生物膜空气过滤箱作品文档格式.docx
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自工业化以来,由于人口的增长及工农业生产的发展,特别是化学氮、化石燃料耗量、以及规模化养殖的快速发展,使得氨气排放量急剧增加,自然界原有的氮循环遭到严重扰乱,失衡的氮素循环过程中产生的一些氮氧化物向大气和水体过量迁移,对环境造成了严重的危害。
随之带来的酸雨问题、水体富养化问题,硝酸盐地下水污染问题等给生态平衡带来了严重危害[7]。
1.3恶臭处理方法
含NH3恶臭气体的净化方法主要有物理方法、化学方法和生物方法三种。
生物处理方法又包括:
生物过滤法、生物滴滤法、生物吸收法。
我们选择生物过滤法作为我们的研究项目,它和常规其他方法相比有以下几方面的优点:
(1)设备简单、投资成本低。
(2)运行费用低、抗冲击能力强、无废弃物排放、不会造成二次污染。
(3)对污染物的选择性强,可以针对目标污染物筛选相应菌种,净化效率高。
(4)管理方便、易于操作。
2.研究方案
2.1装置结构及功能
在实验的基础上,我们设计了一套臭气吸附装置——生物膜空气过滤箱箱(如图2.1)。
图2.1装置结构
表2-1装置结构介绍
名称
作用介绍
排气管
排出过滤好的气体
喷淋装置
保持生物过滤箱内填料湿度和生物活性,喷淋为间歇喷淋,喷淋量以维持填料含水率40%-50%为宜
填料床
三个填料床并联过滤气体,有效防止了填料堵塞造成的气体流通不顺的情况。
以玉米芯为填料,粒径10mm×
10mm×
15mm:
自然堆积密度:
0.11g·
cm-3,饱和含水率:
70%--80%。
废气输入口
用引风机将废气通入箱体中
液体回流口
收集喷淋的液体,进入回流泵,返回喷淋管道,循环喷淋
表2-2装置基本参数
横断面积/m2
总高/m
有效高度/m
有效容积/m3
尺寸
0.25
1.5
0.3(并联)
0.225
装置的结构和参数请参阅表2-1和表2-2,为了便于观察,示意图中箱体采用透明材料,在实际操作中,箱体主体由方钢焊接而成的钢骨架结构、以及玻璃钢板构成,所述钢骨架结构表面均有玻璃钢被覆。
填料床层底部设置有格栅和铺设于所述格栅之上的承托网,承托网孔径小于填料的粒径。
格栅下方还设置有承托钢结构。
2.2装置工作原理
图2.2填料床示意图
图2.3气体流动示意图
含有恶臭异味成分的废气,在废气输入口(进气口)被引风机压送到生物除臭装置箱体内,在填料床层上附着生长了大量的生物膜(如图2.2),当恶臭废气通过生物填料床层时(如图2.3),填料上的微生物通过自身的新陈代谢作用能将废气中的恶臭(异味)物质降解成为无毒无害无刺激性气味的物质,如二氧化碳和水等。
相邻两个填料床层之间被一刚性、非透气性挡板隔开(如图2.3),使气体并联通过生物填料床,提高了净化效率。
喷淋水经过喷淋和废气接触后从箱体底部回流,经回流泵重新进入喷淋管道进行喷淋(如图2.4)。
净化后的气体经箱体上部的排气口排出。
而生物膜可以不断地自身繁殖、代谢、再生,不需要人工经常更换。
图2.3隔板分布示意图
图2.4喷淋系统示意图
2.3除臭原理
收集到的废气在适宜的条件下通过长满生物的固体载体(填料),气味物质先被填料吸收,然后被填料上的微生物氧化分解,完成废气的除臭过程,固体载体上生长的微生物承担了物质转换的任务[8]。
(如图2.5)
图2.5除臭原理
3.实验研究内容
为了设计生物净化箱,我们对菌株的筛选,填料的选择,以及填料挂膜,在实验室进行了实验,并且对影响因素进行了分析为装置的选材和设计提供了实验数据支持。
3.1高效微生物菌株的驯化
3.1.1液体培养基的制备
表3-1亚硝化菌培养基
试剂
CaCl2
(NH4)2SO4
FeSO4·
7H2O
MgSO4·
K2HPO4
NaCl
蒸馏水
用量
7.5g
0.5g
0.03g
1g
0.3g
1000ml
表3-2硝化菌培养基(PH值为7)
Na2CO3
MnSO4·
H2O
NaH2PO4
NaNO2
0.75g
0.01g
0.25g
3.1.2填料挂膜微生物来源
(1)污水处理厂活性污泥:
接种污泥为郑州市五龙口污水处理厂离心脱水污泥,含水率为85%,MLSS为71g·
L-1,MLVSS为54g·
L-1。
取一定量污泥,加入定量水,先闷曝(曝气而不换水)48h,而后加入硝化菌、亚硝化菌液体培养基培养驯化。
当污泥的颜色由黑色逐渐变为黄褐色,通过镜检可以观察到松散的菌胶团时,驯化完成。
(2)堆肥浸提液:
堆肥为郑州大学环境与生态研究所自制堆肥(原料为牛粪和草坪草),取腐熟堆肥按肥水比为1:
5,曝气量为0.175L·
h-1,发酵时间为48h,发酵培养,而后加入硝化菌、亚硝化菌液体培养基富集培养。
(3)富集培养的硝化菌、亚硝化菌菌悬液:
由郑州大学环境与生态研究所保存的硝化菌、亚硝化菌于液体培养基中扩增而成。
3.2填料的筛选
填料是恶臭生物净化装置的核心部件,是微生物附着生长、物质传递的载体,其性能直接影响污染物去除效果。
一般来说,理想的生物过滤法填料要求具有较大的比表面积、适宜微生物生长的表面结构、良好的持水性以及一定的孔隙率等[9]。
常用生物过滤法填料分为有机填料和无机填料,目前文献已有报道的有机填料有树皮、堆肥、木屑、泥炭等,无机填料有珍珠岩、活性炭、陶粒、聚氯乙烯等,这些填料在不同程度上存在易于压实、更换频繁、价格昂贵或运行费用高等缺点,因此选择一种廉价高效的填料对生物法净化废气的发展有积极的促进作用。
玉米芯作为一种廉价易得的有机填料,具有网状的表面结构、良好的持水性和一定的刚性等优点,而对其净化废气的研究未见报道,我们采用玉米芯作为填料。
3.2.1实验材料
试验采用生物过滤法处理含氨废气,试验采用天然玉米芯,填充高度均为40cm,含水率80%,进气流量0.3m3•h-1,在不同的进气浓度下分别完成吸附试验。
3.2.2玉米芯对氨气的吸附效果
当进气流量为0.3m3•h-1,,进气浓度60-100.4mg/m3,天然玉米芯对氨气的净化情况如图3.1所示:
天然玉米芯填料在系统运行前48h去除率稳定在90%左右,48h后逐渐降低,58h吸附饱和,饱和吸附容量为298.29-NH3•m-3-填料。
玉米芯对氨气具有良好的吸附效果。
图3.1玉米芯对氨气的吸收效果
3.2.3实验结论
对氨气的吸附净化效果可知,玉米芯为298.29-NH3•m-3-填料,玉米芯填料对含氨废气具有良好的净化效果,另外,玉米芯本身含有适合微生物生长的营养物质,接种微生物后,在系统运行期间几乎不需向过滤塔内添加营养物质即可满足微生物所需。
因此,综合考虑去除率、吸附容量、运行成本以及试验后期对含氨气的回收利用等因素,装置选择了玉米芯作为生物过滤法填料。
3.3填料挂膜
玉米芯挂膜采用强制挂膜法。
将玉米芯加入富集好的活性污泥、堆肥浸提液和硝化菌、亚硝化菌菌悬液混合液中,温度控制在25-30℃,浸泡48h,使米芯与微生物充分接触,浸泡过程中采用小气量曝气,强制挂膜后取出玉米芯在填料表面均匀喷洒硝化菌、亚硝化菌菌悬液,然后装入反应器,通入低浓含氨废气进行驯化,去除率稳定在95%以上认为驯化完成。
3.3.1生物膜的驯化
驯化期间试验参数为:
填料填充45cm、进气流量0.3m3•h-1,停留时间为51.3s、进气浓度22.21-74.38mg.m-3、含水率控制在40%左右。
表3-3生物膜驯化过程相关数据
采样时间(d)
进气浓度(g•L-1)
出气浓度(g•L-1)
去除率(%)
1
22.21
8.03
63.85
2
22.32
7.61
65.95
3
44.51
3.81
91.44
4
74.38
2.72
96.91
5
72.54
2.41
96.69
6
58.04
0.00
100.00
7
55.11
0.78
98.58
8
53.71
1.97
96.33
9
64.74
98.81
10
61.17
1.32
97.87
驯化结果如图3.2所示,驯化前两天反应器的去除率低于60%,随着驯化时间的进行净化效率不断提高,实验进行的第四天去除率己经高95%,驯化实验的4-10天去除率一直维持在96%以上,观察填料表面生物膜厚度均匀,生物相丰富,填料挂膜效果较好,表面微生物对氨气有较强的净化效果,设备出气口基本监测不到氨气存在,驯化完成。
图3.2驯化期间净化效果
3.3.2玉米芯填料挂膜效果验证
图3.3玉米芯填料挂膜效果验证结果
试验采用经过高温高压灭菌的玉米芯、天然玉米芯及接种微生物后的生物玉米芯在同样试验条件下来实现。
挂膜结果如图3.3所示,在系统运行的前25h内,灭菌玉米芯由于经过高温高压的环境,表面结构发生一定改变,对氨气的吸附效果较好,随着系统的运行,玉米芯表面微生物的净化效果逐渐体现出来。
在系统运行的第60h,灭菌玉米芯已经吸附饱和,但天然玉米芯仍有一定的去除率,挂膜玉米芯继续维持较高的去除率,表明玉米芯表面微生物对氨气具有良好的净化效果。
在试验整个过程中灭菌玉米芯对氨的平均去除率64.9%、未灭菌74.9%、挂膜99.1%。
未灭菌玉米芯去除率明显高于灭菌玉米芯,进一步说明天然玉米芯表面微生物对氨气也有一定的净化效果。
挂膜玉米芯在整个运行期间去除率都大于97%,挂膜效果良好。
3.4填料表面微生物计数、形态观察及形态鉴定
3.4.1填料表面微生物数量
系统运行稳定后,从采样口采样5.0g样品,加入到45mL蒸馏水中,在150r/min室温下振荡浸提30min,取菌悬液平板计数法计数。
计数结果如表3-4所示。
表3-4除臭菌技术结果
类型
细菌
真菌
放线菌
数量(CFU•g-1)
4×
108
2.1×
106
1.7×
105
从表3-4中可以看出,当反应器运行稳定后,填料表面微生物数量丰富、生物量大,能够满足生物过滤法对除臭微生物的要求。
3.4.2微生物形态观察及鉴定
取驯化完成后装置内已挂膜填料,经过多次在平板上涂布划线分离纯化,在硝化菌培养基上筛选出6种菌落,分别命名为X1、X2、X3、X4、X5和X6,亚硝化菌培养基上筛选出了4种菌落,分别命名为Y1、Y2、Y3和Y4。
依据《伯杰细菌鉴定手册(第八版))》中有关鉴定标准鉴定,鉴定结果如表3-5所示。
表3-5各菌株的菌落形态观察
菌株编号
分类
菌落形态
菌株形态
X1
黄色菌落,小
球状,革兰氏染色呈阴性
X2
黑色,絮状
菌丝粗,孢子囊小
X3
黄色菌落
菌丝细,孢子囊大
X4
乳白色菌落,小
X5
白色粉末状,质地松软
菌丝纤细,长短不一,如乱草状
X6
白色,絮状
菌丝较细,孢子囊小
Y1
白色,质松,蜘蛛网状
菌丝细,孢子囊小
Y2
黑色,密毡状
扫帚状,茎较粗
Y3
黄色,绒毛状
菌丝较粗,抱子囊较大
Y4
绿色,绒毛状
菌丝较细,抱子囊小,有假根
从表3-5可以看出,填料表面的微生物量较大,玉米芯上微生物数量高达108CFU/g-玉米芯。
就填料表面微生物种类而言,以细菌为主,其次为真菌,放线菌相对较少。
3.5小结
试验以玉米芯为生物过滤法填料,以污水处理厂污泥、堆肥浸提液、富集培养的硝化菌、亚硝化菌菌悬液为菌种来源,在室温条件下对玉米芯填料进行了强制挂膜,驯化和挂膜效果验证、填料表面微生物计数及形态鉴定等试验,得出的主要结论如下:
(1)强制挂膜法是一种有效的生物过滤法挂膜方法,挂膜效果较好。
(2)在较低的进气浓度条件下,经过10天的驯化试验,装置对氨气的去除率一直维持在96%以上,填料表面生物膜厚度均匀,生物相丰富,驯化完成。
(3)在相同的试验条件下,通过对比天然玉米芯、灭菌玉米芯以及挂膜玉米芯对氨气的净化效果表明,在系统的运行期间经挂膜处理的玉米芯净化效率高,系统运行稳定。
4.影响因素分析
影响生物过滤法对恶臭气体净化效果的因素有很多,其中填料含水率、填料层高、填料堆积密度、进气浓度、气体流量等都会对除臭效果产生较大影响。
尽管国内外在有关该方面的研究已有较多,但针对玉米芯为填料的研究还很少。
因此,我们又对影响生物过滤法净化含氨废气的因素进行了研究。
4.1填料含水率对NH3吸附容量的影响
填料含水率和废气净化效果密切相关,当填料含水率较低时,废气在填料表面的吸附能力降低,填料表面的微生物活性将受到明显抑制,且会造成填料收缩断裂和气体短路。
填料含水率过高,会造成过多的水分填充在填料空隙中,从而增加了从气相到生物相的传质阻力,降低了废气的净化效果,增加了废气治理成本。
另外,由于填料孔隙率的降低,也会造成气流通过填料表面的速度加快,生物膜表面积相对减少,废气去除率降低。
一般生物过滤法有机填料的含水率范围为30-80%,玉米芯填料作为一种新型填料,对其适宜含水率的研究还未见报道,本试验采用天然玉米芯为填料,考察了含水率为:
0.0%、22.4%、41.3%、60.0%、79.5%五个含水率对氨气的饱和吸附容量,以及吸附饱和后的pH,试验结果如图4.1-4.5所示。
图4.1干玉米芯对氨气的吸收效果
图4.2含水率为22.4%的玉米芯对氨气的吸附效果
图4.3含水率为41.3%的玉米芯对氨气的吸附效果
图4.4含水率为60%的玉米芯对氨气的吸附效果
图4.5含水率为79.5%的玉米芯对氨气的吸附效果
图4.6含水率和去除容量及pH的关系
表4-1吸附饱和后pH及吸附容量
上层pH
中层pH
下层pH
吸附容量(g-NH3•m-3-填料)
5.43
5.86
6.45
0.055
6.61
6.66
0.14
8.01
8.02
8.08
0.31
6.03
6.50
6.94
0.22
6.75
7.81
7.36
0.30
如表4-1及图4.6所示,含水率在41.3%时吸附容量最高,达到308.3g-NH3•m-3-填料,而天然烘干的玉米芯吸附容量最小,即55.26g-NH3•m-3-填料。
填料吸附饱和后其pH与吸附容量也具有一定相关性,吸附容量越大pH越高,这与NH4+在填料上的积累量有关。
同时,含水率为41.3%时,上、中、下层填料的pH基本一致,可能含水率为41.3%时,玉米芯表面微生物、表面毛细管水及其表面结构等各因素间达到了最佳统一,吸附净化效果最好。
因此,后续试验中均以填料湿度控制在40%左右进行。
4.2进气浓度对氨气去除率的影响
图4.7不同进气浓度对去除率的影响
进气流量取0.3m3•h-1,气体空床停留时间为51.3s,进气浓度从30mg/m3,逐渐增加到630mg/m3,,考察了反应器运行30d内不同氨浓度下装置对氨的去除效率。
由图4.7可以看出,本试验条件下,反应器对氨气的去除效率较高。
整个试验期间装置对氨气的净化效率均维持在92%以上,但净化效率随着进气浓度的变化而变化,最佳进气浓度范围为63-271mg/m3。
当进气浓度高于271mg/m3时,由于进气负荷的增加,净化效率有较大幅度的下降。
这表明生物膜上的微生物对氨气的净化存在一个最适的浓度范围,当进气浓度低于这个浓度范围时,填料塔内的微生物得不到足够的臭气物质作为养料,影响微生物对氨的去除。
但当进气浓度大于这个范围时,超过了微生物对氨气的去除能力范围对微生物有毒害作用,因而这两种情况都会降低对氨气的净化效率。
所以当使用生物过滤法净化含氨废气时,要选择适宜的进气浓度,使得微生物达到最佳净化效率,降低废气治理成本。
4.3进气流量对NH3去除效率的影响
图4.8进气流量对去除效率的影响
进气流量的大小决定气体停留时间,停留时间直接影响NH3的脱除效果。
本试验设定了0.3m3•h-1、0.5m3•h-1、0.8m3•h-1,三个进气流量下(对应的空床停留时间分别为51.3s、30.8s、19.2s)进气质量浓度对去除率的影响。
试验结果如图4.8所示,当进气质量浓度低于271.2mg/m3时,三种进气流量下净化效率均稳定在93%以上。
进气质量浓度提高,三种进气流量下的去除率均有不同程度的下降。
可见,去除率与进气浓度相关,流量越大,去除效率越低,当流量在0.3mg/m3时去除率虽有所降低,但仍高于92%。
为了维持系统的持续高效运行和去除负荷,进气浓度低于271.2mg/m3时,0.8m3•h-1为最佳进气流量。
当进气浓度高于271.2mg/m3时,0.3m3•h-1为最佳进气流量。
因此,为使反应器一直维持高效的工作状态,在进气质量浓度不同时要选择适宜的进气流量。
4.4填料高度对NH3去除效率的影响
图4.9填料高度对去除率的影响
填料高度不但直接影响生物反应器的去除效率,对废气治理成本也有较大影响。
试验在填装高度为45cm、流量为0.3m3•h-1,低进气浓度条件下考察了上、中、下层填料对氨去除效率的贡献情况。
如图4.9所示,在本试验条件下,氨的去除效率均稳定在93%以上。
当进气浓度小于86.4mg/m3时,下部填料贡献率均在76%以上;
当进气浓度为126.1mg/m3时下部贡献率仅为45.1%。
随着进气浓度的提高,下部填料对去除率的贡献率也逐渐降低,中部贡献率逐渐增大。
此时,下部填料对去除率最大贡献率为90.5%、中部53.7%、上部16.7%。
在保持一定的去除率条件下,由于进气浓度和填料层厚度之间存在一定的相关性,因此在工程应用上填料层的高度要根据进气浓度及容积负荷等因素来确定,不能盲目的增加高度,以节省工程投资,降低造价。
4.5装置进口体积负荷与体积去除负荷之间的关系
进气流量的大小影响气体停留时间,停留时间又影响NH3的去除效果。
试验考察了0.3m3•h-1、0.5m3•h-1、0.8m3•h-1三种进气流量下,进气质量浓度对去除率的影响,这三种进气流量在装置内对应的空床停留时间如表4-2所示。
表4-2气体流量与停留时间对照表
气体流量(m3•h-1)
0.3
0.5
0.8
停留时间(s)
51.3
30.8
19.2
图4.10停留时间为51.35时,进口体积负荷
与体积去除负荷之间的关系
图4.11停留时间为30.85时,进口体积负荷与体积去除负荷之间的关系
图4.12停留时间为19.25时,进口体积负荷与体积去除负荷之间的关系
由图4.10-4.12可知,当以玉米芯为填料时,去除负荷随着入口氨气负荷的增加而不断增加,但是随着入口污染物的不断增加,去除负荷的增加幅度也不断降低,在图中表现为去除负荷不断偏离100%去除线。
即当入口负荷不断增加时,反应器对氨气的净化效果也逐渐变差,但二者之间的关系并不是简单的直线关系,而是当入口负荷增加到一定程度的时候,去除负荷就不再增加。
因为填料表面微生物去除氨的最大能力为一相对固定值,当入口氨气浓度较低的时候,微生物能够对进口氨气完全净化,当增加到微生物降解能力的极限时,随着入口氨气负荷的增加,微生物对氨气去除量不再随负荷的增加而增加。
当停留时间为51.35,进口负荷低于81.3mg•m3•h-1时,去除负荷与氨气进口负荷基本相近;
当停留时间为30.85,进口负荷低于108.5mg•m3•h-1时,去除负荷与氨气进口负荷基本相近;
当停留时间为19.25,进口负荷低于216.8mg•m3•h-1时,去除负荷与氨气进口负荷基本相近,进口负荷与去除负荷成线性关系。
4.6小结
试验以氨气为目标污染物,用玉米芯为生物过滤法填料,在生物反应器运行稳定的情况下,我们进行了长达3个月的运行试验,考察了不同试验条件下装置对氨气的净化效果,所得结果如下:
(1)含水率为41.3%时,玉米芯吸附容量最大,即308.3g-NH3•m-3-填料。
天然烘干玉米芯吸附容量最小,即55.3g-NH3•m-3-填料,玉米芯填料最适含水率为40%左右。
(2)进气浓度30-630mg/m3时,玉米芯填料最佳进气浓度范围为
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