生物转鼓净化SO2的性能研究

贯文瑶，郭子怡，蔡鲁祥,2，沈家辰，应 典，沙昊雷

(1.浙江省“生物工程”一流学科,浙江万里学院,浙江 宁波 315100； 2.宁波财经学院艺术设计学院,浙江 宁波 315175)

引 言

SO2是重要的大气污染物之一，它的大气化学行为一直被广泛关注[1]。大气环境中SO2积累会污染环境、造成酸雨、破坏臭氧[2]，当SO2溶于水中，会形成亚硫酸，亚硫酸进一步在PM2.5存在的条件下氧化，便会迅速高效生成硫酸，成为酸雨的主要来源[3]，造成环境污染并对人体健康产生巨大危害，因此控制SO2的污染问题一直非常重要。

传统的SO2控制技术主要以理化法为主，近年来随着生物技术的不断发展，生物法处理废气技术越来越多地被应用于实际工程中，而生物法废气处理工艺中较常见的生物滤床由于存在气液分布不均和填料床层堵塞问题，导致操作管理复杂、运行费用较高，如何提高生物滤床中气态污染物的处理效率和处理负荷，也将是生物处理技术需要解决的一个重要问题。本实验采用生物转鼓反应器去除SO2废气，通过改变温度、转速、pH、气体流量、进气浓度等因素研究其对SO2去除效果的影响，通过实验得出去除SO2的最佳条件，并研究生物转鼓净化SO2过程中的硫平衡。脱硫工艺、钠碱法脱硫、双碱法脱硫、氨法脱硫，这些技术有着占地面积大、脱硫效率不高的缺点[4]。

1 材料和方法

1.1 实验装置

实验装置主体部分采用不锈钢材料，全密封设计[6]，生物转鼓装置长38.2cm，宽28.4cm，高47cm，具体见图1。生物填料采用多孔聚氨酯，填料直径为220mm，内部空心直径为80mm，圆柱高150mm，体积5L，转轴22cm。SO2模拟废气通过化学反应装置与主体反应器之间的连接管进入生物转鼓装置中，被生物膜净化后，经连接管排出。调速电机连接转轴使转鼓内生物膜填料转动，由于不停的转动，生物膜与营养液发生接触，生物膜上的微生物汲取营养液中的营养成分分解、转化SO2废气[7]。

实验所用的活性污泥取自宁波市污水处理厂二沉池，营养液中各营养物质的浓度为，C6H12O63500mg/L，NaCl 500mg/L，K2HPO42000mg/L，MgSO4·7H2O 600mg/L，NaHCO3500mg/L，CaCl255.4mg/L，CaSO4·5H2O 15.7mg/L，CoCl2·6H2O 16.1mg/L，MnCl2·4H2O 50.6mg/L，ZnSO4·7H2O 220mg/L，FeSO4·7H2O 49.9mg/L。

1.空气泵；2.SO2发生装置；3.气体流量计；4.采样口；5.压力传感器；6.进气口；7.填充物； 8.营养液；9.出气口；10.营养液进口；11.桌子图1 生物转鼓装置图Fig.1 Device diagram of RDB

1.2 废气源及测定方法

2 结果与分析

2.1 生物转鼓挂膜情况分析

挂膜期间采用Na2SO4溶液作为微生物的硫源，填料挂膜情况详见图2，由图2可见，前5天微生物挂膜速度缓慢，填料上只有丁点黄色斑点，说明微生物处于适应期，生长速度较低；10天后，填料上的微生物生长迅速，呈线性增长[9]。一直到25天，生物膜已经能将填料完全包裹，完整的生物膜基本形成，此后几天中，生物膜基本维持稳定，没有明显的变化。35天时生物膜已经能将填料完全包裹，完整的生物膜形成。

图2 生物转鼓中的填料挂膜情况Fig.2 The situation of packing film hanging in RDB

图3 挂膜阶段浓度变化情况Fig.3 Variation of concentration in film hanging stage

图4 挂膜阶段去除负荷变化情况Fig.4 Variation of removal load in film hanging stage

2.2 稳定运行阶段SO2去除情况

实验稳定运行阶段采用SO2废气源进气，共进行了90天。在营养液每日更新2L，营养液量为17L，温度控制在28℃，pH为7，转鼓转速为3 r/min的条件下，SO2的去除率随实验时间的变化情况如图5所示[10]。

图5 运行稳定阶段SO2去除率情况Fig.5 SO2 removal efficiency in stable operation stage

由图5可见，在运行稳定阶段SO2去除率基本稳定在95.5%～96.5%，有个别值起伏较大是因为在运行过程中设备的维修和外界停电等因素造成，但第2天就能恢复至原来的去除率，这说明生物转鼓能有较强的适应性和耐冲击负荷能力[11]。

2.3 温度对SO2去除的影响

温度是影响微生物新陈代谢的重要因素之一[13]，温度对SO2去除效果的影响结果详见图6。

图6 温度对SO2去除效果的影响Fig.6 Effect of temperature on SO2 removal efficiency

由图6可见，随着温度从16℃上升到28℃，SO2的去除率也随之升高，并且在温度28℃时SO2的去除率达到98%；但当温度继续升高时，SO2的去除率反而开始下降。说明温度过高会使微生物活性降低，SO2的去除效果反而下降。因此在运行稳定阶段温度控制在26～30℃为宜，SO2的去除率可维持在97.8%～98%，去除效果较好。

2.4 pH对SO2去除的影响

pH对微生物的生命活动有很大的影响，主要用在：①引起细胞质膜上的电荷性质的改变，从而影响了微生物细胞对营养物质的吸收；②影响代谢过程中酶的活性；③引起细胞质等电点的变化，从而影响微生物的呼吸作用和对营养物质的代谢功能，改变有害物质的毒性等[16-17]。pH对SO2去除效果的影响结果详见图7。

图7 pH对SO2去除率的影响Fig.7 Effect of pH on SO2 removal efficiency

由图7可见，当pH<7时，SO2去除率随pH的增大而增大，当pH>7时，在碱性环境下，虽然碱吸收SO2是有利的，但硫酸盐还原菌的去除效果下降更为明显，因此SO2去除率随pH增大而减小；最佳去除效果是pH=7，此时SO2去除率达到97.8%，本实验条件下微生物在pH=7的情况下代谢功能最强，过高或过低的pH会使生物填料上的微生物的活性降低[18]，从而导致SO2去除效果的下降。

2.5 转速对SO2去除的影响

转速对微生物活性、净化效率和填料压降等都会产生影响。根据表面更新理论，转速的加快可以使微生物表面液膜的更新速率加快，使液相中营养物质向微生物膜传递的速率加快，增强了微生物的活性[19]。

图8 转速对SO2去除率的影响Fig.8 Effect of rotation speed on SO2 removal efficiency

从图8看出，当转速从3～5 r/min时，SO2的去除率随转速增大而增大，在转速5 r/min时达到最大，为98.3%。说明转速≤5 r/min时，微生物表面液膜更新速率加快，液相中营养物质向微生物膜传递的速率加快，微生物活性较强，能更好的去除SO2；当转速>5 r/min时，由于转速过快导致微生物表面液膜更新速率过快，使液膜增厚，液膜增厚将导致气体通道直径变小，SO2废气在生物转鼓内被净化时间缩短，SO2的去除率反而因此降低。

2.6 进气浓度对SO2去除的影响

本实验是通过Na2SO3与H2SO4进行化学反应来模拟SO2废气的产生。因此通过改变进行反应的Na2SO3的用量，来改变SO2的进气浓度，考察进气浓度对SO2去除效果的影响，如图9所示。

图9 进气浓度对SO2去除率的影响Fig.9 Effect of inlet concentration on SO2 removal efficiency

本实验阶段，控制气体流量为4 L/min，进气浓度逐步从328 mg/m3增大到2850 mg/m3。由图9看出，SO2去除率随着进气浓度的升高而降低，当进气浓度为328 mg/m3时，SO2去除率为97.5%，而当进气浓度达到2850 mg/m3时，SO2去除率降到了90%，主要是受去除负荷限制所致。

2.7 生物转鼓净化SO2过程中的硫平衡

图10 SO2转化途径Fig.10 SO2 conversion pathway

S气相=(C进-C出)×SLM/(MS/MSO2)

(1)

式中，S气相——气相中的S含量变化值，mg；C进——SO2进气浓度，mg/m3；C出——SO2出气浓度，mg/m3；SLM——气体流量，L/min；MS——SO2中S的质量分数；MSO2——SO2质量分数。

(2)

S微=EC×V填×24h

(3)

式中，S微——微生物净化成单质S的含量，mg；V填——填料体积，L，本实验填料体积为5 L；EC——去除负荷，g/(m3·h)，取为14.5 g/(m3·h)；

表 转化过程中S元素的变化量及S平衡Tab. Variation of S element and S balance in the process of transformation

由上表可以看出，液相中的S含量变化值与被微生物所净化的S含量之和与气相中的S含量变化值基本一致，说明本实验SO2在生物转鼓内的转化过程中S元素是平衡的。

3 结 论

利用生物转鼓过滤反应器去除SO2废气，用控制变量法，依次改变温度、pH、转速、进气浓度，考察其对SO2去除率的影响。实验得出以下结论。

3.2 运行稳定阶段SO2去除率基本稳定在95.5%～96.5%，根据对几种因素的考察，得到温度在26℃～30℃，pH为7，转速为5 r/min时SO2去除率达到最大。

3.3 SO2去除率随着进气浓度的升高而降低，当进气浓度为328 mg/m3时，SO2去除率为97.5%，受去除负荷限制，当进气浓度达到2 850 mg/m3时，SO2去除率降到了90%。

3.4 液相中的S含量变化值与被微生物所净化的S含量之和与气相中的S含量变化值基本一致，SO2在生物转鼓内的转化过程中S元素是平衡的。

由以上结论可见，采用生物转鼓脱硫是切实可行的，生物转鼓在去除负荷、净化高浓度含硫废气等方面有更好的表现，具有很好发展前景。