硅油強化攪拌式生物反應(yīng)器處理氯苯廢氣研究

葉杰旭，周海珊，盧 憶，林彤暉，李 偉，成卓韋，張士漢，陳建孟，陳東之

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 310014; 2.浙江海拓環(huán)境技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310015;3.浙江一清環(huán)保工程有限公司，浙江 杭州 310018)

1 前 言

近年來，工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的大量揮發(fā)性有機物(volatile organic compounds，VOCs)嚴(yán)重污染了大氣環(huán)境。氯苯(monochlorobenzene，CB)是一種常見的揮發(fā)性有機物，常被用作有機溶劑以及染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥有機合成中間體。它性質(zhì)穩(wěn)定，極易在環(huán)境中遷移殘留，并且具有強烈的“三致效應(yīng)”，被美國EPA列入優(yōu)先控制污染物名單[1-3]。當(dāng)前，針對氯苯廢氣的處理方法主要包括燃燒、吸附、催化氧化、生物降解以及化學(xué)-生物耦合技術(shù)，其中生物法因具有反應(yīng)條件溫和、經(jīng)濟成本低、二次污染少等優(yōu)點而被廣泛關(guān)注[4-8]。研究表明，Acidovorax avenae[9]、Planococcussp.[10]、Ralstonia pickettii[11]和Acinetobacter calcoaceticus[12]等細(xì)菌能有效降解氯苯。本課題組也在前期研究中分離獲得一株氯苯高效降解菌(Delftia tsuruhatensisLW26)，該菌能以氯苯為唯一碳源和能源生長，最大比生長速率達(dá)到0.42 h-1[13]。盡管利用高效降解菌可強化氯苯生物降解過程，但氯苯水溶性低，傳統(tǒng)生物反應(yīng)器處理氯苯廢氣時傳質(zhì)阻力較大，因此處理效率并不高[14]。WANG等單獨采用生物濾塔處理濃度為500 mg·m-3的氯苯廢氣，生物去除率僅為60%[15]。

為提高有機污染物的生物處理效果，DAUGULIS等提出在水相中引入非水相物質(zhì)構(gòu)成兩相分配生物反應(yīng)體系(two-phase partitioning bioreactor，TPPB)，進而強化疏水性VOCs的氣液傳質(zhì)過程，同時非水相還可為微生物提供緩沖和保護作用，降低高濃度、高毒性的底物或中間產(chǎn)物對生物的毒害作用[16]。常用的非水相有十六烷、硅油、疏水性離子液體等[17]。其中，硅油無生物毒性，且一般情況下不能被微生物降解，是比較理想的非水相介質(zhì)，有研究表明它可以提高鄰二甲苯、己烷、ɑ-蒎烯、苯乙烯等的處理效果[18-22]，但也有一些研究發(fā)現(xiàn)一些污染物的去除效率在添加硅油的條件下并無明顯增加[23]。

攪拌式生物反應(yīng)器是常見的生物洗滌器，本文以硅油作為有機相，考察硅油對攪拌式生物反應(yīng)器處理氯苯廢氣的影響，并基于已有的傳質(zhì)理論模型對氧氣和氯苯在油水兩相中的傳質(zhì)規(guī)律進行分析，探討硅油的強化機制，從而為反應(yīng)體系的進一步優(yōu)化提供依據(jù)。

2 實驗材料與方法

2.1 菌種來源

氯苯降解菌為本實驗室篩選獲得的Delftia tsuruhatensisLW26 (GenBank登錄號：KP966097)，該菌株保存于中國典型培養(yǎng)物保藏中心，編號為M2015113。

2.2 培養(yǎng)基

無機鹽培養(yǎng)基：CaCl2，0.023 g·L-1；MgSO4·7H2O，0.2 g·L-1；(NH4)2SO4，2.5 g·L-1；KH2PO4，1.0 g·L-1；Na2HPO4·12H2O，4.5 g·L-1；微量元素母液[24]1 mL·L-1，控制 pH 7.0～7.5。

2.3 實驗裝置和方法

實驗裝置如圖1所示。反應(yīng)器高30 cm，內(nèi)徑18 cm，有效容積4 L。采用環(huán)形空氣分布器布?xì)?，?nèi)置雙層六片平直葉圓盤渦輪攪拌器，沿內(nèi)壁裝有4塊擋板以提高混合效果，并設(shè)有溫度、pH、溶解氧(DO)以及攪拌速率的自動控制系統(tǒng)。氯苯經(jīng)空氣吹脫后揮發(fā)，并與另一路空氣在氣體混合瓶中混合，通過調(diào)節(jié)流量控制模擬氯苯廢氣的進氣濃度與流量。氯苯廢氣經(jīng)空氣分布器自上而下進入反應(yīng)器主體，經(jīng)處理后從反應(yīng)器頂部出氣口排出至尾氣處理裝置。進氣和出氣管路上分別設(shè)有氣體取樣口。

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of the bioreactor

實驗所采用的硅油為二甲基硅油，黏度200 mPa·s，neat (25 ℃)。研究硅油添加對系統(tǒng)處理氯苯廢氣性能影響時，預(yù)先進行菌種擴大培養(yǎng)，培養(yǎng)24 h后在其中一個反應(yīng)器中添加體積10% 的硅油，另一個反應(yīng)器作為空白對照。運行過程中，均維持系統(tǒng)溫度30 ℃，pH 7.0～7.5，每天約更換600 mL營養(yǎng)液(硅油和培養(yǎng)基混合液)。更換時，先將排出的營養(yǎng)液進行靜置分層處理，然后回收硅油(回收率約90%)并將其與新鮮培養(yǎng)基混合，添加少量新硅油(添加量為回收過程中損失的硅油量)后加入至反應(yīng)器。

氯苯去除率(removal efficiency，RE)和去除負(fù)荷(elimination capability，EC)的計算式分別如下：

式中，為進氣氯苯濃度，g·m-3；為出氣氯苯濃度，g·m-3；Qg為氣體流量，m3·s-1；Vr為反應(yīng)器有效容積，m3。

2.4 氧傳質(zhì)系數(shù)的測定

實驗采用溶氧電極法[25-26]在非培養(yǎng)條件下測定氧氣體積傳質(zhì)系數(shù)(KLaO2)。當(dāng)反應(yīng)器中溶液處于完全混合狀態(tài)，且無微生物呼吸作用時，單位反應(yīng)體積的氧傳質(zhì)速率符合下式[27]：

式中，為操作條件下液相中的飽和溶解氧濃度，g·m-3；CL，O2為t時刻液相中的溶解氧濃度，g·m-3。對式(3)進行積分，并作關(guān)于t圖，所得直線的斜率即為 -KaLO2。

2.5 分析方法

2.5.1 氯苯濃度

采用Agilent 6890氣相色譜儀(Agilent，美國)定量分析氯苯濃度。色譜柱為HP-Innowax型毛細(xì)管柱(30 m × 0.32 mm × 0.5 μm)。氣相色譜條件：進樣口溫度200 ℃；柱溫100 ℃；檢測器溫度(FID) 180 ℃；載氣為N2；總流量為1 mL·min-1，分流比30:1；氣體進樣量為1 mL。每個樣品平行測定3次。

2.5.2 生物量

采用Hitachi U-2910型紫外/可見分光光度計(Hitachi High Technologies，日本)在600 nm波長下測定菌體的吸光度(OD600)，根據(jù)吸光度與生物量干重間的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算菌體細(xì)胞干重。

3 結(jié)果與討論

3.1 硅油添加對攪拌式生物反應(yīng)器處理氯苯性能的影響

圖2 無硅油和含硅油生物反應(yīng)器中氯苯進口濃度、去除率、菌體濃度隨時間的變化Fig.2 Inlet CB concentration，CB removal efficiency，and biomass in the bioreactors without and with silicone oil

保持空床停留時間(empty bed retention time，EBRT) 60 s不變，考察不同氯苯進氣濃度條件下硅油添加對攪拌式生物反應(yīng)器處理氯苯效果的影響，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，在進氣量240 L·h-1、進氣濃度 1 100～3 300 mg·m-3條件下，含 10% 硅油的生物反應(yīng)器比普通生物反應(yīng)器的氯苯去除率高10%～23%，最大去除負(fù)荷可達(dá)137 g·m-3·h-1，而且當(dāng)氯苯濃度高達(dá)3 244 mg·m-3時，去除率仍能維持在70.5%。普通攪拌式生物反應(yīng)器的最大去除負(fù)荷相對較低，為99 g·m-3·h-1，當(dāng)進氣濃度增加至3 200 mg·m-3左右時，氯苯去除率僅為 47.6%。說明添加硅油能有效提高攪拌式生物反應(yīng)器處理氯苯廢氣的效果，且使其更能適應(yīng)高濃度的氯苯廢氣。經(jīng)測算，本反應(yīng)器每天隨營養(yǎng)液更換排放的液相氯苯量占其總?cè)コ康?.5% 以下，因此上述體系中氯苯的去除主要是源于其生物降解作用。

由圖2還可以看出，含硅油的攪拌式生物反應(yīng)器中生物量相對穩(wěn)定，而普通攪拌式生物反應(yīng)器中的生物量隨氯苯進口濃度的增加呈下降趨勢。這可能是因為氯苯本身具有較強的生物毒性，普通攪拌式生物反應(yīng)器中持續(xù)高濃度氯苯抑制了LW26菌的生長和降解活性，菌體繁殖的速度跟不上每天更換部分培養(yǎng)基損失的菌體數(shù)量，進而導(dǎo)致體系中菌體濃度下降。而添加了硅油的反應(yīng)體系中，由于氯苯在氣相和硅油之間的分配系數(shù)(0.000 66)遠(yuǎn)小于其在氣相和水相之間的分配系數(shù)(0.24)，因此硅油對氯苯具有良好的親和力，可以吸收大量氯苯，從而使水相中的氯苯可維持在較低的濃度，降低其對LW26菌的毒性。

3.2 硅油添加對攪拌式生物反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷性能的影響

在實際工業(yè)廢氣處理過程中，氣體濃度波動較大，短時間內(nèi)污染物濃度可能會突然升高，形成負(fù)荷沖擊。因此，分別考察低沖擊和較高沖擊負(fù)荷條件下硅油添加對攪拌式生物反應(yīng)器處理性能的影響，結(jié)果見圖3。由圖3(a)和(b)可以看出，當(dāng)進氣負(fù)荷由25 g·m-3·h-1突然提高5倍后，普通攪拌式生物反應(yīng)器的去除率下降了44%，最低降至42%，而含硅油的反應(yīng)器中氯苯去除率僅下降約19%，并穩(wěn)定在70% 左右。由圖(c)和(d)可知，10倍沖擊負(fù)荷條件下，普通反應(yīng)器和含硅油反應(yīng)器中的氯苯去除率分別由90% 以上降低至約 26% 和 50%。當(dāng)沖擊負(fù)荷結(jié)束后，經(jīng)歷了低沖擊負(fù)荷的兩個反應(yīng)體系其氯苯降解能力均能恢復(fù)至正常水平；而經(jīng)歷了高沖擊負(fù)荷后，含硅油體系的氯苯去除效果可以逐漸恢復(fù)，恢復(fù)時間約為2.5 h，但不含硅油的體系2.5 h后氯苯去除率僅恢復(fù)至15.8%。因此，添加硅油可以大幅增強攪拌式生物反應(yīng)器對高濃度沖擊負(fù)荷的抵抗能力，有利于實際工程中克服氣體濃度波動帶來的影響。

圖3 不同沖擊負(fù)荷條件下無硅油和含硅油生物反應(yīng)器中進氣負(fù)荷、去除負(fù)荷、去除率隨時間的變化Fig.3 Inlet load，elimination capacity，and removal efficiency of CB in the bioreactors without and with silicone oil under different transient shock load conditions

3.3 氧傳質(zhì)特征的分析

氧氣難溶于水，室溫下氧氣在水中的溶解度約為0.25 mol·m-3。然而，對于好氧微生物而言，分子態(tài)氧是細(xì)胞呼吸電子傳遞鏈末端的電子受體。如果好氧生物降解污染物過程中供氧不足，則會抑制細(xì)胞的生長代謝，進而降低生物反應(yīng)器的處理效率。因此，分析硅油對氧傳質(zhì)的影響。

分別測定不同硅油比例條件下(0%，10%，20%，50%，100%)反應(yīng)體系中的總氧傳質(zhì)系數(shù)，結(jié)果見圖4。隨著硅油比例的增加，體系中的總氧傳質(zhì)系數(shù)逐漸減小。文獻中也有類似報道，如NIELSEN等[28]以十六烷作為有機相，同樣發(fā)現(xiàn)KLaO2隨著十六烷比例的增加而減小。

圖4 硅油的添加量對氧傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.4 Effects of silicone oil addition on oxygen mass transfer coefficient(agitation rate of 600 r?min-1，inlet flow of 2 L?min-1)

進一步對反應(yīng)體系中的氧傳質(zhì)速率進行分析。在非培養(yǎng)條件下，含硅油攪拌式生物反應(yīng)器與普通攪拌式生物反應(yīng)器的氧傳質(zhì)速率之比可以表示為[28]：

式中，v1為普通攪拌式生物反應(yīng)器的氧傳質(zhì)速率，g·h-1；v2為含硅油的攪拌式生物反應(yīng)器的氧傳質(zhì)速率，g·h-1；kLaW，O2為氧氣在水相中的體積傳質(zhì)系數(shù)，h-1；kLaoil，O2為氧氣在硅油中的體積傳質(zhì)系數(shù)，h-1；為氧氣在水相中的飽和濃度，g·m-3；CW，O2為氧氣在水相中的濃度，g·m-3；Koil/W為氧氣在硅油和水相間的分配系數(shù)，無量綱；Vr為反應(yīng)器有效容積，m3；VW為水相體積，m3；Voil為硅油體積，m3。

上式可簡化為：

式中，φoil為硅油體積分?jǐn)?shù)。

當(dāng)硅油比例分別為0% 和100% 時，實驗測得的反應(yīng)體系中的氧傳質(zhì)系數(shù)即為kLaW，O2和kLaoil，O2，其值分別為39.68 h-1和7.28 h-1(圖4)，所以的5.5倍。氧氣在硅油中的濃度約是水中的 10倍[17]，即Koil/W≈ 10，故kLaoil，O2?Koil/W＞kLaW，O2?？紤]到含硅油的反應(yīng)體系中φoil＞ 0，根據(jù)式(5)，則v2/v1大于1，說明含硅油的攪拌式生物反應(yīng)器中氧傳質(zhì)速率較普通攪拌式生物反應(yīng)器高。

上述結(jié)果表明，盡管添加硅油導(dǎo)致總氧傳質(zhì)系數(shù)減小，但仍能提高氧的傳質(zhì)速率。主要原因可能是硅油對氧的增溶作用顯著增大了傳質(zhì)推動力，進而促進了氧的傳質(zhì)。

3.4 氯苯傳質(zhì)特征的分析

生物反應(yīng)器處理有機廢氣時，底物的傳質(zhì)效果是影響反應(yīng)器去除效率的關(guān)鍵因子[29-30]。根據(jù)文獻報道，在液相均勻混合的反應(yīng)器中，單位反應(yīng)體積的VOCS傳質(zhì)速率R可以表示為[31-32]：

式中，為進口 VOCs濃度，g?m-3；CW為 VOCs在水相中的濃度，g?m-3；Qg為氣體流量，m3?s-1；mef為VOCs在液相(水相或水油偽均相)中的亨利系數(shù)；為VOCs從氣相傳質(zhì)到液相(水相或水油偽均相)的最大分?jǐn)?shù)(無量綱)，理想的反應(yīng)器設(shè)計應(yīng)該使= 1。

當(dāng)體系達(dá)到熱力學(xué)平衡時，則參數(shù)滿足如下關(guān)系式：

式中，為出口VOCs濃度，g·m-3；t為反應(yīng)時間，s；E為無量綱參數(shù)。

利用該傳質(zhì)模型對單一水相及水油兩相體系中的氯苯傳質(zhì)特性進行分析比較。在EBRT為60 s的條件下，分別測定求解普通攪拌式生物反應(yīng)器和含10% 硅油的攪拌式生物反應(yīng)器中氯苯的，結(jié)果見圖5。由圖5(a)和5(b)可知，兩個體系中氯苯的吸收過程數(shù)據(jù)可以利用式(7)進行線性擬合，R2值均大于0.97。利用擬合結(jié)果求得普通反應(yīng)器和含硅油反應(yīng)器中的分別為0.67和0.99，后者較前者增加了47.8%。另外，氯苯的在含硅油反應(yīng)器中接近1，說明該體系中絕大部分氯苯都由氣相傳質(zhì)到了液相。因此，硅油顯著提高了氯苯的氣液傳質(zhì)效果，進而強化了攪拌式生物反應(yīng)器對氯苯的處理效率。

圖5 普通攪拌式生物反應(yīng)器和含硅油攪拌式生物反應(yīng)器中的測定(EBRT = 60 s)Fig.5 Determination offor bioreactors without and with silicone oil (EBRT = 60 s)

4 結(jié) 論

(1) 含硅油的攪拌式生物反應(yīng)器較普通攪拌式生物反應(yīng)器氯苯去除率高10% 以上，最大去除負(fù)荷是其 1.4倍，且抗沖擊負(fù)荷性能更好。硅油能有效強化攪拌式生物反應(yīng)器處理氯苯廢氣尤其是高濃度氯苯廢氣的效果。

(2) 含硅油的攪拌式生物反應(yīng)器中氧傳質(zhì)速率較普通攪拌式生物反應(yīng)器高，硅油可促進氧的傳質(zhì)。

(3) 基于傳質(zhì)模型，擬合獲得含硅油的攪拌式生物反應(yīng)器和普通攪拌式生物反應(yīng)器中氯苯的最大傳質(zhì)分?jǐn)?shù)分別為0.99和0.67，硅油的添加使增加了47.8%，氯苯的氣液傳質(zhì)效果得到顯著改善。

符號說明：