青岛除甲醛

您的位置:主页 > 最新动态 > 康康 >

使用实验室规模的静态床生物反应器从污染空气

发布日期:2019-05-12 15:11 浏览次数:
 
抽象
 
目的:本研究的目的是评估富含污水污泥微生物的好氧固定床生物反应器(FBR)在空气流中甲醛生物降解的性能,以及实验室规模的不同保留时间和气流速率。
材料和方法:构建由钢制成的高60cm,内径14cm的好氧生物过滤器,并用浮石和堆肥的混合物作为介质填充并用于本研究。微生物的生长来源于城市污水处理厂的污泥,是通过添加营养物来启动的。在运行的前几天,气流中含有不同浓度的甲醛(从24±3到224±5 mg / m 3)被引入反应器以确保生物适应。通过一系列含有吸附剂的两个冲击器进行取样,并使用DR-5000通过变色酸测定进行分析。
结果:甲醛的最大去除和消除能力为0.48±0.06 g / m 3 / h入口加载速率和180 s空床保留时间(EBRT)。稳定日的这些值分别几乎为88%和0.42g / m 3 / h。
结论:结果表明,通过增加甲醛的入口浓度和降低EBRT,系统的甲醛去除能力降低。具有适当床体积并且在最佳保留时间内与入口污染物质量流速相容的好氧生物反应器将允许降低并降低污染气相中的甲醛浓度,例如在城市废水处理设施中产生的气体。
 
关键词:  生物降解,生物过滤,甲醛,固定床反应器
 
 
介绍
 
 
近几十年来,由于工业进步和有机燃料的使用增加,有毒化合物向环境中的排放已经很普遍。[1]挥发性有机化合物(VOCs)是一组有毒污染物,可以释放到人造环境或天然环境中。[1],[2],[3]这些化合物在生态系统中缓慢降解并积累,从而对环境造成严重破坏,并暴露人类社会。[4]在过去的几十年里,工业将大量的这些污染物释放到生态系统中。[5]其中,甲醛(HCHO)因其对人体健康的有害影响和大气中的高排放水平而被认为是工业排放的重要VOC之一。[1]每年生产二百一十万吨甲醛。[6]卫生组织将甲醛暴露限值定义为0.1 ppm。[7]根据职业安全与健康管理局(OSHA)的指导原则,室内和室外空气中甲醛的允许量分别限制在0.75和0.5 ppm。[8] 
 
暴露于高浓度的甲醛会导致恶心,呕吐,腹泻,腹痛,[3],[9],[10],[11]肠胃炎,睡眠障碍,视神经损伤,[10]眼睛刺激,并且在长期接触癌症的风险将是不可避免的。[9],[10],[11],[12]同时暴露于高浓度的它也会导致死亡。[10]这种气体是化学化合物之一,通常用于化学过程[10],可能主要通过燃烧,[1]纸张生产,[13]合成树脂的制造,[1]等活动生产。,[13]neopan生产,甲醛生产释放的气体,化学工业,部分来自碳氢化合物,甲基化化合物和其他有机化合物的光化学氧化,以及碳氢化合物与大气中臭氧的二次反应。[10],[11],[12]此外,甲醇燃料的使用增加也可以起到将甲醛排放到空气中的作用。[11]室内甲醛来源的例子可以是三层板,neopan,地毯,窗帘,纸制品,烟草烟雾,杀虫剂和特定粘合剂。[3],[14]室内空气中的甲醛被认为是主要的空气污染物。[14] 
 
有几种方法可以去除空气中的污染物,这两种方法分为物理化学方法和生物方法两大类。物理化学方法几乎是常规的,包括吸附,例如活性炭,吸收,催化燃烧,含有污染物的气体冷凝物,以及现代生物方法,其中生物过滤是最常用的方法。传统方法大多不具有成本效益,并且需要将污染物的气相转化为其他相,例如固相或液相。此外,这些方法与二次危险有毒物质的产生和排放有关。[1],[3],[10],[15]相比之下,生物学方法可广泛应用,因为与传统方法相比,它们具有成本效益,并且不会产生二次污染物。[1],[4],[11],[13],[16]生物过滤方法的其他优点是消除不同浓度的VOC(1-1000 ppm)和低廉的安装成本。[9] 
 
生物技术由于其自然过程的应用是最可靠的去除环境污染物的方法。[16]生物技术的原理是基于一些微生物物种使用挥发性有机化合物作为细胞呼吸阶段的能源和生长阶段的碳源的能力。[1],[4],[9],[17],[18]在这些系统中,微生物剂,主要是细菌和真菌,生长在多孔床上,含有污染物的空气通过床。在下一步骤中,悬浮在生物过滤器中的微生物[16],例如活性污泥或附着在床[19]上,将污染物化合物分解成单一物质。该工艺的最终产品是二氧化碳[16]和水。[4] 
 
,可以降低甲醛的微生物是恶臭假单胞菌,丝孢penicillatum,洋葱假单胞菌,产碱假单胞菌,扭脱甲基杆菌,盐单胞菌属, [13] 假单胞菌,[13] ,[20] 甲基球菌属,弧菌属,和甲基营养酵母。[17],[18]通过生物过滤去除污染物活性的有效参数可以是氧饱和度,温度(最佳20-30°C),生物膜厚度,污染物扩散到生物膜中,pH,C / N比,盐度,湿度(最佳30%-60) %)[21]等等。[9],[18],[22]目前用于污染空气处理的生物系统包括生物过滤器,生物过滤器,滴滤器,[16],[23]和膜生物反应器。[4]在过去的几年中,生物反应器已被用于治疗令人不快的气味[24]市政污水处理设施,堆肥,面包准备和储存场所。然而,最近该方法用于处理气态污染物,例如实验室规模的甲醛,并且在工业应用中显着发展。[1],[10],[13]本研究旨在开发和改进生物过滤系统,以去除或减少含有规定量污染物的合成气流中的甲醛。还研究了不同操作参数对系统性能的影响。
 
 
锚点  材料和方法
最佳
 
 
该实验室规模的实验研究是通过设计和构造具有连续气流的好氧反应器来进行的。
 
生物过滤系统
 
在本研究中,选择了常规的生物过滤方法,因为与其他生物过滤方法不同,它能够处理各种污染物,降低压降,并且不产生废水。[4]构建高度为60cm,内径为14cm的不锈钢反应器。将浮石(80%v / v)和成熟堆肥(20%v / v)(从伊斯法罕堆肥厂获得)的混合物(pH约为8,体积为6L)用作床以支持生长。微生物。为了使甲醛气体均匀地分布在生物过滤器中,将穿孔的不锈钢板放置在离反应器底部8cm处。反应器的入口管和出口管也由不锈钢制成。在反应器之前放置三种类型的室,包括加湿室,甲醛蒸汽产生室和用于将甲醛蒸汽与空气混合的室。系统所需的空气流量由空气压缩机提供,并且两个流量计用于控制空气的输出流量。活性炭柱用于防止可能的干扰污染物进入压缩机的出口空气。生物反应器的示意图如下所示[图1]。
图1:生物反应器的示意图:(1)空气压缩机,(2)活性炭柱,(3)流量计,(4)加湿器,(5)甲醛罐,(6)混合罐,(7)空气取样阀,(8)生物过滤器床,(9)空气板分配器,(10)均匀空气分配平台,(11)反应器的液体出口阀,(12营养物分配器,(13)过滤空气出口,(14) )取样阀,(15)营养液储存器,(16)蠕动泵,(17)压力计,(18)个人取样泵,(19)冲击器取样
 
点击此处查看
 
 
使用的材料和试剂
 
为了提供甲醛蒸气,使用购自(Merck Co. Germany)的37%甲醛溶液。施用其近似值的营养素已注入生物过滤器以加强微生物的生长,如下:NH 4 Cl(500 mg /天),KH 2 PO 4(700 mg /天),MgSO 4(20 mg) /天),MnSO 4(3mg /天),CaCl 4(50mg /天),FeSO4(5mg /天)和ZnSO 4(3毫克/天)。NaOH用于调节营养物和活性污泥的pH。微生物的种群由城市污水处理厂的伊斯法罕南部活性污泥单元提供。分析甲醛所需的化合物也由Merck公司提供,包括39%的硫酸氢钠,98.5%的变色酸和96%的硫酸。
 
设置和操作生物过滤器反应器
 
在生物过滤器系统操作的第一步中,来自压缩机的气流在流过一列活性炭后流入气流分配器,然后由流量计控制的所需气流进入37%含甲醛的腔室和加湿室。在下一步骤中,从相关室释放的甲醛和水蒸气的混合物进入混合室。加湿器和混合室用于稀释和调节引入反应器的甲醛浓度。在进入反应器之前的污染空气混合物每天取样并分析以确保入口中的确切甲醛浓度。具有确定浓度的甲醛的混合空气从生物过滤器的底部进入,并在规定的保留时间(30秒至3分钟)后从顶部排出。该研究在23±2℃下进行。活化污泥在室中以3L / min的速率连续通气20天。另外,为了在接种前将微生物制备和适应新条件,每天向含有活性污泥的室中加入规定量的甲醛(1-3mL / L)。
 
在手术开始的研究期间,通过蠕动泵将280mL营养物和缓冲液一天四次添加到生物过滤器中,但随后从反应器上方手动完成该过程以更好和均匀地分配营养物。 。通过试验和误差方法通过实验确定营养物和上清液的量,以保持微生物生长所需的床的最佳水分(30%-50%)。在开始时为微生物的适应,生物滤池是25天操作用含有24±3毫克/米120升/小时的空气流量3入口甲醛浓度和空床保留时间(EBRT)约3分钟。在该保留时间内系统适应和去除效率的稳定性之后,通过在30,60,90,112,150和180s下保持EBRT的恒定输入浓度来测试去除效率,然后分析结果。在该步骤结束时,观察到在150和180秒的EBRT中,去除效率相同并且处于最大水平。因此,这些保留时间被认为是去除甲醛的最佳保留时间,并且已经选择150秒用于该研究的进一步程序。然后,气流含有48±5.5,77±4.5,124±3,176±3.5和224±5 mg / m 3甲醛的浓度,分别在达到大约恒定的甲醛去除速率(未观察到去除效率的变化的时间段)进入反应器所需的时间段内。
 
取样和测量
 
甲醛的取样和测量根据国家职业安全与健康研究所(NIOSH)方法3500进行。[25]根据该方法,通过单独的个人取样泵对反应器的入口和出口空气进行取样,其入口连接到反应器,出口连接到含有1%亚硫酸钠吸附剂的两个冲击器上。使用分光光度计(DR-5000-HACH LANGE Co.Germany)在580nm下通过比色法每日测量液体吸附剂中的甲醛浓度。使用105℃烘箱通过重量分析法测定培养基的水分含量。通过放置在反应器入口和出口的压力计连续测量床的压降。使用pH计(1500-Cyber​​scan Co.USA)测量和调节营养物和上清液的pH。
 
因为生物膜中大部分生长的微生物都是细菌,[9]为了确定本研究中甲醛降解的主要细菌,使用富集,选择性和差异培养基。鉴定主要细菌的过程如下:首先,在无菌条件下,在初级富集培养基中培养生物膜样品,包括营养琼脂,BHT肉汤,血琼脂和巧克力琼脂,用于从生物膜中分离细菌。单菌落。其次,从菌落制备涂片并用革兰氏染色法染色[26],[27],然后使用光学显微镜在油浸×100物镜下检查染色的载玻片。
 
在MacConkey琼脂和EMB琼脂上进行细菌条纹培养,以从革兰氏阳性中分离革兰氏阴性菌的主要菌落。通过显微镜检查来自两种培养基的两种主要菌落的革兰氏染色的涂片。
 
就此而言,使用一排五管,其含有三糖铁琼脂,硫化物 - 吲哚 - 运动性培养基,Simon's柠檬酸盐,尿素,MR-VP培养基和赖氨酸脱羧酶和鸟氨酸脱羧酶试验。此外,72小时O-硝基苯基-β-d-吡喃半乳糖苷试验用于鉴定乳糖非发酵罐中的乳糖发酵罐。[27] 
 
 
锚点  结果
最佳
 
 
为了使微生物适应该系统,在第一阶段,反应器以24±3mg / m 3的甲醛操作25天,加载速率为0.48±0.06g / m 3 / h。该阶段的结果显示在[图2]中。接种第1天所述入口浓度的甲醛去除率为100%。通过从反应器运行几天后,去除能力达到几乎恒定的水平,平均为0.42g / m 3 / h(去除效率为88%)。该平均值被认为是系统的最大去除容量。
图2:微生物适应期间甲醛去除效率的变化,为180秒。EBRT和24±3 mg / m 3的入口浓度
 
点击此处查看
 
 
在下一步中,应用不同的EBRT以确定甲醛污染空气的最佳保留时间,并且将去除效率与EBRT的恒定入口甲醛浓度进行比较。该实验阶段进行三次重复(每天一次),并将平均效率视为去除效率。保留时间150和180秒的平均去除效率几乎相似,分别约为88%和87%[图3]。由于两个主要EBRT的效率相似,因此在本研究中选择并应用了150 s,144 L / h。
图3:不同EBRT中甲醛的平均去除效率,入口浓度为24±3 mg / m 3 
 
点击此处查看
 
 
通过在第二步中选择合适的EBRT,该研究在第三阶段进行,具有不同浓度的污染物。在经历了稳定去除效率所需的天数之后,选择4天作为每种浓度的稳定效率的基准。如[图4] a所示,在入口甲醛浓度为48±5.5 mg / m 3(装载质量为1.15±520.132 g / m 3 / h)的运行天数中,甲醛去除能力增加,其在反应器出口处的浓度为同时减少。在第1天,去除能力和效率略有下降到0.864克/米3分别/小时和75%。去除能力和效率,其中,在第四至第7天达到为1g / m 3 / h和87.5%,并且在上述日子里并没有明显变化。
图4:来自反应器(实心圆圈)的出口甲醛浓度在不同时间段内的甲醛去除能力(空心圆),以稳定不同入口浓度下的去除效率。(a)48±5.5 mg / m 3 ; (b)77±4.5 mg / m 3 ; (c)124±3 mg / m 3 ; (d)176±3.5 mg / m 3 ; (e)224±5 mg / m3 
 
点击此处查看
 
 
在下一阶段,甲醛浓度增加至77±4.5 mg / m 3(1.85±0.108 g / m 3 / h)。如[图4] b 所示,已经测试了不同天数的新加载速率下的去除能力和出口甲醛浓度。在1中的去除能力第一天为1.05克/米3 /小时。甲醛的出口水平在接下来的几天内下降,并在最后4天内降至13 mg / m 3 的恒定水平[图4] b。这4天的平均去除能力和效率分别为1.57g / m 3 / h和85.4%。
 
在下一步中,入口浓度为124±3 mg / m 3(施加2.98±0.72g / m 3 / h),结果如[图4] c所示。第8天至第11天的平均容量和去除效率分别为2.3g / m 3 / h和77%。
 
在去除效率稳定后,入口甲醛浓度增加至176±3.5mg / m 3,质量加载速率为4.22±0.084g / m 3 / h。第1天的主要去除效率显示出比先前步骤更大的下降。去除能力和效率上的第一天从1.87开始克/米3/ h和44.3%,并且通过增加微生物的适应性,它们略微增加。平均去除能力和效率在最后4天(6 次至9 个天)增加到3.09克/米3和73.4%,分别[图4] d。
 
最后,研究的最后一步通过224±5 mg / m 3的入口浓度进行,质量负荷为5.38±0.12 g / m 3 / h,稳定性在8天内发生[图4] e。去除能力和效率对1 日天分别1.44克/米3 /小时和26.8%,和还平均去除能力和效率从第四至8第th天分别记录为2.83g / m 3 / h和52.6%。所有操作日的结果显示在[图5]中。
图5:总运行天数的去除效率和容量
 
点击此处查看
 
 
[图6]显示了在不同入口甲醛的反应器操作天期间稳定效率在4天内的平均去除效率。
图6:在不同入口甲醛浓度150秒的反应器操作日期间稳定效率4天内的平均去除效率。EBRT 
 
点击此处查看
 
 
鉴定甲醛降解中的主要微生物
 
革兰氏染色法将细菌分为两组,革兰氏阳性,呈紫蓝色细菌,而革兰氏阴性细胞则呈粉红色染色[图7]。在我们的研究中,大多数细菌是革兰氏阴性,而有限数量的菌落是革兰氏阳性。可以得出结论,大多数甲醛降解是由革兰氏阴性细菌完成的,其生长并形成生物膜。
图7:在原代富集培养基上生长的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌
 
点击此处查看
 
 
被观察到的主要优势菌落为粉红色球杆菌,而其他的菌落含有粉红色杆菌,后来鉴定为变形杆菌属。在此阶段,计数的细菌菌落数为每克床约10 6 CFU。
 
这两种类型的菌落通过不同的差异培养基和生化测试来区分,例如IMViC测试(吲哚,甲基红,Voges-Proskauer和Simon's柠檬酸盐)。[28] 
 
根据这些生化测试和分离培养基对分离的革兰氏阴性细菌的结果,主要的菌落被鉴定为弗氏柠檬酸杆菌(Citrobacter freundii)。
 
 
锚点  讨论
最佳
 
 
如[图2]所示,接种第1天的一次入口浓度的甲醛消除效率为100%。这种高消除率可能是由于接种第1天床被甲醛吸附所致。在第二天,系统的去除效率下降了近30%,但它随着时间的推移逐渐增加。然而,在生物过滤的前10天,可接受的去除效率没有产生[图2]。该系统的低效率可能是由于微生物与入口甲醛的适应性较小以及开始时微生物质量较少。由于含有营养物质的高水流量(0.5L)进入反应器,在研究的前5天内湿度高于60%的湿度可能会降低细菌的生长速度,细菌是有机污染物降解的主要因素,如作为甲醛。考虑到床水分对微生物生长的重要性,通过实验和试错法,营养物流速降至280 mL。由于反应器体积不同,本研究中使用的这种营养流量水平与其他研究不同。[11] 
 
尽管使用的浓度相似,本研究的结果与Xu等人的报告略有不同。它们在25L床体积和主入口甲醛浓度为20mg / m 3时产生最大(100%)去除效率。该去除水平在112L / h的最小气流中完成,至少约0.36g / m 3负载。[11]因此,在他们的研究中,EBRT与本研究相比更高,这可能是两项研究中不同结果的原因。结果见[图3]表明微生物质量能够在比主要保留时间少于30秒的时间内降解甲醛180秒,而且去除效率没有明显降低。然而,在较低的EBRT中,去除效率逐渐降低,并且最终在30天的EBRT中,去除效率降低至65%。
 
因此,由于保留时间小于30秒的水平非常低且不可接受的去除效率,测试在保留时间内不会持续低于30秒。根据结果​​,在180秒的EBRT中实现了最高的去除效率。可以认为,在较高的EBRT中,可以实现更高的去除效率,但是在该研究中由于反应器体积低,更高的EBRT不适用。因此,建议在未来的研究中使用更高的EBRT。可以推断,合理地,低EBRT下的低去除效率是由于生物膜层和气相之间的甲醛渗透量的减少。其他一些研究支持通过缩短EBRT来降低去除效率的想法。普拉多等人。研究了两种反应器对甲醇气体和甲醛的去除效率,在20.7,30,46.5和71.9s的EBRT中的常规生物反应器和滴滤池。他们发现,在30,46.5和71.9 s的EBRT中,去除效率相同,但在20.7 s的EBRT中,效率较低。[10] 
 
第三阶段第一阶段的效率损失,这是由于入口负荷从0.48±0.06变化到1.152±0.132g / m 3 / h导致对微生物的冲击。然而,通过使它们适应新的条件,移除能力和效率再次增加。在第1天,类似于之前的浓度去除能力和效率显示低值,甚至低于前一步骤。如前所述,在下一阶段(装载1.85±0.108 g / m 3 / h),将进口负荷从1.152±0.1132增加到1.85±0.108 g / m 3/ h,由于微生物面临的冲击,去除效率降至57%。装载需要8天的测试,第4天后没有观察到去除和出口甲醛的变化。
 
在下一阶段,出口浓度的变化趋势与前面的步骤类似,并且在操作的第1天再次看到低效率,这是由于新浓度的甲醛所面临的微生物的冲击。在操作的第1天,去除能力和效率为约1.22g / m 3分别为/ h和41%,但通过使微生物适应新的浓度,去除能力增加,并在第8天后保持稳定和恒定的水平。有趣的是,该研究的这一步骤比以前的步骤花费更多的时间来稳定其去除能力。在4.22±0.084g / m 3 / h 的加载速率下,第1天的初级去除效率显示出比前面的步骤更大的下降。最后在第三阶段的最后阶段,稳定发生在8天。根据增加入口加载速率的结果,尽管去除能力增加,但去除效率略有下降[图6],最后为5.38±0.12 g / m 3/ h入口加载速率,未观察到可接受的去除。这一事实表明,生物过滤器系统对于较高的入口加载速率和研究条件没有响应,尽管通过将EBRT增加到150s可能会导致更高的去除率。
 
其他研究人员在该领域进行的研究很少; 然而,徐等人的结果。与我们发现的略有不同。他们使用填充有陶瓷环的生物过滤器和3.7分钟的EBRT,并测试了不同高度的床的去除效率,入口浓度为5-207 mg / m 3,并且发现其入口浓度的去除效率超过97%。 70mg / m 3,入口浓度90%以上,207mg / m 3在反应堆的中间部分。[11]显然,徐等人的结果差异的主要原因。而我们的可能是不同EBRT的结果。普拉多等人。研究了用熔岩岩床去除甲醛和甲醇气体混合物,初加载率为15和78.2±2.9 g / m 3 / h,最大收率为9.48±1.63和36.8±103 g / m 3 / h分别是EBRT的。然而,与本研究相比,较高的加载速率和较低的EBRT以及甲醛作为碳源的微生物对甲醛的竞争性降解可能是有限的去除效率的原因。[10] 
 
 结论
 
 
在制备和操作日中有氧生物反应器的甲醛去除效率达到了可接受的水平。最高的去除效率达到0.48±0.06 g / m 3/ h入口加载速率。此外,在具有恒定EBRT的较高入口负载下的去除效率显示出逐渐降低。可以得出结论,通过增加入口负载和EBRT的减少,生物过滤器系统的总体去除效率降低。具有用于微生物生长,最佳EBRT和施加的负载值的合适床的好氧生物反应器在降解和消除空气中的甲醛方面具有可接受的性能,并且可以是过滤诸如空气的污染空气的潜在方法之一。市政污水处理厂。因此,建议在未来的研究中,开发一种工业规模或真实污染空气系统的试点研究。在这种情况下,可以研究其他入口污染气流和甲醛进入反应器的影响,并研究不同污染物与微生物对其的抗性相互作用,以达到工业规模污染空气生物过滤的最佳领先条件。此外,研究不同最佳温度对中试规模的微生物性能和活性的影响是有益的,以简化和改善生物过滤器的操作。
 

 

在线咨询
微信咨询
联系电话
4006-799-717
返回顶部