新型絲網填料滴濾器凈化含苯廢氣的實驗研究

環境保護科學　第30卷　總第126期　2004年12月
　　
　　收稿日期：2004-03-15
　　
　　作者簡介：都基峻(1974-)，男，遼寧省錦州人，博士研究生。
　　
　　大氣污染防治
　　
　　新型絲網填料滴濾器凈化含苯廢氣的實驗研究
　　
　　Experimental Study on Treatment of Benzene in Air Stream byBiotrickling 
　　Filters With Novel Webby Filling
　　
　　都基峻　季學李　羌　寧　劉玉紅
　　
　　(同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室　上?！?00092)
　　
　　摘要　實驗研究了新型絲網填料滴濾器凈化含苯廢氣的性能。研究表明該生物滴濾器能夠
有效的凈化含苯廢氣，在入口負荷小于60mgL-1h-1時，平均凈化效率在90%以上。
當進口負荷提高時，消除能力也逐漸提高，但凈化效率有所下降，將進口負荷控制在30~60mgL-1
h-1之間，即可以達到高的凈化效率，又可保持較高的消除能力。苯的凈化效率隨進氣量增加
而下降，對于凈化高濃度苯廢氣，10~20m/h的氣速是比較合適的。不銹鋼絲網填料對循環液分
布均勻性有較高要求，特別在生物膜的形成階段。當噴淋系統不能保證布液均勻時，可采用階
梯環等化工填料作為最初的液體分配層。

  關鍵詞　絲網填料　生物滴濾器　凈化性能　苯廢氣

　　Abstract　Performance of Biotrickling filter with novel webby filling for treatment
 benzene in air stream was researched in the paper.The result showed that the 
biotrickling filter with novel webby filling can treat benzene effectively. When 
benzene loading under 60mgL-1h-1,the average removal efficiency was higher than 
90%.Elimination capacity was enhanced with increase of input loading,but removal 
efficiency was down.When loading was between 30~60mgL-1h-1,the removal efficiency 
and elimination capacity were satisfaction.The removal efficiencies dropped with increase 
of input air stream.The stream speed between 10~20m/h was becomingly.The webby filling 
needed averagely distribure liquid in the filter,especially when the biofilm was forming.
If the liquid can't be averagely distributed,scalariform ring can be used as distributed 
layer on webby filling.

　　Key words　Webby Filling　Biotrickling Filter　Treatment Performance　Benzene Waste Gas

　　1　引言

　　生物法處理廢氣，是一項利用微生物新陳代謝作用，將廢氣中的污染物質降解并轉化為無害物質清
潔技術，由于該技術具有凈化效果好、簡單易行、經濟廉價、安全性能高的優點，特別是具有天然的環
境相容性的優點，近年來在控制有機廢氣污染方面越來越受到人們的重視〔1、2〕。

　　苯是常用的化工原料，對人體健康有很大危害，由于苯的揮發性很強，在工業生產中以苯為主要成
分的廢氣廣泛存在。但以苯為唯一碳源的生物凈化研究還很少，報道的消除能力也較低，不能滿足實際
的控制需要。

　　在凈化工藝中，不同的滴濾填料對凈化效果的影響很大，通過對生物滴濾載體性能的比較研究，發
現絲網填料具有掛膜量大，去除能力高的特點〔4〕。本研究將新型立體不銹鋼絲網填料應用于生物滴
濾中，以苯為唯一碳源，開展生物滴濾凈化含苯廢氣的實驗研究。研究的目的主要是檢驗新型填料的
實際性能，提高生物滴濾器凈化含苯廢氣的能力。

　　2　實驗裝置和儀器

　　實驗中所用的生物滴濾反應器由內徑100mm、總高約為16m的不銹鋼塔構成。全塔分四段，每段填
料高度200mm，除進出口外，每段之間也設有氣體取樣口。循環液通過泵從循環槽提升至滴濾塔頂部向
下噴淋到掛膜載體上，最后由塔底排出進入循環槽，如此反復循環。實驗裝置如圖1所示。含苯廢氣的
分析監測采用氣相色譜進行，所用色譜儀為島津公司的14-B型色譜儀，色譜柱為：supelco2-5447，含
苯氣體直接用氣密型進樣針進樣。實驗期間的室溫在20℃~30℃之間。

　　1-鼓風機　2-轉子流量計　3-苯發生瓶　4-生物滴濾塔5-氣體采樣口　6-回流水槽　7-循環水泵

　　圖1　生物滴濾系統示意圖

　　實驗采用填料為自主開發的新型立體不銹鋼絲網，該填料的空隙率高達９７％以上，比表面積為
３７０m2/m3堆積密度為１８０～２００kg/m３，與以往的生物滴濾填料相比，該填料具有堆積
密度小，氣體阻力小，空隙率高，生物掛膜量大的優點，而且掛膜后實際的比表面積還會增大，適合
作為高負荷生物滴濾器的填料。

　　生物滴濾裝置進行了約１００d左右的凈化實驗，實驗控制苯的進口濃度在１０００～４５００mg/m3
范圍內，氣流量控制在３６～３００Ｌ／h的范圍，苯的進口負荷范圍約為１０～１００mgL-1h-1。
循環液流量１４４Ｌ／h，循環液pＨ值在７～75之間，在循環液中適量補充Ｎ、Ｐ和Ｋ、Ｎa、Ｃa、
Ｍg、Ｆe等微量元素。在設備運行中，全塔壓降隨氣流量增加和培養時間增長而增大，約在
５０～３００Ｐa左右。

３　結果討論和分析

3.1　循環液分布對生物膜形成的影響

實驗采用焦化污泥作為生物源進行馴化，馴化過程直接在生物滴濾器中進行。苯的濃度基本保持在
１０００～３０００mg/m3的范圍內，氣體流量在06~1m3/h的范圍內。在馴化初期，為了加快
生物馴化和掛膜的速度，將苯的濃度和氣體流量控制在較高水平，當設備已經具備一定的凈化能力
后，減小風量，控制濃度，維持系統穩定。馴化過程中的消除能力凈化效率的變化見圖２、圖３。

　　圖2　苯塔馴化過程中凈化效率的變化

　　圖３　苯塔馴化過程中消除能力的變化　　

　　在馴化前１０d內，苯的凈化效率和消除能力都很低。直到馴化１０d左右，苯的凈化效率開始
提高，并很快就提升并保持在４０％左右，（圖3中凈化效率大幅下降是受實驗室停電影響，塔內厭
氧所致），但是直到第２３d，凈化效率仍然未能突破５０％。為尋找效率偏低的原因，打開凈化塔
觀察，發現生物掛膜不均勻，效率較低是由于氣體短流引起的。繼續檢查發現噴淋裝置已損壞，循
環液集中流過填料中心，因此生物膜也只在填料中心形成。為使循環液分部均勻，加裝階梯環填料
層作為液體分配層。改造后苯塔的凈化效率逐漸上升到７０％以上，消除能力也接近１００mgL-1
h-1，馴化階段基本完成。打開凈化塔觀察，也證實生物膜已經比較均勻的分布在絲網填料上了。
因此，不銹鋼絲網填料要求循環液在填料上的分配比較均勻，否則將因掛膜不均而影響凈化效率。

　　3.２　進口負荷對凈化效果的影響

　　生物滴濾塔的進口負荷、消除能力及效率的關系，見圖４、圖５。

　　圖４　進口負荷與消除能力的關系

　　圖５　進口負荷與效率的關系

　　由圖4和圖5可以看出，生物滴濾器能夠有效的凈化含苯廢氣，在入口負荷小于60mgL-1h-1
時，平均凈化效率在９０％以上。隨進口負荷的升高，消除能力也逐漸升高，但凈化效率有所下降。
而且，隨進口負荷的提高，進口負荷和消除能力及效率的關系呈現３種不同的狀態。

　?。ǎ保┊斶M口負荷小于３０mgL-1h-1時，消除能力和凈化效率基本不存在波動的情況，消
除能力基本等于進口負荷，凈化效率接近１００％。

　?。ǎ玻┻M口負荷介于３０mgL-1h-1和６０mgL-1h-1之間，此時消除能力和凈化效率開
始呈現一定的波動，以凈化效率為例，既有接近１００％的數據，偶爾又會跌到只有８０％左右，
說明在這個進口負荷水平時，處理效果會受到其他因素的影響而下降，不過此范圍內的平均凈化效
率仍在９０％以上。

　?。ǎ常┊斶M口負荷大于６０mgL-1h-1時，已經很難出現凈化效果接近１００％的情況，
凈化效率大部分在８０％～９０％之間，但此時的消除能力很高，出現了消除能力在整個實驗的
峰值（１００mgL-1h-1左右）。

　　綜上，如果同時考慮到消除能力和凈化效率兩個指標，對于單個生物滴濾塔來說，將進口負
荷控制在３０～６０mgL-1h-1之間，即可以保持高的凈化效率，又不至于因消除能力較小，
導致處理能力不足。但從另一個角度來看，如果考慮采用兩段生物凈化的話，可以將第一段控制
在進口負荷大于６０mgL-1h-1，而第二段控制在進口負荷小于３０mgL-1h-1，這樣就能
發揮兩段各自的優勢，同時達到凈化效率和消除能力兩個指標的最優化。

　　3.3　表觀過濾氣速的影響表觀過濾氣速是生物滴濾器的一個重要參數。由于苯屬于難溶于
水的物質，而且苯的入口濃度又比較高，因此表觀過濾氣速不宜過高，實驗在進口負荷３０～６０
mgL-1h-1的水平下，在４～４０m/h氣速范圍內選擇了４個不同的過濾進行凈化試驗，得到不
同氣速條件下的凈化效率，結果，見圖６。

　　表觀過濾氣速（m/h）

　　圖６　氣速與凈化效率的關系

　　圖６中柱高表示該氣速下的平均凈化效率，上下引線表示監測到的最高和最低效率?？梢钥闯?，
隨表觀過濾氣速的增加，處理效率呈逐漸下降趨勢。當表觀過濾氣速為４６m/h時，凈化效率高達
９８％，且凈化效率非常穩定。當表觀過濾氣速增大后，凈化效率逐漸下降，且波動范圍變大。從
圖６中還可以看出，當表觀過濾氣速從１１５m/h提高到２２９m/h時，凈化效率僅下降了２％，
而從２２9m/h提高到382m/h時，平均凈化效率下降了１１％，僅為８１％?？梢姳碛^過濾氣速
提高到一定程度后，會對凈化效率有較大影響，在本實驗裝置中，該氣速為382m/h。

　　雖然提高氣體流量對生物滴濾塔的凈化效果有不利的影響，但在實際應用過程中，提高氣體流
量就可以提高設備的處理能力，這對降低設備投資和提高設備的經濟性能有很大幫助，因此在選擇
處理氣量時要綜合考慮。從實驗結果看，當過濾氣速為１０～２０m/h左右的時候，既可以達到較大
的處理氣量，又可以保證較高的凈化效率。

　?。础〗Y論
　?。ǎ保┎捎眯滦筒讳P鋼絲網的生物滴濾器能夠有效的凈化含苯廢氣，在入口負荷小于６０mgL-1
h時，平均凈化效率在９０％以上。

　?。ǎ玻╇S著進口負荷的提高，消除能力也隨之提高，但凈化效率有所下降，對于采用新型絲網
填料的生物滴濾塔來說，將進口負荷控制在３０～６０mgL-1h-1之間，即可以達到高的凈化效
率，又可保持較高的消除能力。

　?。ǎ常┍降膬艋孰S表觀過濾氣速的增加而下降。當進口負荷在３０～６０mgL-1h-1之
間時，在１０～２０m/h左右的氣速下的運行可以保證較高的凈化效率。

　?。?）不銹鋼絲網填料對循環液布液的均勻性有一定要求，特別在生物膜的形成階段。當噴淋
系統不能保證布液均勻時，可采用階梯環等化工填料作為液體分配層。

　　參　考　文　獻

　?。盠eson G.et al.,Biofiltration:An Inoovative Air Pollution Control Technology for 
VOC Emissions,J.of Air & Waste Manage Assoc.,1991,41(8):1045~1054.

　　2Edwarc D.Schroeder,Trends in application of gas-phase bioreactors,Reviews in 
Enviromental Science & Biotechnology,2002(1):65~74.

　　3周琪，楊尚天.生物過濾去除廢氣中苯的基質降解動力學，同濟大學學報，１９９８，２６
（４），４１４～４１８.

　　4羌寧，季學李，顧國維.氣體生物滴濾池載體性能比較實驗研究，環境科學，２０００，
２１（１）：４５～４８.