CN111450695B - 一种利用气相悬浮微生物处理废气的方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用气相悬浮微生物处理废气的方法及其应用，该方法将待处理废气依次经反应器的进气单元、反应单元和阻隔单元完成净化，进气单元内设有用于向待处理废气中添加颗粒状微生物生长所需水分和营养盐的进气调控装置，反应单元内颗粒状微生物通过待处理废气的上升气流悬浮并降解待处理废气。本发明所提供的方法在降解废气时可使颗粒状微生物的表面积大，无表面液膜，传质效率高；悬浮态的颗粒状微生物利于生物量均匀分布，颗粒碰撞几率高，老化微生物容易脱落，保持生物活性；规避了现有技术中填料使用衍生的问题；可实现工艺优化，生化反应和污染物的降解速率快，应用前景好。

Description

一种利用气相悬浮微生物处理废气的方法及其应用
技术领域
本发明涉及废气处理技术领域，具体涉及一种利用气相悬浮微生物处理废气的方法及其应用。
背景技术
大气污染是目前最突出的环境问题之一；尤其是近年来，挥发性有机物(VolatileOrganic Compounds,VOCs)和恶臭气体的大量排放引起了城市灰霾和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。
进入21世纪以来，人们对环境保护的要求越来越重视，对各种废气的排放总量和排放浓度等都作出了越来越严格的限制，因此，包括挥发性有机物和恶臭气体在内的废气的达标排放不仅成为环境治理的重要组成部分，也是很多企业投产的必备条件，开展对废气的治理已经迫在眉睫。
研究工业VOCs和恶臭气体的有效处理技术成为目前科学研究的热点之一。在众多处理技术当中，废气生物净化技术是一种高效经济的技术，它适用于处理成分复杂、浓度较低的VOCs和恶臭气体。
随着废气生物净化技术的广泛应用，也逐渐暴露出一些问题。主要问题是疏水性VOCs从气相到微生物细胞中的传质速率低，从而导致生物工艺对此类VOCs的去除性能较低，该问题已成为目前废气生物净化技术进一步推广的主要瓶颈。这些瓶颈问题的存在，关键在于微生物在传统废气生物处理系统中是以附着态存在于填料表面，气体与微生物的接触表面固定，且微生物表面有液态水降低了气态污染物从气相到微生物细胞中的传质速度。为此，如果将微生物改为在气相中以悬浮态存在，将从根本上解决疏水性VOCs传质低的难题。另外，由于气相中悬浮微生物絮体颗粒处于运动当中，其表面的微生物细胞会不断脱落更新，从而使微生物保持较高活性。
目前为止，尚未见到有关利用气相悬浮微生物处理废气的方法的相关报道。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点，本发明提供了一种利用气相悬浮微生物处理废气的方法，不仅能大大提高传质效率，而且微生物可保持较好的代谢活性，从而使得其处理效果大大提升，且运行费用较低，克服了传统废气生物净化方法存在的填料存在寿命短且更换麻烦、长期运行引起的微生物活性降低、产生废弃喷淋液等弊端，可用于工业、市政和农业等领域的VOCs和恶臭气体净化。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用气相悬浮微生物处理废气的方法，将待处理废气从进气单元通入由下而上依次设置有进气单元、反应单元和阻隔单元的反应器中，经过利用所述待处理废气的上升气流悬浮于反应单元内的颗粒状微生物净化后，从所述阻隔单元排出。
所述进气单元内还设置有进气调控装置，所述进气调控装置用于向所述待处理废气中添加供颗粒状微生物生长的水分和营养盐。
具体地，在上述技术方案中，通过待处理废气在反应单元内以较大气速的向上流动，能显著提升待处理气态污染物与颗粒状微生物之间的传质效率；同时，颗粒状微生物可以利用快速向上流动的待处理废气的上升气流悬浮并始终保持运动状态，存在相互碰撞，使得其颗粒表面的微生物不断更新，从而使其微生物活性得到保证。
在上述技术方案中，所述颗粒状微生物的粒径小于5mm，优选为0.1-0.5mm。
具体地，在上述技术方案中，当所述颗粒状微生物的粒径在1mm左右时，可实现其在低气流速度下流化，且压降较小，从而降低提供进气所需气泵的能耗，降低实用中的经济投入。
进一步地，在上述技术方案中，所述待处理废气在所述反应单元内的截面平均气速＞0.02m/s，优选为0.1-0.5m/s。
具体地，在上述技术方案中，待处理废气在所述反应单元内的流速取决于颗粒状微生物的密度，颗粒状微生物的密度越大，相应地需要流速更高的待处理废气来确保颗粒状微生物的悬浮。
再进一步地，在上述技术方案中，所述待处理废气含有挥发性有机物和/或恶臭废气，优选含有甲苯、硫化氢和氨气中的一种或多种。
具体地，在上述技术方案中，所述颗粒状微生物为绿色木霉、短梗霉、耐盐酵母和单胞菌中的一种或多种。
在本发明的一个优选实施方式中，所述水分的添加量为控制所述待处理废气的湿度＞30％，优选为50-70％。
在本发明的另一个优选实施方式中，所述营养盐为含氮、磷、钙和镁的无机盐，对应于体积为1升的反应单元，所述营养盐的添加量为控制氮、磷、钙和镁的加入量分别为1.0-3.0g/d、1.0-5.0g/d、0.01-0.1g/d和0.5-1.0g/d。
在本发明的又一个优选实施方式中，所述进气调控装置可根据实际需要选择连续运行或间歇式运行。
在本发明的一个具体实施方式中，对应于体积为1升的反应单元，所述营养盐的添加量为控制氮、磷、钙和镁的加入量分别为1.5g/d、3.0g/d、0.05g/d和0.7g/d。
详细地，在上述技术方案中，所述反应器还包括设置在所述进气单元和反应单元之间的带孔隔板。
具体地，在上述技术方案中，所述带孔隔板一方面能使待处理废气均匀进入反应单元内，促进待处理废气颗粒状微生物的传质效率，另一方面，还能在反应器停止运行时防止颗粒状微生物落入进气单元内的进气调控装置或进气管道内。
详细地，在上述技术方案中，所述反应器还包括回流单元，所述回流单元的进口和出口分别与所述阻隔单元和所述反应单元连通。
具体地，在上述技术方案中，所述回流单元用于将阻隔单元阻隔的颗粒状微生物通过回流的方式重新进入反应单元。
详细地，在上述技术方案中，所述反应单元的温度为25-35℃。
详细地，在上述技术方案中，所述阻隔单元采用添加滤网、填充滤料、旋风分离装置或渐变式尺寸结构降低气流速度模式使颗粒状微生物沉降。
本发明另一方面还提供了上述方法在微生物处理挥发性有机物和恶臭气体中的应用。
本发明的优点：
(1)与现有技术相比，本发明所提供的方法通过待处理废气的上升气流驱动颗粒状微生物悬浮于反应器内的反应单元，使颗粒状微生物更易于直接接触待处理废气分子，微观表面气速加大，颗粒之间接触和碰撞几率增加，有利于待处理废气污染物的传质，另一方面，还能促进颗粒状微生物的扩散和保持颗粒状微生物高代谢活性，加快生化反应和污染物的降解与去除；
(2)本发明所提供的方法取消了填料的使用，有效避免了填料层坍塌、堵塞与压降升高等现象，克服了现有生物处理方法的缺陷；
(3)本发明所提供的方法通过采用超声波或喷雾加湿方法可以向待处理废气中均匀添加水分和营养盐，支持颗粒状微生物的生长和代谢；
(4)本发明所提供的方法所采用的反应器与传统生物固定床反应器相比，具有VOCs和恶臭气体的处理效率高、稳定运行时间长、压降和运行费用低等优势，实际应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明实施例所用的反应器的结构示意图；
图中：
进气单元1，反应单元2，阻隔单元3，待处理废气4，颗粒状微生物5，进气调控装置6，带孔隔板7，回流单元8，进气口9，出气口10。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
若未特别指明，本发明实施例中所用的实验试剂和材料等均可市售获得。
若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
一种利用气相悬浮微生物处理废气的方法，具体包括，将待处理废气4从如图1所示的反应器底部的进气单元1的进气口9通入，经过悬浮于反应器中部的反应单元2内的颗粒状微生物5净化后，从反应器顶部的阻隔单元3的出气口10排出。
具体地，如图1所示，反应器包括由下而上依次设置的进气单元1、反应单元2和阻隔单元3；进气单元1内还设置有进气调控装置6，该进气调控装置6用于向待处理废气4中添加供颗粒状微生物5生长的水分和营养盐；进气单元1和反应单元2之间还设置有带孔隔板7，该带孔隔板7既能使待处理废气4均匀进入反应单元2内，促进待处理废气4与颗粒状微生物5的传质效率，还能在反应器停止运行时防止颗粒状微生物5落入进气单元1内的进气调控装置6或进气管道内；反应单元2内的颗粒状微生物5利用待处理废气4的上升气流悬浮于反应单元2内，悬浮于反应单元2内的颗粒状微生物5更易于直接接触待处理废气4分子，使微观表面气速加大，颗粒之间接触和碰撞几率增加，有利于待处理废气4污染物的传质，而且还能促进颗粒状微生物5的扩散和保持颗粒状微生物5高代谢活性，加快生化反应和污染物的降解与去除。
详细地，上述反应器的反应单元为2m高的无机玻璃材质的圆筒状结构。
具体地，上述营养盐为含氮、磷、钙和镁的无机盐，水分的添加量为控制所述待处理废气的湿度为30-60％，对应于体积为1升的反应单元，所述营养盐的添加量为控制氮、磷、钙和镁的加入量分别为1.5g/d、3.0g/d、0.05g/d和0.7g/d。
此外，该反应器还包括回流单元8，上述回流单元8的进口和出口分别与所述阻隔单元3和所述反应单元2连通。
详细地，所述阻隔单元可采用添加滤网、填充滤料、旋风分离装置或渐变式尺寸结构降低气流速度模式等方式使颗粒状微生物沉降，并收集后回用。
详细地，上述颗粒状微生物为烟曲霉、短梗霉、耐盐酵母和单胞菌中的一种或多种，其粒径为0.05-0.2mm。
详细地，上述待处理废气为乙醇、甲苯、二甲苯和乙酸丁酯的混合物，该混合物的具体浓度小于2000g/m3，待处理废气的通入量为控制反应单元内的截面平均气速为0.05-0.6m/s。
此外，实验结果表明，利用本发明实施例的悬浮微生物处理废气的方法，试验装置稳定运行天数在60天以上；具体地，待处理废气以0.2-0.4m/s的截面平均气速经过高度2米的圆柱形反应单元2处理后，当进气浓度在200g/m3时，去除率在90％左右。
详细地，待处理废气的去除率在颗粒状微生物数量少时会随着其数量的增加而提升，但随着颗粒状微生物数量的增加，其间距减小，当相邻颗粒状微生物的距离小于0.5mm时，颗粒状微生物之间容易发生聚合结块，不易悬浮，使去除效率降低。
利用biolog微生态板进行微生物实验发现，采用本发明实施例的悬浮微生物可以代谢降解31种有机物，并且在40h以内可以完成对以上有机物的代谢，表明微生物具有较强的碳源代谢能力，活性较高。
对比例1
本对比例采用与实施例1相同的颗粒状微生物作为现有传统的固定床模式的微生物填料，并采用固定床模式进行运行，其余实验条件均与实施例1相同，待处理废气以0.2-0.4m/s的气速进入并进行微生物生化降解。
结果表明，当进气浓度小于200g/m3时，去除率在50％左右。
此外，在运行40天左右，微生物填料就出现了板结和堵塞等现象相应的压降提升了5-8倍，其生物降解待处理废气的去除效率降至运行刚开始时的10％以下，微生物填料需要维护和及时更换。
最后，以上仅为本发明的较佳实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种利用气相悬浮微生物处理废气的方法，其特征在于，将待处理废气从进气单元通入由下而上依次设置有进气单元、反应单元和阻隔单元的反应器中，经过利用所述待处理废气的上升气流悬浮于反应单元内的颗粒状微生物净化后，从所述阻隔单元排出；
所述进气单元内还设置有进气调控装置，所述进气调控装置用于向所述待处理废气中添加供颗粒状微生物生长的水分和营养盐；
所述颗粒状微生物的粒径为0.1-0.5 mm；
所述待处理废气在所述反应单元内的截面平均气速为0.1-0.5 m/s；
所述待处理废气含有挥发性有机物和/或恶臭废气；所述颗粒状微生物仅由绿色木霉、短梗霉、耐盐酵母和单胞菌中的一种或多种组成；
所述水分的添加量为控制所述待处理废气的湿度为50-70 %；
所述营养盐为含氮、磷、钙和镁的无机盐，对应于体积为1升的反应单元，所述营养盐的添加量为控制氮、磷、钙和镁的加入量分别为1.0-3.0 g/d、1.0-5.0 g/d、0.01-0.1 g/d和0.5-1.0 g/d。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待处理废气含有甲苯、硫化氢和氨气中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述进气调控装置为连续运行或间歇式运行。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对应于体积为1升的反应单元，所述营养盐的添加量为控制氮、磷、钙和镁的加入量分别为1.5 g/d、3.0 g/d、0.05 g/d和0.7 g/d。
5.根据权利要求1-2、4任一项所述的方法，其特征在于，所述反应器还包括，
设置在所述进气单元和反应单元之间的带孔隔板；
和/或，回流单元，所述回流单元的进口和出口分别与所述阻隔单元和所述反应单元连通。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述反应器还包括，
设置在所述进气单元和反应单元之间的带孔隔板；
和/或，回流单元，所述回流单元的进口和出口分别与所述阻隔单元和所述反应单元连通。
7.根据权利要求1-2、4、6任一项所述的方法，其特征在于，所述反应单元的温度为25-35 ℃。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述反应单元的温度为25-35 ℃。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述反应单元的温度为25-35 ℃。
10.根据权利要求1-2、4、6、8-9任一项所述的方法，其特征在于，所述阻隔单元采用添加滤网、填充滤料、旋风分离装置或渐变式尺寸结构降低气流速度的模式使颗粒状微生物沉降。
11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述阻隔单元采用添加滤网、填充滤料、旋风分离装置或渐变式尺寸结构降低气流速度的模式使颗粒状微生物沉降。
12.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述阻隔单元采用添加滤网、填充滤料、旋风分离装置或渐变式尺寸结构降低气流速度的模式使颗粒状微生物沉降。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阻隔单元采用添加滤网、填充滤料、旋风分离装置或渐变式尺寸结构降低气流速度的模式使颗粒状微生物沉降。
14.权利要求1-13任一项所述的方法在微生物处理挥发性有机物和恶臭气体中的应用。
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