一種強(qiáng)化疏水性甲苯生物降解的方法
【專利摘要】一種強(qiáng)化疏水性甲苯生物降解的方法，屬于揮發(fā)性有機(jī)物處理【技術(shù)領(lǐng)域】。采用的菌源由污水處理廠的活性污泥經(jīng)甲苯梯度馴化獲得，經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)后制成菌懸液備用；生物滴濾塔選用陶粒作為填料，逐層鋪裝填料，將制成的菌懸液從滴濾塔上部均勻的噴灑在陶粒上，從滴濾塔底部通入高濃度甲苯氣中進(jìn)一步馴化，經(jīng)氣相馴化掛膜方式啟動(dòng)運(yùn)行，使生物膜形成，滴濾塔進(jìn)入下一步的穩(wěn)定運(yùn)行階段；在循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液中加入生物表面活性劑鼠李糖脂，從滴濾塔的上部向填料中噴淋營(yíng)養(yǎng)液，鼠李糖脂隨營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)布液板均勻分布在填料上；從滴濾塔底部通入待處理的甲苯廢氣。操作簡(jiǎn)單、不產(chǎn)生二次污染的方法，提高疏水性VOCs（甲苯）的生物降解效率。
【專利說(shuō)明】一種強(qiáng)化疏水性甲苯生物降解的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及采用生物滴濾法處理?yè)]發(fā)性有機(jī)物領(lǐng)域，特指一種采用生物表面活性劑強(qiáng)化生物滴濾反應(yīng)器內(nèi)疏水性揮發(fā)性有機(jī)物甲苯降解的方法，屬于揮發(fā)性有機(jī)物處理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是包含脂肪族和芳香族有機(jī)物的一類較難處理的有機(jī)物，在常溫下它們的蒸發(fā)速率大，易揮發(fā)。在化工產(chǎn)品的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中以及大部分涉及有機(jī)溶劑的使用過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量的VOCs，日常的交通工具和污染物處理過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生VOCs。VOCs對(duì)人體的危害較大，一些物質(zhì)具有“三致”效應(yīng)。在揮發(fā)性有機(jī)化合物中，甲苯最具代表性。主要由石油和石油產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中衍生而產(chǎn)生，甲苯主要用于化工原料的制備，例如:苯、二甲苯、苯甲酸、甲苯二異氰酸脂、氯化甲苯、甲酚和對(duì)甲苯磺酸等。這些原料可進(jìn)一步制造合成纖維、涂料、油漆、塑料、炸藥和染料以及飛機(jī)、汽車用的燃料油等。甲苯可經(jīng)皮膚、呼吸道及消化道吸收。對(duì)皮膚、粘膜有刺激性，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用。由于甲苯的脂溶性很強(qiáng)，所以在體內(nèi)主要分布于富含脂肪的組織，腎上腺、腦、骨髓和肝臟中較多。短時(shí)間內(nèi)吸入較高濃度本品可出現(xiàn)眼及上呼吸道明顯的刺激癥狀、眼結(jié)膜及咽部充血、頭暈、頭痛、惡心、嘔吐、胸悶、四肢無(wú)力、步態(tài)蹣跚、意識(shí)模糊。重癥者可有躁動(dòng)、抽搐、昏迷。長(zhǎng)期接觸可發(fā)生神經(jīng)衰弱綜合征，肝腫大，女性月經(jīng)異常等。皮膚干燥、皸裂、皮炎。由于大多數(shù)的VOCs都是脂溶性的，在水相中的溶解度非常有限甚至不溶，這一類VOCs可稱為疏水性VOCs。甲苯作為代表性的疏水性VOCs之一，引發(fā)的環(huán)境污染以及對(duì)人體健康的危害引起廣泛關(guān)注，開(kāi)發(fā)高效的甲苯凈化方法具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]生物滴濾法凈化VOCs是在傳統(tǒng)生物過(guò)濾技術(shù)比較成熟時(shí)發(fā)展起來(lái)的，具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＩ锏螢V反應(yīng)器的填料上方噴淋循環(huán)液，噴淋液提供附著在填料上的微生物所需的除碳源以外的其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。因此，大部分生物膜表面都覆蓋有液膜，這就使VOCs、氧氣首先要經(jīng)過(guò)由氣相到液相的傳質(zhì)過(guò)程；然后通過(guò)擴(kuò)散和對(duì)流，VOCs從液膜到生物膜；吸附在生物膜表面的VOCs被其中的微生物捕獲并降解。
[0004]在傳統(tǒng)的生物法中，疏水性VOCs從氣相經(jīng)過(guò)液膜再到生物膜的傳質(zhì)過(guò)程中存在較大阻力，從而降低了其生物可利用性，也成為限制其被微生物捕獲降解的主要因素。介質(zhì)內(nèi)持水量減少后，生物膜外表面上水膜的變薄或消失降低了水膜阻力，提高了氣相中甲苯和氧氣向生物相的傳質(zhì)速率，進(jìn)而提高了生物膜內(nèi)的生物質(zhì)氧化降解速率，但水分太低又會(huì)影響滴濾器內(nèi)生物相的活性。因此，如何減小VOCs在生物滴濾系統(tǒng)中氣液間的傳質(zhì)阻力、使水分既有利于微生物的生長(zhǎng)又不降低VOCs和氧氣向生物相的傳質(zhì)速率，是生物滴濾法處理疏水性VOCs需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的是針對(duì)在采用生物滴濾法處理疏水性VOCs過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，提供一種投資少，操作簡(jiǎn)單、不產(chǎn)生二次污染的方法，提高疏水性VOCs (甲苯)的生物降解效率。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的的。
[0007]步驟1:采用的菌源由污水處理廠的活性污泥經(jīng)甲苯梯度馴化獲得，經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)后制成菌懸液備用；生物滴濾塔選用陶粒作為填料，逐層鋪裝填料，將制成的菌懸液從滴濾塔上部均勻的噴灑在陶粒上，從滴濾塔底部通入高濃度甲苯氣中進(jìn)一步馴化，經(jīng)氣相馴化掛膜方式啟動(dòng)運(yùn)行，使生物膜形成，滴濾塔進(jìn)入下一步的穩(wěn)定運(yùn)行階段；
[0008]步驟2:在循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液中加入生物表面活性劑鼠李糖脂，從滴濾塔的上部向填料中噴淋營(yíng)養(yǎng)液，鼠李糖脂隨營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)布液板均勻分布在填料上；從滴濾塔底部通入待處理的甲苯廢氣。
[0009]生物滴濾塔連續(xù)運(yùn)行的過(guò)程中，添加鼠李糖脂可以降低液相的表面張力，對(duì)難溶的甲苯具有增溶作用。鼠李糖脂改變氣液界面性質(zhì)，使原親水性的氣液界面具有一定的疏水性，從而更多的疏水性VOCs分子在表面活性劑疏水基團(tuán)的作用下附著于液體表面、進(jìn)而在表面活性劑膠束的作用下“溶解”于液體中，可大大提高其在水相中的表觀溶解度，進(jìn)而降低傳質(zhì)阻力，增加其生物可利用性。并且鼠李糖脂作用于微生物細(xì)胞后，能在一定程度上增大微生物細(xì)胞表面的疏水性，提高了其與疏水性底物之間的親和力，有利于微生物吸收轉(zhuǎn)化疏水性污染物。
[0010]優(yōu)選所述生物表面活性劑是指由銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)產(chǎn)生的鼠李糖脂。
[0011]優(yōu)選所述生物表面活性劑鼠李糖脂添加到營(yíng)養(yǎng)液中，濃度范圍為0.04g/L?
0.2g/L。
[0012]所述添加生物表面活性劑的營(yíng)養(yǎng)液，利用潛水泵通過(guò)噴頭，周期性地間歇噴淋至填料上，噴淋周期為每小時(shí)噴I次，每次噴4s，噴淋量為0.5-0.7m3/ (m3填料.d)。
[0013]步驟I所述的高濃度甲苯廢氣的濃度為1000-2000mg/m3。
[0014]所述填料為陶粒，球狀、多微孔，其粒徑為2_3mm。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0016]使用的生物表面活性劑鼠李糖脂是一種環(huán)境友好型的天然表面活性劑，產(chǎn)生于微生物的代謝過(guò)程中，與化學(xué)表面活性劑相比除具有降低表面張力、穩(wěn)定乳化液和增加泡沫等相同作用外，還有許多明顯的優(yōu)勢(shì):(1)更強(qiáng)的表面和界面活性；(2)對(duì)熱的穩(wěn)定性；(3)對(duì)離子強(qiáng)度的穩(wěn)定性；(4)生物可降解性；(5)破乳性。由于這些顯著特點(diǎn)，使用生物表面活性劑可有效避免環(huán)境中化學(xué)試劑大量使用所造成的污染累積，使得工藝流程更具安全性和環(huán)境可持續(xù)性。
[0017]本成果的應(yīng)用可在不改變運(yùn)行設(shè)備和其他運(yùn)行條件的情況下，提高生物滴濾塔對(duì)疏水性甲苯的凈化效率，操作簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、維護(hù)方便。
[0018]本發(fā)明采用經(jīng)梯度馴化后的活性污泥作為菌源，接種于生物滴濾塔中，通入高濃度甲苯廢氣，經(jīng)氣相馴化掛膜方式啟動(dòng)運(yùn)行至反應(yīng)器進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，在循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液中加入生物表面活性劑鼠李糖脂。添加鼠李糖脂可以降低液相的表面張力，改變氣液界面性質(zhì)，提高其在水相中的表觀溶解度，進(jìn)而降低傳質(zhì)阻力，增加其生物可利用性。并且鼠李糖脂能在一定程度上增大微生物細(xì)胞表面的疏水性，提高了其與疏水性甲苯之間的親和力，有利于微生物吸收轉(zhuǎn)化，從而提高甲苯的降解效率。本發(fā)明的主要目的是針對(duì)在采用生物滴濾法處理甲苯過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，提供一種投資少，操作簡(jiǎn)單、不產(chǎn)生二次污染的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
[0020]本發(fā)明中所用的裝置為立式生物滴濾塔，生物滴濾塔主要由布?xì)庀到y(tǒng)、布液系統(tǒng)和生物處理系統(tǒng)構(gòu)成。生物滴濾塔的主體是有機(jī)玻璃管，內(nèi)徑85mm，高1000mm。有機(jī)玻璃管分為2段，每段裝有2.84X 10_3m3陶粒作為填料，其粒徑為2-3mm，1.8g/cm3,比表面積1.3m2/go填料底部由法蘭隔板支撐。在有機(jī)玻璃管的兩段留有孔徑25_的圓孔，分別連接U型壓力計(jì)的兩端。布?xì)庀到y(tǒng)主要由吹氣泵、甲苯發(fā)生瓶、混合瓶、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、緩沖瓶、和真空泵組成，采用正壓送氣、負(fù)壓收集的方式，使得甲苯不會(huì)泄露，保證了操作人員的安全。氣流由反應(yīng)柱下端進(jìn)氣，上端出氣，與營(yíng)養(yǎng)液流動(dòng)方向相反。在反應(yīng)器的進(jìn)口和出口分別設(shè)有氣體采樣口。布水系統(tǒng)由潛水泵、儲(chǔ)液槽、加熱棒、緩沖儲(chǔ)液罐、時(shí)間繼電器、電磁閥及噴嘴構(gòu)成，形成一套自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，噴淋液溫度控制在30°C。
[0021]該裝置啟動(dòng)時(shí)采用的菌源由污水處理廠的活性污泥馴化而成，將活性污泥靜置3h，取上清液接種到牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基中，將活性污泥進(jìn)行活化。經(jīng)牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)24h后，利用選擇性無(wú)機(jī)培養(yǎng)基對(duì)活性污泥進(jìn)行馴化。本馴化采用梯度馴化法，將選擇性無(wú)機(jī)培養(yǎng)基分裝到350ml的好氧震蕩瓶中，每瓶50ml，滅菌后接種活化后的活性污泥，并塞好瓶塞。向好氧震蕩瓶中注入I μ L甲苯，立即用封口膜密封，在30°C，120r/min的條件下進(jìn)行培養(yǎng)。每隔24h向瓶中梯度加入甲苯2μ L、4y L、7y L、10y L、30y L。經(jīng)過(guò)6天馴化，待甲苯完全被降解后，將該菌作為菌源配制成菌懸液，通過(guò)潛水泵使菌懸液從反應(yīng)柱頂端噴淋而下，同時(shí)在反應(yīng)柱的底端通入1000mg/m3甲苯,與營(yíng)養(yǎng)液噴淋方向成逆流。氣體流量為0.16m3/h，相應(yīng)的停留時(shí)間為64s，進(jìn)行反應(yīng)器的掛膜啟動(dòng)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，生物膜迅速增長(zhǎng)，同時(shí)甲苯的去除率也相應(yīng)提高，經(jīng)過(guò)10天，降低甲苯濃度到800mg/m3，生物滴濾塔的甲苯去除效率基本可穩(wěn)定在90%左右。生物滴濾塔成功啟動(dòng)，并正常運(yùn)行。所述的無(wú)機(jī)鹽營(yíng)養(yǎng)液成分:K2HPO4.H2O0.109g/L,Na2HPO4.12Η200.167g/L、KH2PO40.0425g/L,NH4Cl0.025g/L、MgSO40.0675g/L、CaCl20.0364g/L、FeCl30.3mg/L、MnSO4 *H200.04mg/L、ZnSO4 *H200.0428mg/L、Na2MoO4.4H200.0347mg/L。
[0022]在本發(fā)明中的生物滴濾塔掛膜成功后，在生物滴濾塔頂端循環(huán)噴淋營(yíng)養(yǎng)液，底端通入含甲苯廢氣，進(jìn)行廢氣的處理。循環(huán)液中添加生物表面活性劑鼠李糖脂，鼠李糖脂的濃度為 0.04g/L ?0.2g/L。
[0023]在室溫20°C，大氣壓IOlKpa的條件下，控制甲苯的濃度在600?700mg/m3左右，生物滴濾裝置的空塔停留時(shí)間設(shè)定為51s。添加含有鼠李糖脂表面活性劑的無(wú)機(jī)鹽營(yíng)養(yǎng)液，鼠李糖脂表面活性劑的濃度為0.08g/L。循環(huán)液每小時(shí)噴淋一次，每次4s，噴淋量為
0.7m3/(m3填料.d)，在此條件下連續(xù)運(yùn)行60d。噴淋添加鼠李糖脂營(yíng)養(yǎng)液的生物滴濾裝置的壓損為90Pa，保持不變。甲苯的去除率在60d內(nèi)一直穩(wěn)定在95%左右，沒(méi)有下降趨勢(shì)。同時(shí)，可以抑制微生物的過(guò)度繁殖，防止生物滴濾塔的堵塞，甲苯的出口濃度為30mg/m3，符合GB16297-1996大氣污染綜合排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可達(dá)標(biāo)排放。[0024]作為對(duì)比，在相同運(yùn)行條件下，噴淋不含表面活性劑的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)液，生物滴濾裝置在運(yùn)行的前50天甲苯的去除率穩(wěn)定在82%左右，而后10天甲苯的去除率呈下降趨勢(shì)，在第60天時(shí)，甲苯的去除率僅有65%，說(shuō)明微生物生長(zhǎng)過(guò)量，堵塞填料，抑制了甲苯由氣相到液相的專遞，降低了甲苯的去除率。同時(shí)生物滴濾塔的壓力損失由開(kāi)始的90Pa增加到第60天的300Pa。壓損增大。
[0025]作為對(duì)比，在相同運(yùn)行條件下，添加化學(xué)表面活性劑吐溫80的無(wú)機(jī)鹽營(yíng)養(yǎng)液，吐溫80的濃度為8g/L。循環(huán)液的噴淋量為2L/d，在此條件下連續(xù)運(yùn)行60d。甲苯的去除率在60d內(nèi)一直穩(wěn)定在90%左右，沒(méi)有下降趨勢(shì)。分別添加鼠李糖脂和吐溫80起到的提高甲苯去除率的作用相似，能使甲苯去除率提高10-15%左右，但是取得相同效果的鼠李糖脂添加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于吐溫80的添加量。
[0026]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)進(jìn)行的任何改進(jìn)、替換工藝方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種強(qiáng)化疏水性甲苯生物降解的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:采用的菌源由污水處理廠的活性污泥經(jīng)甲苯梯度馴化獲得，經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)后制成菌懸液備用；生物滴濾塔選用陶粒作為填料，逐層鋪裝填料，將制成的菌懸液從滴濾塔上部均勻的噴灑在陶粒上，從滴濾塔底部通入高濃度甲苯氣中進(jìn)一步馴化，經(jīng)氣相馴化掛膜方式啟動(dòng)運(yùn)行，使生物膜形成，滴濾塔進(jìn)入下一步的穩(wěn)定運(yùn)行階段； 步驟2:在循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液中加入生物表面活性劑鼠李糖脂，從滴濾塔的上部向填料中噴淋營(yíng)養(yǎng)液，鼠李糖脂隨營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)布液板均勻分布在填料上；從滴濾塔底部通入待處理的甲苯廢氣。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，生物表面活性劑鼠李糖脂添加到營(yíng)養(yǎng)液中，濃度范圍為0.04g/L?0.2g/L。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，添加生物表面活性劑的營(yíng)養(yǎng)液，利用潛水泵通過(guò)噴頭，周期性地間歇噴淋至填料上。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于，噴淋周期為每小時(shí)噴I次，每次噴4s，噴淋量為 0.5-0.7m3/ (m3 填料.d)。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟I所述的高濃度甲苯廢氣的濃度為1000-2000mg/m3。
6.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，陶粒為球狀、多微孔，其粒徑為2-3mm。
【文檔編號(hào)】B01D53/72GK103816797SQ201410086006
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】劉佳, 楊竹慧, 李堅(jiān), 曹菁洋 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)