CN103521069B - 一种利用硅油强化生物法处理疏水性有机废气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用硅油强化生物法处理疏水性有机废气的方法，包括：（1）将菌液与硅油混合，得到吸收液；（2）将吸收液加入到生物反应器中；（3）将疏水性有机废气通入生物反应器中进行处理，其中，所述的疏水性有机废气指25℃下在100g水中的溶解度为0.1g以下的有机废气。本发明将硅油加入到吸收液中，能够很好的提高气液传质效率，进而充分发挥微生物的降解活性，极大提高有机废气的处理效率，另外，硅油对于有机废气有一定的存储能力，能够处理更高气量或浓度的有机废气，增加了生物处理有机废气的适用范围。同时硅油的添加对微生物自身的生长也有一定的促进作用，且能够提高反应装置的稳定性，提高装置抗瞬时冲击的能力。

Description

一种利用硅油强化生物法处理疏水性有机废气的方法
技术领域
本发明涉及有机废气的生物处理技术，具体涉及一种利用硅油强化生物法处理疏水性有机废气的方法。
背景技术
挥发性有机化合物(VolatileOrganicCompounds，VOCs)是石油化工、涂料装饰、印刷工业、电子制造、表面防腐、制鞋、交通运输以及各种化工生产过程产生废气中的主要污染物。挥发性有机化合物是指在常温下饱和蒸汽压约大于70Pa，常压下沸点低于260℃的碳氢化合物及其衍生物，包括烃类、芳烃类、醇类、醛类、酮类、酯类、胺类、有机酸等。VOCs进入环境不仅会造成资源的极大浪费，而且严重污染环境，危害人类以及其他生物的健康和生存。如何使精细化工行业持续发展而不给环境带来危害，已成为国内外关注的焦点。
生物净化法是近年来发展起来的一种高新的有机废气净化技术。生物净化法处理有机废气的原理是：利用驯化后的单一或混合微生物在新陈代谢过程中以污染物作为碳源和氮源，将各种有机化合物和某些无机物进行生物降解，最终分解成水和二氧化碳，从而去除有机废气中的有机污染物。处理过程一般分为三步：（1）污染物由气相到液相的传质过程；（2）通过扩散和对流，污染物从液膜表面扩散到生物膜中；（3）微生物将污染物转化为生物物质、新陈代谢副产物以及二氧化碳和水。
生物法由于具有处理效果好、投资及运行费用低、反应条件温和(常温、常压)、无二次污染、易于管理操作等优点,尤其在处理大流量、低浓度的有机废气时更显其经济性和优越性,因而受到了越来越多的重视。常见的生物处理工艺包括生物过滤法、生物滴滤法、生物洗涤法、膜生物反应器法和转盘式生物过滤反应器法。
公开号为CN101444700的专利文献公开了一种提高生物滴滤塔净化难溶性有机废气的方法，其是采用市售工业级非离子表面活性剂聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯(TWEEN80)的方法配制生物滴滤塔的喷淋液，而生物滴滤塔为原有的传统常用装置，利用该装置即可操作。该方法可以有效提高生物滴滤塔对难溶性有机废气的净化效果，能缩短滴滤床的启动时间，操作方便，费用低廉。公开号为CN1365847的专利文献公开了一种有机物废气的生物净化方法，该方法包括将废气以与营养物喷淋方向成并流或逆流的方向加入生物滤塔，其中的有机物被微生物捕获降解成二氧化碳和水，净化后的气体排放到大气，工艺简单，操作方便，去除率高，不产生二次污染。
但是由于有机废气浓度较低、大部分是疏水性有机物、浓度波动性大、一般具有毒性、难溶于水等特点，在利用生物法处理的过程中，气体与液体之间的传质速率受到限制，阻碍了生物法的处理效率，限制了生物法处理有机废气的能力，因此需要采用一些强化手段弥补这些限制。
工业上较多从反应器角度进行改进，但往往出现工艺结构复杂，运行操作繁琐，能耗增加等问题。
发明内容
本发明提供了一种利用硅油强化生物法处理疏水性有机废气的方法，利用硅油使水溶性较差的有机废气溶解到硅油相中，并进入传质扩散到水相或生物相中被微生物降解，在不需要对反应器进行改进的情况下，有效的处理水溶性较差的疏水性有机废气。
一种利用硅油强化生物法处理疏水性有机废气的方法，包括：
（1）将菌液与硅油混合，得到吸收液；
（2）将吸收液加入到生物反应器中；
（3）将疏水性有机废气通入生物反应器中进行处理，其中，所述的疏水性有机废气指25℃下在100g水中的溶解度为0.1g以下的有机废气。
所述菌液由营养液和接入营养液的菌株组成，所述菌株为Pandoraea属菌株。所述的菌株为无法利用硅油作为碳源的好氧微生物菌株，且硅油对其无生物毒性。
所述的营养液的制备方法为：将A液10mL与B液20mL混合后定容至1L，其中A液为1L液体中含有200g(NH4)2SO4,10gMgCl2·6H2O,1gEDTA,0.2gZnSO4·7H2O,0.1gCaCl2·2H2O,0.5gFeSO4·7H2O,0.02gNa2MoO4·2H2O,0.02gCuSO4·5H2O,0.04gCoCl2·6H2O和0.1gMnCl2·2H2O的溶液；B液为1L液体中含155gK2HPO4和85gNaH2PO4·2H2O的溶液。
添加非水相有机溶剂是强化生物法处理有机废气的一种新思路。在生物法处理疏水性有机废气的过程中，通过向菌液中添加一定量的非水相有机物，形成水相与有机相的双液相分配体系，提高有机废气从气相传质扩散到液相的能力，相比传统的生物处理法，水溶性较差的挥发性有机化合物可以先快速溶解到有机相中，再传质扩散到水相或生物相中，提高了生物捕获有机化合物作为碳源的能力，充分发挥微生物降解能力，从而提高生物降解气态有机物的效率。非水相的选择需要满足一定的条件。硅油是一类能高效吸收目标有机废气的有机溶剂，并具有无生物毒性、无生物降解性、粘度低、密度小于水等特点。水溶性较差的挥发性有机化合物可以先快速溶解到硅油相中，再传质扩散到水相或生物相中被微生物降解。利用硅油强化生物法处理有机废气与传统的生物法相比处理效果明显，尤其在处理含疏水性有机废气过程中优势突出。
所述的硅油为二甲基硅油，学名为聚二甲基硅氧烷，是一种聚合物，密度一般略小于水，所述的硅油对生物法中的降解微生物无生物毒性和生物降解性。所述的硅油作为非水相，疏水性有机废气先溶解在硅油相中，再传质扩散到水相或生物相中被微生物降解，故而硅油应处在水层上方，选择密度小于水的硅油，所述硅油密度小于水且粘度在5～200mPa·s-1之间。
所述的硅油作为非水相，添加至菌液中，为防止在反应器中引起堵塞、提高压降等问题而增加额外的能耗，作为优选，所述硅油的粘度为10mPa·s-1。
所述生物反应器为双液相气升式反应器，所述双液相气升式反应器包括：
反应器外筒；
设置于反应器外筒内部并与该反应器外筒同轴安装的导流筒，该导流筒用于容纳吸收液；
与该导流筒流体连通的气体进口、气体出口和液体取样口；
包覆所述反应器外筒的加热层；以及
设置于所述反应器外筒底部的排泥口。
所述的导流筒下方设置有用于分配进口气体的气体分布器。
所述的气体分布器孔径为0.1～2mm，小孔数量为50～1000。
所述的加热层通过恒温循环水或电加热装置加热，以确保反应器内部的温度为污泥微生物活动的最佳温度。所述恒温循环水的温度控制在28-32℃之间，尤以30℃时为最佳。
所述的导流筒和反应器外筒的直径比为0.5～0.85：1。
所述的反应器外筒高径比为6～12：1。
所述生物反应器中吸收液的pH控制为6-7之间。
所述硅油的添加量占吸收液总体积的2%-20%。
作为优选，所述硅油的添加量占吸收液总体积的5%，可达较优的增溶效果，并获得较高的有机废气去除效果。
反应器底部有一定弧度的倒角，便于污泥的收集和防止出现反应器死区。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）本发明在吸收液中加入了硅油，强化了液相溶解气相中有机废气的能力。在处理水溶性较差的挥发性有机化合物（如二甲苯的溶解度仅106mg/L，25℃）时，可以先快速溶解到非水相硅油中，再传质扩散到水相或生物相中，加快了有机废气从气相到液相的传质过程，提高了反应器处理效率。
（2）本发明提高了生物反应器处理有机废气的效果。因液相中能溶解更多的气态有机化合物，则提高了生物捕获有机化合物作为碳源的能力，能够充分发挥微生物降解能力，从而提高生物降解气态有机物的效率。
（3）适用范围广。本发明可应用于多种常见有机废气生物反应器，如气升式反应器、搅拌釜生物反应器及生物滴滤塔等。
（4）提高了微生物抗高浓度有机废气的能力。硅油对于有机废气有一定的存储能力，能够处理更高气量或更高浓度的有机废气，同时不会因有机废气气量或浓度的提高而对微生物造成毒害作用进而抑制微生物的新陈代谢，因此增加了生物处理有机废气的适用范围。
附图说明
图1为双液相气升式生物反应器结构图。
图2为停留时间90s时，硅油对反应器去除效率变化情况比较图。左侧纵坐标为进气中二甲苯的浓度，右侧纵坐标为反应器中二甲苯的去除效率，横坐标为反应器运行时间。
图3为不同停留时间下普通反应器和添加硅油的反应器在二甲苯的去除效率上的比较图。左侧纵坐标为二甲苯进气浓度，右侧纵坐标为反应器中二甲苯的去除效率，横坐标为反应器运行时间。
图4为冲击负荷下，气升式反应器中二甲苯去除效率的变化图。左侧纵坐标为气相二甲苯浓度，右侧纵坐标为反应器中二甲苯的去除效率，横坐标为反应器运行时间。
图5为停留时间60s时，添加5%硅油的两种生物反应器去除效率比较图。左侧纵坐标为气相进气中二甲苯浓度，右侧纵坐标为反应器中二甲苯的去除效率，横坐标为反应器运行时间。
图6在停留时间60s时，冲击负荷下两种反应器对二甲苯去除效率的变化图。左侧纵坐标为气相进气中二甲苯浓度，右侧纵坐标为反应器中二甲苯的去除效率，横坐标为反应器运行时间。
具体实施方式
实施例1
实验条件：实验中的模拟有机废气为二甲苯废气，气体组成：二甲苯+空气，通过空气泵鼓泡得到。有机废气浓度控制在200～2000mg/m3之间。实验中的生物反应器为气升式生物反应器，如图1所示。反应器外筒直径60mm，高630mm；导流筒直径30mm，高400mm。整个反应器的容积为1.78L。菌液由Pandoraea属菌株和营养液组成。无机盐营养液（MineralSaltMedium，MSM）由10mLA液与20mLB液稀释至1L得到。其中，A液含有200g(NH4)2SO4,10gMgCl2·6H2O,1gEDTA,0.2gZnSO4·7H2O,0.1gCaCl2·2H2O,0.5gFeSO4·7H2O,0.02gNa2MoO4·2H2O,0.02gCuSO4·5H2O,0.04gCoCl2·6H2O和0.1gMnCl2·2H2O等，溶解后定容至1L；B液为155gK2HPO4和85gNaH2PO4·2H2O溶解后定容至1L。
在相同条件运行下达到稳定后的两个相同的气升式生物反应器中，向其中一反应器中加入混合有菌液和硅油的吸收液，其中硅油的添加量占吸收液总量的5%（体积比），向另一反应器中加入没有硅油的单独菌液。将有机废气的进气量控制在71L/h，对应反应器的停留时间RT=90s；反应器内吸收液的pH控制在6-7之间；实验室温度28-32℃。反应器每天运行10小时，每隔一小时测定一次进出口气体中二甲苯的浓度。
利用图1所示的双液相气升式生物反应器来净化二甲苯有机废气，它包括加热层1、反应器外筒2、设置于外筒2内部并与外筒2同轴安装的导流筒3、导流筒3下方的气体分布器4、有机废气入口5、无机相6、有机相7、放置于反应器内的污泥颗粒、反应器外筒2底部的排泥口8、液相取样口9、尾气出口10等；所述的双液相由互不相溶的有机相和无机相组成，其中无机相为无机盐营养液，有机相为硅油相。反应器从下到上依次为，下部排泥口8用于排放反应器运行过程中产生的多余的活性污泥，有机废气入口5与气体分布器4相连用于分配进入反应器的气体，气体分布器4中设有多个孔径0.1～2mm的出气小孔，从小孔中出来的小气泡均匀分布于导流筒3内，气泡上升带动导流筒3内的液体上流，而在反应器外筒2内壁和导流筒3外壁之间的液体形成下流液，从下部进入到导流筒3内，实现气升式反应器内液相循环。在反应器中间设有取样口9，用于分析反应器内液相成分和理化性质，反应器顶部侧面为尾气出口10，经双液相气升式生物反应器处理后的有机废气尾气经此口排出。反应器外筒2的外壁有加热层1，确保反应器内部的温度为污泥微生物活动的最佳温度。
运行结果如附图2所示，在稳定运行的气升式反应器中，加5%硅油后的反应器具有更高的二甲苯去除效率，大约高10%左右。
实施例2
实验条件：实验中的模拟废气为二甲苯废气，气体组成：二甲苯+空气，通过空气泵鼓泡得到。浓度控制在200～2000mg/m3之间。实验中的生物反应器为气升式反应器，如图1所示。外筒直径60mm，高630mm；导流筒直径30mm，高400mm。整个反应器的容积为1.78L。菌液由Pandoraea属菌株和营养液组成。无机盐营养液（MineralSaltMedium，MSM）由10mLA液与20mLB液稀释至1L得到。其中，A液含有200g(NH4)2SO4,10gMgCl2·6H2O,1gEDTA,0.2gZnSO4·7H2O,0.1gCaCl2·2H2O,0.5gFeSO4·7H2O,0.02gNa2MoO4·2H2O,0.02gCuSO4·5H2O,0.04gCoCl2·6H2O和0.1gMnCl2·2H2O等，溶解后定容至1L；B液为155gK2HPO4和85gNaH2PO4·2H2O溶解后定容至1L。
在相同条件运行下达到稳定后的两气升式生物反应器中，向其中一反应器中加入混合有菌液和硅油的吸收液，其中硅油的添加量占吸收液总量的5%（体积比），向另一反应器中加入没有硅油的单独菌液。将有机废气的进气量控制在106、142、212L/h，对应反应器的停留时间RT=60s、45s、30s；反应器内无机液相中的pH控制在6-7之间；实验室温度28-32℃，恒温加热循环水的温度控制在30℃。反应器每天运行10小时，每隔一小时测定一次进出口气体中二甲苯的浓度。
利用图1所示的气升式生物反应器来净化二甲苯有机废气，运行结果如图3所示，在不同停留时间下添加硅油的反应器的去除效率都要高于普通生物反应器，大约高10%左右，说明含硅油的反应器对有机废气的去除效率更高，处理负荷更高。
实施例3
实验条件：实验中的模拟废气为二甲苯废气，气体组成：二甲苯+空气，通过空气泵鼓泡得到。浓度控制在200～2000mg/m3之间。实验中的生物反应器为气升式反应器，如图1所示。外筒直径60mm，高630mm；导流筒直径30mm，高400mm。整个反应器的容积为1.78L。菌液由Pandoraea属菌株和营养液组成。在相同条件运行下达到稳定后的两气升式生物反应器中，向其中一反应器中加入混合有菌液和硅油的吸收液，其中硅油的添加量占吸收液总量的5%（体积比），向另一反应器中加入没有硅油的单独菌液。无机盐营养液（MineralSaltMedium,MSM）由10mLA液与20mLB液稀释至1L得到。其中，A液含有200g(NH4)2SO4,10gMgCl2·6H2O,1gEDTA,0.2gZnSO4·7H2O,0.1gCaCl2·2H2O,0.5gFeSO4·7H2O,0.02gNa2MoO4·2H2O,0.02gCuSO4·5H2O,0.04gCoCl2·6H2O和0.1gMnCl2·2H2O等，溶解后定容至1L；B液为155gK2HPO4和85gNaH2PO4·2H2O溶解后定容至1L。
为模拟现实工厂废气处理过程中废气浓度的不稳定性。本实验考察了冲击负荷下气升式反应器的去除效率变化。从图4可以看出，含硅油的气升式反应器要比普通气升式反应器有着更强的稳定性，当进气浓度从400mg/m3增大到1500mg/m3时，普通气升式反应器的去除效率降到了65%左右，而含硅油的生物滴滤塔却还能维持在90%。说明含硅油的气升式反应器抗冲击负荷强。
实施例4
实验条件：
模拟废气为二甲苯废气，气体组成：二甲苯+空气，通过空气泵鼓泡得到。浓度控制在600mg/m3左右。菌液由Pandoraea属菌株和营养液组成。无机盐营养液（MineralSaltMedium，,MSM）由10mLA液与20mLB液稀释至1L得到。其中，A液含有200g(NH4)2SO4,10gMgCl2·6H2O,1gEDTA,0.2gZnSO4·7H2O,0.1gCaCl2·2H2O,0.5gFeSO4·7H2O,0.02gNa2MoO4·2H2O,0.02gCuSO4·5H2O,0.04gCoCl2·6H2O和0.1gMnCl2·2H2O等，溶解后定容至1L；B液为155gK2HPO4和85gNaH2PO4·2H2O溶解后定容至1L。
反应器分别为图1所示气升式生物反应和常规的生物滴滤塔，反应器中都加入混合有菌液和硅油的吸收液，其中硅油的添加量占吸收液总量的5%（体积比）。各反应器的空床停留时间都保持在60s，稳定运行下，测定两种不同生物反应器中二甲苯的去除效率。实验结果见图5和图6。
图5中的结果可以看到，同样是硅油强化下的生物反应器，在气升式反应器中，邻二甲苯的废气去除率能达到100%，而生物滴滤塔的去除率则只能维持在85%左右。所以从实验结果可以看到气升式反应器更加适合硅油强化。图6的结果也表明，含5%硅油的气升式反应器的去除效率要明显优于含5%硅油的生物滴滤塔。
由此可看出，即使在同样的工艺参数下，在选择了不同的反应器下，二甲苯废气的去除效果是完全不同的。

Claims (4)

1.一种利用硅油强化生物法处理疏水性有机废气的方法，其特征在于，包括：
(1)将菌液与硅油混合，得到吸收液；所述菌液由营养液和接入营养液的菌株组成，所述菌株为Pandoraea属菌株；
所述硅油的添加量占吸收液总体积的5％；所述硅油的粘度为10mPa·s-1；
(2)将吸收液加入到生物反应器中；所述生物反应器为双液相气升式反应器，所述双液相气升式反应器包括：
反应器外筒；
设置于该反应器外筒内部并与该反应器外筒同轴安装的导流筒，该导流筒用于容纳吸收液；
与该导流筒流体连通的气体进口、气体出口和液体取样口；
包覆所述反应器外筒的加热层；以及
设置于所述反应器外筒底部的排泥口；
(3)将疏水性有机废气通入生物反应器中进行处理，其中，所述的疏水性有机废气指二甲苯废气。
2.如权利要求1所述的利用硅油强化生物法处理疏水性有机废气的方法，其特征在于，所述的加热层通过恒温循环水或电加热装置加热。
3.如权利要求2所述的利用硅油强化生物法处理疏水性有机废气的方法，其特征在于，所述恒温循环水的温度控制在28-32℃之间。
4.如权利要求1所述的利用硅油强化生物法处理疏水性有机废气的方法，其特征在于，所述的导流筒和反应器外筒的直径比为0.5～0.85：1；所述的反应器外筒高径比为6～12：1。
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