李娟娟 段學(xué)軍 竇艷艷 曹 健

（1.中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 151191；2.河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，河南 鄭州 150001）

隨著城市化和工業(yè)化的迅速發(fā)展，大氣污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們的生活和生命健康。SO2是一種具有辛辣和窒息性氣味的氣體，已經(jīng)成為當(dāng)今人們面臨的主要大氣污染物之一［1-2］。二氧化硫形成的酸水，不僅會對設(shè)備和管路有腐蝕作用，而且對人和植物的健康都有嚴(yán)重的危害［3］。

目前，國內(nèi)外處理SO2氣體的方法，可分為物理法、化學(xué)法和生物法三種。生物法由于其建設(shè)投資成本低、反應(yīng)條件溫和、脫硫效率高、設(shè)備操作簡單、不易造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注?，F(xiàn)今微生物脫硫技術(shù)主要是利用無機(jī)硫的自養(yǎng)型微生物對SO2的代謝作用，通過氧化還原，將SO2轉(zhuǎn)化成含硫化合物或硫單質(zhì)［4］。

同生物過濾池和生物洗滌池比較，生物滴濾池法體系中的微生物既有固定附著在填料上的，也有懸浮在于噴淋循環(huán)液中的，兼有生物過濾池和生物洗滌池的雙重作用。該方法具有反應(yīng)條件易控制、操作簡單、生物相和液相均循環(huán)流動、壓降低、填料不易堵塞、污染物去除效率高等優(yōu)點(diǎn)［5］。但是該方法具有需要外加營養(yǎng)物，運(yùn)行成本較高，適合處理負(fù)荷較高以及降解后會產(chǎn)生酸性物質(zhì)的污染氣體。本試驗(yàn)采用改良型生物滴濾塔工藝，用菌液代替?zhèn)鹘y(tǒng)滴濾塔系統(tǒng)中的營養(yǎng)液作為循環(huán)液，研究其對SO2凈化效果的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

改良型生物滴濾塔凈化二氧化硫氣體的實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置分為四個(gè)部分：配氣部分，生物滴濾塔凈化部分，菌液循環(huán)部分，尾氣檢測部分。生物滴濾塔由有機(jī)玻璃制成，塔體內(nèi)徑80mm，塔體總高750mm。滴濾塔的總有效體積為2.26×10-3m3，分上中下3層填裝，每層填料高度為150mm，通過多孔有機(jī)玻璃板隔開，用以支撐濾料。由于填料是影響廢氣凈化系統(tǒng)好壞的關(guān)鍵性因素之一，所以本實(shí)驗(yàn)選用性能較好的陶粒作為填料［6］。填料層設(shè)有觀察孔，用于觀察和進(jìn)行生物相分析。塔頂設(shè)有出氣口，且在填料上方裝有噴液頭，下端設(shè)有排液口和進(jìn)氣口。本實(shí)驗(yàn)的掛膜菌種采用實(shí)驗(yàn)室篩選出來的菌種。

鋼瓶中的SO2與空氣在緩沖瓶中充分混合均勻，獲得濃度與流量較為均勻的模擬工業(yè)廢氣，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計(jì)以一定流量由滴濾塔底部通入塔內(nèi)。廢氣逆著液相方向向上運(yùn)動的過程中，與附著在填料表面潤濕的生物膜接觸，被微生物捕獲并降解。凈化后的氣體由塔頂部排氣口排至尾氣吸收瓶進(jìn)行檢測。循環(huán)液經(jīng)塔頂布水器均勻噴灑在填料表面上，在填料層表面形成薄膜，經(jīng)填料間隙向下流動，最后進(jìn)入塔底端連接的貯液槽，再由提升水泵循環(huán)至塔頂。定期向菌液中添加氮、磷營養(yǎng)源，有機(jī)碳源和微生物生長必需的微量元素。菌液中廢棄物濃度積累較高時(shí)，須更換部分菌液。

圖1 生物滴濾塔脫除SO2氣體的工藝流程圖

1.2 試驗(yàn)與測定方法

用馴化過的菌液對生物滴濾塔進(jìn)行接種和掛膜，連續(xù)運(yùn)行十幾天之后，濾料表面有乳白色沉淀物出現(xiàn)，表示已經(jīng)掛膜成功，穩(wěn)定運(yùn)行兩周后，開始考察各項(xiàng)參數(shù)的變化對改良型生物滴濾塔處理SO2效果的影響。實(shí)驗(yàn)過程中主要研究SO2的入口濃度、菌液的噴淋密度、氣體停留時(shí)間、循環(huán)液pH值對SO2去除效率的影響，SO2的濃度采用碘量法進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 SO2入口濃度對去除效率的影響

在溫度25℃的條件下，設(shè)定氣體停留時(shí)間為23s，菌液噴淋密度為1.8m3/h·m2，SO2入口濃度在0～6 000mg/m3的范圍內(nèi)，由低到高，逐一考察不同SO2進(jìn)氣濃度可達(dá)到的凈化效率。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 入口氣體濃度對SO2去除效率的影響

由圖2可知，當(dāng)SO2入口濃度小于2 000mg/m3時(shí)，去除效率在99%左右且保持穩(wěn)定；當(dāng)SO2濃度大于2 000mg/m3時(shí)，系統(tǒng)的處理效率隨SO2入口濃度的增加而下降。分析認(rèn)為，氣體流量不變的情況下，大部分SO2分子可以附著到微生物表面被其降解。然而，隨著SO2進(jìn)氣濃度的不斷上升，增加了單位體積生物膜的SO2的負(fù)荷量，而生物膜的反應(yīng)面積不會變化，將有一部分的氣體分子不能被微生物捕獲、降解，隨氣流排出滴濾塔外，從而導(dǎo)致了生物滴濾塔凈化效率下降。另一方面，可能由于SO2濃度的增加使反應(yīng)環(huán)境的pH值下降，菌種對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和所需酶的形成受到了影響，或者菌種的生長繁殖受到一定的限制，而使脫硫效率下降。建議用改良型生物滴濾塔處理SO2工業(yè)廢氣時(shí)，為保證較高的去除效率，入口濃度不宜大于4 000mg/m3。

2.2 菌液的噴淋密度對SO2凈化效率的影響

在氣體停留時(shí)間為23s，SO2進(jìn)氣質(zhì)量濃度為2 959mg/m3的情況下，改變菌液噴淋密度，比較不同噴淋密度對凈化效率的影響。其結(jié)果見圖3。

圖3 噴淋密度對SO2去除率的影響

由圖2可以看出，在噴淋密度較低時(shí)，SO2凈化效率隨噴淋密度的增加而增加；當(dāng)噴淋密度升高到1.65m3/h·m2時(shí)，凈化效率達(dá)到最大值，但繼續(xù)增大噴淋密度，凈化效率反而出現(xiàn)下降趨勢。隨著噴淋密度的增加，SO2凈化效率先升高后下降的主要原因可歸結(jié)為：循環(huán)噴淋液可以濕潤生物膜，給微生物提供充足的養(yǎng)分和水分，不僅有助于液膜的更新，補(bǔ)充高活性的微生物，而且可以沖刷掉老化的生物膜［7］。當(dāng)噴淋液密度較小時(shí)，生物膜上的微生物營養(yǎng)不足，活性較低，缺少足夠厚的液膜快速凈化SO2氣體，并且老化的生物膜沒有被沖刷掉，生物膜不能及時(shí)得到更新，因此增大噴淋效率可以提高脫硫效率。當(dāng)噴淋密度過大時(shí)，會因?yàn)樗肿拥挠H和作用，使生物膜減少對SO2的吸附力，還會引起濾料層的阻力增大，同時(shí)也有可能將適宜的生物膜沖刷掉，從而導(dǎo)致對SO2的凈化效率降低。

2.3 停留時(shí)間對SO2凈化效率的影響

停留時(shí)間是生物除臭研究、設(shè)計(jì)、評估中最重要的依據(jù)。本試驗(yàn)對改良型生物滴濾塔中氣體空床停留時(shí)間與SO2去除效率的關(guān)系進(jìn)行了研究，以期獲得改良型生物滴濾塔處理SO2時(shí)的最佳停留時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)考察了入口SO2濃度、噴淋液密度分別為2 959mg/m3、1.8m3/h·m2的條件下，滴濾塔在氣體停留時(shí)間為10～50s范圍內(nèi)的凈化效果。SO2去除率和氣體停留時(shí)間之間的關(guān)

圖4 氣體停留時(shí)間對二氧化硫去除率的影響

當(dāng)氣體停留時(shí)間在23～40s之間時(shí)，去除率達(dá)97%以上；當(dāng)停留時(shí)間降低至20s和18s時(shí)，去除率分別降至95%和90%。這表明氣體停留時(shí)間降低時(shí)SO2去除率的下降很可能是由于SO2從氣相主體傳遞到具有降解活性的細(xì)菌液相主體步驟較慢，微生物來不及捕捉和降解廢氣中的SO2分子。另外，隨著氣速的增加，氣流對生物膜的切向沖刷作用也加大，從而使部分已被生物膜吸附的SO2分子重新從生物膜上脫落出來進(jìn)入氣相主體，降低SO2的脫除效率。由試驗(yàn)可知，最佳氣體停留時(shí)間為25s。

2.4 循環(huán)液pH值對SO2去除效率的影響

控制進(jìn)氣SO2的濃度為2 959mg/m3，噴淋液密度為1.8m3/h·m2，氣體停留時(shí)間為23s。系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過在貯液槽里添加NaOH和HCl溶液來調(diào)節(jié)循環(huán)菌液的pH值。測定不同pH值條件下改良型生物滴濾塔對SO2凈化效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 pH值對二氧化硫去除率的影響

由圖5可以看出，當(dāng)pH小于5.3時(shí)，SO2去除效率隨pH值的下降而快速降低，這是由于噴淋液酸性較強(qiáng)時(shí)，微生物的生存環(huán)境遭到破壞，致使微生物活性降低，從而影響凈化效果。當(dāng)pH在5.3～7.0之間時(shí)，微生物的去除效率比較穩(wěn)定，保持在較高的范圍內(nèi)。當(dāng)pH大于7.0時(shí)，循環(huán)液呈堿性。強(qiáng)堿情況下，微生物活性降低甚至死亡，觀察到循環(huán)液中有死亡微生物形成的黑色絮狀物出現(xiàn)，這樣的條件下，主要是由氫氧化鈉與二氧化硫反應(yīng)使脫除效率增高。因此，為保證微生物的活性和較高的處理效率，最佳的pH為5.3。

3 結(jié)論

3.1 入口氣體濃度、噴淋液密度、氣體停留時(shí)間和pH值均對改良型生物滴濾塔處理SO2氣體效果影響顯著。

3.2 在室溫25℃，二氧化硫入口濃度低于2 000mg/m3，氣體停留時(shí)間為25s，噴淋密度為1.8m3（/m2·h），pH為5.3～7.0時(shí)，改良型生物滴濾塔凈化高濃度SO2廢氣的效果最佳，且去除率在95%以上。

［1］劉玉香.SO2的危害及流行病學(xué)與毒理學(xué)研究［J］.生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2007，2（2）：226-231.

［2］孫克勤.電廠煙氣脫硫設(shè)備及運(yùn)行［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［3］周學(xué)霞，姚偉國.生物滴濾塔處理鄰二甲苯廢氣研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2013，40（1）:71-75.

［4］賈惠茗.生物滴濾塔脫除二氧化硫的試驗(yàn)研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2012.

［5］王小軍，徐校良.生物法凈化工業(yè)廢氣的研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2014，33（1）:213-218.

［6］劉建偉，王志良.生物滴濾塔處理有機(jī)廢氣的填料選擇研究［J］.環(huán)境污染與防治，2012，34（4）:17-21.

［7］王鵬飛，王藝.生物滴濾塔處理“三苯”廢氣的影響因素研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35（1）:73-80.