貫文瑤，郭子怡，蔡魯祥,2，沈家辰，應(yīng) 典，沙昊雷

(1.浙江省“生物工程”一流學(xué)科,浙江萬里學(xué)院,浙江 寧波 315100； 2.寧波財經(jīng)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,浙江 寧波 315175)

引 言

SO2是重要的大氣污染物之一，它的大氣化學(xué)行為一直被廣泛關(guān)注[1]。大氣環(huán)境中SO2積累會污染環(huán)境、造成酸雨、破壞臭氧[2]，當(dāng)SO2溶于水中，會形成亞硫酸，亞硫酸進(jìn)一步在PM2.5存在的條件下氧化，便會迅速高效生成硫酸，成為酸雨的主要來源[3]，造成環(huán)境污染并對人體健康產(chǎn)生巨大危害，因此控制SO2的污染問題一直非常重要。

傳統(tǒng)的SO2控制技術(shù)主要以理化法為主，近年來隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，生物法處理廢氣技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于實際工程中，而生物法廢氣處理工藝中較常見的生物濾床由于存在氣液分布不均和填料床層堵塞問題，導(dǎo)致操作管理復(fù)雜、運行費用較高，如何提高生物濾床中氣態(tài)污染物的處理效率和處理負(fù)荷，也將是生物處理技術(shù)需要解決的一個重要問題。本實驗采用生物轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器去除SO2廢氣，通過改變溫度、轉(zhuǎn)速、pH、氣體流量、進(jìn)氣濃度等因素研究其對SO2去除效果的影響，通過實驗得出去除SO2的最佳條件，并研究生物轉(zhuǎn)鼓凈化SO2過程中的硫平衡。脫硫工藝、鈉堿法脫硫、雙堿法脫硫、氨法脫硫，這些技術(shù)有著占地面積大、脫硫效率不高的缺點[4]。

1 材料和方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置主體部分采用不銹鋼材料，全密封設(shè)計[6]，生物轉(zhuǎn)鼓裝置長38.2cm，寬28.4cm，高47cm，具體見圖1。生物填料采用多孔聚氨酯，填料直徑為220mm，內(nèi)部空心直徑為80mm，圓柱高150mm，體積5L，轉(zhuǎn)軸22cm。SO2模擬廢氣通過化學(xué)反應(yīng)裝置與主體反應(yīng)器之間的連接管進(jìn)入生物轉(zhuǎn)鼓裝置中，被生物膜凈化后，經(jīng)連接管排出。調(diào)速電機(jī)連接轉(zhuǎn)軸使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)生物膜填料轉(zhuǎn)動，由于不停的轉(zhuǎn)動，生物膜與營養(yǎng)液發(fā)生接觸，生物膜上的微生物汲取營養(yǎng)液中的營養(yǎng)成分分解、轉(zhuǎn)化SO2廢氣[7]。

實驗所用的活性污泥取自寧波市污水處理廠二沉池，營養(yǎng)液中各營養(yǎng)物質(zhì)的濃度為，C6H12O63500mg/L，NaCl 500mg/L，K2HPO42000mg/L，MgSO4·7H2O 600mg/L，NaHCO3500mg/L，CaCl255.4mg/L，CaSO4·5H2O 15.7mg/L，CoCl2·6H2O 16.1mg/L，MnCl2·4H2O 50.6mg/L，ZnSO4·7H2O 220mg/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 49.9mg/L。

1.空氣泵；2.SO2發(fā)生裝置；3.氣體流量計；4.采樣口；5.壓力傳感器；6.進(jìn)氣口；7.填充物； 8.營養(yǎng)液；9.出氣口；10.營養(yǎng)液進(jìn)口；11.桌子圖1 生物轉(zhuǎn)鼓裝置圖Fig.1 Device diagram of RDB

1.2 廢氣源及測定方法

2 結(jié)果與分析

2.1 生物轉(zhuǎn)鼓掛膜情況分析

掛膜期間采用Na2SO4溶液作為微生物的硫源，填料掛膜情況詳見圖2，由圖2可見，前5天微生物掛膜速度緩慢，填料上只有丁點黃色斑點，說明微生物處于適應(yīng)期，生長速度較低；10天后，填料上的微生物生長迅速，呈線性增長[9]。一直到25天，生物膜已經(jīng)能將填料完全包裹，完整的生物膜基本形成，此后幾天中，生物膜基本維持穩(wěn)定，沒有明顯的變化。35天時生物膜已經(jīng)能將填料完全包裹，完整的生物膜形成。

圖2 生物轉(zhuǎn)鼓中的填料掛膜情況Fig.2 The situation of packing film hanging in RDB

圖3 掛膜階段濃度變化情況Fig.3 Variation of concentration in film hanging stage

圖4 掛膜階段去除負(fù)荷變化情況Fig.4 Variation of removal load in film hanging stage

2.2 穩(wěn)定運行階段SO2去除情況

實驗穩(wěn)定運行階段采用SO2廢氣源進(jìn)氣，共進(jìn)行了90天。在營養(yǎng)液每日更新2L，營養(yǎng)液量為17L，溫度控制在28℃，pH為7，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為3 r/min的條件下，SO2的去除率隨實驗時間的變化情況如圖5所示[10]。

圖5 運行穩(wěn)定階段SO2去除率情況Fig.5 SO2 removal efficiency in stable operation stage

由圖5可見，在運行穩(wěn)定階段SO2去除率基本穩(wěn)定在95.5%～96.5%，有個別值起伏較大是因為在運行過程中設(shè)備的維修和外界停電等因素造成，但第2天就能恢復(fù)至原來的去除率，這說明生物轉(zhuǎn)鼓能有較強(qiáng)的適應(yīng)性和耐沖擊負(fù)荷能力[11]。

2.3 溫度對SO2去除的影響

溫度是影響微生物新陳代謝的重要因素之一[13]，溫度對SO2去除效果的影響結(jié)果詳見圖6。

圖6 溫度對SO2去除效果的影響Fig.6 Effect of temperature on SO2 removal efficiency

由圖6可見，隨著溫度從16℃上升到28℃，SO2的去除率也隨之升高，并且在溫度28℃時SO2的去除率達(dá)到98%；但當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，SO2的去除率反而開始下降。說明溫度過高會使微生物活性降低，SO2的去除效果反而下降。因此在運行穩(wěn)定階段溫度控制在26～30℃為宜，SO2的去除率可維持在97.8%～98%，去除效果較好。

2.4 pH對SO2去除的影響

pH對微生物的生命活動有很大的影響，主要用在：①引起細(xì)胞質(zhì)膜上的電荷性質(zhì)的改變，從而影響了微生物細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；②影響代謝過程中酶的活性；③引起細(xì)胞質(zhì)等電點的變化，從而影響微生物的呼吸作用和對營養(yǎng)物質(zhì)的代謝功能，改變有害物質(zhì)的毒性等[16-17]。pH對SO2去除效果的影響結(jié)果詳見圖7。

圖7 pH對SO2去除率的影響Fig.7 Effect of pH on SO2 removal efficiency

由圖7可見，當(dāng)pH<7時，SO2去除率隨pH的增大而增大，當(dāng)pH>7時，在堿性環(huán)境下，雖然堿吸收SO2是有利的，但硫酸鹽還原菌的去除效果下降更為明顯，因此SO2去除率隨pH增大而減?。蛔罴讶コЧ莗H=7，此時SO2去除率達(dá)到97.8%，本實驗條件下微生物在pH=7的情況下代謝功能最強(qiáng)，過高或過低的pH會使生物填料上的微生物的活性降低[18]，從而導(dǎo)致SO2去除效果的下降。

2.5 轉(zhuǎn)速對SO2去除的影響

轉(zhuǎn)速對微生物活性、凈化效率和填料壓降等都會產(chǎn)生影響。根據(jù)表面更新理論，轉(zhuǎn)速的加快可以使微生物表面液膜的更新速率加快，使液相中營養(yǎng)物質(zhì)向微生物膜傳遞的速率加快，增強(qiáng)了微生物的活性[19]。

圖8 轉(zhuǎn)速對SO2去除率的影響Fig.8 Effect of rotation speed on SO2 removal efficiency

從圖8看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速從3～5 r/min時，SO2的去除率隨轉(zhuǎn)速增大而增大，在轉(zhuǎn)速5 r/min時達(dá)到最大，為98.3%。說明轉(zhuǎn)速≤5 r/min時，微生物表面液膜更新速率加快，液相中營養(yǎng)物質(zhì)向微生物膜傳遞的速率加快，微生物活性較強(qiáng)，能更好的去除SO2；當(dāng)轉(zhuǎn)速>5 r/min時，由于轉(zhuǎn)速過快導(dǎo)致微生物表面液膜更新速率過快，使液膜增厚，液膜增厚將導(dǎo)致氣體通道直徑變小，SO2廢氣在生物轉(zhuǎn)鼓內(nèi)被凈化時間縮短，SO2的去除率反而因此降低。

2.6 進(jìn)氣濃度對SO2去除的影響

本實驗是通過Na2SO3與H2SO4進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來模擬SO2廢氣的產(chǎn)生。因此通過改變進(jìn)行反應(yīng)的Na2SO3的用量，來改變SO2的進(jìn)氣濃度，考察進(jìn)氣濃度對SO2去除效果的影響，如圖9所示。

圖9 進(jìn)氣濃度對SO2去除率的影響Fig.9 Effect of inlet concentration on SO2 removal efficiency

本實驗階段，控制氣體流量為4 L/min，進(jìn)氣濃度逐步從328 mg/m3增大到2850 mg/m3。由圖9看出，SO2去除率隨著進(jìn)氣濃度的升高而降低，當(dāng)進(jìn)氣濃度為328 mg/m3時，SO2去除率為97.5%，而當(dāng)進(jìn)氣濃度達(dá)到2850 mg/m3時，SO2去除率降到了90%，主要是受去除負(fù)荷限制所致。

2.7 生物轉(zhuǎn)鼓凈化SO2過程中的硫平衡

圖10 SO2轉(zhuǎn)化途徑Fig.10 SO2 conversion pathway

S氣相=(C進(jìn)-C出)×SLM/(MS/MSO2)

(1)

式中，S氣相——氣相中的S含量變化值，mg；C進(jìn)——SO2進(jìn)氣濃度，mg/m3；C出——SO2出氣濃度，mg/m3；SLM——氣體流量，L/min；MS——SO2中S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；MSO2——SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(2)

S微=EC×V填×24h

(3)

式中，S微——微生物凈化成單質(zhì)S的含量，mg；V填——填料體積，L，本實驗填料體積為5 L；EC——去除負(fù)荷，g/(m3·h)，取為14.5 g/(m3·h)；

表 轉(zhuǎn)化過程中S元素的變化量及S平衡Tab. Variation of S element and S balance in the process of transformation

由上表可以看出，液相中的S含量變化值與被微生物所凈化的S含量之和與氣相中的S含量變化值基本一致，說明本實驗SO2在生物轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的轉(zhuǎn)化過程中S元素是平衡的。

3 結(jié) 論

利用生物轉(zhuǎn)鼓過濾反應(yīng)器去除SO2廢氣，用控制變量法，依次改變溫度、pH、轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣濃度，考察其對SO2去除率的影響。實驗得出以下結(jié)論。

3.2 運行穩(wěn)定階段SO2去除率基本穩(wěn)定在95.5%～96.5%，根據(jù)對幾種因素的考察，得到溫度在26℃～30℃，pH為7，轉(zhuǎn)速為5 r/min時SO2去除率達(dá)到最大。

3.3 SO2去除率隨著進(jìn)氣濃度的升高而降低，當(dāng)進(jìn)氣濃度為328 mg/m3時，SO2去除率為97.5%，受去除負(fù)荷限制，當(dāng)進(jìn)氣濃度達(dá)到2 850 mg/m3時，SO2去除率降到了90%。

3.4 液相中的S含量變化值與被微生物所凈化的S含量之和與氣相中的S含量變化值基本一致，SO2在生物轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的轉(zhuǎn)化過程中S元素是平衡的。

由以上結(jié)論可見，采用生物轉(zhuǎn)鼓脫硫是切實可行的，生物轉(zhuǎn)鼓在去除負(fù)荷、凈化高濃度含硫廢氣等方面有更好的表現(xiàn)，具有很好發(fā)展前景。