比普通的物理或化学除臭方法的运行费用要低, 而且没有二次污染。填料是生物过滤装置的核心部件, 是微生物附着生长、物质传递的载体, 其性能直接影响着废气净化效果[1,2,3,4]。理想的填料应具备以下特征[5]: (1) 合适的颗粒尺寸、孔隙率、比表面积, 最好的载体应具有圆柱状的外形; (2) 较高的营养供给能力; (3) 持水性强; (4) 缓冲能力强, 避免较大的p H值变动; (5) 机械抵抗力强, 并具有化学惰性和稳定性, 适于微生物挂载、生长等。

传统的填料如土壤、堆肥、泥炭、木屑、玉米芯等在运行过程中常因有机物质的分解而导致填料层发生塌陷和压实, 阻力系数增大, 从而造成生物过滤塔的除臭效率下降[6]。无机材料如多孔陶粒、煅烧方石英、珍珠岩等因具有质轻、坚固不易压实等优点也常作为生物过滤塔的填料被选用, 但由于这些物料吸附性能力小、保水性差和无法为微生物生长繁殖提供营养等, 一般无法单独使用。

近年来, 采用多种材料制成复合型填料, 提高生物过滤除臭的效率一直受到人们的关注与重视。Gaudin[1]等人采用碳酸钙、有机胶黏剂、磷酸脲等材料进行复合制得颗粒型填料, 该填料不仅具有一定的营养成分, 而且具有较好的生物附着特性及p H缓冲能力, 对H2S的去除能力明显优于松树皮、多孔熔岩。

本试验首先采用几种有机和无机原料进行复合制成生物除臭填料, 然后以硫化氢为模拟废气, 通过与玉米芯和多孔陶粒等传统填料进行比较, 以探讨和评价该填料的除臭效果, 为进一步开发高效的复合型生物除臭填料提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

水泥 (标号为:425#普通硅酸盐水泥) , 珍珠岩粉末 (颗粒粒径0.5~1 mm) , 石膏粉, 锯末 (颗粒粒径:0.5~1 mm) , 水玻璃 (质量浓度0.5 kg·L-1) , 多孔陶粒 (粒径10~15mm) 和玉米芯颗粒 (粒径10~15 mm) 。本试验所选的填料玉米芯和多孔陶粒的物理特性见1。

表1 试验用填料的物理性质     下载原表

表1 试验用填料的物理性质

1.2 复合填料制作方法

试验采用水泥粘合—挤压造粒的方法制作复合填料, 具体制作步骤如下:将水泥、珍珠岩粉末、石膏粉、锯末等原料按比例称量后放于一个容器中混合均匀, 然后将水玻璃溶液按质量分数66%的比例加入到上述混合物中, 之后采用挤压法进行造粒, 压力强度为40 N/cm2, 颗粒为直径10 mm、长15 mm的圆柱体。颗粒制作后在常温状态下自然养护48 h后风干待用。

1.3 试验装置

本试验装置共由含H2S废气发生装置和生物滤塔两部分构成 (实验装置如图1所示) 。其中生物过滤塔为PVC柱做成, 滤塔内径110 mm。试验时分别以玉米芯、复合填料和多孔陶粒装填生物除臭塔, 装填高度一致, 均为500 mm, 滤塔内填料的容积为4.7×10-3m3


1.4 脱硫菌的筛选方法及生物滤塔的驯化挂膜

取牛粪堆肥浸提液 (固∶水比为1∶10) 按照10% (体积分数) 的量接种到装有萨氏硫化细菌培养液的三角瓶中, 恒温振荡培养 (30℃, 180 r·min-1) 4 d, 然后取上述培养液按10% (体积分数) 的量接种于Leathen培养液中, 之后每隔24 h投加能源硫化钠并逐渐递增, 投加硫化钠前测定三角瓶中S2-的含量并计算脱硫效率, 待脱硫效率达到90%时认为驯化成熟, 最后进行脱硫菌的分离纯化和保存。本试验采用循环挂膜法将脱硫菌接种于三种填料, 完成驯化挂膜后, 考察三种填料生物滤塔对H2S的去除效果。

1.5 测量指标与方法

H2S浓度:采用大气采样器, 以25 m L碱性锌氨络盐为吸收液, 在0.5 m L/min的气体流量采集样10 min, 吸收液中的浓度用亚甲基蓝比色法测定 (GB11742-1989) ;硫酸根:铬酸钡光度法;微生物数量[7]:从塔内取有代表性的填料样品若干, 浸入无菌蒸馏水中, 振荡12 h, 分离出生物膜, 菌悬液转入高速离心机中, 在10 000 r/min-1下离心5 min, 离心沉淀物在105℃下干燥至恒重。

2 结果与讨论

2.1 进气浓度对去除率的影响

控制进气浓度在0~200 mg/m3, 填料含水率保持在55%左右, 当进气流量为0.2 m3·h-1时, 玉米芯填料生物除臭塔、复合填料生物除臭塔、多孔陶粒填料生物除臭塔进气浓度和去除率的关系如图2所示。

图2 进气浓度对H2S去除率的影响

图2 进气浓度对H2S去除率的影响   下载原图


由图2可看出, 在低浓度时, 玉米芯填料生物过滤塔去除H2S的效率要高于复合填料生物过滤塔和陶粒填料生物过滤塔;当进气浓度小于35 mg/m3时, 三种填料塔的除臭效率基本保持在90%以上, 但随着浓度的提高, 进气浓度在35~165 mg/m3范围内, 复合填料生物除臭塔和玉米芯填料生物除臭塔的除臭效果比较稳定, 去除率一直保持在85%~90%, 其除臭效率大于陶粒填料生物除臭塔。因此, 该试验结果表明, 在低浓度时, 生物除臭对填料的要求不高, 一般填料都能满足其除臭需要。在高浓度时, 生物除臭对于填料的要求有所提高, 不但要求填料具有一定的空隙率和比表面积, 还要具有一定的营养供给能力。复合填料和玉米芯填料在营养供给和比表面积等方面要强于多孔陶粒填料。

2.2 容积负荷对去除率的影响

生物过滤塔的容积负荷是由进气浓度和进气流量决定的, 本试验研究了三种生物过滤塔在不同容积负荷的条件下, 对硫化氢的去除情况, 结果如图3所示。

图3 容积负荷对H2S去除率的影响

图3 容积负荷对H2S去除率的影响   下载原图


当进气负荷小于40 g (H2S) · (m3·d) -1时, 三种填料塔的去除率都在90%以上, 但随着进气负荷的加大H2S的去除率有所下降。其原因主要是随着填料的吸附逐渐达到饱和, 由吸附作用产生的H2S去除贡献已越来越小, 因此H2S的去除率有所下降, 但随着微生物的数量和活性的逐渐提高, 微生物转化H2S的作用越来越明显, 并逐渐起主导作用, 所以H2S的去除率又有所回升并保持在90%以上;当容积负荷在40~170 g (H2S) · (m3·d) -1时, 玉米芯填料生物除臭塔和复合填料生物除臭塔的去除率保持在85%以上, 此时多孔陶粒填料生物除臭塔的除臭效果逐渐下降到70%。这说明多孔陶粒填料塔内的微生物数量要小于玉米芯填料塔和复合填料过滤塔。

2.3 运行过程中不同填料的p H值变化

图4 填料p H值的变化情况

图4 填料p H值的变化情况   下载原图


微生物在转化H2S的过程中, 因有硫酸的产生和积累常导致填料p H值的下降。尽管脱硫菌喜酸性环境, 但p H值过低也会降低其微生物活性。从试验结果看 (见图4) , 在除臭试验的运行初期 (0~2周内) , 填料的p H值由7.0降至5.5左右, 随后填料的p H值变化较小, 直至试验进入第6周后, 填料的p H值才有小幅下降。开始填料p H值下降的原因可能是因为填料吸附了较多的未被氧化的硫化氢而导致填料p H值下降较快, 之后p H值下降则主要是硫化氢的转化产生的硫酸积累所致。

就三种填料比较而言, 复合填料的p H值缓冲性能要比玉米芯填料生物除臭塔和多孔陶粒填料生物除臭塔要高, 这主要是在复合填料中加入了48%的碱性水泥所致。它具有良好的酸性缓冲性能。

2.4 生物除臭装置内微生物量的变化

生物量是反映生物填料污染物去除特性的一个参数, 单位填料生物量的大小直接反映生物滤床去除性能的好坏。图5为三种填料塔不同时期的干、湿生物量分布情况。

图5 单位填料干、湿生物量随时间变化

图5 单位填料干、湿生物量随时间变化   下载原图


由图5可知, 系统运行15~60 d时, 三种填料的干、湿生物量在填料塔内都呈现出增长趋势, 多孔陶粒填料的干、湿生物量分别由2.6 kg/m3、61.0kg/m3增加到8.9 kg/m3、208 kg/m3;复合填料的干、湿分别由4.3 kg/m3、106.8 kg/m3增加到11.6kg/m3、278.4 kg/m3;玉米芯填料的干、湿生物量分别由5.4 kg/m3、126.2 kg/m3增加到12.8 kg/m3、305.3 kg/m3。系统运行60~75 d, 三种填料的干、湿生物量虽然都在增长, 但玉米芯填料的增长趋势要小于多孔陶粒填料和复合填料。这说明, 在系统运行后期, 由于玉米芯的压实造成玉米芯填料塔的阻力加大, 供氧量减少, 生物量增长趋势放缓, 而复合填料结构强度高、透气性好并能在潮湿环境中保持着良好的胶结强度。

3 结论

本研究采用水泥粘合—挤压造粒法, 使有机的锯末充分混合在无机水泥、石膏和珍珠岩粉等物质中, 从而获得一种有机无机复合型填料。通过硫化氢模拟废气试验表明, 该填料结构合理、透气性好、压缩强度高、表面附着滋生的微生物量大、耐受冲击负荷强、具有一定p H值缓冲能力、能为微生物的生长提供一定的养分, 此填料能长期在潮湿环境中保持良好的黏结强度, 可满足工程的使用要求。

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