文_易鳴 湖南省建筑設(shè)計院有限公司

作為一種非常重要的化工原料，苯乙烯在化工行業(yè)中應(yīng)用極為廣泛，但在使用過程中，會釋放出具有較低濃度的苯乙烯氣體。而苯乙烯氣體不僅僅有三致作用，同時還能夠產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，會導(dǎo)致大氣二次污染。

要去除的廢氣在生物過濾器中，從氣態(tài)逐步轉(zhuǎn)化為液態(tài)，或者附著在過濾介質(zhì)中的微生物上，通過代謝去除，這種方式就是氣相生物過濾。這種過濾方式相對于傳統(tǒng)的處理方式而言，具有較好的凈化效果，且操作較為便捷穩(wěn)定，投入成本較低，便于管理等優(yōu)勢。但生物過濾反應(yīng)器目前存在的最大問題就是其在處理有機(jī)氣體時，多次運(yùn)行之后處理效率會逐步降低。究其原因，主要在于生物過濾器中的生物膜因為運(yùn)行時間較長而累積較多，導(dǎo)致過濾床層堵塞，反應(yīng)器運(yùn)行效率不斷降低。

本文研究的管式過濾器可以有效解決生物過濾器存在的缺陷。生物過濾器的凈化功能主要取決于其填充進(jìn)去的營養(yǎng)液，生物量以及VOCs 的分布情況。楊春平等對轉(zhuǎn)股生物過濾器進(jìn)行研究后，明確大多數(shù)VOCs 負(fù)荷能夠通過表面床層予以過濾。根據(jù)這個理論，該課題組研發(fā)出管式生物過濾器，并獲得相關(guān)專利，這種反應(yīng)器較為簡單，能夠采用由內(nèi)向外和由外向內(nèi)的填料方式。其優(yōu)勢在于填料厚度低，容積負(fù)荷高，處理廢氣量大等等。從目前來看，國內(nèi)外還沒有采用管式生物過濾器來對苯乙烯廢氣予以處理。該研究將苯乙烯為模擬VOCs，空心管狀聚氨酯海綿為填料，對轉(zhuǎn)股生物過濾器在不同條件下對低濃度苯乙烯清除能力予以考察。

1 材料與方法

1.1 管式生物過濾器與管式聚氨酯海綿

圓柱形外筒（內(nèi)徑16．0cm，管壁0．5cm，高15．0cm）、空心管狀填料、營養(yǎng)液分布器和氣(液)體進(jìn)出口共同組成了管式生物過濾器，工藝流程詳見圖1。

圖1 管式生物過濾器工藝流程

采用聚氨酯海綿為填料的主要優(yōu)勢有空隙大、適合微生物生長等。學(xué)界在研究中主要是分析了單層或多層聚氨酯海綿制備的生物過濾器，在研究中發(fā)現(xiàn)讓揮發(fā)性有機(jī)污染物和生物膜在填料上分布更加均勻?；谶@些原因，本研究主要以海綿作為填充料，研究中所采用的填料相關(guān)的參數(shù)信息見表1。

表1 填料性能參數(shù)

1.2 苯乙烯氣源及微生物菌種

分析純苯乙烯（styrene，C8H8，99．0%）。在研究中通過動態(tài)配氣的方式可以獲得較低濃度的苯乙烯氣體，氣泵能夠提供主輔氣流，主氣流進(jìn)入苯乙烯揮發(fā)瓶后獲得氣態(tài)苯乙烯，再和輔氣流進(jìn)行混合。在混合瓶中苯乙烯氣源濃度可以采用輔氣流來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.3 營養(yǎng)液

通過自動定時定量來進(jìn)行噴灑營養(yǎng)液，保持每天噴灑6L，在噴灑中采用硝酸鈉并加入了混合的磷營養(yǎng)液作為緩沖劑，同時還摻加了磷酸氫鈉和磷酸二氫鈉，通過加入這些材料可以對PH 值起緩沖作用。該營養(yǎng)液的主要成分和用量為：NaNO3490．00mg/L、K2HPO428．16mg/L、KH2PO49．25mg/L、NaHCO324．00mg/L、MgSO44．40mg/L、CaCl22．69mg/L。系統(tǒng)在正常運(yùn)行的過程中可以通過管式生物過濾器來添加一定量的營養(yǎng)液，緩沖劑種類以及數(shù)量都能夠滿足實際需求。

1.4 分析方法

進(jìn)出口氣相中的苯乙烯濃度的測定可以通過采用裝有氫火焰離子檢測器（FID）氣相色譜（HP 5890，Series II， Hewlett-Packard，Palo Alto，California）進(jìn)行檢測。在具體研究中采取分析條件為毛細(xì)管柱HP-VOC（60 m×320μm ID×1．8μm），爐溫120．0℃，氣化室溫度120．0℃，檢測器溫度250．0℃。高純氫氣（99．0%）流量 30．0 mL/min，高純氮氣（99．0%）流量30．0mL/min，設(shè)置的調(diào)節(jié)壓縮空氣流量350．0mL/min。在該實驗中采取高純氮氣。

1.5 運(yùn)行方法

在實驗過程中采用進(jìn)口濃度、有機(jī)負(fù)荷、停留時間相關(guān)的參數(shù)來對整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行分析，運(yùn)行階段操作條件改變詳見表2。因此，在研究過程中主要考察系統(tǒng)中的有機(jī)負(fù)荷和停留時間產(chǎn)生的相關(guān)影響，為了能夠保證相關(guān)研究結(jié)果的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行設(shè)置參數(shù)下的恢復(fù)性試驗。在有機(jī)負(fù)荷階段，進(jìn)氣濃度設(shè)置為20．0mg/m3，停留時間15s，有機(jī)負(fù)荷4．8g/(m3·h)。為了能夠更好地明確在停留時間中更高有機(jī)負(fù)荷之下管式生物過濾器的運(yùn)行情況，把系統(tǒng)中進(jìn)氣濃度的參數(shù)設(shè)置為80．0mg/m3，系統(tǒng)的停留時間設(shè)置為30s，設(shè)置的有機(jī)負(fù)荷9．6 g/(m3·h)。通過設(shè)置不同的參數(shù)和條件觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整確保反應(yīng)器能夠恢復(fù)相關(guān)性能后，再設(shè)置其他參數(shù)再次運(yùn)行。在研究中每個階段的營養(yǎng)液噴灑量保持不變，確保不會出現(xiàn)因為營養(yǎng)液噴灑量而帶來的影響。

表2 運(yùn)行階段操作條件改變

2 結(jié)果

2.1 管式生物過濾器啟動性能研究

管式生物過濾器啟動階段，在實驗中設(shè)置停留時間為15s，在下面的兩個階段分別設(shè)置苯乙烯濃度為80．0 mg/m3和40．0 mg/m3，設(shè)置有機(jī)負(fù)荷分別為19．2g/(m3·h)和 9．6g/(m3·h)。過濾器在啟動階段的信息如圖2 所示。

從圖2 可以看出，第1 天到第12 天，進(jìn)口濃度都保持在80．0mg/m3，在過濾器啟動之初，去除效率一直都呈現(xiàn)上升趨勢，雖第五天達(dá)到了50．2%，但之后一直都保持穩(wěn)定。為了確保生物膜生長的成熟度，在第13 天到20 天，系統(tǒng)的進(jìn)口濃度會降低到40．0mg/m3，設(shè)置的停留時間不變可以使系統(tǒng)去除率提高至75．4%，實驗進(jìn)行到14 天的時候去除率達(dá)到95．0%，在后續(xù)會保持不變。由此可以明確管式生物過濾器啟動成功。

2.2 進(jìn)口濃度對管式生物過濾器的影響

在管式生物過濾器成功啟動之后，再展開苯乙烯氣體進(jìn)口濃度不同對其運(yùn)行的影響進(jìn)行考察。通過研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)氣濃度為20．0mg/m3、40．0mg/m3、80．0mg/m3停留時間均為15s的參數(shù)條件下展開研究，每一次改變進(jìn)氣濃度時，管式生物過濾器都會進(jìn)行恢復(fù)性實驗，且恢復(fù)性實驗參數(shù)均為進(jìn)口濃度20．0mg/m3、停留時間15s、有機(jī)負(fù)荷4．8g/(m3·h)，才能有效保證反應(yīng)器的性能良好，不同進(jìn)口濃度對于廢氣去除率的影響見圖3 所示。

通過圖3 分析可知，當(dāng)系統(tǒng)中設(shè)置的有機(jī)負(fù)荷較低的時候，通過提升有機(jī)負(fù)荷并不會明顯影響去除效率，但是當(dāng)系統(tǒng)中的有機(jī)負(fù)荷達(dá)到一個相對較高的數(shù)值時，系統(tǒng)中的去除效率顯著降低。當(dāng)進(jìn)口濃度從20．0 mg/m3升至40．0mg/m3，去除效率由95．5%下降到92．2%。第40 天，進(jìn)口濃度進(jìn)一步增大至80．0 mg/m3，去除效率驟降至50．2%。在恢復(fù)性試驗階段，去除率均達(dá)到95%以上。由此可以確定該過濾器在性能良好的情況下可以改變相關(guān)參數(shù)。

2.3 氣體停留時間的影響

保持系統(tǒng)中的有機(jī)負(fù)荷為9．6 g/(m3·h)，實驗過程中設(shè)置停留時間參數(shù)為60s、30s、15s，同時將系統(tǒng)的進(jìn)口濃度分別設(shè)置為160．0mg/m3、80．0mg/m3、40．0mg/m3進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)停留時間改變，該過濾器都應(yīng)該在進(jìn)口濃度為80．0mg/m3、設(shè)置停留時間為30 s、設(shè)置有機(jī)負(fù)荷為9．6 g/(m3·h）時來開展實驗，具體結(jié)果詳見圖4。

通過圖4 分析可知，停留時間并不會顯著影響苯乙烯去除率，當(dāng)對系統(tǒng)設(shè)置停留時間30s 時可以使去除率達(dá)到93．0%；設(shè)置停留時間為60s 時，苯乙烯去除效率略有上升，從93．0%上升到95．4%；設(shè)置停留時間下降至15s 時，苯乙烯去除效率下降至91．2%。因此，在恢復(fù)性試驗階段，苯乙烯去除效率均超過90．1%。

3 結(jié)論

管式生物過濾器降解低濃度的苯乙烯氣體能夠在20 天內(nèi)快速啟動，有利于工業(yè)上的應(yīng)用。

在進(jìn)口濃度高且停留時間不變的情況下，去除率會因為進(jìn)口濃度增加而提升，但效果不明顯。而在進(jìn)口濃度最高時去除率會快速降低。

保持系統(tǒng)中有機(jī)負(fù)荷不變，通過調(diào)整系統(tǒng)的停留時間來觀察是否會影響去除率。同時在系統(tǒng)中管式生物過濾器會在進(jìn)氣量較多且停留時間較短的情況下保持較高的苯乙烯去除率。