生物过滤（精选9篇）
生物过滤 篇1
目前,世界许多国家均面临着严重的水危机,我国水资源短缺问题尤为突出[1]。面对这一严峻形势,我国工业用水却消耗惊人,主要原因之一是工业用水重复利用率低,只有20%～30%,仅为发达国家的1/3。炼油化工工业消耗水量占总工业用水量的2.78%,其污水排放总量占总工业废水排放量的3.85%,这与国外先进石化企业相比有很大差距[2]。因此,如何合理利用有限的水资源,成为炼油企业实现可持续发展急需解决的重点问题之一。
中国石化齐鲁分公司炼油厂第二污水净化处理装置(以下简称为第二净化装置)是该厂重油加氢联合装置的主要配套工程,其所处理污水为胜利炼油厂北区各生产装置的含油污水、罐区脱除水、生产废水等。通过分析第二净化装置出水水质可知,其总无机离子含量高于新鲜水水质指标,个别水质指标接近于新鲜水。针对这一水质特点,选取曝气生物过滤(BAF)-多介质(DA)过滤-电吸附脱盐处理工艺(以下简称组合工艺)对第二净化装置的出水进行中试处理试验,结果使其中的CODCr、油、悬浮物(SS)及盐含量均得到降低,满足锅炉用水水质指标,可回用于锅炉补水。
1 试验部分
1.1 原材料
中试装置进水采用第二净化装置的出水,其水质指标为 CODCr 小于100mg/L、含油(质量浓度,下同)小于 10mg/L、含SS 小于 70mg/L。生物挂膜用陶粒为黏土烧制,球形,粒径 3～6mm,堆积密度 0.85～0.90g/cm3,孔隙率 55%～58%,比表面积 2～6m2/g,北京联创公司生产。DA 过滤器填料采用彗星滤料,由浙江德安公司提供。乙酸钠、磷酸钠、聚合铝、硫酸等均为常用市售工业品。
1.2 主要设备
BAF 塔形,高 5000mm,直径 1300mm,内充ϕ(3～6)陶粒,填料高度为 3200mm,以瓷球承托,采用曝气头曝气,长柄滤头布水,额定处理水量为 2.5m3/h。
DA 过滤器 DA 863-350型,浙江德安公司提供。塔形,塔径 350mm,内充彗星滤料,工作压力不大于 0.35MPa,滤速 30～60m/h,设计处理水量为 4～6m3/h。
电吸附脱盐装置 EMK 400 型,常州爱思特公司提供。工作压力不大于 0.08MPa,进水 pH 值控制在 5.8～6.2,每日更换 1 次中间水,每周断电运行2h 。
1.3 工艺流程
达到指标要求的第二净化装置出水通过长柄滤头进入 BAF,经过曝气和生物膜的作用,去除污染物,当水质达到 CODCr 小于 50mg/L、含油小于 3mg/L、含 SS 小于 15mg/L时,送至 DA 过滤器,去除 SS。DA 过滤器的出水水质指标为 CODCr 小于 45mg/L、含油小于 2mg/L、含 SS 小于 3mg/L、电导率小于 1500μS/cm、含氯离子(质量浓度,下同)小于 250mg/L、含硫酸根(质量浓度,下同)小于 200mg/L。含盐进水在电吸附脱盐装置中经过由功能电极材料组成的模块时,盐离子在直流电场的作用下被吸附储存在电极表面的双电层中,直至饱和。达饱和后出水电导率将升高,系统进入再生阶段。此时切断直流电源,将正负电极短接,由于直流电场的消失,吸附储存在双电层中的离子就会从电极表面解析出来。采用进水反洗时,解析出来的离子随水流排出,电极也由此得到再生。由于离子有一个扩散穿越电极材料的过程,所以再生需要一定的时间。当再生排水电导率与进水电导率基本相当时,则可认为再生结束,系统进入下一个运行周期。经过电吸附过程出水水质达到 CODCr 小于 30mg/L、含油小于 1mg/L、电导率小于 800μS/cm、含氯离子小于 100mg/L、含硫酸根小于 100mg/L、含 SS 小于 3mg/L的控制指标时,即可用作循环水系统的补充水。
2 结果与讨论
2.1 BAF 的处理效果
在处理量为 2.5m3/h,气水比(体积比,下同)为(1.5～2.5)∶1.0,每立方米滤料 CODCr 容积负荷为 0.7kg/d 的条件下,考察了 BAF 的处理效果,其进出水的水质变化见图 1,相应的统计平均数据列于表 1。可见,稳定运行期间,BAF 对污水的CODCr、油、浊度和色度均有较好的去除效果,同时对进水也具有较好的抗波动能力,其出水水质达到了设计指标要求,表明 BAF 单元具有较佳的综合去污能力。这是因为 BAF 是以附着生长在陶粒粗糙表面的生物膜为主要处理介质,其利用反应区内存在着不同的好氧、缺氧区域,充分发挥了生物代谢作用、物理过滤作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反应器内食物链的分级捕食作用,从而在同一单元反应器内实现对污染物的去除。
○—进水;●—出水
*:单位为%。
2.2 DA 过滤去除 SS 的效果
在废水处理组合工艺中设置 DA 过滤单元,主要目的是利用其脱除废水中的 SS。中试考察期间,DA 过滤器的废水处理量为 2.0m3/h,该单元对废水中 SS 的去除效果见表 2。
由表 2 可见,在试验初期,BAF 出水(即 DA 过滤的进水)中 SS 含量较高,运行稳定后其所含 SS 明显降低,完全能够达到出水 SS 小于 15mg/L 的技术要求,可见BAF 对污水中 SS 具有较好的去除效果。另外,由表 2 还可见,在试验初期,DA 过滤器出水中 SS 含量也较高,运行稳定后其所含 SS 基本检测不出,满足出水 SS 小于 3mg/L 的技术要求。
2.3 电吸附脱盐效果的影响因素
2.3.1 进水 CODCr及流量
在进水 CODCr 和其流量变化时,考察了电吸附模块对废水电导率和氯离子的去除效果,结果列于表 3(表中数据为当天平均值)。试验条件为模块电压 1.55V,产水率 75%。
*单位为%。
由表 3 可见,当进水 CODCr 由33.8mg/L 提高到 52.5mg/L,即提高55.3% 时,废水电导率和氯离子的去除率变化不大,分别下降0.5,0.7 个百分点,这说明进水 CODCr 对电吸附脱盐装置的除盐效果影响不大,同时也表明电吸附模块在除盐时具有较好的抗有机污染能力。
由表 3 还可见,当进水中CODCr含量相当,流量由 1.4m3/h提高到 1.6m3/h,即提高 14.3% 时,废水电导率、氯离子的去除率分别降低 4.8,2.6 个百分点,说明进水流量对电吸附脱盐装置的除盐效果影响较大。因此,工业应用时,在确保产水水质的条件下适当增大废水的处理量,可提高装置的利用效率;同样,当进水电导率增加时,通过适当降低进水流量或产水率的方式可以保证产水水质满足回用要求。
2.3.2 进水电导率
当污水的电导率发生变化时,电吸附模块的除盐效果见图 2。试验条件为模块电压1.55V,产水率 75%。
○—进水电导率;●—出水电导率;△—去除率
由图 2 可见,随着进水电导率的增大,出水电导率也在增大,同时电导率的去除率也略有增加。正常情况下,第二净化装置排放污水的电导率约为 1500μS/cm,经电吸附脱盐后出水电导率可控制在约 630μS/cm,满足了水质指标要求。
2.4 组合工艺处理效果
2.4.1 出水水质
第二净化装置排放污水经组合工艺处理后的出水水质列于表4。
由表 4 可见,经组合工艺处理后的出水水质完全符合循环水补充水的指标要求。
2.4.2 出水腐蚀评价试验
为验证经组合工艺处理后的出水回用于循环水系统的可能性,将该出水与自来水以2∶1(质量比)混合并经 3 倍浓缩后进行了旋转挂片腐蚀试验。浓缩水的水质指标为:CODCr 48.2mg/L,pH 值 8.45,电导率 1281μS/cm,含钙 238.6mg/L,含碱 165.7mg/L,含氯离子 219.5mg/L,含硫酸根 205.8mg/L。试验选用的药剂 464,466 及其用量同齐鲁石化公司工业循环水系统。试验结果见表5。
由表 5 可见,采用目前工业循环水系统使用的 464,466 水质稳定剂进行腐蚀试验时,挂片腐蚀速率在(0.0248～0.0566)mm/a,平均腐蚀速率分别为0.0380,0.0382mm/a,远低于中国石化相关企业标准(该值为 0.0750mm/a)的要求,即说明组合工艺的出水可回用于循环水系统。
3 经济效益预测
若采用组合工艺对第二净化装置的出水进行回用处理,回用水量按 150m3/h 计,详细回用费用列于表 6。
*:单位为(kW·h)/h;**:单位为元/(kW·h)。
工业投资预算为 1548 万元,设备按 10a 折旧,运行时间按 8000h/a 计,则处理废水的折旧费为 1.29元/m3,即采用组合工艺处理废水的总成本为 2.70 元。若工业新鲜水的价格按 2.77元/t 计,废水排污费按 1.50元/t 计,则回用污水的收益为 1.57 元/m3,每年预期可产生的经济效益为 188.4 万元。另外,此污水(CODCr、氨氮分别按 100,10mg/L计)回用于循环水系统后,每年可减少外排有机物(以 CODCr计 )120t,氨氮 12t,可减轻对环境和水体的污染,具有良好的环境效益和社会效益。
4 结论
a. 采用 BAF-DA 过滤-电吸附脱盐组合工艺处理炼油厂外排污水,其出水的 CODCr 小于 30 mg/L、含油小于 1mg/L、SS 小于 3mg/L、电导率小于 800μS/cm,能够满足循环水系统补充水的水质要求。
b. 组合工艺中 BAF 单元的主要工艺参数为气水比(1.5～2.5)∶1.0,每立方米滤料CODCr 容积负荷 0.7kg/d;电吸附脱盐单元主要工艺参数为模块电压 1.55V,产水率75%。
c. 对炼油污水经组合工艺处理后回用于循环水系统的经济效益预测表明,若产水以150m3/h计,则可创效 188.4 万元/a,并可减轻对环境和水体的污染,具有良好的环境效益和社会效益。
参考文献
[1]乔映红.节水减排刻不容缓[J].当代石油石化,2001,9(3):1-4.
[2]李楠,苏志远.浅谈炼油企业的水资源利用[J].石油化工环境保护,2006,29(4):50-52.
生物过滤 篇2
生物过滤除臭填料挂膜驯化试验研究
摘要：将填料装入生物滤塔之前,对其进行挂膜驯化培养,待其成功后即可装填使用.试验结果表明,第12 d后,发现树皮表面长有生物膜.在没有营养盐供应的.情况下,微生物依然可以利用有机填料作为碳源进行代谢反应.42 d后,从生物膜的镜检和混合液的pH值变化可知,用于除臭的优势微生物驯化成功.作 者：富立鹏 FU Li-peng 作者单位：武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉,430070期 刊：工业安全与环保 PKU Journal：INDUSTRIAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION年，卷(期)：,33(12)分类号：X7关键词：臭气 填料 挂膜 驯化
生物过滤除臭试验装置的研究 篇3
畜牧业在我国仍是低效产业,动物在将饲料营养转化为畜产品的过程中,有很多食入养分未吸收而被排入到环境中去,对土壤、空气、水源造成巨大污染。除了固体粪便和污水污染之外,养殖场的空气污染是另一个重要的环境问题。畜禽养殖场的空气污染主要来自于养殖场内散发出有恶臭味的气体。这些气体不但会导致动物应激,阻碍生产性能的发挥,降低畜禽的抗病力,而且排放到大气中后会危害人类健康、加剧空气污染和引起地球温室效应[1,2,3]。臭气还是滋生蚊蝇、细菌繁殖和传播疾病的重要传染源,随着“非典”、禽流感、口蹄疫、甲型H1N1流感等高致命性传染病的爆发,畜牧业的卫生和安全问题日益受到关注,对恶臭进行有效的控制已势在必行。
目前,控制臭气的方法主要有吸附法、焚烧法、化学或生物除臭剂法和化学或生物洗涤法等。吸附方法虽简单方便,但使用一段时间后需要更换或重新活化吸附材料,因而会增加成本。焚烧法简单有效,但能耗较高,且燃烧的终产品虽无味,却也是污染物质。除臭剂法和洗涤法主要适用于水浓性高、浓度低的臭气去除,不适用于高浓度的臭气。化学或生物洗涤法还存在对用过的洗涤剂的处理问题。生物过滤法是由滤料来吸附和吸收恶臭气流中的臭气,然后由生长在滤料中的细菌和微生物菌群来氧化降解,臭气有机物被降解为CO2,H2O和微生物细胞生物质,故生物过滤除臭法被认为是较理想的除臭方法[4,5,6,7,8,9,10,11]。然而,影响生物过滤法的除臭效果的环境因子很多,如滤料基质(天然和有机)配方、滤料孔隙度、颗粒度(大小及分布)、活性滤料层高度、微生物菌群、滤料温湿度以及滤料时效性等都是滤料筛选的重要指标[12,13,14,15,16,17]。因此,在生物过滤除臭法的研究过程,包括活性滤料筛选试验、样机除臭效果的性能试验和试运行试验等,需要能同时进行多个处理的生物过滤除臭试验装置,而这一装置目前在市场是空白的。
1 生物过滤除臭试验装置总体设计
1.1 设计参数和性能指标
基于活性滤料筛选试验和一系列相关的生物过滤除臭法研究的要求,除臭试验装置的主要设计参数和性能指标如表1所示[6,17,18,19,20]。
1.2 结构和工作原理
图1为生物过滤除臭试验装置的结构简图。
生物过滤除臭试验装置由风机、超声波加湿器、若干试验柱单元以及连接管路和测试探头等组成。风机进风口经输气管路与臭气源联通;配置有水过滤器、水接口、溢流口和湿度控制面板的超声波加湿器,经连接管路与输气管路联通,对流经的臭气进行加湿。风机的出风口排出增压后的臭气,经加热器、进气分配管、进气接口、连接管路等,进入各试验柱单元。试验柱单元的数量可根据试验要求所需设置为若干个,且支承在机架上。每个处理单元底部均设置试验柱外接口,外接口内部设有滤网和滤网固定圈(如图2所示)。试验柱内腔填充活性滤料,并设置滤料温湿度探头和防止试验柱漏气的密封圈。流经各试验柱内活性滤料后的臭气经气阀a、排气接口和排气汇集管,由排气管排出。当试验装置测试臭气成分时,开启气阀b,且自动关闭气阀a,臭气进入测试管路,与气体测试仪接口连接的气体测试仪同步工作,与气相色谱接口连接的色谱仪系统也同步工作。测试完毕,气阀a自动开启,且气阀b亦自动关闭。测试时间与测试间隔时间均可在线或由电脑设定,由控制箱智能管理。风机、超声波加湿器和电加热器的工作周期,也可以在线或由电脑设定,亦由控制箱智能管理[18,19]。
1.臭气源 2.超声波加湿器 3.水过滤器 4.水接口 5.湿度控制面板 6.溢流口 7.连接管路 8.输气管路 9.风机 10.电加热器 11.接口12.排气管 13.试验柱 14.机架 15.排气汇集管 16.进气分配管 17.活性滤料 18.试验柱外接口 19.滤料温湿度探头 20.气阀a 21.测试管路 22.气体测试仪接口 23.气阀b 24.排气接口 25.气相色谱接口 26.进气接口 27.控制箱
2 主要部件结构设计和性能试验
2.1 试验柱底部设计
滤料的筛选是生物过滤除臭法成败的关键。滤料包括天然滤料和人工合成滤料,其主要考虑因素是能否适合细菌和其它微生物的生长。可作为天然滤料的有:木削、垃圾堆肥过程的产物、沙、土壤、石头、贝壳等。近年来,有机或无机的人工合成材料也逐渐被开发和用作生物过滤料。这些天然和合成滤料都可以作为不同配方处理,而且不同滤料孔隙度、颗粒度、不同活性滤料层高度、不同微生物菌群接种和添加化学或生物试剂等均可作为试验处理。因此,用于填充不同活性滤料的试验柱,不仅应有足够的单元数量,而且在设计上必须考虑材料的防护性能、更换受试滤料的方便性,以及更换后试验柱的气密性。
图2是装置试验柱底部的局部放大图。试验柱柱体、内接口和外接口系公称直径相同的PPR管材以及配件制作而成。试验柱组装时,不锈钢滤网通过其固定圈先胶接固定在外接口内部,然后再胶接外接口和内接口。在试验柱内,不锈钢滤网上方填充供试活性滤料。试验柱插入外接口内后,周边用胶带密封。胶带采用丁基橡胶防水密封粘结带,粘结强度、抗拉强度高,弹性、延伸性能好,防水性、密封性、耐化学性、耐候性和追随性好。该试验柱底部结构具备防腐、防渗、防锈、防挥发性气体等防护性能;且装卸方便,有利于试验柱内供试活性滤料的更换。
2.2 试验柱系统气密性试验
气密性是生物过滤除臭试验装置的关键性能指标之一。没有严格的气密性保障,应用装置进行的所有试验的结果,都无法完全令人信服。参照国内外压力容器气密性检测方法,选用压力测试法比较简单,测试仪器简便,测试结果直观[18]。测试过程中,各试验柱单元的底部结构按图2所示安装,同时打开各气阀(电磁阀),密封好气体测试仪接口和气相色谱接口,用堵头将排气管封住,关闭电加热器电源,仅留一个进风口与风机的出口相连。将HQCYF-100精密数字压力表安装在安全阀上,由风机直接向试验柱密闭系统内充气,压力稍大于50kPa时停止。当试验柱密闭系统压力恢复到50kPa时开始记录压力随时间的变化关系,重复测试3次。气密性指标用气密系数ζ来表示,即
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其中,pt为tmin后系统内压力;px为t=0时系统内的压力;将实际测得的pt,t 代入式中,即可求出气密系数ζ,这个值越小,表明气密性能越好。以气密系数ζ≤0.05为合格。
图3显示试验柱密闭系统中大气压力随时间的变化情况,试验柱系统压力曲线回归方程:y=0.01x4-0.293x3+3.176x2-15.021x+62.111,R2=0.999 7。测试开始后,每间隔10min,测试1次舱内大气压力。40min内,压力从50kPa下降至36kPa,且下降幅度随时间而减少。根据公式计算,每间隔10min的气密系数ζ分别为0.016 3,0.009 4,0.005 9,0.001 4,均小于0.03,故判定合格。40min后,舱内大气压力基本恒定为36kPa,气密系数ζ为0。由此可见,试验柱密闭系统的气密性符合设计要求。
2.3 整机系统差异性试验
进行系统差异性试验,旨在验证装置中各试验柱单元的主要性能参数是否一致,避免因系统差异造成生物过滤法的试验误差。试验装置配置9个试验柱单元,各试验柱单元内填充相同配方的活性滤料,草腐土∶蛭石∶生物黑炭为7∶2.5∶0.5,初始湿度65%,滤层高度均为80cm。试验时,接通臭气源(猪粪),开启LSR25WD罗茨风机、ZS-06Z超声波加湿机和自行研制的通道式电加热器。HYD-ZS 土壤在线水分仪的探头插入任一试验柱单元内距底部滤网30cm处的活性滤料中,对运行中滤料湿度进行测定,并由RS485接口连接控制箱,完成超声波加湿机的自动控制。试验第3天,测定各试验柱内活性滤料的温度和湿度;用HQ-CYF-100精密数字压力表测定进气接口处臭气压力;用LZB-3WB玻璃转子流量计测定出气接口处臭气流量,反复测试3次。试验第15天,用气体测试仪分别测定臭气源和流经各试验柱的测试管路处臭气中NH3浓度,并计算出NH3去除率[20],如表2所示。
表2显示各试验柱单元主要性能参数的测定结果。试验第3天,湿度控制设定为80%,9个试验柱单元内活性滤料的湿度测定结果(79.96±1.76)%,一致性很好。这说明湿度探头可以设置在任一试验柱单元内,超声波加湿器内部采用集成式雾化组件,并配有无水保护装置,所产生的雾粒直径≤5μm,颗粒较均匀,悬浮于臭气当中,流经活性滤层时,能够有效保持滤料湿度,为微生物菌群生存和扩繁提供条件。各试验柱单元出气接口处臭气流量是影响生物过滤效果的重要性能指标,臭气流量越大,臭气在活性滤料中滞留时间越长,生物过滤效果越好。表2中可以看出,流经9个试验柱单元活性滤料后臭气流量(0.525±0.011)L/min,一致性很好。
在整机系统差异性试验中,9个试验柱单元填充的活性滤料配方和初始湿度相同,滤层高度相同,接通臭气源也相同;当活性滤料的温度和湿度基本一致,且流经滤料的臭气流量也基本一致,滤料的除臭效果方可基本相同。滤料的过滤除臭效果主要包括物理过滤和生物过滤,试验第15天,微生物菌群扩繁加快,活性滤料的生物过滤所占的比例加大,臭气中NH3去除效果明显提高。因此,NH3去除率是综合性指标,反映了生物过滤除臭效果[20,21]。由表2可以看出,试验第15天时,各试验柱单元的NH3去除率均≥95%,平均96.86%±1.65%,一致性很好,说明生物过滤除臭效果基本相同,整个试验柱总成的系统差异性很小,符合装置的设计要求。
3 结语
应用生物过滤除臭试验装置进行了畜禽养殖场生物过滤除臭设备[22]的一系列试验。例如,试验1:配置9个试验柱单元,接通猪粪臭气源,从9种供试活性滤料配方中,初筛出3个适用于生物过滤除臭法的滤料配方。试验2:配置9个试验柱单元,进行滤料配方、滤料孔隙度、滤层高度、微生物菌群种类等4因素正交试验,各因素均取3个水平,以NH3,H2S,氮氧化物和有机尘埃的去除率为试验指标,确定因素的主次顺序,进而选出优化组合。试验3:配置9个试验柱单元,在优化组合基础上设置3种微生物菌液添加量处理,3个重复,还增加了臭气浓度和活性滤料时效性为试验指标。上述试验对除臭设备的研制均起到关键作用。
生物过滤 篇4
厌氧膜-生物反应器抽吸模式对膜过滤性能的影响
研究了厌氧膜-生物反应器处理酒厂废水时抽吸模式对膜过滤性能的影响,分析了膜通量、膜阻力及阻力分布与时间的变化关系,通过数据拟合得出2种运行模式的`通量、阻力随时间变化的数学模型方程式.结果表明,压力递增模式可以有效地提高膜通量;同时该模式运行过程中的膜阻力较低,有利于膜-生物反应器的良好运行.
作 者：王志伟 吴志超 顾国维 俞国平WANG Zhiwei WU Zhichao GU Guowei Yu Guoping 作者单位：同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海,92刊 名：环境科学学报 ISTIC PKU英文刊名：ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE年，卷(期)：25(4)分类号：X703.1关键词：厌氧膜-生物反应器 污水处理 抽吸模式
膜过滤在微生物检测中的应用 篇5
膜过滤特点
可从大量液体样本中获取少量微生物;从抑制性物质 (如防腐剂) 中分离微生物;通过过滤获得的微生物可经过培养生长成为可记数菌落, 用于微生物的继代培养、转移或鉴别。
膜过滤种类与食品检测相关的过滤方法有两种, 一种是针对可过滤类液体的标准膜过滤技术;另一类是针对气体的HGMF (疏水性网格过滤膜) 技术。如在饮料成品及原材料出厂前的微生物污染检测方面, 颇尔公司可提供Microcheck系列产品。该系列产品是一类由培养皿与过滤漏斗组成的一次性过滤器, 可非常方便的安放于抽真空支架上, 无需使用特殊的胶塞或其他接头转换器;与过滤漏斗连接的培养皿可以轻松拆卸, 将膜片取出, 以便加入颇尔公司的培养基进行微生物培养;过滤漏斗的容量刻度在其外侧, 可以防止微生物在刻度处产生死体积。
膜过滤操作
颇尔公司提供的膜过滤操作如下 (见图1) : (1) 收集样品并进行一定的稀释, 然后选择合适的培养基, 并将其滴入带有无菌吸收垫片的培养皿中, 使吸收垫片完全润湿。 (2) 将镊子进行火焰消毒, 然后从无菌包装中取出滤膜, 并置于过滤漏斗中。 (3) 对样品容器口部进行火焰消毒, 再将样品倒入过滤漏斗中, 然后打开真空过滤装置, 使样品通过抽真空完全滤过滤膜。 (4) 用无菌缓冲液冲洗过滤漏斗, 再次打开真空过滤装置, 使液体通过抽真空完全滤过滤膜。 (5) 对镊子进行火焰消毒, 取出过滤漏斗中的滤膜。 (6) 将滤膜置于准备好的培养皿中, 在特定温度下培养一段时间。
最后进行菌落计数 (见图2) 、确认, 并出具检测报告。
过滤膜选择
在膜过滤法检测微生物中, 过滤膜的选择至关重要。根据微生物类型的不同, 需要选择不同直径的膜, 如细菌通常选择0.45μm孔径的膜, 酵母菌类 (真菌类) 通常选择0.8μm或0.45μm孔径的黑膜。根据菌落颜色的不同, 应该选择合适颜色的膜:如菌落颜色为透明、苍白或白色, 则应该选择黑膜;如果微生物在培养过程中有色素产生, 则应该选择白膜, 便于计数;另外, 还要考虑到培养基的类型, 如果培养基可以导致菌落产生颜色, 则应该选择白膜, 这样才不至于影响菌落计数。
生物过滤 篇6
本工作采用顶部种植黑麦草的微生物填料塔, 对模拟正己烷废气进行生物过滤处理, 研究了入口正己烷质量浓度、填料层高度、反应温度对正己烷去除效果的影响, 考察了填料塔中细菌及过氧化氢酶活性的分布, 旨在为生物过滤法处理正己烷废气提供科学依据。
1 实验部分
1.1 材料、试剂和仪器
正己烷标准气体:质量浓度804 mg/m3;正己烷:分析纯;霍格兰 (Hoagland) 营养液:按文献[10]配制。
填料:由草炭土和有机肥料以2∶1的质量比均匀混合而成, 总养分含量大于4% (w) , 有机质含量大于40% (w) 。黑麦草种子:购自农科金土地农业技术研究所。
GXZ-280B型智能光照培养箱:宁波江南仪器厂;GXZ-智能型微生物培养箱:宁波江南仪器厂;Acme 6000型气相色谱分析仪:韩国英麟机器株式会社;HGN-2000E型氮气发生器:北京汇龙公司;HGA-30L型空气发生器:北京汇龙公司;质量流量计:量程为0~2 L/min, 定制。
1.2 实验装置
实验装置主要由空气发生器、氮气发生器、流量控制箱、气体吹扫瓶、光照培养箱及填料塔组成, 见图1。气路采用外径为3mm的聚四氟乙烯管连接。填料塔A、B均为不锈钢材质, 内径100mm。填料层高度600 mm, 湿度保持在70%左右。距填料塔底部0, 200, 400, 600 mm处分别设有气体采样口。填料塔A的顶部种植黑麦草, 填料塔B无黑麦草。每天向填料塔顶层定量喷洒去离子水1次, 每周定量喷洒霍格兰营养液1次, 每两周逐层定量喷淋去离子水1次。
1.3 实验方法
气态正己烷通过高纯氮气吹脱正己烷溶液得到, 与空气发生器产生且经蒸馏水加湿的空气混合后, 进入填料塔底部入口, 经逐级净化后由顶部出口排出。实验过程中, 气体总流量为2 L/min, 培养箱的光照方式为白天光照12 h (光照强度为240μmol/ (m2·s) ) , 黑夜无光照12 h。实验初始阶段通入30 d左右的较低浓度正己烷气体, 以驯化正己烷降解菌。每个实验条件保持一周左右, 直到正己烷的去除效率趋于稳定。测定结果取3个试样的平均值。
1.4 分析方法
正己烷气体质量浓度的测定采用气相色谱法:FID检测器, DB-624毛细管柱 (规格:30 m×0.32mm×1.8μm) , 柱温130℃, 进样口温度200℃, 检测器温度260℃, 色谱柱的温度控制采用恒温的方式[11]。
正己烷去除速率的计算公式见式 (1) 。
式中:μ为去除速率, mg/ (m3·min) ;q为空气流量, m3/min;ρ0为入口的正己烷质量浓度, mg/m3;ρ为采样口的正己烷浓度, mg/m3;V为气体经过的填料塔体积, m3。
填料中细菌浓度的测定采用牛肉膏蛋白胨培养基平板计数法, 30℃恒温避光培养3 d[12]。细菌浓度的计算公式见式 (2) 。
式中:C为单位质量干燥填料中的细菌浓度, CFU/g;Q为平板菌落数, CFU;N为稀释倍数;V1为最终稀释后菌液体积, 5 m L;x为填料含水率;m为湿填料质量, g;V2为接种量, 0.5 m L。
填料中过氧化氢酶比活的测定采用高锰酸钾滴定法[13]。过氧化氢酶比活以单位质量填料消耗的浓度为0.02 mol/L的高锰酸钾溶液的体积表征 (以灭菌填料为空白) , 计算公式见式 (3) 。
式中:A为过氧化氢酶比活, m L/g;V′为高锰酸钾溶液体积, m L;m′为干填料质量, g。
2 结果与讨论
2.1 反应温度对正己烷去除速率的影响
在入口正己烷质量浓度为500 mg/m3的条件下, 反应温度对正己烷去除速率的影响见图2。由图2可见:随着反应温度的升高, 正己烷去除速率也随之升高;在反应温度10~35℃范围内, 填料塔A的正己烷去除速率均高于填料塔B;当反应温度为35℃、填料层高度为200 mm时, 填料塔A对正己烷的去除速率最大, 为359.25 mg/ (m3·min) 。这是因为温度可影响微生物自身酶活性, 从而影响微生物的代谢速率[14,15], 进而对生物过滤法去除正己烷的效果产生影响。但考虑到黑麦草的最适生长温度为20~25℃, 因此实验时将反应温度设定为25℃。
2.2 入口正己烷质量浓度及填料层高度对出口正己烷质量浓度的影响
在反应温度为25℃的条件下, 入口正己烷质量浓度及填料层高度对出口正己烷浓度的影响见图3。由图3可见:在填料塔A和填料塔B不同高度处的出口正己烷质量浓度均随入口正己烷质量浓度的增加而增大;对于填料塔A, 在填料层600 mm高度处, 当入口正己烷质量浓度在100~400 mg/m3变化时, 出口正己烷质量浓度几乎不发生变化, 但当入口正己烷质量浓度从400 mg/m3增加到500 mg/m3时, 出口正己烷质量浓度开始增大, 说明此时填料塔A对正己烷的去除效果开始降低。生物过滤塔的去除能力取决于填料中微生物的量, 当污染物浓度超过微生物耐受浓度时, 微生物降解能力达到饱和, 去除效果显著降低[16]。
由图3还可见:入口正己烷质量浓度相同时, 出口正己烷质量浓度随填料层高度的增加而降低, 说明增加填料层高度可有效增加生物过滤塔对正己烷的去除效果;当填料层高度为600 mm、入口正己烷质量浓度为500 mg/m3时, 填料塔A的出口正己烷质量浓度为46 mg/m3, 低于GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值第1部分:化学有害因素》[17]中正己烷的限值 (100 mg/m3) 。
2.3 黑麦草对生物过滤效果的影响
2.3.1 黑麦草对正己烷去除率的影响
在反应温度为25℃、入口正己烷质量浓度为100~500 mg/m3的条件下, 填料塔A和填料塔B的正己烷去除率见图4。由图4可见:填料层高度为400 mm和600 mm时, 填料塔A的正己烷去除率均明显高于填料塔B, 表明黑麦草对生物过滤去除正己烷有明显的促进作用。植物强化生物过滤法显著提高了污染物的去除效果。
2.3.2 黑麦草对填料塔中细菌分布的影响
在反应温度为25℃、入口正己烷质量浓度为500 mg/m3条件下, 填料塔A和填料塔B的细菌浓度分布见图5。由图5可见, 在同一填料层高度, 填料塔A的细菌浓度明显大于填料塔B, 说明黑麦草的种植有利于细菌的生长。两种填料塔细菌浓度的差异主要是因为黑麦草根系分泌物为根际微生物的生存和繁殖提供了营养和能源物质[18], 使根际微生物的数量明显提高[19]。
2.3.3 黑麦草对填料塔中过氧化氢酶活性的影响
在生物呼吸过程中, 过氧化氢酶的作用在于破坏对生物体具有毒性的过氧化氢。同时, 过氧化氢酶还可直接参与有机化合物的分解, 并将后者转化为可利用的形态[20]。过氧化氢酶活性的强弱与有机污染物的降解效果有密切关系。在反应温度为25℃、入口正己烷质量浓度为500 mg/m3的条件下, 填料塔中的过氧化氢酶比活见表1。由表1可见, 填料层高度为200, 400, 600 mm时, 种植黑麦草填料塔的过氧化氢酶活性均高于无黑麦草填料塔。原因即为黑麦草根系分泌物通过向土壤中输送大量酶和生长因子, 从而改善了微生物群落结构, 促进了微生物群落的良性发展[21]。
A, m L/g
3 结论
a) 采用黑麦草强化生物过滤法处理正己烷废气。在反应温度为25℃、入口正己烷质量浓度为100~500 mg/m3、填料层高度为600 mm的条件下, 填料塔A的出口正己烷质量浓度为0~46 mg/m3, 低于GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值第1部分:化学有害因素》中正己烷的限值 (100mg/m3) 。
b) 随着反应温度的升高, 正己烷去除率明显提高, 适合于黑麦草强化生物过滤法的反应温度为25℃。
c) 出口正己烷质量浓度随入口正己烷质量浓度的增加而增大, 随填料层高度的增加而减小。
生物过滤 篇7
自1987年Ottengraf在美国申请了生物过滤法处理废气的专利以来, 生物过滤技术在欧洲和北美等地区已有几十年的研究和使用经验, 如今已被广泛用于化工、养殖、制药、垃圾填埋、污水处理等领域的恶臭治理中。但目前国内仅在石化和污水处理等行业有少量建成的废气工业化生物过滤装置运行, 且在运行过程中还存在着诸多问题[4]。
本文介绍了近年来国内外生物过滤装置在运行中存在的问题及相应的研究情况, 从而为生物过滤法在我国的工业化应用提供一定的参考和指导。
1 生物过滤法的工艺流程
生物过滤法处理VOCs的工艺流程见图1。由图1可见, 低浓度的VOCs首先经过去除悬浮颗粒物、调节气体温度和湿度等预处理措施, 再通过气体输送装置进入到装填有负载着微生物的多孔介质 (又称填料, 通常包括堆肥、木屑、沸石、珍珠岩等) 的生物床层中, 通过营养添加、p H调节等手段使生物滤池达到最佳的运行条件, 保证微生物可以最大化地将进入到生物床层中的VOCs分解成CO2和H2O等无害物质, 外排至大气中。在生物反应过程中, 附着在介质上的微生物一直保持着静止和固定的状态, 而被处理的VOCs气体则处于变化和流动的状态[5]。
1循环泵;2储水箱;3气体加湿器;4生物滤池
2 生物滤池性能的影响因素
生物滤池中发生的反应是一个生化过程, 见式 (1) 。
然而, 要保证生物滤池能持续稳定地运行, 还受到诸多因素的限制。大量资料显示, 在最优的操作条件下, 生物滤池的去除效率可达95%以上。但大多数情况下, 生物滤池都无法在最佳的条件下进行生物降解反应, 这主要受以下因素的制约。
2.1 微生物
微生物作为生物过滤反应的主体, 是决定生物滤池性能的主要因素。生物滤池中的微生物主要是从活性污泥中筛选驯化而来的, 大量的研究显示, 在筛选和驯化的过程中考察微生物的降解性能及其动力学, 有助于了解微生物在生物过滤反应中的作用, 同时为工程菌的制备提供资源[6,7]。目前, 具有降解VOCs能力的微生物主要包括细菌和真菌, 生物过滤反应中降解VOCs的微生物见表1[8]。目前, 对生物滤池中微生物的研究还是以细菌为主, 对真菌的研究较少, 这是由于真菌生物滤池具有如下的缺点:1) 启动时间较长;2) 床层阻力逐渐增大;3) 产生孢子污染[9]。然而, 真菌对疏水性VOCs较强的吸附降解能力, 因此近年来对真菌的研究逐渐增多。其中, Vergara-Fernández等[10]以腐皮镰刀菌 (Fusarium solani) 为对象, 分别考察了温度和湿度对孢子产生的影响, 进气负荷、空塔停留时间和填料对孢子扩散的影响[11], 以及不同填料对正戊烷-生物相分配系数的影响[12]。可以预料, 随着研究不断深入, 真菌生物滤池的应用前景会越来越好。
由表1可见, 每一种VOCs都有一或多种降解菌与其对应。因此, 对于一种VOCs, 单一菌种就可以取得较好的处理效果;而在处理多组分VOCs时, 则须通过微生物群落 (即多种菌株的共生群体) 的协同作用来实现污染物的降解。如炼油和化工企业污水处理过程中挥发的VOCs包含多种组分, 为了获得较好的去除效果, 通常会选用活性污泥挂膜。许多学者对污泥中的微生物群落结构进行了研究。谢冰等[13]分析了生物过滤法处理恶臭气体 (H2S、NH3和其他VOCs) 过程中填料表面的微生物群落结构, 实验结果表明, 生物膜中的微生物主要由异养细菌和真菌组成, 其中异养细菌占优势地位;细菌中芽孢杆菌属为优势菌种, 占细菌总量的62.5%;真菌中青霉菌属为优势菌种, 占真菌总量的25.7%。Fu等[14]在进气负荷为0.26~3.76 g/ (m3·h) 的条件下, 考察了混合菌群对乙烯的处理效果 (去除率接近100%) , 并通过微生物群落结构分析确定生物膜主要由β-变形菌, γ-变形菌、杆菌和放线菌等组成。目前, 微生物分析手段主要有变性梯度凝胶电泳 (DGGE) 、温度梯度凝胶电泳 (TGGE) 、单链构象多态性检测 (SSCP) 等, 通过这些手段可以更好地了解微生物群落结构的动态变化。
2.2 填料
填料作为微生物在生物滤池中生长代谢的承托结构, 为生物膜的形成提供了骨架和基质, 有利于生物降解反应的进行。因此, 理想的填料要具备以下特点:1) 较大的比表面积;2) 一定的机械强度;3) 较强的保水能力;4) 较高的孔隙率。目前常用的填料根据性质可分为两类:1) 有机填料, 主要包括堆肥、泥炭、木片等;2) 无机填料, 主要包括沸石、珍珠岩、泡沫材料、活性炭等。
2.2.1 有机填料
堆肥是研究最为广泛的有机填料, 因为堆肥可以为微生物的生长提供丰富的有机质, 从而提高VOCs的处理效果;但缺点也很明显, 随着微生物不断增殖, 床层孔隙率会逐渐降低, 引起床层堵塞和压降增大, 从而增大系统的能耗。
同堆肥一样, 泥炭亦含有大量的有机质, 可为微生物的生长提供充足的营养, 但泥炭缺乏足够的机械强度 (堆肥也是如此) , 当床层填料较多时, 易发生压实。木片含有的生物量和有机质较堆肥和泥炭相对偏少, 但却远大于无机填料, 同时具有无机填料的高机械强度, 可以保证不会因为床层压实产生沟流现象和厌氧环境[15]。研究表明, 选用合适的木片做填料可以获得较高的VOCs去除率。Chen等[16]选用西部雪松 (WC) 和硬木 (HW) 两种木片作为填料对恶臭及H2S和NH3的混合气体进行生物降解, 结果显示HW和WC对恶臭的去除率分别为70.1%和82.3%, 对H2S的去除率分别为81.8%和88.6%, 对NH3的去除率分别为43.4%和74%。
2.2.2 无机填料
与有机填料相比, 无机填料机械强度大, 不会产生床层压实问题, 但无机填料本身不含有机质, 无法为微生物生长提供营养, 因此还需要额外添加营养液。目前, 泡沫材料和活性炭被广泛用于生物过滤研究。
Baltrënas等[17]对比了泡沫材料与其他填料的保水能力, 结果显示, 保水能力大小顺序为泡沫>木片>沸石。此外, 具有高孔隙率的泡沫材料可以给微生物的生长提供更大的空间[18]。
活性炭对气体有很强的吸附能力, 当活性炭的表面附着上微生物以后, 吸附和生物降解的双重作用提高了VOCs的去除性能[19]。Aizpuru等[20]在处理由乙醇、甲酮、酯类和芳香族化合物组成的废气时发现负载微生物的活性炭比无微生物负载的活性炭对废气的去除效率要高很多 (85%和55%) 。
2.2.3 复合填料
近年来, 研究人员针对有机填料和无机填料各自的特点, 根据优势互补的原则, 通过混合不同的填料来处理VOCs, 显示了较好的去除性能。Dixit等[21]考察了复合填料 (堆肥和木片) 对甲苯和丙醇的处理效果, 经过长期的运行实验, 对甲苯的降解率为70~100% (0~165 d) 、对丙醇的降解率为100% (166~200 d) 。吕明杰等[22]使用有机复合填料 (木片、木屑和泥炭按一定比例混合) 处理甲苯, 在进气量为0.4 m3/h、甲苯质量浓度为400 mg/m3的条件下, 其生物降解负荷可达30.6 g/ (m3·h) 。
2.3 湿度
水是微生物生存的基本环境, 在床层中保持一定的水分有助于微生物获取生长代谢所需的基质和营养, 并保持细胞膜内外的电解质平衡[23]。因此, 床层湿度是影响生物滤池性能的关键因素之一[24]。相关研究表明, 对于大部分的填料, 床层湿度的最佳范围是35%~80%[25], 在此范围内微生物的降解速率可以达到最大。当床层湿度过小时, 填料就会出现板结和干裂的现象, 导致微生物失活, 进而降低生物滤池对VOCs的去除能力;而当床层湿度过大时, 过多的水分会降低床层的孔隙率, 导致床层的压降升高, 并增大VOCs和氧气在气液传质过程中的阻力, 甚至在床层的局部形成厌氧环境, 同样不利于生物过滤反应的进行。因此, 在生物滤池的运行过程中维持一定的床层湿度是十分必要的。大量研究表明, 75%的生物滤池运行失败的原因是由低效的湿度控制引起的[26,27]。可见在生产过程中, 要把生物床层的湿度控制在理想的范围内是非常困难的。
寻找有效的湿度控制手段要建立在对生物床层湿度深刻理解的基础上。影响床层湿度的因素有很多, 例如进气的湿度、床层的喷淋频率和喷淋量、微生物在床层中的分布情况、微生物的氧化产热、填料的保水能力等[28]。在这些因素当中, 进气的湿度和微生物的氧化产热会导致生物床层的湿度显著降低。首先, 气体在床层内的流动会减少填料表面的水分, 而水分不饱和的气体则会加剧这一过程;此外, 微生物在生物氧化过程中产生的热量也会导致生物床层的温度升高, 加大填料表面水分的蒸发, 降低床层的湿度。针对这两种现象, 目前生物床层的保湿方法主要有以下2种:1) 在气体进入生物床层之前, 对VOCs进行预加湿 (通常保证气体的相对湿度在95%左右) , 据研究显示, 在处理高浓度VOCs时, 气流和生物降解产热导致的床层湿度降低比例可达到70 g/kg[12], 尽管给气体预加湿是控制床层湿度的有效手段, 但缺点是该方式会增大系统的能耗;2) 通过喷淋的方式对生物床层进行加湿, 这种方式比进气预加湿的效果更直接、成本也更小, 但这种喷淋方式不易控制, 很容易因为喷淋过量而造成床层的湿度过高, 微生物数量减少, 且不利于生物床层内水分的均匀分布。因此, 如何优化床层的加湿手段是未来值得深入研究的课题。
2.4 温度
目前, 生物滤池大都在常温下运行, 这主要是因为大多数在生物滤池中起作用的微生物属于嗜中温菌, 只有少部分属于嗜热菌。相关研究表明, 当生物滤池的床层温度保持在20~30℃时, 生物滤池的VOCs去除性能会保持在一个较高的水平上, 并且不发生显著的变化[29]。一般来说, 影响生物床层温度变化的因素有2个, 环境温度和生物产热。环境对生物床层温度的影响主要表现在季节的变化上, 外界气温的变化会影响进气的温度;而生物降解的过程是一个放热反应, 产热的多少取决于进气的有机负荷, 相关研究指出, 生物降解反应会导致床层升温2~4℃, 如果VOCs的负荷过高, 床层的温度甚至会升高10℃[23]。当进气温度为常温 (春、夏、秋季) 时, 微生物代谢产热和外界气温的共同作用会导致生物床层逐渐升温, 因此, 可适当增大进气量, 加速生物床层的散热;而当进气温度较低 (冬季) 时, 床层温度受气量的影响较为明显, 大量的低温废气通过床层会加速传热过程, 从而使床层降温, 同时降低微生物对VOCs的去除性能。因此, 在冬季需要采取一定的气体增温手段和生物滤池的保温措施, 才能保证床层中微生物正常的代谢过程。
2.5 p H
同温度一样, 生物床层的最佳p H范围也是由微生物决定的。不同的是, 微生物对p H的敏感性要远大于温度, 一旦床层p H超过了其适应范围, 微生物活性会迅速降低。床层p H在生物滤池的运行过程中产生波动主要是由于微生物在代谢过程中不仅生成了CO2和H2O, 同时还产生了很多的副产物, 这些物质主要包括有机酸 (乙酸) 、因卤代有机物和还原性硫化物 (H2S) 等发生氧化反应产生的无机酸[30]、杂原子化合物转变成的酸性产物[31]等。这些酸性产物不仅会降低床层的p H、影响微生物的去除性能, 而且还会腐蚀设备和管线。目前, 生物滤池中已发现的微生物大都属于嗜中性菌, 其生长代谢的最适p H范围为6~9。要保持生物床层最适的p H范围, 就需要向滤池中投加一定量的碱性药剂, 最常见的手段是投加石灰石粉末。但固体粉末无法均匀覆盖到整个床层, 因此, 将其配成弱碱性溶液并通过喷淋的方式来提高床层的p H值, 这样做的好处是可同时给床层增湿。
2.6 营养物质
营养物质对微生物的代谢作用至关重要。生物滤池中具有降解作用的微生物都属于异养性微生物, 这类微生物在代谢过程中除了要保证充足的氧气和碳源, 还需要氮、磷、钾以及一些必要的微量元素。对于由堆肥、泥炭等有机填料组成的生物床层, 床层本身含有丰富的有机质, 一般不需再额外添加营养物质;而对于沸石、珍珠岩、泡沫材料等无机填料组成的生物床层, 则需要定期向床层中补充营养物质。相关研究显示, 在营养物质中, 氮源的作用仅次于碳源, 充足的氮源可以显著提高生物滤池的性能。Delhoménie等[32]认为, 营养物质中C和N (尿素作为氮源) 的化学计量比在lg (C/N) 为0.6左右时, 生物滤池对甲苯的去除能力可由0~10g/ (m3·h) 提高至40~50 g/ (m3·h) 。此外, 在生物滤池的启动阶段添加适量的微量元素, 例如磷、硫、钾等, 可以有效地促进微生物的生长, 缩短启动周期。
3 展望
自20世纪80年代至今, 生物过滤的工艺研究已相当成熟。但生物过滤技术在工业化的过程中却出现了诸多问题, 限制了生物过滤法的应用和推广。针对这些问题, 今后生物过滤技术的研究重点应着重在以下4个方面:1) 微生物工程菌的筛选和强化;2) 生物滤池的温湿度控制技术;3) 新型填料的研发;4) 生物过滤装置的自控系统研究。
近年来, 随着国内环保要求的日益严格, 高浓度、有回收价值的VOCs可以被重新加以富集和利用, 而低浓度、无回收价值的VOCs则迫切需要一种经济、有效的技术加以处理, 生物过滤法作为一种易操作、低成本的环保技术必然成为VOCs处理的首选工艺。因此, 进一步加强生物过滤技术的工业化研究必将有助于推进该技术的应用和推广, 也可更好地解决相关企业的VOCs污染问题。
摘要：介绍了生物过滤法处理低浓度有机废气的基本工艺流程, 阐述了近年来国内外针对生物滤池性能影响因素的研究进展, 包括微生物、填料、湿度、温度、pH和营养等, 指出了各因素在生物滤池运行过程中的作用及存在问题, 并对应用生物过滤技术的前景进行了分析。
生物过滤 篇8
高等级生物安全实验室是从事高致病性病原微生物检测和科学研究的重要技术平台,同时也是保护实验室工作人员不被感染、外界环境不受污染的防护屏障。事实上,许多常规的实验操作都会产生危害性生物气溶胶,对276种实验室操作进行测试表明,发现其中239种(86.6%)操作可以产生微生物气溶胶[1]。这些气溶胶粒子可在室内空气中长时间存留,如果实验室内带菌、带病毒的污染空气扩散到大气中,将会感染周围人群及动物,引发流行病,严重威胁人类生命健康,甚至引发重大公共卫生事件。因此,防止传染性生物因子向外界扩散是确保实验室生物安全的关键。
实验室生物安全防护由一级防护屏障和二级防护屏障这2部分硬件及实验室管理规程和标准操作程序等软件构成。一级防护屏障是指安全设备,如生物安全柜、高压灭菌器和离心机安全罩等;二级防护屏障是指实验室设施,即实验室在建筑上的结构特征,如实验室的布局以及送、排风系统等。空气高效过滤器(简称HEPA过滤器)是生物安全实验室的最重要的二级防护屏障,可有效阻止实验室空气中的有害粒子进入环境。一方面,其表面可能存留了致病微生物;另一方面,其完整性须得到保证。因此,GB19489—2008《实验室生物安全通用要求》中6.3.3.8明确要求“应可以在原位对排风HEPA过滤器进行消毒和检漏”[2]。高效过滤器单元是一种预制的箱式高效空气过滤装置,便于HEPA过滤器的原位消毒和检漏,也便于维护。我国目前的生物安全实验室的高效过滤器均存在原位检漏和消毒问题,而国外高等级生物安全实验室广泛使用了高效空气过滤器单元,成功地解决了以上问题[1,3,4,5]。本文介绍在国家课题资助下国产生物安全实验室高效空气过滤器单元的研制概况。
2 高效空气过滤器单元的主要技术要求
2.1 箱体严密性
高效过滤器单元通常安装在实验室防护区外,因而对其密封性有严格要求。GB19489—2008《实验室生物安全通用要求》中6.3.3.9明确规定[2]:高效过滤器单元的整体密封性应达到在关闭所有通路并维持腔室内的温度在设计范围上限的条件下,若使空气压力维持在1 000 Pa时,腔室内每分钟泄漏的空气量应不超过腔室净容积的0.1%。
2.2 HEPA过滤器的原位检漏
扫描检漏或全效率检漏法是目前国际上通用的方法。扫描检漏法通过采样头在靠近过滤器出风面的位置沿过滤器的所有表面及过滤器与装置的连接处以固定速度移动,测试局部过滤效率,判断过滤器是否发生泄漏。全效率检漏法通过测试过滤器的总过滤效率判断过滤器是否发生泄漏。全效率检漏法一般用于无法接近的HEPA过滤器或W型、圆形等异型HEPA过滤器的检漏,精度较扫描检漏法低。如果可行,应尽量采用扫描的方法对HEPA过滤器进行检漏。
无论是全效率检漏还是扫描检漏均应采用人工尘作为试验气溶胶,人工尘浓度比较稳定,也不会对整个实验室造成污染。人工尘可以选用癸二酸二异辛酯(DEHS)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)或聚α烯烃(PAO)等物质,应优先选用对人和环境低毒或无害的物质,应注意的是,DOP有致癌作用[6]。
按照美国标准IEST-RP-CC034.2:2005的要求,应保证上游检测气溶胶的空间和时间一致性,要求在上游紧靠被试过滤器的断面上,在至少9个均匀分布的测点上测量,其中任一点的气溶胶浓度不偏离平均值的10%[7]。全效率检漏法的被测过滤器下游采样口应选择在混合较好的区域,建议依据标准ASHERE52.2—1992对下游采样点气溶胶混合性能进行评价[8],即在过滤器背风面尽量接近过滤器处平均布置的9个测试点分别注入人工发生的检测气溶胶,在下游采样口进行测试,各点发尘所导致的下游采样口气溶胶浓度测试结果与平均值的偏差均应不大于10%。
2.3 HEPA过滤器的原位消毒
国外对HEPA过滤器消毒主要采用气体熏蒸方法。由于气体“无孔不入”,可同时消毒管道,容易进行消毒效果验证,必然是发展趋势。应在高效过滤器单元的过滤器上游及下游合适位置处配备熏蒸消毒接口,以满足对HEPA过滤器及箱体内部进行原位气体熏蒸消毒的要求。
3 高效空气过滤器单元的结构设计
3.1 箱体结构
如图1所示,高效空气过滤器单元由密闭阀门、检测气溶胶发生段、混合段、上游采样段、过滤器安装段、扫描检漏段、密闭门、密闭阀门等部分组成。运行过程中,密闭阀门处于打开状态;消毒过程中,密闭阀门及密闭门处于关闭状态,以避免消毒剂外溢。为了保证箱体的严密性,箱体采用不锈钢整体气密焊接,密闭门采用优质的橡胶条用螺栓压紧密封,电气件采用气密连接件连接。
1.密闭阀门;2.检测气溶胶发生段;3.混合段;4.上游采样段;5.过滤器安装段;6.扫描检漏段;7.密闭门
3.2 过滤器压紧机构
如图2所示,高效空气过滤器压紧机构安装于过滤器箱体内部,由旋转把手、安装调整块、偏心轮、压紧框等构成。通过旋转把手带动偏心轮转动,对压紧框施加作用力,推动压紧框上部高效过滤器运动并施加压紧力,使过滤器与过滤器安装框紧密贴合并压紧。
1.旋转把手;2.安装调整块;3.偏心轮;4.压紧框;5.高效过滤器;6.过滤器安装框
3.3 过滤器扫描检漏机构
扫描探头采样口的形状一般为正方形或矩形,大多采用矩形采样探头,采样口长宽比不高于15∶1[9,10],扫描速度不超过5 cm/s。扫描机构可以采用单个探头,但要进行x-y双向运动,机构较为复杂。另一种方式为增设多个采样探头,探头只在一个方向运动,这种机构较为简单,但需要使用探头循检装置。每一次采样探头扫描与探头宽度相当的部分,扫描完整个过滤器需要探头来回往复运动多次,根据这种采样探头的运行方式,这种扫描方法可以称为“逐行扫描法”。这种方式突出了其精确定位漏点的功能,如果发现漏点,可以由供应方对其局部进行修补从而节约成本。但在生物安全领域,安装现场检测过滤器时,一旦发现泄漏,过滤器将不能进行修补后再次使用,也就无法体现扫描检漏这一定位功能的优势。这种扫描检漏装置也存在工作周期长、机构复杂、配套仪器多的问题。
为了解决上述问题,笔者单位研制了另一种形式的扫描采样探头,该采样探头与过滤器出风面等宽,采样口为狭缝,呈线状,只需由上到下运行一次即可完成对整个过滤器的检漏作业,根据其运行方式可以称为“线扫描法”。“线扫描”装置的结构如图3所示。
为了测试“线扫描”探头识别漏点的性能,进行了“线扫描”探头与常规探头的对比实验。常规探头采样口的尺寸为9 mm×120 mm,在过滤器出风面上制造2个漏点A、B,分别对应线扫描探头采样口不同位置,漏点直径约为0.4 mm,过滤器的效率为≥99.97%@0.3μm。2种探头均在距过滤器出风面25 mm处,在漏点周围进行固定采样,确定漏点可识别范围。测试结果如图4、5所示。由图4、5可见,线扫描探头漏点识别范围为7 mm左右,透过率分布呈抛物线状,最高透过率分别为0.28%、0.22%;矩形采样探头漏点识别范围为11 mm左右,透过率分布呈梯形状,最高透过率分别为0.40%、0.37%。2种探头出现不同结果的主要原因是探头采样口的宽度,漏点可以近似看作小孔射流[11,12],线扫描探头采样口宽度窄,无法完全覆盖射流的扩散区,所测的穿透率就出现了较为明显的波峰,而矩形采样探头采样口宽,在一定范围内可较完全覆盖射流的扩散区,因此峰值周围透过率分布较为平缓。两者的最高透过率的差别并未出现较大的差异,也说明了线扫描探头同样可以精确地识别漏点。在实际运行时,线采样探头的运行速度以及渗漏指认要结合探头的具体技术参数予以确定。
线采样探头定位区域为条形区域,漏点定位精度虽没有常规扫描头高,但同样具有扫描检漏可以准确检测渗漏的优点。该扫描方式工作周期短、配套仪器少,其所需的机械运动机构简单,自动扫描系统的电器元件可全部安装在箱体的外侧,当对过滤器进行消毒时可避免消毒剂对扫描系统性能的影响。
3.4 过滤器的原位消毒
如图6所示,在高效过滤器单元的过滤器上游及下游合适位置处配备熏蒸消毒接口,气体熏蒸消毒时,关闭箱体两端的密闭阀,将气体消毒装置连接于熏蒸消毒接口,打开熏蒸消毒接口,启动气体消毒装置和循环风机,在循环风机的作用下,气体消毒剂穿透HEPA过滤器,在箱体内往复循环,从而实现对过滤器及箱体内部的彻底消毒。
1.密封阀门;2.循环风机;3.消毒剂发生器
4 主要技术指标的检测验证
2009年10月,国家建筑工程质量监督检验中心对高效过滤器单元的主要技术指标进行了检测,结果如下:
(1)气密性:将高效过滤单元(容积为0.626 m3)打压至+2 730 Pa并维持稳定,每分钟实测漏气量为0.04 L/min,为过滤单元容积的0.006%,满足GB19489—2008的小于腔室净容积的0.1%的要求。
(2)过滤器上游气溶胶混匀性能:9个均布测点测试气溶胶浓度与平均值的偏差均满足GB 13554—2008《高效空气过滤器》不大于10%的要求。
(3)漏点识别能力(测试风量1 500 m3/h):在测试过滤器距一侧边框约350 mm处,人为制造一直径为0.4 mm的漏点,扫描检漏装置可准确识别并定位该漏点。
5 结语
国外高等级生物安全实验室自20世纪80年代初就使用了具有原位消毒和检漏功能的高效空气过滤单元,而我国高等级生物安全实验室的建设起步较晚,现采用的实验室排风处置技术仍十分落后,已建的高等级生物安全实验室均存在不能原位对排风HEPA过滤器进行消毒和检漏的问题。针对以上问题,在国家课题的资助下,我国开始了高效空气过滤器单元等实验室生物防护装备的自主研发工作。本文介绍了国产生物安全实验室高效空气过滤器单元的研制概况,检测结果表明,国内自主研发高效空气过滤器单元的气密性、过滤器上游气溶胶混匀性能、漏点识别能力等指标满足相关标准要求,达到国外同类产品水平,可满足我国高等级生物安全实验室建设的需要。
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生物过滤 篇9
恶臭污染已被认为是仅次于噪声污染的六大公害之一。恶臭污染属于感知污染, 不仅会刺激人的感觉器官, 使人产生厌恶感, 其恶臭的物质还会散发到大气里, 甚至进入水体, 使水发生变质, 在这种情况下, 水中生物将变得岌岌可危。凭人的嗅觉即能感觉到的恶臭物质有4 000多种, 其中H2S和NH3是炼油污水厂生产过程中广泛存在的废气主要成分。因此, 恶臭处理越来越来受到人们的关注, 除臭技术的研究也越加深入。
1 恶臭废气的形成
恶臭污染物指一切能刺激嗅觉器官、引起人们不愉快及损害人的健康和生活环境的有害恶臭物质及挥发性有机污染物 (VOCs) 气体物质。恶臭物质的存在是导致恶臭废气的主要原因。而导致恶臭物质产生的原因是有机物在厌氧环境条件下发生各种复杂的还原性反应。在发酵过程中产生臭味主要是由于蛋白质、氨基酸会因微生物的活动而进行脱羧作用和脱氨作用造成的。
2 生物过滤法处理恶臭废气技术发展现状
早在1920年的德国, 人们就开始对废水处理厂的废气进行处理, 虽然采用的只是把恶臭气体放入生物过滤器简单生物过滤的方法, 但是经此处理后的废气, 其臭味得到了很大的降低。有关资料显示, 废气中的臭味物质主要是由于微生物降解造成的气体污染物, 通过生物过滤器进行处理可以有效降低臭味, 所以生物过滤器在废气处理领域得到了广泛的应用。但是传统的生物过滤器有很大的局限性, 对于处理挥发性有机物质 (VOC) 气体容易形成较大的压差。
当前我国对挥发性有机污染物的研究还主要集中在对于一些单一化合物的处理上, 并且由于很多现实客观条件的制约, 使得这些研究存在局限性。应用方面还处于模仿阶段, 对生物过滤法的机理和核心技术也没有全面了解, 因此我国在恶臭废气的处理方面还需要做出更多的努力。
3 生物过滤法处理炼油污水厂恶臭废气
目前在全世界范围内治理恶臭气体污染最常用的就是生物过滤处理恶臭技术, 该技术不仅不会对环境造成损害, 还具有良好的经济效益。
3.1 生物过滤法处理恶臭原理
生物过滤法是用微生物吸收恶臭废气中的污染物, 然后微生物再将其转化为无害物质。净化过程一般要经历以下几个步骤:首先, 生物过滤法处理恶臭废气就是利用微生物对恶臭物质进行生物降解, 通过微生物自身的代谢作用把恶臭废气转化为维持生命活动所需要的能源和养分, 同时把代谢产物排除体外的一个过程。其次, 恶臭废气经过加压预湿后, 进入过滤塔并与填料层表面的生物膜接触。再有, 微生物消化吸收恶臭废气后产生的代谢物再作为微生物的养料, 持续吸收消化, 如此循环使恶臭物质降解, 转化为二氧化碳、水和其他小分子物质到空气中。恶臭废气中的有机物通过上述过程不断的减少, 从而得到净化。
3.2 生物过滤法处理恶臭系统组成
气体收集输送系统、加湿保温系统、生物过滤系统和检测控制系统是组成生物过滤除臭系统的四个部分。
气体收集输送系统的主要功能是把构筑物自由挥发的气体封闭收集起来, 并输送到后续处理系统。
加湿保温系统用来对不满足温度湿度处理条件要求的气体进行预处理, 只有使其符合相关要求, 才能保障微生物能有效地去除臭气物质。
生物过滤系统主要是在适宜的条件下, 利用载体填料表面积上生长的微生物的作用脱臭。
检测控制系统主要用来检测系统的运行状态和技术参数, 通过人机对话的方式, 调整工艺参数、检测设备的运行, 从而使设备处于最佳运行状态。
3.3 影响生物过滤性能的因素
3.3.1 操作工艺
操作工艺包括恶臭气体进气速度及浓度、空床停留时间、填料的p H、喷淋条件等。不同气体关于去除性能的影响取决于气体的水溶性和微生物降解性。不同的气体的水溶性可能相差很大, 影响了恶臭气体从气相进入到液相的速度, 从而影响了微生物的降解。
3.3.2 p H值
由于p H值直接影响生物过滤中生物体的新陈代谢, 因此必须保证微生物在适合的p H范围内生长, 一般来说, 很多微生物生长都是比较适合在p H中性范围内的。如果p H低于3.2, 去除效率会下降, 如果p H过高, 其去除效率基本与p H无关。然而在实际的除臭处理中, 由于物质的分解产生的酸性物质和二氧化碳会造成生物过滤中的p H下降, 降低微生物的去除效率。
3.3.3 温度
首先在较低的温度有利于恶臭废气中污染成份被基质表面生物膜吸收, 但会影响微生物的生长, 而在较高的温度下恰恰相反。所以都是通过调节臭气温度来控制床温。
3.3.4 设计负荷
生物过滤处理城市污水处理厂臭气的滤料表面负荷一般为30~250m3/ (m2·h) , 只有保障设计负荷在合理的范围内, 才能有效降低生物过滤系统成本, 保持运行的稳定性。
3.3.5 臭气停留时间
臭气的处理效果和臭气在生物过滤中的停留时间有着直接的关系, 如果停留时间过短, 臭气中污染成分还未充分被生物膜吸收就被排除床体, 除臭效果并不明显;如果停留时间过长, 很容易造成床体体积过大, 增加成本, 所以在设计生物过滤时应该合理安排臭气停留时间。针对炼油污水处理厂产生的臭气, 生物过滤停留时间一般为2~8.5min。
4 生物过滤法处理恶臭废气存在的问题及展望
虽然采用生物方法处理恶臭废气的工艺流程已基本成熟, 同时也在诸多具体环节上取得了一定的研究成果, 但综观这些研究的侧重点以及该方法的整个发展现状, 可以发现还有一些环节有待提高和优化。 (1) 臭气可能会产生短流或在过气断面上分布不均匀; (2) 温度较低的地区容易受到冰冻的影响; (3) 我国对这项技术的研究并不多, 几乎没有可以参考的工艺设计参数和应用实例, 仅仅处于起步阶段, 需要进一步探索和完善这项技术。
随着经济的不断发展, 人们对生活质量的要求也越来越高, 同时也越来越关注恶臭问题, 当前治理恶臭废气已经成为了一项刻不容缓的事情。作为一种高效、经济、清洁的除臭方法, 生物过滤法处理恶臭的发展前景十分诱人, 必将成为一种重要的环保技术。
摘要：恶臭污染是一种感知污染, 已成为危害人类健康的一大公害;作为日益严重的环境问题, 越来越受到人们的重视。各种除臭的技术不断涌现, 但是恶臭废气的控制和去除技术还有许多工作需要探讨。该文首先介绍了恶臭气体的形成, 然后介绍生物除臭技术发展现状, 并对当前重要的除臭技术进行简单对比分析, 重点论述生物过滤法处理炼油污水厂恶臭废气的技术原理、去除效率和效果。
关键词：除臭,恶臭废气,生物除臭,生物过滤工艺
参考文献
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