CN110237696A

CN110237696A - 一种生物净化废气的方法

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Publication number: CN110237696A
Application number: CN201910505384.5A
Authority: CN
Inventors: 郭斌; 李远啸
Original assignee: Hebei University of Science and Technology
Current assignee: Hebei University of Science and Technology
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2019-09-17
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: CN110237696B

Abstract

本发明涉及一种生物净化废气的方法，其包括如下步骤：在生物反应器内培养活性污泥；向生物反应器内添加表面活性剂形成生物洗涤剂；将生物洗涤剂装入泡沫塔内，废气由分离塔底部通入；40%的除沫液回流至生物反应器内，60%除沫液的与生物洗涤剂按照体积比为3∶20混合后由泡沫塔塔顶向塔内喷淋；经处理后的废气由分离塔顶部排出。本发明在延续传统生物处理技术的优点基础上，克服高浓度废气处理难度大、运行不稳定等问题，具有去除率高、条件温和安全、无二次污染等优点。相比同为生物法的生物滴滤、生物过滤去除废气来说，其具有去除率高，占地面积小，处理气量大，压力损失小，操作简单等优势。

Description

一种生物净化废气的方法

技术领域

本发明涉及环保领域，具体涉及一种生物净化废气的方法。

背景技术

目前，随着制造、合成、加工等一系列工业生产活动愈加频繁，大量废气被排放进入环境导致大气污染不断恶化，对人体健康和环境造成持续性危害。现有的常规废气处理技术包括传统的物理、化学、生物技术，这些技术研究较为成熟，其中一部分已经进过工程验证进入市场化运行，基本可以运用于工业生产废气的净化。但随着我国对环保工作越来越重视，这一类常规处理技术存在的去除率较低，成本较高，产生二次污染等问题逐渐凸显，特别是操作过程中的安全问题。虽然相比于其他技术，生物技术具有去除率高、安全性能好、成本与运行费用低、二次污染小的优点；但其有所不足，如运行不稳定，易受处理废气种类、气量、浓度等，大大限制生物处理技术的应用范围。

发明内容

本发明在延续传统生物处理技术的优点基础上，克服高浓度废气（特别是憎水废气）处理难度大、运行不稳定等问题，提供一种在高效安全低能耗的基础上净化高浓度废气的生物净化废气的方法。本方法具有去除率高、条件温和安全、无二次污染等优点。相比同为生物法的生物滴滤、生物过滤去除（憎水）废气来说，其具有去除率高，占地面积小，处理气量大，压力损失小，操作简单等优势。

本发明采用如下技术方案：

一种生物净化废气的方法，其包括如下步骤：

（a）在生物反应器内培养活性污泥；

（b）向生物反应器内添加表面活性剂控制浓度1~2CMC，形成生物洗涤剂；

（c）将生物洗涤剂装入泡沫塔内，装液量为塔体总体积的10%~30%；

（d）废气由分离塔底部通入，通气量为0.14~0.98m³/h；废气温度为10~30℃，控制泡沫高度为40cm~60cm；停留时间为40~60s；

（e）溢出的泡沫经除沫器处理后得到除沫液，占除沫液总体积40%的除沫液回流至生物反应器内，占总体积60%除沫液的与生物洗涤剂按照体积比为3∶20 混合后由泡沫塔塔顶向塔内喷淋，喷淋量为20~40 L/h；

（f）经处理后的废气由分离塔顶部排出。

进一步的，所述废气为含有易溶于水或难溶于水的有机物的废气。

特别的，所述易溶于水的有机物包括甲醇等，所述难溶于水的有机物包括苯、甲苯或苯乙烯等芳香烃。

进一步的，所述步骤（a）中，每升培养基中接种3.3~3.5g活性污泥，培养温度为10~30℃，培养时间为3~5天。

进一步的，所述培养基为KH₂PO₄2.5 g/L、Na₂HPO₄1.0 g/L、尿素 1.5 g/L、MgSO₄0.45 g/L、CaCl₂ 0.55 g/L以及余量的水，pH为6~7。

进一步的，步骤（b）中，所述表面活性剂为非离子表面活性剂。

进一步的，步骤（b）中，所述表面活性剂为吐温、皂角苷或鼠李糖脂。

优选的，步骤（b）中，所述表面活性剂为皂角苷，其浓度为1CMC。

进一步的，步骤（e）中，生物反应器每天按照0.1L/L进行培养基/活性污泥总体积进行置换更新。

进一步的，所述步骤（a）之前还包括活性污泥的预处理过程。具体步骤为：

（I）培养阶段：将取来的污泥进行间歇曝气保持溶解氧DO：2~6mg/L，维持pH：6~7，用可溶性淀粉为唯一碳源配制COD 为250mg/L营养液，控制m（C）：m（N）：m（P）=100：5：1，并按照食微比F/M=0.7~0.8kg COD/（kgMLSS • day）每日投加培养。具体方法为，按F/M计算出投加营养液的体积，与生物反应器中活性污泥经30分钟沉淀后的上清液进行同等体积置换。

（II）驯化阶段：用待处理的污染物（如苯、甲苯、苯乙烯等）逐渐代替可溶性淀粉作为唯一碳源。

本发明的有益效果在于：泡沫塔内常有一定高度的泡沫层，部分除沫液回淋与洗涤液混合后喷淋洗涤净化废气并使生物反应器内洗涤液与釜底汇集的洗涤液形成动态平衡。泡沫层不但促进废气中憎水物质的溶解又增加气体停留时间与接触面积，而且表面活性剂生成泡沫的过程具有富集蛋白质的功能，大量降解酶被富集于泡沫中，因此过剩泡沫经除沫后的除沫液其中一部分与生物洗涤液混合回淋至塔顶喷淋洗涤，将生化反应提前于泡沫塔内进行。这大大强化吸收降解效果，提升装置处理能力。

本发明不仅可满足科研院所开展生物净化废气的实验要求，用于生物净化废气技术的处理潜力与机理探究，而且还可以为环保部门进行大气污染治理提供方法。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1生物反应器、2塔体、3曝气头、4破沫网、5排气管、6进气管、7水泵、8喷淋头、9溢流管、10回淋管、11除沫器、12出液管、13第一反流管、14第二反流管、15回流管、16气体流量计、17溢流阀门、18回流阀门、19液体流量计。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1

结合图1所示，一种生物净化废气装置，其包括泡沫塔、生物反应器1和回淋装置；所述泡沫塔包括塔体2、设置在塔体2底端的曝气头3、设置在塔体2内部且可沿塔体2轴向运动的破沫网4以及设置在塔体2顶部侧壁的排气管5；所述塔体2底部设置有与曝气头3连通的进气管6。破泡网可在塔体内上下运动，其实现方式可以采用滑轮滑轨等常规方式实现。

所述回淋装置包括设置在生物反应器1内的水泵7、设置在塔体2顶部的喷淋头8和沿塔体2的轴向均匀设置在塔体2侧壁上的溢流管9；所述水泵7通过回淋管10与喷淋头8连通；所述溢流管9连通有除沫器11，所述除沫器11的出液管12连通第一反流管13和第二反流管14，所述第一反流管13与生物反应器1连通，所述第二反流管14与回淋管10连通；所述塔体2底端设置有连通塔体2和生物反应器1的回流管15。

所述进气管6上设置有气体流量计16。所述溢流管9上设置有溢流阀门17；所述回流管15上设置有回流阀门18。所述第一反流管13、第二反流管14以及回淋管10上均设置有液体流量计19。所述曝气头3为钛粉高温烧结，孔隙率35~45%，过滤精度50μm。

所述生物反应器、除沫器以及破沫网均为本领域的常规设备，可直接由市场购得。

实施例2

（1）在生物反应器内培养活性污泥。

活性污泥选用市售的活性污泥产品。

所述生物反应器内的反应条件为：

培养基： KH₂PO₄2.5 g/L、Na₂HPO₄1.0 g/L、尿素 1.5 g/L、MgSO₄0.45 g/L、CaCl₂ 0.55g/L。

接种量：使混合液悬浮物浓度（MLSS）为3.4 g/L，即每升培养基中接种3.4g活性污泥。

启动时间：3~5天，使活性污泥适应运行条件并增殖。

培养温度：10 ℃，pH=6~7。

（2）向生物反应器内添加表面活性剂控制浓度1CMC，形成生物洗涤剂；所述表面活性剂吐温。

（3）将生物洗涤剂装入泡沫塔内，装液量为塔体总体积的10%；控制塔体底部的生物洗涤剂液量淹没曝气头并至少高出5cm。

（4）苯浓度为10000mg/m³的废气由分离塔底部通入，通气量为0.14 m³/h；废气温度为10 ℃，控制泡沫高度为40cm；泡沫停留时间为40s。

（5）溢出的泡沫经除沫器处理后得到除沫液，占总体积40%的除沫液回流至生物反应器内，占总体积60%除沫液的与生物洗涤剂按照体积比为3∶20 混合后由泡沫塔塔顶向塔内喷淋，喷淋量为20 L/h。

回淋除沫液（从旁路与洗涤液混合回淋，不进入生物反应器）∶剩余除沫液（回到生物反应器不参与回淋）=3∶2；即总除沫液量的3/5=60%回淋，40%回到生物反应器。回淋除沫液与生物洗涤剂体积比为3∶20。

分离过程中，生物反应器每天按照0.1L/L进行培养基/活性污泥总体积置换更新，即1L活性污泥中0.9L不变，0.1L被置换，以0.1L培养基置换同体积的活性污泥上清液。

其中，置换活性污泥时先经30分钟沉淀，待泥水分层后取上清液置换，以防止生物量流失；待生物量稳定后可不必刻意沉淀30分钟再置换，其中生物量稳定粗略认为是MLVSS值稳定。

（6）经处理后的废气由分离塔顶部排出。对塔顶废气进行检测，苯的去除率为85%。

因为泡沫中富集大量降解酶故回淋，但同时也富集大量苯，故需要确定合适的回淋比。相比于洗涤液中的浓度，泡沫将总蛋白富集了1.79倍，漆酶富集了1.08倍，苯富集了14倍。

实施例3

与实施例2相同，区别仅在于：

步骤（1）中，接种量：每升培养基中接种3.5g活性污泥。培养温度为30 ℃。

步骤（2）中，表面活性剂为鼠李糖脂，浓度为2CMC。

步骤（3）中，装液量为塔体总体积的30%。

步骤（4）中，通气量为0.98m³/h；废气温度为30 ℃，控制泡沫高度为60cm；停留时间为60s。

步骤（5）中，喷淋量为30L/h。

步骤（6）中，经处理后的废气由分离塔顶部排出。对塔顶废气进行检测，苯的去除率为91%。相比于洗涤液中的浓度，泡沫将总蛋白富集了3.07倍，漆酶富集了1.45倍，苯富集了20倍。

实施例4

与实施例2相同，区别仅在于：

步骤（1）中，接种量：每升培养基中接种3.3g活性污泥。培养温度为25 ℃。

步骤（2）中，表面活性剂为皂角苷，浓度为1CMC。

步骤（3）中，装液量为塔体总体积的20%。

步骤（4）中，通气量为0.6 m³/h；废气温度为25 ℃，控制泡沫高度为50cm；停留时间为50s。

步骤（5）中，喷淋量为40L/h。

步骤（6）中，经处理后的废气由分离塔顶部排出。对塔顶废气进行检测，苯的去除率为95%。相比于洗涤液中的浓度，泡沫将总蛋白富集了3.35倍，漆酶富集了1.76倍，苯富集了23倍。

实施例5

与实施例4相同，区别仅在于，在步骤（1）之前对活性污泥进行培养、驯化处理。具体步骤为：

培养阶段：将取来的污泥进行间歇曝气保持溶解氧DO：2~6mg/L，维持pH：6~7，用可溶性淀粉为唯一碳源配制COD 为250mg/L营养液，控制m（C）：m（N）：m（P）=100：5：1，并按照食微比F/M=0.7~0.8kg COD/（kgMLSS • day）每日投加培养。具体方法为，按F/M计算出投加营养液的体积，与生物反应器中活性污泥经30分钟沉淀后的上清液进行同等体积置换。以污泥沉降指数（SVI）、污泥沉降比（SV）、混合液悬浮固体浓度（MLSS）、混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）和化学需氧量（COD）为参数指示活性污泥生长情况。首先待以上参数趋于稳定，没有较大波动可认为终点。其次达到特定目标如需要多少MLSS，日去除COD多少，降解效率多少等，视处理废气的种类与浓度、目标去除率和其他要求而定。

驯化阶段：用待处理的污染物逐渐代替可溶性淀粉作为唯一碳源，其评价指标同培养阶段。可利用摇瓶试验法监测顶空中污染物的质量浓度变化以表征活性污泥降解性能。视处理废气的种类、浓度和目标去除率而定。只要微生物的降解速率或每次置换时间内苯的去除效率与废水中剩余苯的要求排放浓度匹配即可：因进行液体置换，需考虑置换液浓度是否达标作为微生物性能要求，即苯被生物洗涤剂吸收后，在下一次置换前液相中苯的浓度可被降解达到排放标准，若达不到则需（1）延长驯化时间（2）增加微生物量（3）投加高效菌剂等手段。

经驯化后的活性污泥再按实施例4对含苯废气进行净化，苯的去除率为99%。

实施例6

与实施例4相同，区别仅在于，废气中含甲苯浓度为10000mg/m³，其去除率为94%。

实施例7

与实施例5相同，区别仅在于，活性污泥进行培养、驯化处理过程中，将苯替换为苯乙烯。处理过程中废气中含苯乙烯浓度为10000mg/m³，其去除率为98%。

实施例8

与实施例4相同，区别仅在于，废气中含甲醇浓度为10000mg/m³，其去除率为99%。

对比例1

与实施例4相同，区别仅在于，步骤（2）中的表面活性剂选用十二烷基苯磺酸钠（SDBS），浓度为1CMC。

苯的去除率为75%。

对比例2

与实施例4相同，区别仅在于，步骤（2）中的表面活性剂选用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），浓度为1CMC。

苯的去除率为71%。

结果分析

实施例2的废气停留时间相对较短且低温工况环形导致微生物生理活性较低，污染物代谢速率与分泌降解酶的能力有限。实施例3中虽然接种量、表面活性剂用量以及喷淋量均较大，且工况温度适宜，但由于其超出临界胶束浓度较高，表面活性剂容易聚集，影响其起泡效果，导致去除率也不高。实施例4选用的接种量、表面活性剂的种类、表面活性剂用量、喷淋量、工况温度等参数条件相互协同，效果明显高于实施例2和3。

实施例5较实施例2~4增加了活性污泥的前期预处理过程（即驯化培养过程），通过该过程后，采用优选的实施例4处理过程后，进一步提高了苯的去除率。

实施例6~8针对其他的有机化合物进行进一步实验，也取得了优良的效果。本发明主要为处理难溶于水的有机化合物提供方案，更可去除其它易溶废气。除苯之外，甲苯、苯乙烯等芳香族化合物废气也均达到理想效果。对于易溶于水的有机化合物如甲醇，其去除能力与效率更高。理论上讲，只要活性污泥提前被目标污染物驯化良好即可处理之。本发明之所以能处理除苯之外的其他芳香族化合物是利用了在微生物系统中具有相似代谢通路，而甲醇是最简单可被微生物利用的碳源故不必对其特殊驯化，加之其可溶于水，因此可以达到优良的去除率。

对比例1、对比例2分别应用阴、阳离子表面活性剂，虽其也具有增溶、富集的能力，但因生物毒性较非离子表面活性剂大，且易与蛋白质分子发生强烈相互作用，从而毒害活性污泥中微生物，破坏酶结构使酶活性降低甚至丧失，因此装置去除率显著降低。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种生物净化废气的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

（a）在生物反应器内培养活性污泥；

（d）废气由分离塔底部通入，通气量为0.14~0.98m³/h；废气温度为10~30°C，控制泡沫高度为40cm~60cm；停留时间为40~60s；

（f）经处理后的废气由分离塔顶部排出。

2.根据权利要求1所述的生物净化废气的方法，其特征在于，所述步骤（a）中，每升培养基中接种3.3~3.5g活性污泥，培养温度为10~30℃，培养时间为3~5天。

3.根据权利要求2所述的生物净化废气的方法，其特征在于，所述培养基为KH₂PO₄2.5g/L、Na₂HPO₄1.0 g/L、尿素 1.5 g/L、MgSO₄0.45 g/L、CaCl₂ 0.55 g/L以及余量的水，pH为6~7。

4.根据权利要求1所述的生物净化废气的方法，其特征在于，步骤（b）中，所述表面活性剂为非离子表面活性剂。

5.根据权利要求3所述的生物净化废气的方法，其特征在于，步骤（b）中，所述表面活性剂为吐温、皂角苷或鼠李糖脂。

6.根据权利要求3所述的生物净化废气的方法，其特征在于，步骤（b）中，所述表面活性剂为皂角苷，其浓度为1CMC。

7.根据权利要求1所述的生物净化废气的方法，其特征在于，步骤（e）中，生物反应器每天按照0.1L/L进行培养基/活性污泥总体积进行置换更新。

8.根据权利要求1所述的生物净化废气的方法，其特征在于，所述步骤（a）之前还包括活性污泥的预处理过程。