新型丝网填料滴滤器净化含苯废气的实验研究

环境保护科学　第30卷　总第126期　2004年12月
　　
　　收稿日期：2004-03-15
　　
　　作者简介：都基峻(1974-)，男，辽宁省锦州人，博士研究生。
　　
　　大气污染防治
　　
　　新型丝网填料滴滤器净化含苯废气的实验研究
　　
　　Experimental Study on Treatment of Benzene in Air Stream byBiotrickling 
　　Filters With Novel Webby Filling
　　
　　都基峻　季学李　羌　宁　刘玉红
　　
　　(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室　上海　200092)
　　
　　摘要　实验研究了新型丝网填料滴滤器净化含苯废气的性能。研究表明该生物滴滤器能够
有效的净化含苯废气，在入口负荷小于60mgL-1h-1时，平均净化效率在90%以上。
当进口负荷提高时，消除能力也逐渐提高，但净化效率有所下降，将进口负荷控制在30~60mgL-1
h-1之间，即可以达到高的净化效率，又可保持较高的消除能力。苯的净化效率随进气量增加
而下降，对于净化高浓度苯废气，10~20m/h的气速是比较合适的。不锈钢丝网填料对循环液分
布均匀性有较高要求，特别在生物膜的形成阶段。当喷淋系统不能保证布液均匀时，可采用阶
梯环等化工填料作为最初的液体分配层。

  关键词　丝网填料　生物滴滤器　净化性能　苯废气

　　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

　　生物法处理废气，是一项利用微生物新陈代谢作用，将废气中的污染物质降解并转化为无害物质清
洁技术，由于该技术具有净化效果好、简单易行、经济廉价、安全性能高的优点，特别是具有天然的环
境相容性的优点，近年来在控制有机废气污染方面越来越受到人们的重视〔1、2〕。

　　苯是常用的化工原料，对人体健康有很大危害，由于苯的挥发性很强，在工业生产中以苯为主要成
分的废气广泛存在。但以苯为唯一碳源的生物净化研究还很少，报道的消除能力也较低，不能满足实际
的控制需要。

　　在净化工艺中，不同的滴滤填料对净化效果的影响很大，通过对生物滴滤载体性能的比较研究，发
现丝网填料具有挂膜量大，去除能力高的特点〔4〕。本研究将新型立体不锈钢丝网填料应用于生物滴
滤中，以苯为唯一碳源，开展生物滴滤净化含苯废气的实验研究。研究的目的主要是检验新型填料的
实际性能，提高生物滴滤器净化含苯废气的能力。

　　2　实验装置和仪器

　　实验中所用的生物滴滤反应器由内径100mm、总高约为16m的不锈钢塔构成。全塔分四段，每段填
料高度200mm，除进出口外，每段之间也设有气体取样口。循环液通过泵从循环槽提升至滴滤塔顶部向
下喷淋到挂膜载体上，最后由塔底排出进入循环槽，如此反复循环。实验装置如图1所示。含苯废气的
分析监测采用气相色谱进行，所用色谱仪为岛津公司的14-B型色谱仪，色谱柱为：supelco2-5447，含
苯气体直接用气密型进样针进样。实验期间的室温在20℃~30℃之间。

　　1-鼓风机　2-转子流量计　3-苯发生瓶　4-生物滴滤塔5-气体采样口　6-回流水槽　7-循环水泵

　　图1　生物滴滤系统示意图

　　实验采用填料为自主开发的新型立体不锈钢丝网，该填料的空隙率高达９７％以上，比表面积为
３７０m2/m3堆积密度为１８０～２００kg/m３，与以往的生物滴滤填料相比，该填料具有堆积
密度小，气体阻力小，空隙率高，生物挂膜量大的优点，而且挂膜后实际的比表面积还会增大，适合
作为高负荷生物滴滤器的填料。

　　生物滴滤装置进行了约１００d左右的净化实验，实验控制苯的进口浓度在１０００～４５００mg/m3
范围内，气流量控制在３６～３００Ｌ／h的范围，苯的进口负荷范围约为１０～１００mgL-1h-1。
循环液流量１４４Ｌ／h，循环液pＨ值在７～75之间，在循环液中适量补充Ｎ、Ｐ和Ｋ、Ｎa、Ｃa、
Ｍg、Ｆe等微量元素。在设备运行中，全塔压降随气流量增加和培养时间增长而增大，约在
５０～３００Ｐa左右。

３　结果讨论和分析

3.1　循环液分布对生物膜形成的影响

实验采用焦化污泥作为生物源进行驯化，驯化过程直接在生物滴滤器中进行。苯的浓度基本保持在
１０００～３０００mg/m3的范围内，气体流量在06~1m3/h的范围内。在驯化初期，为了加快
生物驯化和挂膜的速度，将苯的浓度和气体流量控制在较高水平，当设备已经具备一定的净化能力
后，减小风量，控制浓度，维持系统稳定。驯化过程中的消除能力净化效率的变化见图２、图３。

　　图2　苯塔驯化过程中净化效率的变化

　　图３　苯塔驯化过程中消除能力的变化　　

　　在驯化前１０d内，苯的净化效率和消除能力都很低。直到驯化１０d左右，苯的净化效率开始
提高，并很快就提升并保持在４０％左右，（图3中净化效率大幅下降是受实验室停电影响，塔内厌
氧所致），但是直到第２３d，净化效率仍然未能突破５０％。为寻找效率偏低的原因，打开净化塔
观察，发现生物挂膜不均匀，效率较低是由于气体短流引起的。继续检查发现喷淋装置已损坏，循
环液集中流过填料中心，因此生物膜也只在填料中心形成。为使循环液分部均匀，加装阶梯环填料
层作为液体分配层。改造后苯塔的净化效率逐渐上升到７０％以上，消除能力也接近１００mgL-1
h-1，驯化阶段基本完成。打开净化塔观察，也证实生物膜已经比较均匀的分布在丝网填料上了。
因此，不锈钢丝网填料要求循环液在填料上的分配比较均匀，否则将因挂膜不均而影响净化效率。

　　3.２　进口负荷对净化效果的影响

　　生物滴滤塔的进口负荷、消除能力及效率的关系，见图４、图５。

　　图４　进口负荷与消除能力的关系

　　图５　进口负荷与效率的关系

　　由图4和图5可以看出，生物滴滤器能够有效的净化含苯废气，在入口负荷小于60mgL-1h-1
时，平均净化效率在９０％以上。随进口负荷的升高，消除能力也逐渐升高，但净化效率有所下降。
而且，随进口负荷的提高，进口负荷和消除能力及效率的关系呈现３种不同的状态。

　　（１）当进口负荷小于３０mgL-1h-1时，消除能力和净化效率基本不存在波动的情况，消
除能力基本等于进口负荷，净化效率接近１００％。

　　（２）进口负荷介于３０mgL-1h-1和６０mgL-1h-1之间，此时消除能力和净化效率开
始呈现一定的波动，以净化效率为例，既有接近１００％的数据，偶尔又会跌到只有８０％左右，
说明在这个进口负荷水平时，处理效果会受到其他因素的影响而下降，不过此范围内的平均净化效
率仍在９０％以上。

　　（３）当进口负荷大于６０mgL-1h-1时，已经很难出现净化效果接近１００％的情况，
净化效率大部分在８０％～９０％之间，但此时的消除能力很高，出现了消除能力在整个实验的
峰值（１００mgL-1h-1左右）。

　　综上，如果同时考虑到消除能力和净化效率两个指标，对于单个生物滴滤塔来说，将进口负
荷控制在３０～６０mgL-1h-1之间，即可以保持高的净化效率，又不至于因消除能力较小，
导致处理能力不足。但从另一个角度来看，如果考虑采用两段生物净化的话，可以将第一段控制
在进口负荷大于６０mgL-1h-1，而第二段控制在进口负荷小于３０mgL-1h-1，这样就能
发挥两段各自的优势，同时达到净化效率和消除能力两个指标的最优化。

　　3.3　表观过滤气速的影响表观过滤气速是生物滴滤器的一个重要参数。由于苯属于难溶于
水的物质，而且苯的入口浓度又比较高，因此表观过滤气速不宜过高，实验在进口负荷３０～６０
mgL-1h-1的水平下，在４～４０m/h气速范围内选择了４个不同的过滤进行净化试验，得到不
同气速条件下的净化效率，结果，见图６。

　　表观过滤气速（m/h）

　　图６　气速与净化效率的关系

　　图６中柱高表示该气速下的平均净化效率，上下引线表示监测到的最高和最低效率。可以看出，
随表观过滤气速的增加，处理效率呈逐渐下降趋势。当表观过滤气速为４６m/h时，净化效率高达
９８％，且净化效率非常稳定。当表观过滤气速增大后，净化效率逐渐下降，且波动范围变大。从
图６中还可以看出，当表观过滤气速从１１５m/h提高到２２９m/h时，净化效率仅下降了２％，
而从２２9m/h提高到382m/h时，平均净化效率下降了１１％，仅为８１％。可见表观过滤气速
提高到一定程度后，会对净化效率有较大影响，在本实验装置中，该气速为382m/h。

　　虽然提高气体流量对生物滴滤塔的净化效果有不利的影响，但在实际应用过程中，提高气体流
量就可以提高设备的处理能力，这对降低设备投资和提高设备的经济性能有很大帮助，因此在选择
处理气量时要综合考虑。从实验结果看，当过滤气速为１０～２０m/h左右的时候，既可以达到较大
的处理气量，又可以保证较高的净化效率。

　　４　结论
　　（１）采用新型不锈钢丝网的生物滴滤器能够有效的净化含苯废气，在入口负荷小于６０mgL-1
h时，平均净化效率在９０％以上。

　　（２）随着进口负荷的提高，消除能力也随之提高，但净化效率有所下降，对于采用新型丝网
填料的生物滴滤塔来说，将进口负荷控制在３０～６０mgL-1h-1之间，即可以达到高的净化效
率，又可保持较高的消除能力。

　　（３）苯的净化效率随表观过滤气速的增加而下降。当进口负荷在３０～６０mgL-1h-1之
间时，在１０～２０m/h左右的气速下的运行可以保证较高的净化效率。

　　（4）不锈钢丝网填料对循环液布液的均匀性有一定要求，特别在生物膜的形成阶段。当喷淋
系统不能保证布液均匀时，可采用阶梯环等化工填料作为液体分配层。

　　参　考　文　献

　　１Leson 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，杨尚天.生物过滤去除废气中苯的基质降解动力学，同济大学学报，１９９８，２６
（４），４１４～４１８.

　　4羌宁，季学李，顾国维.气体生物滴滤池载体性能比较实验研究，环境科学，２０００，
２１（１）：４５～４８.