魏在山 ,孙佩石 ,黄若华 ,徐晓军 (昆明理工大学环境科学与工程学院 ,昆明 650093)
摘 要:采用不锈钢环、瓷环、陶粒、塑料环、海藻石、轻质陶块、煤渣等作为填料的试验研究,结果表明七种填料的净化性能顺序为:海藻石>轻质陶块>陶粒>瓷环>不锈钢环>煤渣>塑料环。
关键词：生物膜填料塔,甲苯,填料
许多挥发有机污染物，在化工和石油化工的生产过程中被排放入大气，这会严重污染大气和破坏生态环境并严重危害人体健康。用生物法处理有机废气是近年来发展起来的一项新技术，目前已成为世界工业有机废气净化研究的热点课题之一。生物法所用填料的特性是影响其处理效果的关键因素之一，因此以填料的研究和选择引起了人们的极大兴趣。早期的填料主要是人工合成的刚性填料，随后出现了软性、半软性、塑料填料、颗粒活性碳、碳素纤维等，因其价格较贵，其应用也有一定的局限性。国外新型的预适应的生物量小片剂、木屑与蘑菇堆肥混合物作生物滤池的填料，容易造成堵塞。许多天然或烧结材料如陶粒、轻质陶块、海藻石、瓷环等则其比表面积大，挂膜效果好而日受青睐。
本研究以低浓度甲苯废气对象，对生物膜填料塔中的填料性能进行试验研究，目的是找出经济、实用并易产业化的填料(载体)，以便于在国内用生物法处理有机废气进行工业应用以及产业化。
1、试验条件与方法
实验的主要装置是塔径为72mm的玻璃生物膜填料塔，其中填料分别采用不锈钢环、瓷环、塑料环、陶粒、海藻石、煤渣、轻质陶块等，填料层高度为1000mm，气体流量在300L/h，入口气体中甲苯的浓度范围在50～1100mg/l，气体在生物膜填料塔层中的停留时间约41s，塔顶循环液喷淋量13.2～33.6l/h，循环液pH=6～7，t=16.8～24℃。实验装置流程如图1所示。
本课题组从焦化废水污泥中筛选出短杆菌，对其纯菌种做革兰氏染色结果为革兰氏阴性菌(G-)，为假单胞菌属(Pseudomonas sp.)中的细菌。假单胞菌属是一种化能异养型细菌，其对有机污染物有很强的降解能力。用甲苯作为该菌种唯一的碳源以及氮磷营养液(N:P=5∶1，N+P=0.5～1.0mg/L)驯化该微生物菌种，保持温度在20～30℃的培养箱中培养。然后采用该驯化的菌种溶液对生物膜填料塔进行挂膜。
实验过程中定时抽取气相甲苯样，甲苯样品均用甲苯检测管检测分析
2、实验结果与分析
本研究目的是对生物膜填料塔的生物膜填料(载体)的性能进行试验研究，因此，以生物膜填料塔对有机气体甲苯的净化效率和生化去除量为指标，对不同填料进行分析讨论。
2.1填料性能参数
填料是生物膜填料塔的核心。填料塔操作性能的好坏，与所选用的填料有直接关系。本研究进行试验研究的有7种填料:不锈钢环、瓷环、陶粒、海藻石、塑料环、煤渣、轻质陶块。所用填料性能的参数有:
(1)比表面积:单位体积填料层的填料表面积为比表面积。其单位为m2/m3。填料的比表面积愈大，所能提供的气液传质面积愈大。
(2)空隙率:单位体积填料层的空隙体积为空隙率。其单位为m2/m3。填料的空隙率大，气液通过能力大且气体流动阻力小。
(3)湿填料因子:比表面积除以空隙率的平方为湿填料因子。代表实际操作时填料的流体力学特性。其值大，表明填料表面的润湿性能好。所用5种填料的性能参数见表1。
2.2不同填料生物膜填料塔的净化效率及生化去除量
在实验条件下，根据实验数据及计算结果作出不同填料生物膜填料塔的净化效率和生化去除量与时间的变化关系如下表2、表3所示。
由表2、表3可看出:这七种填料附着生物膜后对甲苯的净化性能的顺序为:海藻石>轻质陶块>陶粒>瓷环>不锈钢环>煤渣>塑料环。从填料自身特性角度分析认为其原因是:比表面积越大，生物膜附着的面积就越大;湿填料因子越大，表示填料表面的润湿性能越好，润湿性能越好，说明填料附着生物膜的能力就越强。
轻质陶块是生产陶粒的工厂的废料中得来的，海藻石是漂浮在海面上的一种物质，两者均是多孔性物质、表面粗糙，表面润湿性能好，可为微生物附着提供较好的环境，适合微生物的生长、繁殖;比表面积大，则生物膜附着面积大，能够提高单位体积的有机污染物的生化降解量，对甲苯的净化效率和生化去除量高，第10d是两者的净化效率即可达到98%以上。此外，两者有较好的结构强度和防腐蚀能力，挂膜速度快，价格低廉。因此，轻质陶块和海藻石适宜用作生物膜填料塔的填料。
陶粒是一种新型材料，其具有质轻、价廉、比表面积大、亲水性好等优点。在废水处理中已被用作生物膜反应器的填料。瓷环和不锈钢环是化工上常用的定型规整填料，除具有较大的比表面积和湿填料因子、较好的持水性和表面的润湿性能外，还具有较好的结构强度和防腐蚀能力，但价格较贵。这三者附着生物膜的面积较大，对甲苯的净化效率和生化去除量较好。选择试验结果表明，它们被用作废气处理的生物膜填料塔的填料是可行的。
煤渣具有一定的持水性和表面性质，但因其中的碱性成分溶出会使循环液呈弱碱性，运行一段时间后，pH值就会达到7.5～8.0的范围内，不利于微生物的生长。本试验所用的微生物的适宜生长环境为pH=6.0～7.0。此外，煤渣的结构强度不好，易破碎造成堵塞。因此不适宜作生物膜填料塔的填料。
塑料环的比表面积较小，湿填料因子小，其表面性质和湿润性差，且具有疏水性，这使它不能附着大量润湿的生物膜，所以选择试验结果显示，它对甲苯的净化效率和生化去除量也不高，运行30d后净化效率仍只有61%。因此它不适合用作生物膜填料塔的填料。
3、结论
通过以上分析表明:作为用于净化处理有机废气的生物膜填料塔的填料，应选用:
(1)比表面积大，湿填料因子大的多孔材料，以尽可能大地提高生物量及提高单位体积的有机污染物的降解量。
(2)填料一般选用适宜的粒径、表面性质好、持水性好的惰性材料，适合于微生物的附着、生长、繁殖。
(3)具有足够的机械强度和化学稳定性;
(4)价格低廉，投资省。采用不锈钢环、瓷环、陶粒、塑料环、海藻石、轻质陶块、煤渣等作为填料的试验研究，结果表明这七种填料的净化性能顺序为:海藻石>轻质陶块>陶粒>瓷环>不锈钢环>煤渣>塑料环。
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《重庆环境科学》2001年4月第23卷第2期
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