生物滴滤塔去除高浓度H2S废气的模拟研究

生物滴滤塔去除高浓度H 2 S废气的模拟研究

谢乐 蒋崇

摘 要以生物滴滤塔（BTF）去除高浓度H 2 S废气为研究对象，建立了一维轴向扩散反应器模型和双基质生物降解反应动力学模型，通过比较单基质模型和双基质模型在不同H 2 S入口浓度条件下的模拟结果和实验结果，验证了双基质模型的有效性和可行性，研究了生物膜中H 2 S的动态去除过程，考察了BTF在不同液相H 2 S浓度和空床停留时间条件下的除臭性能。研究表明，当生物膜表面H 2 S浓度为7589.3 mg/m 3 时，生物膜中传质-生物降解过程需要0.75 s才能达到稳态；较厚的生物膜使得内扩散阻力增大，生物降解反应速率分布的不均匀性增大，O 2 浓度对生物降解速率的影响将越来越显著；进气速度和喷淋浓度可显著影响BTF中H 2 S的去除率。

关键词生物滴滤塔；硫化氢；传质；模型；反应工程

引 言

相比传统的物理法、化学法脱臭工艺，生物滴滤塔（BTF）因其稳定性好、效率高、操作条件温和、无二次污染等优点而备受青睐 [ 5-9 ] 。现有研究主要集中在BTF内的传质特性 [ 10-13 ] 和生物降解反应动力学 [ 14-18 ] 两个方面，通过建立污染物在膜（气膜、液膜和生物膜）中的传质系数关联式 [ 19-24 ] 和生物降解反应动力学模型，阐明恶臭污染物的去除机制和BTF的除臭性能。BTF内污染物的去除是一个复杂的多尺度耦合过程，包括物理吸收、对流传质、扩散传质和生物降解等。气速、液速和填料等操作条件都可能显著影响污染物在膜中的传质系数。特别地，在实际的除臭过程中经常遇到同时去除两种或多种目标污染物的情况，这进一步增大了对BTF除臭性能研究的难度。以含H 2 S混合臭气的去除为例，Cox等 [ 25] 研究了酸性或中性BTF内H 2 S和甲苯同时脱除的情形；Jin等 [ 26] 利用酸性BTF（pH=2）同时去除H 2 S和甲醇。结果表明H 2 S的存在对甲苯和甲醇脱除的影响不大，但是，高浓度的甲苯和甲醇的存在都会降低H 2 S的去除效率。这表明BTF内恶臭组分的降解存在先后顺序，微生物优先降解甲苯、甲醇等挥发性有机组分。类似地，Montebello等 [ 27] 在利用BTF同时去除CH 3 SH和H 2 S时发现高浓度的H 2 S（3035.7 mg/m 3 ）会显著抑制CH 3 SH的去除。这是因为微生物对H 2 S的降解相比于CH 3 SH的降解更容易。此外，BTF中还存在一种特殊的双底物去除机制，由于氧气（O 2 ）参与微生物代谢，O 2 浓度分布对高浓度污染物的降解过程有重要影响。López等 [ 28] 研究了实验室规模BTF对高负荷H 2 S（3035.7~15178.6 mg/m 3 ）的去除性能。研究表明通过调控喷淋液的流量改善溶解氧的分布，可以提高BTF的整体性能。Gaszczak等 [ 29] 则认为O 2 浓度对疏水性污染物降解速率的抑制作用有限，疏水性污染物的传质过程才是速率限制步骤。因此，O 2 浓度对恶臭组分去除的影响程度视情况而定。一般来说，对于高浓度、亲水性恶臭组分，O 2 浓度对其去除效率的影响较大。以上研究论证了BTF除臭工艺的可行性，阐明了BTF除臭性能和操作工艺参数之间的定量关系，为BTF的设计、优化与放大提供了大量的基础数据。而在实际BTF中，恶臭组分传质和生物降解反应过程是高度耦合的，这就要求对BTF除臭性能的研究需要同时从传质和生物降解反应角度阐明操作工艺参数的作用机制。

1 数学模型建立和数值求解

图1生物滴滤塔内H2S去除过程及其质量微分衡算示意图Fig.1Schematic diagram of H2S removal process and mass differential balance in BTF

（1）假设BTF在稳态下运行，填料对H 2 S的物理吸附达到饱和。

（2）采用总传质系数（ K i ）与组分（H 2 S和O 2 ）浓度梯度的乘积计算相间传质通量。

（3）忽略气相和液相主体中的传质阻力，气液相界面的浓度梯度满足亨利定律，忽略液相和生物膜界面阻力。

（4）假设H 2 S的扩散方向与生物膜垂直，遵循Fick定律。

（5）不考虑气相和液相中的生物降解反应。

基于上述假设，可分别建立气相、液相和生物膜相中H 2 S和 O 2 的质量守恒方程。

气相：

液相：

对于循环喷淋，边界条件为：

生物膜相:

表1 扩散系数和生物降解反应动力学参数Table 1 Diffusion coefficients and kinetic parameters of biodegradation

其中, 表示源项。通过将式（1）~式（3）写成式（4）的形式，利用用户自定义编程实现方程组的求解。

2 结果与讨论

2.1 单基质模型和双基质模型比较分析

图2不同H2S进气浓度下单基质模型和双基质模型预测得到的H2S轴向浓度分布对比分析(EBRT=10.9 s；δ=20 μm)Fig.2The obtained axial H2S concentration distribution using the one-substrate and two-substrate models were compared with each other at different H2S inlet concentrations (EBRT is 10.9 s and biofilm thick is 20 μm)

当H 2 S进气浓度较小时，O 2 的消耗量很小，生物膜中O 2 浓度（ C os ）远大于 （0.26 g/m 3 ）， f ( C os )几乎等于1。此时，O 2 浓度对生物降解反应速率的影响可以忽略不计，双基质模型可简化为单基质模型。当H 2 S进气浓度在1517.9~15178.6 mg/m 3 范围内时，如图2(b)所示，单基质模型和双基质模型预测的H 2 S轴向浓度分布存在较大差异。单基质模型假设O 2 浓度对生物降解速率没有影响，因此过高估计了H 2 S的去除效率。经过2 m高的填料，单基质模型预测的H 2 S出口转化率为90%，而双基质模型预测的H 2 S出口转化率约为65%。这是因为双基质模型考虑了氧气浓度在生物膜中的分布，由式（3）可知，当 C os 减小并接近 K o 时， f ( C os )从1减小到0.5。随着 C os 的进一步减小， f ( C os )最终趋于0。因此，考虑生物膜中O 2 浓度分布的影响是非常有必要的，特别是对于高H 2 S进气载荷的情况。

2.2 双基质模型动态分析

图3生物膜中无量纲H2S和O2浓度的动态分布趋势图（H2S界面浓度为7589.3 mg/m3，生物膜厚度为20 μm）Fig.3The dynamic changes of the dimensionless H2S and O2concentration in the biofilm when the H2S interfacial concentration is 7589.3 mg/m3and the biofilm thickness is 20 μm

图4展示了较高生物膜厚度条件下（40 μm），生物膜中无量纲H 2 S和O 2 浓度的动态分布趋势。可以看到，随着生物膜厚度的增大，达到稳定状态所需的时间几乎保持不变。但是生物膜厚度的增加有利于H 2 S的去除，当生物膜厚度为20 μm时，生物膜中的H 2 S去除效率约为40%，而当生物膜厚度增大至40 μm，基本上可以实现H 2 S的完全去除。此外，对比图3(b)和图4(b)可知，生物膜厚度较小时，O 2 浓度沿生物膜厚度基本上不发生变化，生物膜中O 2 浓度随着扩散传质和反应的进行降低幅度小于10%，此时O 2 浓度分布对生物降解反应速率的影响有限；而当生物膜厚度为40 μm时，O 2 浓度沿着生物膜厚度方向急剧降低，O 2 浓度降低至50%。这表明随着生物膜厚度的增加，O 2 浓度对生物降解速率的影响将越来越显著。此外，生物膜厚度增大，使得内扩散阻力增大，进而导致生物降解反应速率分布的不均匀性增大。这表明双基质模型在表征具有较大生物膜厚度BTF的除臭性能方面具有较强的优越性。

图4生物膜中无量纲H2S和O2浓度的动态分布趋势图（H2S界面浓度为7589.3 mg/m3，生物膜厚度为40 μm）Fig.4The dynamic changes of the dimensionless H2S and O2concentration in the biofilm when the H2S interfacial concentration is 7589.3 mg/m3and the biofilm thickness is 40 μm

2.3 双基质模型应用

图5展示了进气浓度为7589.3 mg/m 3 时不同进气速度条件下的H 2 S浓度沿塔轴向分布趋势， α （ ）和 β （

）分别表示气相和液相中的无量纲H 2 S浓度。如图5(a)所示，进气流速显著影响H 2 S的去除效率。当进气流速从0.3 m/s降至0.05 m/s时，预测得到的H 2 S浓度沿BTF轴向分布具有不同的趋势。一般情况下，在低H 2 S进气浓度条件下，EBRT越长，H 2 S的去除效果越好，前期的中试实验表明H 2 S进气浓度低于30.4 mg/m 3 时，BTF出口H 2 S转化率接近100%。而在高H 2 S进气浓度（7589.3 mg/m 3 ）条件下， 当入口流速为0.05 m/s时，含H 2 S废气经过约20%的填料高度，H 2 S的去除效率即达到最大值，造成填料床层的极大浪费。BTF中最大去除效率和循环喷淋液相中的H 2 S浓度以及进气浓度有关，较高的H 2 S进气浓度和喷淋液相浓度使得液相中H 2 S浓度达到饱和，从而限制了气相中H 2 S的去除。当气体入口流速增大至0.3 m/s时，BTF中H 2 S出口去除率仅出现轻微的下降，但H 2 S去除率沿塔轴向分布的均匀性明显增加，BTF的去除负荷也得到提升。从图5(b)可以看出，由于采用循环喷淋，液相中H 2 S入口浓度等于出口浓度，这使得液相H 2 S浓度在BTF中间达到最大值。液相H 2 S浓度及其最大值随进气速度的增大而增大，这和Gaszczak等 [ 29] 道的结果类似。

图5不同进气速度条件下气相和液相中的无量纲H2S浓度沿塔轴向分布趋势Fig.5Dimensionless H2S concentration in gas phase and liquid phase along the axial direction of the BTF at different inlet velocities

在实际除臭过程中，特别是在处理高负荷H 2 S时，液相中H 2 S浓度会随喷淋液的不断循环而不断增大。由前面的讨论可知，液相中H 2 S浓度直接决定了气相中H 2 S的最大去除效率。循环喷淋液相中初始H 2 S浓度对塔轴向H 2 S浓度分布的影响如图6所示。从图6可以看出，随着液相H 2 S浓度的增加，气相中H 2 S的去除效率降低。这主要是因为浓度梯度减小，导致H 2 S的相间传质通量下降。根据模拟结果，推荐的喷淋浓度应低于饱和溶解度浓度的10%，否则BTF的除臭性能将大打折扣。此外，液相H 2 S浓度的增加程度随喷淋浓度的增加而减小。当喷淋浓度为半饱和时，液相H 2 S浓度几乎保持不变。

图6不同循环喷淋液相H2S浓度条件下气相中的无量纲H2S浓度沿塔轴向分布趋势Fig.6Dimensionless H2S concentration in gas phase along the axial direction of the BTF at different H2S concentrations in the recirculated liquid phase

3 结 论

（1）在较高的H 2 S进气浓度条件下，相比于单基质模型，双基质模型预测的结果更加准确。

（2）生物膜中传质-生物降解过程需要0.75 s才能达到稳定状态。

（3）生物膜厚度是决定生物降解反应速率分布的重要参数之一。较厚的生物膜使得内扩散阻力增大，进而导致生物降解反应速率分布的不均匀性增大，O 2 浓度对生物降解速率的影响将越来越显著。

（4）进气速度对H 2 S的去除率有显著影响，适当增大进气速度有助于提高BTF的去除负荷；喷淋浓度决定了气相中H 2 S的最大去除率，推荐的喷淋浓度应低于饱和溶解度浓度的10%。

Simulation study on the removal of high concentration H 2 S waste gas by biotrickling filter

XIE Le JIANG Chongwen

Abstract: In this study, a one-dimensional axial dispersion reactor model and a two-substrate biodegradation kinetic model were established for the removal of high concentration H 2 S waste gas by biotrickling filter (BTF). The simulation results of one-substrate model and two-substrate model were compared with each other under different inlet H 2 S concentrations, proving the validity and feasibility of the two-substrate model. Then the dynamic removal process of H 2 S in the biofilm was investigated. Furthermore, the two-substrate model was applied to investigate the deodorization performance of BTF under varying liquid phase H 2 S concentrations and empty bed retention time. Studies have shown that when the H 2 S concentration on the surface of the biofilm is 7589.3 mg/m 3 , the mass transfer-biodegradation process in the biofilm needs 0.75 s to reach a steady state. A thicker biofilm may lead to an increase of the internal diffusion resistance and the nonuniformity of biodegradation rate. Thus, the O 2 concentration has a significant effect on the biodegradation rate. The inlet velocity and spray concentration can significantly affect the removal rate of H 2 S in BTF.

Keywords: biotrickling filter；hydrogen sulfide；mass transfer；model；reaction engineering