专利名称：甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化装置及方法，属于甲
苯废气生物净化技术领域。
背景技术：
甲苯易挥发，吸入含甲苯超标的空气可出现咽喉剌痛感、发痒和灼烧感，剌激眼粘 膜，可引起流泪、发红、充血；甲苯直接溅在皮肤上局部可出现发红、剌痛及疱疹等。重度甲 苯中毒后，或呈兴奋状，躁动不安，或呈压抑状，嗜睡等，严重的会出现虚脱、昏迷；甲苯同样 可造成鱼类和动物的死亡。甲苯在环境中较为稳定，可在大气和水体中循环，最终可因生物 的和微生物的氧化而被降解。由于甲苯是一种重要的化工原料和燃料，被广泛应用于制备 油类、树脂、橡胶、沥青、醋酸纤维素，纤维素油漆、照相墨水、三硝基甲苯和许多染料等，因 此甲苯在工业生产中的用量极大。空气中的甲苯主要来自于汽车废气、汽油加工、工业活动 所造成的溶剂损失以及贮运过程中的意外事故。 甲苯废气在我国大气污染控制中已经被列为应重点解决的有害废气之一，其处理 技术包括物理、化学法和生物法，生物法具有处理效率高、应用范围广、极少产生二次污染、 运行与管理操作方便及运行费用较低等优点，尤其适用于有机废气的处理。目前常用的生 物法是生物滴滤法，以生物滴滤器为主体，内部有固定的填料载体附着微生物。废气从底部 进入生物滴滤器经过固定的填料层被菌体吸收，液体无机盐培养基从生物滴滤器顶部喷洒 下来润湿填料并为微生物提供无机盐营养物，生物滴滤器结构和操作均较为复杂，同时营 养物添加过量也会引起菌体大量繁殖，造成床层堵塞和压降升高。
发明内容
本发明目的在于提供一种采用气升式三相环流生物反应器固定化菌体净化甲苯 废气的装置及方法，该方法具有操作过程简单，能耗低，无二次污染的特点。本发明中以气 升式三相环流生物反应器净化甲苯废气，微生物通过包埋法做成固定化菌体，其稳定性、使 用周期和可控性良好，气升式三相环流生物反应器中气相为甲苯废气，液相为无机盐培养 基，固相为固定化菌体，内构件只有导流筒，使得气升式三相环流生物反应器气液固三相循 环流动，流型规整，气液接触面积大，有利于甲苯的相间传质，且气体上升阻力小，处理效果 好，因此在气升式三相环流生物反应器中利用固定化菌体净化甲苯废气的研究具有重要的 实际应用价值。 本发明是通过下述技术方案加以实现的 本发明的一种甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化装置，包括气升式三相 环流生物反应器，缓冲罐、流量计、气泵、无机盐培养基储罐、蠕动泵和恒温电热器；所述的 气升式三相环流生物反应器有方柱形外壳体，外壳体横截面正方形边长为0. 12 0. 2m，外 壳体内设置方柱形导流筒，导流筒横截面正方形边长为0. 08 0. 15m，外壳体和导流筒的 中轴线重叠，外壳体的底部中心位置设置正方形布气板，边长为外壳体横截面边长的1/2，布气板上的通气孔孔径为0. 5 4. 5mm，外壳体的上部设置可拆卸的四棱锥形封口，壳体下 方靠近底面的位置设有出水口，出水口内径约为固定化菌体直径的5倍；其中外壳体和导 流筒的高径比为IO : 1 12 : l，导流筒底面与外壳体的底面距离为外壳体横截面边长的 1/2。 本发明的甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化方法，净化方法步骤如下
1)将海藻酸钠固定化的恶臭假单胞菌Pseudomonas putida WQ-03和无机盐培养 基，由气升式三相环流生物反应器顶部加入气升式三相环流生物反应器，固定化菌体的用 量为气升式三相环流生物反应器工作容积的30 40%，无机盐培养基用量为气升式三相 环流生物反应器工作容积的60 70% ; 2)以甲苯浓度200 800mg/m3，经第一气泵、缓冲罐、流量计以0. 52 1. 04m3/h
的流量经气升式三相环流生物反应器底部布气板进入气升式三相环流生物反应器，出口气
体流量的20%经第二气泵回到缓冲罐，循环进入气升式三相环流生物反应器，气升式三相
环流生物反应器内在温度25 3(TC，每24h加入无机盐培养基0. 5 0. 7L ; 3)最终使出口气体中甲苯浓度低于60mg/m 达到国家规定的甲苯废气二级排放
标准，容积负荷4810 8060mg/m3/h。 所述的无机盐培养基中N+3为7. 5 22. 5mmol/L，P+5为1. 5 4. 5mmol/L，Mg+2为 0. 4 lmmol/L，Ca+2为0. 18 0. 5,l/L，Fe+2为0. 07 0. 2mmol/L ;Mn+2、Zn+2、Mo+6、Cu+2、 Co+2为痕量。 所述的无机盐培养基中N+3由NH4C1或(NH4)2S04的一种或混合提供，P+5由KH2P04 或K2HP04的一种或混合提供；Mg+2由MgS04 7H20或MgCl2的一种或混合提供；Ca+2由CaCl2 提供;Fe+2由FeCl2 4H20或FeS04 7H20的一种或混合提供;Mn+2由MnS04 H20提供;Zn+2 由ZnS04或ZnCl2提供;Mo+6由Na2Mo04 *7H20提供;Cu+2由CuS04 *5H20或CuCl2 *2H20提供; Co+2由CoCl2 6H20或CoS04 7H20提供。 本发明的一种甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化方法，是以固定化恶臭 假单胞菌Pseudomonas putida WQ-03净化甲苯废气，菌种购于中国普通微生物菌种保藏管 理中心(CGMCC)，保藏号为1. 1130。 本发明的优点在于固定化细胞的使用，延长了菌体的使用时间，使净化过程更 加稳定且更换方便；装置可连续运行；一部分出口气体可经过第二气泵进入缓冲罐，再进 入原反应器继续进行生物净化，提高了处理效果，增强了设备操作弹性。采用气升式三相 环流生物反应器，从底部进气，流型规整，气液固三相循环流动，混合均匀，增大相间接触面 积，强化传质过程，增大处理效果；另外，整体设备结构简单，成本低，克服了传统生物滴滤 反应器处理甲苯废气时动力消耗大，床层易堵塞，频繁更换填料等关键技术缺陷。该方法 适用于处理成份波动的甲苯废气。本发明通过利用气升式三相环流生物反应器净化甲苯 废气，出口气体可达到国家规定的大气甲苯排放标准。采用固定化恶臭甲单胞菌，出口甲 苯浓度低于60mg/m 去除率为65-85. 5% (去除率=100% -出口甲苯浓度/出口甲苯浓 度X100% );装置可稳定运行三周。
图1 :气升式三相环流生物反应器净化装置示意 图2:布气板示意图； 图中，1为第一气泵，2为缓冲罐，3为流量计，4为布气板，5为气升式三相环流生物 反应器，6为恒温电热器，7为无机盐储罐，8为蠕动泵，9为第二气泵。
具体实施例方式
下面结合附图具体的实施例对本发明作进一步说明。 采用如图1和图2的装置连接方式甲苯废气通过第一气泵1进入缓冲罐2，经过 流量计3的调节经过布气板4从底部进入气升式三相环流生物反应器5，气升式三相环流生 物反应器5中存在无机盐培养基和固定化菌体，通过恒温电热器6保持一定温度，固定化菌 体净化后的甲苯废气从气升式三相环流生物反应器5顶部排出，排出气体的20%经第二气 泵9回到缓冲罐2中，气升式三相环流生物反应器5中的无机盐培养基为固定化菌体提供 代谢所需的无机盐，气升式三相环流生物反应器5外部的无机盐培养基储罐7每天将一定 量的无机盐通过蠕动泵8从气升式三相环流生物反应器5上方加入气升式三相环流生物反 应器5中。
以气升式三相环流生物反应器外壳体和导流筒的高径比为io : 1 12 : i，外
壳体横截面正方形边长为0. 12 0. 2m，导流筒横截面正方形边长为0. 08 0. 15m，导流 筒底面与外壳体的底面距离为外壳体横截面边长的1/2，正方形布气板边长为外壳体横截 面边长的1/2，布气板上通气孔孔径为0. 5 4. 5mm，海藻酸钠固定化Pseudomonas putida WQ-03为生物质，Pseudomonas putida WQ-03菌种购于中国普通微生物菌种保藏管理中心 (CGMCC)，保藏号为1. 1130。 固定化菌体小球直径约为3mm，加入量为气升式三相环流生物反应器工作容积的 30 40%，无机盐培养基加入量为气升式三相环流生物反应器工作容积的60 70%，无 机盐培养基中N"3为7. 5 22. 5mmol/L， P+5为1. 5 4. 5mmol/L， Mg+2为0. 4 lmmol/L， Ca+2为0. 18 0. 5mmol/L， Fe+2为0. 07 0. 2mmol/L ;Mn+2、 Zn+2、 Mo+6、 Cu+2、 Co+2为痕量，温 度25 30°C，以0. 52m3/h的空气量曝气24h，净化甲苯废气的具体实施例如下
实施例1 将甲苯浓度为200mg/m 流量为0. 52mVh的甲苯废气通入外壳体高径比10 : 1， 横截面正方形边长O. 12m，导流筒高径比10 : 1，横截面正方形边长0.08m的气升式三相环 流生物反应器中，布气板孔径0. 5mm，固定化菌体加入量为鼓泡塔三相生物反应器工作容积 的30%，无机盐培养基加入量为鼓泡塔三相生物反应器工作容积的70%，无机盐培养基pH 值为7. 2，无机盐培养基中NH4Cl、KH2P04、MgS04 7H20、 CaCl2、 FeS04 71120浓度分别为7. 5、 1. 5、0. 4、0. 18、0. 07mmol/L，MnS04 'H20、ZnS04、Na2Mo04 *7H20、CuS04 *5H20、CoCl2 6H20为痕 量，无机盐培养基以自来水配置，气升式三相环流生物反应器内维持温度25°C，出口气体流 量的20%经第二气泵回到缓冲罐，每天补充0. 5L无机盐培养基，出口甲苯浓度降至40mg/ m 去除率达到80%，容积负荷达到4810mg/m3/h。
实施例2 将甲苯浓度为400mg/m 流量为0. 78mVh的甲苯废气通入外壳体高径比11 : 1， 横截面正方形边长O. 15m，导流筒高径比11 : l，横截面正方形边长O. llm的气升式三相 环流生物反应器中，布气板孔径3mm，固定化菌体加入量为鼓泡塔三相生物反应器工作容积的35%，无机盐培养基加入量为鼓泡塔三相生物反应器工作容积的65%，无机盐培养 基中(NH4)2S04、 K2HP04、 MgCl2、 CaCl2、 FeCl2 41120浓度分别为8、3、0. 8、0. 3、0. 15mmol/L， MnS04 H20、 ZnCl2、 Na2Mo04 7H20、 CuCl2 2H20、 CoS04 7H20为痕量，气升式三相环流生物反 应器内维持温度2『C，每天补充0. 6L无机盐培养基，重复实施例1中的实验步骤，进行固定 化菌体生物净化。检测出口甲苯降至52mg/m3，去除率达到87% ，容积负荷达到7310mg/m3/ h。 实施例3 将甲苯浓度为800mg/m 流量为1. 04m3/h的甲苯废气通入外壳体高径比12 : 1， 横截面正方形边长0.2m，导流筒高径比12 : l，横截面正方形边长O. 15m的气升式三相环 流生物反应器中，布气板孔径4. 5mm，固定化菌体加入量为鼓泡塔三相生物反应器工作容积 的40%，无机盐培养基加入量为鼓泡塔三相生物反应器工作容积的60%，无机盐培养基中 NH4C1、 (NH4)2S04、 KH2P04、 K2HP04、 MgS04 7H20、 MgCl2、 CaCl2、 FeCl2 4H20、 FeS04 7H20的浓 度分别为16. 5、3、3、1. 5、0. 6、0. 4、0. 5、0. 1、0. 1,1/L， MnS04 H20、 ZnS04、 Na2Mo04 7H20、 CuS04 5H20、 CoCl2 6H20为痕量，气升式三相环流生物反应器内维持温度3(TC，每天补充 0. 7L无机盐培养基，重复实施例1中的实验步骤，进行固定化菌体生物净化。检测出口甲苯 降至56mg/m3，去除率达到93% ，容积负荷达到8060mg/m3/h。 本发明并不局限于实例中所描述的技术，它的描述是说明性的，并非限制性的，本 发明的权限由权利要求所限定，基于本技术领域人员依据本发明所能够变化、重组等方法 得到的与本发明相关的技术，都在本发明的保护范围内。
权利要求
一种甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化装置，包括气升式三相环流生物反应器、缓冲罐、流量计、气泵、无机盐培养基储罐、蠕动泵和恒温电热器；其特征是所述的气升式三相环流生物反应器设有方柱形外壳体，外壳体横截面正方形边长为0.12～0.2m，外壳体内设置方柱形导流筒，导流筒横截面正方形边长为0.08～0.15m，外壳体和导流筒的中轴线重叠，外壳体的底部中心位置设置正方形布气板，边长为外壳体横截面边长的1/2，布气板上的通气孔孔径为0.5～4.5mm，外壳体的上部设置可拆卸的四棱锥形封口，壳体下方靠近底面的位置设有出水口，出水口内径为固定化菌体直径的5倍；其中外壳体和导流筒的高径比为10∶1～12∶1，导流筒底面与外壳体的底面距离为外壳体横截面边长的1/2。
2. —种甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化方法，其特征是净化方法步骤如下1) 将海藻酸钠固定化的恶臭假单胞菌Pseudomonas putida WQ-03和无机盐培养基，由 气升式三相环流生物反应器顶部加入气升式三相环流生物反应器，固定化菌体的用量为气 升式三相环流生物反应器工作容积的30 40%，无机盐培养基用量为气升式三相环流生 物反应器工作容积的60 70% ;2) 以甲苯浓度200 800mg/m3，经第一气泵、缓冲罐、流量计以0. 52 1. 04m3/h的流量 经气升式三相环流生物反应器底部进入气升式三相环流生物反应器，出口气体流量的20% 经第二气泵通过气升式三相环流生物反应器底部布气板进入气升式三相环流生物反应器， 气升式三相环流生物反应器内在温度25 3(TC，每24h加入无机盐培养基0. 5 0. 7L ;3) 最终使出口气体中甲苯浓度低于60mg/m3，容积负荷达4810 8060mg/m3/h。
3. 如权利要求2所述的甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化方法，其特征是所 述的无机盐培养基中N+3为7. 5 22. 5mmol/L， P+5为1. 5 4. 5mmol/L， Mg+2为0. 4 lmmo1/ L， Ca+2为0. 18 0. 5mmol/L， Fe+2为0. 07 0. 2mmol/L ;Mn+2、 Zn+2、Mo+2、 Cu+2、 Co+2为痕量。
4. 如权利要求3所述的甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化方法，其特征是所 述的无机盐培养基中N+3由NH4C1或(NH4)2804的一种或混合提供，P+s由KH2P04或K2HP04的 一种或混合提供；Mg+2由MgS04 7H20或MgCl2的一种或混合提供；Ca+2由CaCl2提供；Fe+2 由FeCl2 4H20或FeS04 7H20的一种或混合提供；Mn+2由MnS04 H20提供；Zn+2由ZnS04 或ZnCl2提供;Mo+6由Na2Mo04 7H20提供;Cu+2由CuS04 5H20或CuCl2 2H20提供;Co+2由 CoCl2 6H20或CoS04 7H20提供。
全文摘要
本发明涉及一种甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化装置及方法，装置包括气升式三相环流生物反应器、缓冲罐、流量计、气泵、无机盐培养基储罐、蠕动泵和恒温电热器；其中气升式三相环流生物反应器设有方柱形外壳体，外壳体横截面正方形，外壳体内设置方柱形导流筒，外壳体和导流筒的中轴线重叠，外壳体的底部中心位置设置正方形布气板，布气板上的通气孔孔径为0.5～4.5mm，外壳体的上部设置可拆卸的四棱锥形封口。以固定化恶臭假单胞菌Pseudomonas putida WQ-03净化甲苯废气，液相为无机盐培养基，反应器内构件只有导流筒，气液固三相流型规整，循环流动，气体上升阻力小，处理效果好，在鼓泡塔三相生物反应器中利用固定化菌体净化甲苯废气的研究有重要的实际应用价值。
文档编号B01D53/84GK101700468SQ20091022894
公开日2010年5月5日 申请日期2009年12月2日 优先权日2009年12月2日
发明者王雪, 贾晓强, 闻建平 申请人:天津大学