CN108201788A

CN108201788A - 一种用于废气净化的生物流化床填料及其制备方法

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Publication number: CN108201788A
Application number: CN201810046315.8A
Authority: CN
Inventors: 席劲瑛; 陆李超; 郑倩
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2018-06-26
Anticipated expiration: 2038-01-17
Also published as: CN108201788B

Abstract

本发明涉及一种用于废气净化的生物流化床填料及其制备方法，所述填料以粒径为0.5～5mm的高分子轻质材料为骨架，所述高分子轻质材料的表面至少部分涂覆了负载污染物降解菌、营养物质的固态生物催化反应层，涂层厚度为0.1～2mm，高效降解菌可以牢固附着在填料表面的反应层中，降解利用挥发性有机物(VOCs)、恶臭物质等气态污染物。本发明所述填料的堆积密度为10～50kg/m³，可在空塔气速为0.1～0.2m/s时实现流化。在生物流化床应用中，压降小于2Pa/cm，对气态污染物的去除能力强。该填料用于生物流化床，具有无需接种、耐受干燥环境、微生物生长分布均匀、传质效率高等突出优点。

Description

一种用于废气净化的生物流化床填料及其制备方法

技术领域

本发明属于含VOCs废气的处理技术领域，特别涉及一种用于废气净化的生物流化床填料及其制备方法。

背景技术

近年来，大气污染问题日益严峻，挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)大量排放引起了城市灰霾、光化学烟雾等区域大气环境问题，严重干扰了居民的日常生活，威胁人类健康与生态安全。2016年，上海、北京、广东等多省市已启动征收VOCs排放费。近年，VOCs排放的监控也日渐趋于规范化。因此，研究工业VOCs 废气有效处理技术成为了目前科学研究的热点之一。而含VOCs废气因其成分复杂，浓度较低，波动较大等因素限制了常规的方法处理或降解，而废气生物净化技术的应用获得了较好的效果。

但随着生物净化技术的应用，其一系列弊端也逐渐暴露出来。而生物流化床的应用可以有效解决传质效率低和微生物分布不均匀的两大弊端。作为生物流化床的核心构成之一，填料成了该技术广泛应用的一个亟待优化环节。较高的疏水性、轻质的填料和合理的颗粒粒径有利于填料在较低气速下即进入流化状态，节约运行成本，提升其经济效益。而填料需要也能够吸附足够的水分供表面微生物的生长，这反而需要填料表面亲水性良好，导致填料本身增重，提升流化难度。因此，如何找到填料本身疏水性和亲水性的平衡点成为填料制备需要着重克服的难点。

发明内容

为了克服上述现有技术的待攻克难点，配合生物流化床技术实现VOCs和恶臭废气净化领域的广泛应用，本发明的第一目的在于，提供一种生物流化床的填料。

所述填料以粒径为0.5～5mm的高分子轻质材料为骨架，所述高分子轻质材料表面至少局部的涂覆了负载污染物降解菌、营养物质的固态生物催化反应层。

优选地，所述粒径为1～2mm。

优选地，所述高分子轻质材料表面均匀的涂覆了负载污染物降解菌、营养物质的固态生物催化反应层。

本发明采用了聚苯乙烯(EPS)、聚丙烯(EPP)等高分子轻质材料作为填料骨架，可有效控制填料本身密度，降低流化难度。同时骨架具备较高的疏水性，避免过多水分吸附、吸收，使填料密度过重。

优选地，所述高分子轻质材料为聚苯乙烯(EPS)，所述聚苯乙烯在较低气速下即进入流化状态。

为了克服所述高分子轻质材料的疏水性，从而导致表面微生物难以生长的难点。本发明采用物理包被的方法，将所述固态碳源颗粒、所述污染物降解菌以及所述营养物质作为涂层涂覆在所述高分子轻质材料的表面。所述物理包被的方法即优化骨架的表面特性，使高分在轻质材料在不过度变更自身性质的前提下，在一定范围内更适宜微生物生长。

其中，本发明所述的高分子轻质材料可不限定形状，所述高分子轻质材料的最宽和最窄处均在所述粒径范围内即可。优选为圆形和椭圆形。

本发明为了保证污染物降解菌生长代谢正常，又需避免填料密度过度提升，从而增大流化难度，本发明进一步提出的，所述固态生物催化反应层的厚度为0.1～2mm，优选为0.5～1mm。在此厚度下可有效实现填料的填充密度，保证了所述污染物降解菌在环境湿度较低的条件下也能实现良好的去除效果。

本发明可根据待处理的污染物，选择适宜的污染物降解菌。本发明优选处理VOCs废气，所述污染物降解菌可直接采购，也可根据污染物筛选；针对不同的VOCs废气，可选择一种或多种污染物降解菌，可为各类细菌和真菌。

所述污染物降解菌可为一种单一菌，也可是包含多种菌的菌群。

其中，根据污染物筛选的污染物降解菌可采用如下方式收集：以所需降解的污染物为唯一碳源进行驯化，然后富集浓缩，获得较高浓度污染物降解菌群的菌悬液；

所述菌悬液为上述污染物降解菌细胞或孢子的悬浮液。

本发明根据所述污染物降解菌的特性，优选营养物质；所述营养物质主要采用液态微生物培养液，将所述污染物降解菌接种到液态微生物培养液中后，加入所述固态碳源颗粒，培养至所述固体碳源颗粒潮湿状后，将发酵后的培养液干燥至固态，涂覆在所述高分子轻质材料的表面。

本发明进一步提出地，所述固态生物催化反应层中的污染物降解菌和营养物质负载在固态碳源颗粒上；所述固态碳源颗粒采用如下方式制得：将所述污染物降解菌接种到液态微生物培养液中后，加入所述固态碳源颗粒，培养至所述固体碳源颗粒潮湿状后，将发酵后的培养液干燥至固态，即可；

优选地，所述固态碳源颗粒采用如下方式制得：将所述污染物降解菌按营养液体积的2％～3％的接种量接种到液态营养液，再按每 1mL所述液态营养液添加2～3g的固态碳源颗粒，将其置于28～32℃ 的温度下，发酵36～60h后，干燥，研磨，即可。

本发明进一步提出地，所述液态微生物培养液为土豆培养液、土豆葡萄糖培养液中的一种。所述液态微生物培养液在接种初期与碳源混合后，能为微生物提供能源物质和其他营养物质。

所述营养物质为土豆培养液、土豆葡萄糖培养液、察式培养液中的一种或多种；进一步优选为土豆葡萄糖培养液，每升所述土豆葡萄糖培养液中土豆萃取液不低于200g、葡萄糖不低于20g。

本发明进一步提出地，所述固态生物催化反应层中的固态碳源颗粒选自木屑、麦麸、椰壳纤维中一种或多种；

优选的，所述固态碳源颗粒的目数为60～150目。

所述固体碳源颗粒含有丰富碳源及其他营养物质，且亲水性良好，为微生物提供生长所需的环境的同时还可提供部分能源物质，让微生物在接种初期可作为能源物质，提高微生物量。

本发明的第二目的在于提供上述填料的制备方法，具体为：采用物理包被的方法，将负载污染物降解菌和营养物质的固态碳源颗粒通过粘合剂均匀的涂覆在所述高分子轻质材料表面；干燥即得。

本发明进一步提出的，所述物理包被具体为：将粘合剂均匀喷洒在高分子轻质材料上，然后再撒播负载污染物降解菌和营养物质的固态碳源颗粒，重复喷洒和撒播固态颗粒，晾干后，再翻面重复该步骤；

循环上述步骤至达到目标厚度，即可。

本发明所述的粘合剂可采用常规粘合剂，优选采用红双喜水溶性粘合剂15号无毒无机胶水；

为使其固体碳源颗粒能够均匀的涂覆在高分子轻质材料上，且能有效控制涂覆的厚度，本发明所使用的粘合剂可被进一步稀释；优选地，所述粘合剂与水的体积为1:15～25；最优选的所述粘合剂与水的体积比为1:20。

所述填料在结束包被后，自然晾干即可。所述填料可存储在在干燥环境待用。

本发明的第三目的在于，提供上述填料在用于废气净化用生物流化床上的应用；

所述应用具体为：所述高分子轻质材料的以5～50kg/m³的填充密度进行填充，优选为10～15kg/m³。

本发明所述的填料可在空塔气速为0.1～0.2m/s时，实现流化。填料表面以真菌为主导的微生物生长良好，对典型VOCs去除能力可达60％以上。可应用于生物流化床反应器，具有无需接种，耐受干燥环境、微生物生长分布均匀，传质效率高等突出优点。

附图说明

图1为废气净化用生物流化床的填料的结构示意图；

其中，1-高分子轻质材料，2-固态生物催化反应层，3-污染物降解菌群落。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如下粘合剂采购于：红双喜水溶性粘合剂15号无毒无机胶水。

实施例1

本实施例提供一种废气净化用生物流化床的填料，所述填料以粒径为1～2mm的聚苯乙烯为骨架，在聚苯乙烯的表面均匀涂覆了 0.5～0.8mm厚度的负载污染物降解菌和营养物质的麦麸层；

所述麦麸层中负载污染物降解菌和营养物质的麦麸采用如下方式制得：

1)、将麦麸研磨后，过100目筛；

2)、将所述污染物降解菌按营养液体积的2％～3％的接种量接种到土豆葡萄糖营养液，再按1mL所述土豆葡萄糖营养液添加2～3g的筛后的麦麸，在30℃的温度下，发酵48h后，得混合液；

3)、将所述混合液自然晾干后，研磨，过100目筛，即得负载污染物降解菌和营养物质的麦麸。

实施例2

本实施例提供一种废气净化用生物流化床的填料，所述填料以粒径为1～2mm的聚苯乙烯为骨架，在聚苯乙烯的表面均匀涂覆了0.5～0.8mm厚度的负载污染物降解菌和营养物质的木屑层；

所述木屑层中负载污染物降解菌和营养物质的木屑采用如下方式制得：

1)、将木屑研磨后，过100目筛；

2)、将所述污染物降解菌按营养液体积的2％～3％的接种量接种到土豆葡萄糖营养液，再按1mL所述土豆葡萄糖营养液添加2～3g的筛后的木屑，在30℃的温度下，发酵48h后，得混合液；

3)、将所述混合液自然晾干后，研磨，过100目筛，即得负载污染物降解菌和营养物质的木屑。

实施例3

本实施例提供一种废气净化用生物流化床的填料，所述填料以粒径为1～2mm的聚苯乙烯为骨架，在聚苯乙烯的表面均匀涂覆了 0.5～0.8mm厚度的负载污染物降解菌和营养物质的椰壳纤维层；

所述椰壳纤维层中的负载污染物降解菌和营养物质的椰壳纤维采用如下方式制得：

1)、将椰壳纤维研磨后，过100目筛；

2)、将所述污染物降解菌按营养液体积的2％～3％的接种量接种到土豆葡萄糖营养液，再按1mL所述土豆葡萄糖营养液添加2～3g的筛后的椰壳纤维，在30℃的温度下，发酵48h后，得混合液；

3)、将所述混合液自然晾干后，研磨，过100目筛，即得负载污染物降解菌和营养物质的椰壳纤维。

实施例4

本实施例提供实施例1所述填料的制备方法，具体为：

将粘合剂均匀喷洒在高分子轻质材料上，然后再撒播负载污染物降解菌和营养物质的麦麸，重复喷洒和撒播1～2次晾干后，翻面继续喷洒和撒播2～3次；共循环3次，自然干燥，即得。

其中，所述粘合剂与水的体积比为1:20。

本实施例制得的填料，密度为12kg/m³左右，不发生粘连，微生物生长良好，流化特性良好。

所制得的填料如图1所示，高分子轻质材料(1)上均匀附着涂层(2)，所述涂层为通过粘合剂粘结的负载污染物降解菌和营养物质的固态碳源颗粒；所述涂层(2)中的污染物降解菌发酵后形成污染物降解菌群落(3)。

实施例5

本实施例提供实施例2所述填料的制备方法，具体为：

将粘合剂均匀喷洒在高分子轻质材料上，然后再撒播负载污染物降解菌和营养物质的木屑，重复喷洒和撒播1～2次晾干后，翻面继续喷洒和撒播2～3次；共循环3次，自然干燥，即得。

其中，所述粘合剂与水的体积比为1:20。

本实施例制得的填料，密度为17kg/m³左右，不发生粘连，微生物生长较良好，流化特性良好。

实施例6

本实施例提供实施例3所述填料的制备方法，具体为：

将粘合剂均匀喷洒在高分子轻质材料上，然后再撒播负载污染物降解菌和营养物质的椰壳纤维，重复喷洒和撒播1～2次晾干后，翻面继续喷洒和撒播2～3次；共循环3次，自然干燥，即得。

其中，所述粘合剂与水的体积比为1:20。

本实施例制得的填料，密度为20kg/m³左右，不发生粘连，微生物生长良好，流化特性良好。

对比例1

本对比例提供一种废气净化用生物流化床的填料，与实施例1的区别仅在于，不包含步骤1)和步骤3)中的研磨；

采用实施例4的制备方法。

本对比例制得的填料与实施例4制得的填料相比，密度增加10-20倍；本对比例制得的填料不发生粘连，微生物生长较好，但流化难度过大。

对比例2

本对比例提供一种废气净化用生物流化床的填料，与实施例1的区别仅在于，将麦麸替换为琼脂；

采用实施例4的制备方法。

本对比例制得的填料与实施例4制得的填料相比，密度增加 10-20倍；本对比例制得的填料不发生粘连，微生物生长较好，但流化难度过大。

对比例3

本对比例提供一种废气净化用生物流化床的填料的制备方法，与实施例4的区别仅在于，将海藻酸钠替换粘合剂。

本对比例制得的填料与实施例4制得的填料相比，密度增加20 倍以上；本对比例制得的填料易粘连，流化难度大幅提升，且易脱落，微生物生长情况较差。

对比例4

本对比例提供一种废气净化用生物流化床的填料的制备方法，与实施例4的区别仅在于，不加入粘合剂。

本对比例制得的填料，易粘连，密度增加情况良好，但微生物生长非常不理想。

对比例5

本对比例提供一种废气净化用生物流化床的填料，与实施例2的区别在于，不包含步骤1)和步骤3)中的研磨；

采用实施例5的制备方法。

本对比例制得的填料与实施例4制得的填料相比，密度增加5-10 倍；本对比例制得的填料不发生粘连，微生物生长一般且流化难度过大。

对比例6

本对比例提供一种废气净化用生物流化床的填料，所述填料以粒径为1～2mm的聚苯乙烯为骨架，在聚苯乙烯的表面均匀包裹混合海藻酸钙；

负载污染物降解菌和营养物质的海藻酸钠溶液采用如下方式制得：

1)、将麦麸研磨后，过100目筛；

2)、将所述污染物降解菌按营养液体积的2％～3％的接种量接种到土豆葡萄糖营养液，再按100mL所述土豆葡萄糖营养液添加3～4g 的筛后的麦麸，在30℃的温度下，发酵48h后，得混合液；

3)、按每100mL混合液中溶解0.5g海藻酸钠制备负载污染物降解菌和营养物质的海藻酸钠溶液。

所述填料的制备方法，具体为：制备1g/L的氯化钙溶液，将聚苯乙烯包裹海藻酸钠溶液后浸没与氯化钙溶液中，形成含有污染物降解菌和营养物质的海藻酸钙包被，室温晾干即。

本对比例制得的填料，密度为56kg/m³，不发生粘连，微生物生长不够理想，流化特性良好。

试验例1

将实施例1所述填料应用于废气净化用生物流化床上的；

采用内循环生物流化床系统进行净化处理，将实施例1所述填料的以10～15kg/m³的填充密度进行填充。

进气的相对湿度在20-60％，可在气速为0.17m/s时即进入流化状态，填料层高度30cm(进入流化后32-34cm)，体积约为3.4L，进入流化床运行阶段后，压降小于2Pa/cm，进气中VOCs的含量为： 1500-2500mg/m³，在停留时间为2～3s的条件下，VOCs的含量为 800-2000mg/m³，VOCs废气的去除率可达60％以上。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种生物流化床的填料，其特征在于，以粒径为0.5～5mm的高分子轻质材料为骨架，所述高分子轻质材料的表面至少局部涂覆了负载污染物降解菌、营养物质的固态生物催化反应层；优选所述粒径为1～2mm。

2.根据权利要求1所述的填料，其特征在于，所述固态生物催化反应层的厚度为0.1～2mm；优选为0.5～1mm。

3.根据权利要求1或2所述的填料，其特征在于，所述高分子轻质材料为聚苯乙烯或聚丙烯；

优选地，所述高分子轻质材料为聚苯乙烯。

4.根据权利要求1～3任一项所述的填料，其特征在于，所述污染物降解菌为至少包含一株到两株能降解挥发性有机物的高效降解菌的菌群，如能高效降解甲苯的假单胞菌、能高效降解酯类的绿色木霉菌属等；

优选地，所述污染物降解菌的收集方法具体为：以所需降解的污染物为唯一碳源进行驯化，然后富集浓缩，获得较高浓度污染物降解菌群的菌悬液。

5.根据权利要求1～4任一项所述的填料，其特征在于，所述营养物质为土豆培养液、土豆葡萄糖培养液、察式培养液中的一种或多种；

优选为土豆葡萄糖培养液，每升所述土豆葡萄糖培养液中土豆萃取液不低于200g、葡萄糖不低于20g。

6.根据权利要求1～5任一项所述的填料，其特征在于，所述固态生物催化反应层中的固态碳源颗粒选自木屑、麦麸、椰壳纤维中一种或多种；

优选的，所述固态碳源颗粒的目数为60～150目。

7.根据权利要求1～6任一项所述的填料，其特征在于，所述固态生物催化反应层中的污染物降解菌和营养物质负载在固态碳源颗粒上；所述固态碳源颗粒采用如下方式制得：将所述污染物降解菌接种到液态微生物培养液中后，加入所述固态碳源颗粒，培养至所述固体碳源颗粒潮湿状后，将发酵后的培养液干燥至固态，即可；

优选地，所述固态碳源颗粒采用如下方式制得：将所述污染物降解菌按营养液体积的2％～3％的接种量接种到液态营养液中，再按每1mL所述液态营养液添加2～3g的固态碳源颗粒，将其置于28～32℃的温度下，发酵36～60h后，干燥，研磨，即可。

8.权利要求1～7任一项所述填料的制备方法，其特征在于，采用物理包被的方法，将负载污染物降解菌和营养物质的固态碳源颗粒通过粘合剂均匀的涂覆在所述高分子轻质材料表面，干燥即得；

优选地，所述粘合剂被稀释后使用。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述物理包被具体为：将粘合剂均匀喷洒在高分子轻质材料的一面，喷洒方式可采用喷壶喷洒，雾化喷洒等方式，撒播负载污染物降解菌和营养物质的固态碳源颗粒，重复喷洒和撒播固态碳源颗粒，晾干后，再翻面重复该步骤；

循环上述步骤至达到目标厚度，即可。

10.权利要求1～7任一项所述的填料和权利要求8～9任一项所述制备方法的制得填料在用于废气净化用生物流化床上的应用；

所述应用具体为：所述高分子轻质材料的以10～50kg/m³的填充密度进行填充；优选为10～15kg/m³。