生物滴滤法处理喷漆废气

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[摘要]采用生物滴滤系统处理喷漆废气，在研究了混合气体中甲苯与二甲苯之问相互作用的基础上，对生物滴滤系统净化喷漆废气的稳定性进行了研究。实验结果表明：在挂膜启动阶段，进气流量为22．5 m3／h、空塔停留时间为33．9 S、进气甲苯质量浓度为400～1 500 mg／m3的条件下，最终甲苯去除率可稳定在97％以上；在总进气质量浓度为l 000 mg／m3的条件下处理甲苯和二甲苯混合气体，混合气体中甲苯与二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯对二甲苯的抑制作用更强；在进气流量为20．0 m3／h、空塔停留时间为38．0 S、进气中总挥发性有机物(TVOCs)质量浓度为300～900 mg／m3的条件下处理喷漆废气，平均TVOCs去除率为90．84％，出VI二甲苯质量浓度低于GB16297--1996《大气污染物综合排放标准》中规定的排放限值(二甲苯质量浓度为70mg／m3)，基本满足排放要求。
油漆作为重要的T业用品，广泛应用于电气机械、金属制品、五金机械等制造行业u1。在喷漆过程中产生的大量有毒挥发性有机物(VOCs)严重污染空气，危害人类健康。生物滴滤法是在传统生物过滤法基础上发展起来的一种生物处理技术，是高效化工反应装置(吸附塔)和污染控制技术(生物膜技术)的有机结合怛o。已有学者对使用该法处理单一或混合组分有机废气的影响因素及净化效果进行了研究b。j，并在实验室模拟的基础上进行了不同工业领域VOCs的治理应用，如电子行业b曲o、制药行业n墙j、油漆涂料行业旧’1刨等，但缺少对生物滴滤系统工业化应用稳定性的研究。
本工作在研究了混合气体中甲苯与二甲苯之间相互作用的基础上，采用生物滴滤法对某喷漆车间排放的含甲苯、二甲苯等复杂多组分的有机废气进行长期动态处理，并对生物滴滤系统净化喷漆废气的稳定性进行了研究。
1 实验部分
1．1试剂和材料
甲苯、二甲苯：分析纯。喷漆废气：取自某环保公司除尘器喷漆车间风机出风口。喷漆废气的组成见表1。
  由表1可见：喷漆废气主要由甲苯、二甲苯、乙苯和乙酸丁酯组成，其中，二甲苯和乙酸丁酯分别占50％和35％；喷漆废气中总挥发性有机物
(TVOCs)质量浓度约为540 mg／m3。循环营养液：按照文献[113报道的方法配制。
1．2实验装置及流程
生物滴滤法净化喷漆废气的工艺流程见图1。生物滴滤塔书600 mm X 3 390 mm，有机玻璃材质。填料采用改良型瓷质拉西环，分3层填装，由开孔率大于50％的有机孔板支撑，每层有效填料高度自上而下依次为150，300，300 mm，有效填充体积为0．212 m3。喷漆车间正常工作时，由集气罩收集喷漆废气并通人生物滴滤塔；喷漆车间停工时，由图1中虚线部分向系统供给油漆稀料，以维护生物滴滤系统的稳定。
  1．3实验方法
生物滴滤系统中温度稳定在(25±5)℃，适宜微生物的生长。营养液喷淋流量为0．16,-O．32 m3／h，且每周更换外排1／3的循环营养液。系统pH控制在6．5～7．0，以构建适宜真菌与细菌共存的复合微生物体系。控制生物滴滤系统进气流量为22．5 m3／h(空塔停留时间为33．9 s)，进气甲苯质量浓度为400～1 500mg／m3，完成生物滴滤系统的启动挂膜；挂膜成功后逐渐添加二甲苯，甲苯和二甲苯混合气体的总进气质量浓度维持在1 000 mg／m3左右，对甲苯和二甲苯之间的相互作用进行研究；而后调整进气流量为20．0 m3／h(空塔停留时间为38．0 s)，通人喷漆废气进行工业化稳定性研究。
1．4分析方法
采用安捷伦科技有限公司的HP 6890型气相色谱仪测定甲苯、二甲苯及喷漆废气中TVOCs的质量浓度。
2结果与讨论
2．1生物滴滤系统的挂膜启动
在进气流量为22．5 m3／h、空塔停留时间为33．9s的条件下，挂膜启动阶段的甲苯去除效果见图2。由图2可见：挂膜启动I阶段，进气甲苯质量浓度
为400～950 mg／m3，随运行时间的延长，甲苯去除率缓慢提高至2 1．50％，此阶段瓷质拉西环表面生物膜薄且覆盖面积小，第5天生物膜中的微生物浓度为8．38×106 CFU／mL，甲苯的去除主要依靠填料和填料上活性污泥的吸附作用及活性污泥中微生物微弱的新陈代谢作用；挂膜启动Ⅱ阶段，进气甲苯质量浓度为500～1 500 mg／m3，甲苯去除率迅速提高，至第14天，甲苯去除率增至93．80％，填料表面生物膜覆盖面积及厚度逐渐增大，通过气液相传质作用，甲苯进入到生物膜内，继而被微生物降解，微生物浓度达到9．45×109 CFU／mL；挂膜启动Ⅲ阶段，进气甲苯质量浓度为550～850 mg／m3，甲苯去除率稳定在97％以上，此时生物膜表面湿润光滑，颜色厚度均匀，附着于整个填料表面，微生物浓度较启动第1天上升了5个数量级，高达7．00×1010CFU／mL。从生物膜中微生物的增殖情况及甲苯净化效果分析，可确定生物滴滤塔挂膜成功。
  2．2生物滴滤系统净化甲苯、二甲苯混合气体
在进气流量为22．5 m3／h、空塔停留时间为33．9S、甲苯和二甲苯混合气体总进气质量浓度为1 000mg／m3的条件下，甲苯和二甲苯的去除效果见图3。由图3可见：当P(甲苯)：P(--甲苯)=1：1时，甲苯去除率为92．66％；随p(甲苯)：P(二甲苯)的减小，甲苯去除率略有增加，二甲苯对甲苯的抑制作用逐渐减弱；当P(甲苯)：P(二甲苯)=l：9时，甲苯去除率为96．36％。由图3还可见，二甲苯去除率基本稳定在75％左右。这表明混合气体中甲苯与二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯对二甲苯的抑制作用更强。底物对微生物的竞争是产生相互抑制作用的原因之一，当甲苯和二甲苯共存时，微生物优先降解甲苯。甲苯和二甲苯在降解过程中对氧气的竞争也可能产生相互间的抑制作用。此外，有研究出，甲苯及其降解产物的积累或毒性限制了二甲苯诱导酶的活性，从而抑制了二甲苯的去除‘121。
  2．3生物滴滤系统处理喷漆废气的稳定性
进气流量为20．0 m3／h、空塔停留时间为38．0 S的条件下通人喷漆废气，考察生物滴滤系统处理喷漆废气的工业稳定性，喷漆废气中TVOCs的去除效果见图4。由图4可见，在连续64 d的运行中，生物滴滤系统基本稳定运行，进气TVOCs为300～900mg／m3，平均TVOCs去除率为90．84％。对连续64 d的处理后废气成分进行检测，经生物滴滤系统处理后的喷漆废气中的污染物仅为二甲苯。除第15天和第29天，出15二甲苯质量浓度分别为98 medm3和128 mg／m3，其余62 d出口二甲苯质量浓度均低于GB 16297--1996《大气污染物综合排放标准》u纠中规定的排放限值(二甲苯质量浓度为70 mg／m3)，基本满足排放要求。
  对于喷漆废气中含有的有机物，乙苯和乙酸丁酯易降解，可完全矿化生成CO：和H：O；甲苯在降解过程中会产生邻苯二酚的积累，当进气甲苯质量浓度为310～900 mg／m3时，积累的中间产物邻苯二酚可在4～6 h内完全矿化u4l；而二甲苯不能完全矿化为CO：和H：O(其矿化率仅为65％±3％u纠)，在降解过程中可能会产生少量中间产物，因此需进一步实验研究二甲苯的降解过程，探讨二甲苯的降解机理。
2．4生物滴滤系统工业应用的技术经济分析
生物滴滤法处理喷漆废气的经济可行性分析包括生物滴滤设备投资成本和运行费用两部分。生物滴滤设备投资费用见表2。由表2可见，生物滴滤设备投资总成本为85 480元。
  运行费用主要包括电费、药剂费、人工费和维修费。经计算累计电费约为8 379元／a；药剂(主要包括甲苯、二甲苯及氮肥、磷肥等)费用共计1 000元／a；操作人员费用约为9 000元／a；维修费用约为6 621元／a。总运行费用共计约25 000元／a。综上可见，本工艺的总投资运行费用低，经济可行。
3 结论
a)在挂膜启动阶段，进气流量为22．5 m3／h、空塔停留时间为3 3．9 S、进气甲苯质量浓度为400～1 500 mg／m3的条件下，最终甲苯去除率可稳
定在97％以上，微生物浓度达7．00×1010 CFU／mL。
b)在总进气质量浓度为1 000 mg／m3的条件下处理甲苯和二甲苯混合气体，混合气体中甲苯与二甲苯存在相互抑制作用，且甲苯对二甲苯的抑制作用更强。
C)在进气流量为20．0 m3／h、空塔停留时间为38．0 S、进气TVOCs质量浓度为300～900 mg／m3的条件下处理喷漆废气，平均TVOCs去除率为90．84％，出口二甲苯质量浓度低于GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》中规定的排放限值(二甲苯质量浓度为70 mg／m3)，基本满足排放要求。
d)该生物滴滤系统设备投资费用为85 480元，预计运行费用约为25 000元／a，总投资运行费用低，经济可行。
参考文献
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