组合填料在生物滴滤塔上的应用
填料是生物滴滤脱臭塔的核心构件,其选用及组合方式对脱臭效果有显著影响[ 1 ] 。已有实验[ 2 ]结果表明,采用单一填料处理恶臭气体,出口恶臭气体浓度虽能达到GB 1455—1993 规定的二级厂界标准A类要求,但塔阻力较大,反冲洗周期短,模试装置的阻力超过1. 4 kPa容易出现堵塞和液泛现象,动力消耗较大。因此,本工作对生物滴滤塔所用的填料进行了选择。
1 实验部分①
1. 1 填料
多孔凸凹型改性滤料 该料为红褐色,球形,多孔,表面有凹凸点,规格为10 mm,比表面积大于4 m2 /g,孔隙率为30. 9%,空隙率为51. 0%。
PYC强化挂膜滤料 该料为红褐色,球形,表面粗糙,规格为10 mm,比表面积大于1 m2 /g,
孔隙率为26. 8% ,空隙率为45. 0%。
轻质多孔填料 该料为红褐色,圆形,表面光滑,规格为10 mm,比表面积为500 ～800 m2 /m3 ,孔隙率为19. 0% ,空隙率为42. 5%。上述3种填料均为江西省萍乡市新兴化工环保填料厂产品。
1. 2 实验装置
装置由1台自行设计的生物滴滤塔和1个喷淋液槽组成。滴滤塔壳体材质为有机玻璃,厚度为5 mm,管路材质为聚丙烯,塔内径为90 mm。滴滤塔总高度为1. 2 m, 共3 层: 顶层高度为200 mm,装有喷淋液散水装置;中间部分为填料层,填料高度为750 mm,填料在填料层中分层填装,下部设有支撑架,用于支撑填料;底层高度为200 mm,设有恶臭气体入口总管、气体分布装置和液体出口。
1. 3 待处理废气
以某化工污水厂水质调节池产生的废气为研究对象, 8个月实时监测结果显示,废气的主要污染物含量为: H2 S, 8～30 mg/m3 ; CH3 SH, 0. 5～2. 0 mg/m3 ; NH3 , 15～60 mg/m3 ;挥发性有机化合物(VOCs) , 50～150μg/g。
1. 4 操作条件
操作温度为常温(7～28 ℃) ,喷淋液流量为20 L /h,喷淋液pH值为6～8,挂膜泥水混合液中活性污泥的质量浓度为2. 4～2. 6 g/L。
1. 5 脱臭菌及营养液
脱臭菌菌种为某化工污水厂二沉池活性污泥。在营养液中,葡萄糖、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、氯化钙及硫酸亚铁的质量浓度分别为300,50, 150, 225, 275, 25 mg/L。
1. 6 分析测试
滴滤塔运行阻力采用U 型压力计测定。H2 S, NH3 , CH3 SH 质量浓度按GB /T 14678—1993, GB /T 14679—1993 检测。用Mini RAE2000 PGM - 7600型手持式气体检测仪测定VOCs质量浓度。
2 结果与讨论
2. 1 填料对气流的阻力
阻力与气体流量之间的关系是决定工程操作费用的重要参数[ 3 ] ,滴滤塔的压降随气体流量
的增大而增大[ 4 ] 。喷淋液流量一定时,填料种类和气体流量对塔阻力的影响如图2所示。
由图2可以看出,当气体流量从200 L /h增大到1 000 L /h时, 3 种填料阻力的波动范围为75～300 Pa。当气体流量从1 000 L / h 增大到2 000 L /h时, 3种填料的阻力显著增大,分别为:多孔凹凸填料,从180 Pa增大至500 Pa;强化挂膜填料,从300 Pa增大至750 Pa; 轻质填料,从200 Pa增大至890 Pa。多孔凹凸填料和强化挂膜填料是轻质填料的改进产品, 3种填料的空隙率由大到小顺序为:多孔凹凸填料,强化挂膜填料,轻质填料。多孔凹凸填料空隙率大,阻力低,不易堵塞,但容易发生“沟流”,致使恶臭气体在滴滤塔中的停留时间缩短,不仅影响挂膜效果,而且使挂膜时间延长。轻质多孔填料的阻力较大,需要频繁反冲洗才能保持较好去除效果。
2. 2 吸附性能对阻力的影响
填料上的生物含量越大,对恶臭气体的去除效果越好,但填料上的生物膜的量并不能无限制地增长,生物膜太多容易导致料堵塞。因此,对3种填料在相同实验条件下的吸附性能进行研究。实验过程气体流量控制在1 500 L /h,每天给循环污泥中添加营养液,补充损失水分,通过观察得出循环污泥的浓度和塔阻力变化情况(见图3) 。
由图3可以看出,随运行时间延长,循环液中污泥的质量浓度下降,填料的阻力上升。运行前5天, 3种填料的吸附效果均较好。对轻质多孔填料、强化挂膜填料和多孔凹凸填料,运行到第5 天, 循环液中污泥的质量浓度分别降到1 630, 1 410, 1 300 mg/L。使用轻质多孔填料和强化挂膜填料时,运行时间超过15天,循环液中污泥的质量浓度趋于稳定。实验过程中还清晰地观察到,轻质多孔填料表面光滑,生物膜附着量少,大部分脱落的生物膜填充在填料空隙中,并随喷淋液沉淀在装置底部;多孔凹凸填料表面生物膜脱落速度较快,阻力为1. 45 kPa时塔出现液泛现象;强化挂膜填料表面附着大量生物膜,阻力变化平缓(小于1. 18 kPa) 。生物膜容易在强化挂膜填料表面固定,因为这种填料微孔丰富,内部多孔且具有特殊的单孔结构。与其他2种填料相比,强化挂膜填料的亲生物性较好,生物膜的“脱落—生长—脱落”平衡容易建立,塔的压降能够维持稳定。
2. 3 组合填料
根据单一填料的实验结果,对3种填料进行组合:底部用空隙率和表面积均较大的多孔凹凸填料,以增加微生物的挂膜数量并强化对难溶气体的吸附;中间采用强化挂膜填料,以有利于微生物的生长和气、液的进一步均匀分布;上部选用轻质多孔填料,以通过填料的吸附和良好的表面性质,保证出口有害气体浓度达到相关标准要求。在选定的实验条件下进行组合填料的脱臭实验,以通过生物滴滤塔的压降变化来判断生物膜的生长是否成熟[ 5 ] ,实验结果如图4所示。
由图4可以看出,挂膜初期(前3天) , H2 S,NH3 , CH3 SH,VOCs去除率迅速下降,但塔阻力却快速增长,原因是微生物尚未适应吸附环境,主要依靠填料的吸附作用和喷淋液的吸收作用工作。随着填料的吸附饱和,生物膜逐渐在填料表面形成,从第3天开始微生物对恶臭气体的降解作用越来越明显。到第15 天, NH3 及H2 S去除率达到80. 6% ,塔阻力增长缓慢。到第35 天,VOCs及CH3 SH出口浓度达到GB 1455—1993二级厂界标准A 类要求, H2 S及NH3 去除率大于98. 4%。塔阻力基本保持在680～700 Pa,出口气体一直处于达标状态,生物膜的颜色逐渐由无色变为浅黄、深黄、褐色。变为褐色标志着生物膜已经成熟。与强化挂膜填料塔的阻力相比,运行期间组合填料塔的起始阻力和稳定(时)阻力均较低。在满足出口气体达标的前提下减小动力消耗,可有效解决生物滴滤塔压降大和由于填料堵塞而引起的液泛现象。
3 结论
a. 单一填料不能满足生物滴滤塔对阻力低且吸附性好的操作要求。
b. 组合填料生物滴滤塔的性能优于单一填料塔,在保证出口恶臭气体浓度达标的前提下,
塔阻力降低,避免了“沟流”和液泛现象。
1 实验部分①
1. 1 填料
多孔凸凹型改性滤料 该料为红褐色,球形,多孔,表面有凹凸点,规格为10 mm,比表面积大于4 m2 /g,孔隙率为30. 9%,空隙率为51. 0%。
PYC强化挂膜滤料 该料为红褐色,球形,表面粗糙,规格为10 mm,比表面积大于1 m2 /g,
孔隙率为26. 8% ,空隙率为45. 0%。
轻质多孔填料 该料为红褐色,圆形,表面光滑,规格为10 mm,比表面积为500 ～800 m2 /m3 ,孔隙率为19. 0% ,空隙率为42. 5%。上述3种填料均为江西省萍乡市新兴化工环保填料厂产品。
1. 2 实验装置
装置由1台自行设计的生物滴滤塔和1个喷淋液槽组成。滴滤塔壳体材质为有机玻璃,厚度为5 mm,管路材质为聚丙烯,塔内径为90 mm。滴滤塔总高度为1. 2 m, 共3 层: 顶层高度为200 mm,装有喷淋液散水装置;中间部分为填料层,填料高度为750 mm,填料在填料层中分层填装,下部设有支撑架,用于支撑填料;底层高度为200 mm,设有恶臭气体入口总管、气体分布装置和液体出口。
1. 3 待处理废气
以某化工污水厂水质调节池产生的废气为研究对象, 8个月实时监测结果显示,废气的主要污染物含量为: H2 S, 8～30 mg/m3 ; CH3 SH, 0. 5～2. 0 mg/m3 ; NH3 , 15～60 mg/m3 ;挥发性有机化合物(VOCs) , 50～150μg/g。
1. 4 操作条件
操作温度为常温(7～28 ℃) ,喷淋液流量为20 L /h,喷淋液pH值为6～8,挂膜泥水混合液中活性污泥的质量浓度为2. 4～2. 6 g/L。
1. 5 脱臭菌及营养液
脱臭菌菌种为某化工污水厂二沉池活性污泥。在营养液中,葡萄糖、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、氯化钙及硫酸亚铁的质量浓度分别为300,50, 150, 225, 275, 25 mg/L。
1. 6 分析测试
滴滤塔运行阻力采用U 型压力计测定。H2 S, NH3 , CH3 SH 质量浓度按GB /T 14678—1993, GB /T 14679—1993 检测。用Mini RAE2000 PGM - 7600型手持式气体检测仪测定VOCs质量浓度。
2 结果与讨论
2. 1 填料对气流的阻力
阻力与气体流量之间的关系是决定工程操作费用的重要参数[ 3 ] ,滴滤塔的压降随气体流量
的增大而增大[ 4 ] 。喷淋液流量一定时,填料种类和气体流量对塔阻力的影响如图2所示。
由图2可以看出,当气体流量从200 L /h增大到1 000 L /h时, 3 种填料阻力的波动范围为75～300 Pa。当气体流量从1 000 L / h 增大到2 000 L /h时, 3种填料的阻力显著增大,分别为:多孔凹凸填料,从180 Pa增大至500 Pa;强化挂膜填料,从300 Pa增大至750 Pa; 轻质填料,从200 Pa增大至890 Pa。多孔凹凸填料和强化挂膜填料是轻质填料的改进产品, 3种填料的空隙率由大到小顺序为:多孔凹凸填料,强化挂膜填料,轻质填料。多孔凹凸填料空隙率大,阻力低,不易堵塞,但容易发生“沟流”,致使恶臭气体在滴滤塔中的停留时间缩短,不仅影响挂膜效果,而且使挂膜时间延长。轻质多孔填料的阻力较大,需要频繁反冲洗才能保持较好去除效果。
2. 2 吸附性能对阻力的影响
填料上的生物含量越大,对恶臭气体的去除效果越好,但填料上的生物膜的量并不能无限制地增长,生物膜太多容易导致料堵塞。因此,对3种填料在相同实验条件下的吸附性能进行研究。实验过程气体流量控制在1 500 L /h,每天给循环污泥中添加营养液,补充损失水分,通过观察得出循环污泥的浓度和塔阻力变化情况(见图3) 。
由图3可以看出,随运行时间延长,循环液中污泥的质量浓度下降,填料的阻力上升。运行前5天, 3种填料的吸附效果均较好。对轻质多孔填料、强化挂膜填料和多孔凹凸填料,运行到第5 天, 循环液中污泥的质量浓度分别降到1 630, 1 410, 1 300 mg/L。使用轻质多孔填料和强化挂膜填料时,运行时间超过15天,循环液中污泥的质量浓度趋于稳定。实验过程中还清晰地观察到,轻质多孔填料表面光滑,生物膜附着量少,大部分脱落的生物膜填充在填料空隙中,并随喷淋液沉淀在装置底部;多孔凹凸填料表面生物膜脱落速度较快,阻力为1. 45 kPa时塔出现液泛现象;强化挂膜填料表面附着大量生物膜,阻力变化平缓(小于1. 18 kPa) 。生物膜容易在强化挂膜填料表面固定,因为这种填料微孔丰富,内部多孔且具有特殊的单孔结构。与其他2种填料相比,强化挂膜填料的亲生物性较好,生物膜的“脱落—生长—脱落”平衡容易建立,塔的压降能够维持稳定。
2. 3 组合填料
根据单一填料的实验结果,对3种填料进行组合:底部用空隙率和表面积均较大的多孔凹凸填料,以增加微生物的挂膜数量并强化对难溶气体的吸附;中间采用强化挂膜填料,以有利于微生物的生长和气、液的进一步均匀分布;上部选用轻质多孔填料,以通过填料的吸附和良好的表面性质,保证出口有害气体浓度达到相关标准要求。在选定的实验条件下进行组合填料的脱臭实验,以通过生物滴滤塔的压降变化来判断生物膜的生长是否成熟[ 5 ] ,实验结果如图4所示。
由图4可以看出,挂膜初期(前3天) , H2 S,NH3 , CH3 SH,VOCs去除率迅速下降,但塔阻力却快速增长,原因是微生物尚未适应吸附环境,主要依靠填料的吸附作用和喷淋液的吸收作用工作。随着填料的吸附饱和,生物膜逐渐在填料表面形成,从第3天开始微生物对恶臭气体的降解作用越来越明显。到第15 天, NH3 及H2 S去除率达到80. 6% ,塔阻力增长缓慢。到第35 天,VOCs及CH3 SH出口浓度达到GB 1455—1993二级厂界标准A 类要求, H2 S及NH3 去除率大于98. 4%。塔阻力基本保持在680～700 Pa,出口气体一直处于达标状态,生物膜的颜色逐渐由无色变为浅黄、深黄、褐色。变为褐色标志着生物膜已经成熟。与强化挂膜填料塔的阻力相比,运行期间组合填料塔的起始阻力和稳定(时)阻力均较低。在满足出口气体达标的前提下减小动力消耗,可有效解决生物滴滤塔压降大和由于填料堵塞而引起的液泛现象。
3 结论
a. 单一填料不能满足生物滴滤塔对阻力低且吸附性好的操作要求。
b. 组合填料生物滴滤塔的性能优于单一填料塔,在保证出口恶臭气体浓度达标的前提下,
塔阻力降低,避免了“沟流”和液泛现象。
c. 运行60 天, 组合填料滴滤塔的阻力为680～700 Pa, H2 S, NH3 , CH3 SH, VOCs去除率均大于98%。
以上组合填料资料转自《环境工程》作者：王军,刘发强 ,秦赏 ,程海 ,齐庆 ,朱义朝
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