生物滴滤塔处理氯苯废气的工艺性能

杨百忍，王丽萍，牛 仙，丁 成，徐苏文，缪家欢

（1. 中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2. 盐城工学院 环境科学与工程学院，江苏 盐城 224051）

氯苯类有机化合物是化学性质较稳定的一类持久性有机污染物，广泛用于染料、塑料、香料、医药、农药和有机合成的中间体［1］。氯苯类有机化合物具有一定的毒性、生物累积性和持久性，可导致植物腐烂［2］、土壤和地下水的污染［3-4］。由于氯苯的挥发性较强，大气中的氯苯污染情况不容忽视［5］。据报道，人体长期暴露于含氯苯气体的环境中会对健康造成严重损害［6］。因此，氯苯类污染物的控制和处理显得尤为必要。目前，生物法处理挥发性有机污染物已成为国内外研究的热点，相比传统的生物过滤器和生物洗涤塔，生物滴滤塔可以通过控制喷淋液的流量、改变喷淋液的成分及pH的方式来提供微生物生长所需的条件，对硫化氢［7］和氨［8］等酸性气体及多种挥发性有机物［9-11］的降解具有明显的优势。但目前国内对生物滴滤塔应用于氯苯废气的处理还鲜有报道，以活性污泥接种生物滴滤塔进行氯苯生物降解的相关研究更是罕见报道。

本工作将活性污泥培养及驯化后接种于生物滴滤塔中，挂膜启动后处理模拟氯苯废气（简称氯苯废气）。考察了生物滴滤塔在挂膜启动阶段及稳定运行阶段的性能，研究了稳定运行阶段工艺参数的改变对氯苯降解性能的影响。

1 实验部分

1.1 装置和材料

生物滴滤塔：φ100 mm×1 200 mm， 有机玻璃材质，分为喷淋段、进气段和4个填料段，各段间以法兰连接。填料为活性炭纤维布与多面空心球的混合填料。每个填料段填料高度为200 mm，填料装填总体积为0.00 628 m3。

接种污泥取自盐城某污水处理厂的曝气池。循环喷淋液的成分［12］：NH4Cl 800 mg/L，Na2HPO4200 mg/L，KH2PO4400 mg/L，MgSO4·7H2O 340 mg/L，FeSO4·7H2O 10 mg/L，CaCl215 mg/L，ZnSO4·7H2O 0.5 mg/L，Na2MoO4·2H2O 0.5 mg/L。

1.2 实验方法

活性污泥的培养及驯化：污泥经淘洗后去除上清液和底层沉渣，加入一定量的水形成活性污泥混合液，以葡萄糖为唯一碳源，向混合液中加入一定量的营养液，控制混合液pH约为7，每天连续曝气23 h，静置1 h，排出30%的上清液，补充等量的新鲜营养液，营养液与喷淋液的成分相同。活性污泥培养结束后，采用逐步降低葡萄糖加入量而增加氯苯加入量的方法对污泥进行驯化，最终用氯苯完全替代葡萄糖成为微生物的唯一碳源。

挂膜启动：将驯化好的活性污泥注满生物滴滤塔，完全淹没填料，浸泡24 h后放空，开始挂膜。进气的氯苯质量浓度从53.30 mg/m3逐渐增至1 190.99 mg/m3，气体停留时间为56 s，喷淋液流量为25.0 m L/min。每3天更新500 m L活性污泥及相应比例的营养液。每天测定生物滴滤塔进出口的氯苯质量浓度，计算氯苯去除率。

稳定运行：常温常压条件下采用气液逆流操作，喷淋液由循环蠕动泵提升至生物滴滤塔的顶部，通过布水器均匀地喷洒在填料的表面。采用动态配气法配制氯苯废气，来自空压机的空气分为两路，一路进入避光的装有氯苯的吹脱瓶，将氯苯吹脱后带出，再与另一路空气混合后形成氯苯废气，从底部进入滴滤塔。通过气体流量计控制氯苯废气中氯苯的质量浓度。氯苯废气流量为0.25～0.80 m3/h，进气中氯苯的质量浓度为648.90～2 019.85 mg/m3，生物滴滤塔的进气负荷为15.70～146.18 g/（m3·h），相对应的空塔停留时间（EBRT）为28～90 s，喷淋液流量为7.83～47.33 m L/m in。生物滴滤塔处理氯苯废气的工艺流程见图1。

图1 生物滴滤塔处理氯苯废气的工艺流程

1.3 分析方法

采用美国PerkinElmer Clarus公司的GC580型气相色谱仪分析氯苯废气中的氯苯质量浓度，气相色谱条件为：色谱柱Elite-5，毛细管柱0.32 mm×0.5 μm×30 m；柱温采用程序升温，初温70 ℃，保留1 m in，升温速率10 ℃/m in，终温110 ℃，保留1 m in；汽化室温度200 ℃；检测器（FID）温度250℃；柱流量1.5 m L/m in，N2为载气，不分流进样，氢气流量45 m L/m in，空气流量450 m L/min，进样量500 μL。采用上海仪电科学技术股份有限公司的PHS-3C 型pH计测定喷淋液的pH。按照文献［13］报道的方法测定MLSS和MLVSS。

2 结果与讨论

2.1 生物滴滤塔挂膜启动阶段的工艺性能

2.1.1 活性污泥驯化阶段MLSS和MLVSS的变化

活性污泥驯化阶段M LSS和M LVSS的变化见图2。由图2可见，驯化期的前16 d内，活性污泥的MLSS和MLVSS均逐渐降低，MLSS由13. 771 g/L降至8.950 g/L，MLVSS由9.297 g/L降至7.230 g/L，说明随着驯化液中氯苯质量浓度的升高及葡萄糖质量浓度的降低，活性污泥中不能适应氯苯的微生物死亡。从驯化期的第16天开始，MLSS和MLVSS逐渐增大，说明活性污泥中的微生物已基本适应了氯苯，对氯苯具有良好降解效果的优势菌种开始繁殖。M LVSS/M LSS表示单位质量的活性污泥中所含微生物的比例。由图2还可见，从驯化的第8天开始，MLVSS/MLSS逐渐增大，到驯化结束时MLVSS/M LSS由驯化初期的0.7左右增至0.8，说明活性污泥中的微生物含量有较大幅度的提高，污泥的活性也相应提高。

图2 活性污泥驯化阶段MLSS和MLVSS的变化

2.1.2 生物滴滤塔挂膜启动阶段的氯苯去除率

生物滴滤塔挂膜启动阶段的氯苯去除率见图3。

图3 生物滴滤塔挂膜启动阶段的氯苯去除率

由图3可见：挂膜启动阶段的前20 d内，随进气中氯苯质量浓度的升高，氯苯去除率整体呈上升趋势但波动较大，说明生物滴滤塔内的微生物仍处于对塔内环境逐渐适应的阶段；挂膜启动20 d后，随进气中氯苯质量浓度的升高，氯苯去除率呈逐渐升高的趋势，说明生物滴滤塔内的微生物已经适应了塔内环境，微生物开始大量增殖；挂膜41 d后，氯苯去除率达90%以上，此时生物滴滤塔挂膜启动完成，生物滴滤塔进入稳定运行阶段。

2.2 生物滴滤塔稳定运行阶段的工艺性能

2.2.1 进气中氯苯质量浓度对氯苯去除率及氯苯去除负荷的影响

生物滴滤塔稳定运行阶段，在喷淋液流量为30.0 m L/m in、EBRT为37 s的条件下，进气中氯苯质量浓度对氯苯去除率及氯苯去除负荷的影响见图4。由图4可见，随着进气中氯苯质量浓度由303.82 mg/m3逐渐增至1 489.05 mg/m3，氯苯去除率从85.1%降至70.1%，氯苯去除负荷逐渐升高，最高达到100.27 g/（m3·h）。

图4 进气中氯苯质量浓度对氯苯去除率及氯苯去除负荷的影响

2.2.2 EBRT对氯苯去除率的影响

EBRT是生物滴滤塔运行过程中重要的控制参数之一，EBRT太短，微生物与填料间的传质不够充分；EBRT太长，不利于生物滴滤塔系统的高效运行。生物滴滤塔稳定运行50 d后，在进气中氯苯质量浓度为1 200.00 mg/m3的条件下，EBRT对氯苯去除率的影响见图5。

图5 EBRT对氯苯去除率的影响

由图5可见：当EBRT为90 s时，氯苯去除率约为99.0%；当EBRT缩短为75 s时，氯苯去除率几乎没有变化；当EBRT缩短为45 s时，氯苯去除率为94.7%；当EBRT缩短为28 s时，氯苯去除率明显下降至91.4%。本实验选择EBRT超过45 s较适宜。2.2.3 喷淋液流量对氯苯去除率的影响

在进气中氯苯质量浓度为1 200.00 mg/m3、EBRT为56 s的条件下，喷淋液流量对氯苯去除率的影响见图6。由图6可见：随着喷淋液流量的增加，氯苯去除率先增大后减小；当喷淋液流量为31.8 m L/min时，氯苯去除率最高，为90.7%。本实验选择喷淋液流量为31.8 m L/m in较适宜。

图6 喷淋液流量对氯苯去除率的影响

2.2.4 氯苯进气负荷对氯苯去除负荷的影响

在进气中氯苯质量浓度为1 200.00 mg/m3的条件下，氯苯进气负荷对氯苯去除负荷的影响见图7。

图7 氯苯进气负荷对氯苯去除负荷的影响

由图7可见：当进气负荷为23.97～128.01 g/（m3·h）时，去除负荷随进气负荷的增加基本呈线性增加，说明传质过程和氯苯降解过程均运行良好；当进气负荷继续增加时，虽然去除负荷也继续增加，但去除率却明显下降。这是因为进气负荷越低，氯苯的降解越完全；进气负荷越高，降解氯苯的总量逐渐受到生物滴滤塔生化降解能力的限制。本实验选择氯苯进气负荷为23.97～128.01 g/（m3·h）较适宜。

2.2.5 喷淋液pH及氯苯去除率的变化

在进气中氯苯质量浓度为1 200.00 mg/m3、喷淋液流量为31.8 m L/m in、EBRT为56 s的条件下，在一个喷淋液更换周期内，喷淋液pH及氯苯去除率的变化见图8。由图8可见：从喷淋液更换完成开始计时，前10 h内喷淋液pH大幅下降，pH由7.5降至3.0，同时，氯苯去除率也逐渐下降，由90.0%降至85.0%；运行12 h后，喷淋液pH降至2.9，继续延长运行时间，喷淋液pH基本不再变化，氯苯去除率也稳定在85.0%以上。说明本实验过程中，生物滴滤塔对喷淋液的酸性环境有较好的适应性，喷淋液pH的变化对氯苯降解性能无显著影响。

图8 喷淋液pH及氯苯去除率的变化

3 结论

a） 将塔外培养并定向驯化的活性污泥接种于生物滴滤塔中净化氯苯废气，接种41 d后生物滴滤塔成功挂膜，此时氯苯去除率稳定在90%以上。

b） 生物滴滤塔稳定运行阶段，随着进气中氯苯质量浓度由303.82 mg/m3逐渐增到1 489.05 mg/m3，氯苯去除率从85.1%降至70.1%；降解氯苯废气适宜的工艺条件为：EBRT超过45 s，喷淋液流量31.8 m L/m in，氯苯进气负荷23.97～128.01 g/（m3·h）。

c） 生物滴滤塔对喷淋液的酸性环境有较好的适应性，喷淋液pH的变化对氯苯降解性能无显著影响。

［1］ 魏东洋，刘芬，许振成，等. 降解氯苯类化合物的研究进展［J］. 安徽农业科学，2009，37（32）：15681 -15683.

［2］ 万大娟，贾晓珊，王红. 蔬菜中多氯代有机污染物的含量特征研究［J］. 食品科学，2007，28（10）：442-444.

［3］ Qin Chuanyu，Zhao Yongsheng，ZhengWei，et al.Study on influencing factors on removal of chlorobenzene from unsaturated zone by soil vapor extraction［J］.J Hazard Mater，2010，176（1/2/3）：294-299.

［4］ Mareike Braeckevelt，Gabriele Mirschel，Arndt Wiessner，et al. Treatment of chlorobenzene-contaminated groundwater in a pilot-scale constructed wetland［J］.Ecolog Eng，2008，33（1）：45-53.

［5］ Wang Can，Xi Jinying，Hu Hongying. Effects of nitrogen source，empty bed residence time and inlet concentration on biofilter removal of chlorobenzene［J］. Eng Life Sci，2009，9（2）：109-115.

［6］ 吴迪，杜青平. 室内环境中氯苯对人体健康危害的研究进展［J］. 河北农业科学，2009，13（2）：73 -74，78.

［7］ Duan Huiqi，Yan Rong，Koe L C C. Investigation on the mechanism of H2S removal by biological activated carbon in a horizontal biotrickling filter［J］. Environ Biotechnol，2005，69：350-357.

［8］ Xue Niantao，Wang Qunhui，Wu Chuanfu，et al.Enhanced removal of NH3during composting by a biotrickling filter inoculated with nitrifying bacteria［J］.Biochem Eng J，2010，51：86-93.

［9］ Nicolella C，Converti A，Zilli M. Biotrickling air filtration of 2-chlorophenol at high loading rates［J］. Biochem Eng J，2009，43：98-105.

［10］ Walter D，Chihpin H，Chihan L. Biotrickling filtration for control of volatile organic compounds from m icroelectronics industry［J］. J Environ Eng，2003，7：610-619.

［11］ Ramirez A A，Jones J P，Heitz M. Control of methanol vapours in a biotrickling filter：Performance analysis and experimental determination of partition coefficient［J］. Bioresour Technol，2009，100：1573-1581.

［12］ 刘强. 生物滴滤法净化挥发性有机废气VOCs的研究［D］. 陕西：西安建筑科技大学，2003.

［13］ American Public Health Association. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater［C］.Washington：APHA，1998.