CN103816797B

CN103816797B - 一种强化疏水性甲苯生物降解的方法

Info

Publication number: CN103816797B
Application number: CN201410086006.5A
Authority: CN
Inventors: 刘佳; 杨竹慧; 李坚; 曹菁洋
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2034-03-10
Also published as: CN103816797A

Abstract

一种强化疏水性甲苯生物降解的方法，属于挥发性有机物处理技术领域。采用的菌源由污水处理厂的活性污泥经甲苯梯度驯化获得，经扩大培养后制成菌悬液备用；生物滴滤塔选用陶粒作为填料，逐层铺装填料，将制成的菌悬液从滴滤塔上部均匀的喷洒在陶粒上，从滴滤塔底部通入高浓度甲苯气中进一步驯化，经气相驯化挂膜方式启动运行，使生物膜形成，滴滤塔进入下一步的稳定运行阶段；在循环营养液中加入生物表面活性剂鼠李糖脂，从滴滤塔的上部向填料中喷淋营养液，鼠李糖脂随营养液经布液板均匀分布在填料上；从滴滤塔底部通入待处理的甲苯废气。操作简单、不产生二次污染的方法，提高疏水性VOCs（甲苯）的生物降解效率。

Description

一种强化疏水性甲苯生物降解的方法

技术领域

本发明主要涉及采用生物滴滤法处理挥发性有机物领域，特指一种采用生物表面活性剂强化生物滴滤反应器内疏水性挥发性有机物甲苯降解的方法，属于挥发性有机物处理技术领域。

背景技术

挥发性有机物（VolatileOrganicCompounds，VOCs）是包含脂肪族和芳香族有机物的一类较难处理的有机物，在常温下它们的蒸发速率大，易挥发。在化工产品的生产和储运过程中以及大部分涉及有机溶剂的使用过程中都会产生大量的VOCs，日常的交通工具和污染物处理过程也会产生VOCs。VOCs对人体的危害较大，一些物质具有“三致”效应。在挥发性有机化合物中，甲苯最具代表性。主要由石油和石油产品生产过程中衍生而产生，甲苯主要用于化工原料的制备，例如：苯、二甲苯、苯甲酸、甲苯二异氰酸脂、氯化甲苯、甲酚和对甲苯磺酸等。这些原料可进一步制造合成纤维、涂料、油漆、塑料、炸药和染料以及飞机、汽车用的燃料油等。甲苯可经皮肤、呼吸道及消化道吸收。对皮肤、粘膜有刺激性，对中枢神经系统有麻醉作用。由于甲苯的脂溶性很强，所以在体内主要分布于富含脂肪的组织，肾上腺、脑、骨髓和肝脏中较多。短时间内吸入较高浓度本品可出现眼及上呼吸道明显的刺激症状、眼结膜及咽部充血、头晕、头痛、恶心、呕吐、胸闷、四肢无力、步态蹒跚、意识模糊。重症者可有躁动、抽搐、昏迷。长期接触可发生神经衰弱综合征，肝肿大，女性月经异常等。皮肤干燥、皲裂、皮炎。由于大多数的VOCs都是脂溶性的，在水相中的溶解度非常有限甚至不溶，这一类VOCs可称为疏水性VOCs。甲苯作为代表性的疏水性VOCs之一，引发的环境污染以及对人体健康的危害引起广泛关注，开发高效的甲苯净化方法具有重大的现实意义。

生物滴滤法净化VOCs是在传统生物过滤技术比较成熟时发展起来的，具有很大的发展潜力。生物滴滤反应器的填料上方喷淋循环液，喷淋液提供附着在填料上的微生物所需的除碳源以外的其它营养物质。因此，大部分生物膜表面都覆盖有液膜，这就使VOCs、氧气首先要经过由气相到液相的传质过程；然后通过扩散和对流，VOCs从液膜到生物膜；吸附在生物膜表面的VOCs被其中的微生物捕获并降解。

在传统的生物法中，疏水性VOCs从气相经过液膜再到生物膜的传质过程中存在较大阻力，从而降低了其生物可利用性，也成为限制其被微生物捕获降解的主要因素。介质内持水量减少后，生物膜外表面上水膜的变薄或消失降低了水膜阻力，提高了气相中甲苯和氧气向生物相的传质速率，进而提高了生物膜内的生物质氧化降解速率，但水分太低又会影响滴滤器内生物相的活性。因此，如何减小VOCs在生物滴滤系统中气液间的传质阻力、使水分既有利于微生物的生长又不降低VOCs和氧气向生物相的传质速率，是生物滴滤法处理疏水性VOCs需要解决的关键问题之一。

发明内容

本发明的主要目的是针对在采用生物滴滤法处理疏水性VOCs过程中存在的主要问题，提供一种投资少，操作简单、不产生二次污染的方法，提高疏水性VOCs（甲苯）的生物降解效率。

本发明是通过以下技术方案实现上述发明目的的。

步骤1：采用的菌源由污水处理厂的活性污泥经甲苯梯度驯化获得，经扩大培养后制成菌悬液备用；生物滴滤塔选用陶粒作为填料，逐层铺装填料，将制成的菌悬液从滴滤塔上部均匀的喷洒在陶粒上，从滴滤塔底部通入高浓度甲苯气中进一步驯化，经气相驯化挂膜方式启动运行，使生物膜形成，滴滤塔进入下一步的稳定运行阶段；

步骤2：在循环营养液中加入生物表面活性剂鼠李糖脂，从滴滤塔的上部向填料中喷淋营养液，鼠李糖脂随营养液经布液板均匀分布在填料上；从滴滤塔底部通入待处理的甲苯废气。

生物滴滤塔连续运行的过程中，添加鼠李糖脂可以降低液相的表面张力，对难溶的甲苯具有增溶作用。鼠李糖脂改变气液界面性质，使原亲水性的气液界面具有一定的疏水性，从而更多的疏水性VOCs分子在表面活性剂疏水基团的作用下附着于液体表面、进而在表面活性剂胶束的作用下“溶解”于液体中，可大大提高其在水相中的表观溶解度，进而降低传质阻力，增加其生物可利用性。并且鼠李糖脂作用于微生物细胞后，能在一定程度上增大微生物细胞表面的疏水性，提高了其与疏水性底物之间的亲和力，有利于微生物吸收转化疏水性污染物。

优选所述生物表面活性剂是指由铜绿假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa）产生的鼠李糖脂。

优选所述生物表面活性剂鼠李糖脂添加到营养液中，浓度范围为0.04g/L～0.2g/L。

所述添加生物表面活性剂的营养液，利用潜水泵通过喷头，周期性地间歇喷淋至填料上，喷淋周期为每小时喷1次，每次喷4s，喷淋量为0.5-0.7m³/(m³填料·d)。

步骤1所述的高浓度甲苯废气的浓度为1000-2000mg/m³。

所述填料为陶粒，球状、多微孔，其粒径为2-3mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

使用的生物表面活性剂鼠李糖脂是一种环境友好型的天然表面活性剂，产生于微生物的代谢过程中，与化学表面活性剂相比除具有降低表面张力、稳定乳化液和增加泡沫等相同作用外，还有许多明显的优势：（1）更强的表面和界面活性；（2）对热的稳定性；（3）对离子强度的稳定性；（4）生物可降解性；（5）破乳性。由于这些显著特点，使用生物表面活性剂可有效避免环境中化学试剂大量使用所造成的污染累积，使得工艺流程更具安全性和环境可持续性。

本成果的应用可在不改变运行设备和其他运行条件的情况下，提高生物滴滤塔对疏水性甲苯的净化效率，操作简单、环境友好、维护方便。

本发明采用经梯度驯化后的活性污泥作为菌源，接种于生物滴滤塔中，通入高浓度甲苯废气，经气相驯化挂膜方式启动运行至反应器进入稳定运行阶段，在循环营养液中加入生物表面活性剂鼠李糖脂。添加鼠李糖脂可以降低液相的表面张力，改变气液界面性质，提高其在水相中的表观溶解度，进而降低传质阻力，增加其生物可利用性。并且鼠李糖脂能在一定程度上增大微生物细胞表面的疏水性，提高了其与疏水性甲苯之间的亲和力，有利于微生物吸收转化，从而提高甲苯的降解效率。本发明的主要目的是针对在采用生物滴滤法处理甲苯过程中存在的主要问题，提供一种投资少，操作简单、不产生二次污染的方法。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步描述本发明。

本发明中所用的装置为立式生物滴滤塔，生物滴滤塔主要由布气系统、布液系统和生物处理系统构成。生物滴滤塔的主体是有机玻璃管，内径85mm，高1000mm。有机玻璃管分为2段，每段装有2.84×10^-3m³陶粒作为填料，其粒径为2-3mm，1.8g/cm³，比表面积1.3m²/g。填料底部由法兰隔板支撑。在有机玻璃管的两段留有孔径25mm的圆孔，分别连接U型压力计的两端。布气系统主要由吹气泵、甲苯发生瓶、混合瓶、转子流量计、缓冲瓶、和真空泵组成，采用正压送气、负压收集的方式，使得甲苯不会泄露，保证了操作人员的安全。气流由反应柱下端进气，上端出气，与营养液流动方向相反。在反应器的进口和出口分别设有气体采样口。布水系统由潜水泵、储液槽、加热棒、缓冲储液罐、时间继电器、电磁阀及喷嘴构成，形成一套自动喷淋系统，喷淋液温度控制在30℃。

该装置启动时采用的菌源由污水处理厂的活性污泥驯化而成，将活性污泥静置3h，取上清液接种到牛肉膏蛋白胨培养基中，将活性污泥进行活化。经牛肉膏蛋白胨培养基培养24h后，利用选择性无机培养基对活性污泥进行驯化。本驯化采用梯度驯化法，将选择性无机培养基分装到350ml的好氧震荡瓶中，每瓶50ml，灭菌后接种活化后的活性污泥，并塞好瓶塞。向好氧震荡瓶中注入1μL甲苯，立即用封口膜密封，在30℃，120r/min的条件下进行培养。每隔24h向瓶中梯度加入甲苯2μL、4μL、7μL、10μL、30μL。经过6天驯化，待甲苯完全被降解后，将该菌作为菌源配制成菌悬液，通过潜水泵使菌悬液从反应柱顶端喷淋而下，同时在反应柱的底端通入1000mg/m³甲苯，与营养液喷淋方向成逆流。气体流量为0.16m³/h，相应的停留时间为64s，进行反应器的挂膜启动。随着时间的延长，生物膜迅速增长，同时甲苯的去除率也相应提高，经过10天，降低甲苯浓度到800mg/m³，生物滴滤塔的甲苯去除效率基本可稳定在90%左右。生物滴滤塔成功启动，并正常运行。所述的无机盐营养液成分：K₂HPO₄·H₂O0.109g/L、Na₂HPO₄·12H₂O0.167g/L、KH₂PO₄0.0425g/L、NH₄Cl0.025g/L、MgSO₄0.0675g/L、CaCl₂0.0364g/L、FeCl₃0.3mg/L、MnSO₄·H₂O0.04mg/L、ZnSO₄·H₂O0.0428mg/L、Na₂MoO₄·4H₂O0.0347mg/L。

在本发明中的生物滴滤塔挂膜成功后，在生物滴滤塔顶端循环喷淋营养液，底端通入含甲苯废气，进行废气的处理。循环液中添加生物表面活性剂鼠李糖脂，鼠李糖脂的浓度为0.04g/L～0.2g/L。

在室温20℃，大气压101Kpa的条件下，控制甲苯的浓度在600～700mg/m³左右，生物滴滤装置的空塔停留时间设定为51s。添加含有鼠李糖脂表面活性剂的无机盐营养液，鼠李糖脂表面活性剂的浓度为0.08g/L。循环液每小时喷淋一次，每次4s，喷淋量为0.7m³/(m³填料·d)，在此条件下连续运行60d。喷淋添加鼠李糖脂营养液的生物滴滤装置的压损为90Pa，保持不变。甲苯的去除率在60d内一直稳定在95%左右，没有下降趋势。同时，可以抑制微生物的过度繁殖，防止生物滴滤塔的堵塞，甲苯的出口浓度为30mg/m³，符合GB16297-1996大气污染综合排放二级标准，可达标排放。

作为对比，在相同运行条件下，喷淋不含表面活性剂的无机营养液，生物滴滤装置在运行的前50天甲苯的去除率稳定在82%左右，而后10天甲苯的去除率呈下降趋势，在第60天时，甲苯的去除率仅有65%，说明微生物生长过量，堵塞填料，抑制了甲苯由气相到液相的专递，降低了甲苯的去除率。同时生物滴滤塔的压力损失由开始的90Pa增加到第60天的300Pa。压损增大。

作为对比，在相同运行条件下，添加化学表面活性剂吐温80的无机盐营养液，吐温80的浓度为8g/L。循环液的喷淋量为2L/d，在此条件下连续运行60d。甲苯的去除率在60d内一直稳定在90%左右，没有下降趋势。分别添加鼠李糖脂和吐温80起到的提高甲苯去除率的作用相似，能使甲苯去除率提高10-15%左右，但是取得相同效果的鼠李糖脂添加量远远低于吐温80的添加量。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，在本发明的实质范围内进行的任何改进、替换工艺方案均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种强化疏水性甲苯生物降解的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用的菌源由污水处理厂的活性污泥经甲苯梯度驯化获得，经扩大培养后制成菌悬液备用；生物滴滤塔选用陶粒作为填料，逐层铺装填料，将制成的菌悬液从滴滤塔上部均匀的喷洒在陶粒上，从滴滤塔底部通入高浓度甲苯废气中进一步驯化，经气相驯化挂膜方式启动运行，使生物膜形成，滴滤塔进入下一步的稳定运行阶段；

步骤2：在循环营养液中加入生物表面活性剂鼠李糖脂，从滴滤塔的上部向填料中喷淋营养液，鼠李糖脂随营养液经布液板均匀分布在填料上；从滴滤塔底部通入待处理的甲苯废气；

生物表面活性剂鼠李糖脂添加到营养液中，浓度范围为0.04g/L～0.2g/L；

所述的营养液成分：K₂HPO₄·H₂O0.109g/L、Na₂HPO₄·12H₂O0.167g/L、KH₂PO₄0.0425g/L、NH₄Cl0.025g/L、MgSO₄0.0675g/L、CaCl₂0.0364g/L、FeCl₃0.3mg/L、MnSO₄·H₂O0.04mg/L、ZnSO₄·H₂O0.0428mg/L、Na₂MoO₄·4H₂O0.0347mg/L。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，添加生物表面活性剂的营养液，利用潜水泵通过喷头，周期性地间歇喷淋至填料上。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，喷淋周期为每小时喷1次，每次喷4s，喷淋量为0.5-0.7m³/(m³填料·d)。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤1所述的高浓度甲苯废气的浓度为1000-2000mg/m³。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于，陶粒为球状、多微孔，其粒径为2-3mm。