DBD协同CuOMnO2耦合生物滴滤塔降解氯苯的工艺性能分析

环境科学学报ActaScientiaeCircumstantiae1DOI:10.13671/j.hjkxxb.2016.0220DBD协同CuO/MnO2耦合生物滴滤塔降解氯苯的工艺性能分析聂国锋，李莎，姜理英，陈建孟，朱润晔，成卓韦，叶杰旭浙江工业大学环境学院，浙江杭州，310032摘要：本研究以氯苯为目标污染物，选择CuO/MnO2作为耦合系统中的催化剂，采用介质阻挡放电（DielectricBarrierDischarge，DBD）技术协同催化作为生物系统的预处理技术，开展废气净化的研究。实验发现，耦合生物滴滤塔（BiotricklingFilter，BTF）和单一生物滴滤塔系统分别在13d和15d内完成挂膜，氯苯的去除率分别达到100%和97%。稳定运行期，EBRT为90s时，单一BTF在处理低进气浓度氯苯废气时，去除效果和耦合系统的去除效果相当，进气浓度较大时，耦合系统的处理效果要明显优于单一BTF。EBRT缩短至45s时，无论氯苯进气浓度高低，耦合系统的处理效果均优于单一BTF。单一BTF的最大去除负荷（Eliminatorycapacity，ECmax）为41g∙m-3∙h-1，而在同样实验条件下，耦合系统未达到ECmax，而耦合系统和单一BTF对氯苯的矿化率分别为95%和86%。DBD协同催化能有效改善BTF对于高进气负荷氯苯废气的处理,预处理工艺能强化BTF对氯苯废气的彻底净化。通过对各功能单元对去除系统的贡献分析，DBD协同CuO/MnO2工艺主要负责转化氯苯，BTF下段填料主要负责预处理工艺产生中间产物的矿化，BTF上段填料主要负责剩余氯苯去除及其矿化。关键词：介质阻挡放电；氯苯；生物滴滤塔；CuO/MnO2；降解文章编号：中图分类号：文献标识码：AChlorobenzeneremovalinthecouplingsystemconsistingofDBDwithCuO/MnO2andbiotricklingfilterNIEGuo-feng,LISha,JIANGLi-ying,CHENJian-meng,ZHURun-ye,CHENGZhuo-wei,YEJie-xuCollegeofEnvironment,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,ChinaAbstract：Chlorobenzene,arecalcitrantVOC,wasemployedasthetargetcontaminant,andplasma-catalysis,CuO/MnO2asthecatalyst,wasutilizedasapretreatmentofbiotricklingfilter(BTF)inthisstudy.Duringthestableoperationperiod,whentheresidencetime(EBRT)was90s,theremovalefficiencybetweenthecombinedsystemandthesingleBTFreactorhadnodifferenceatlowchlorobenzeneconcentration,whilethetreatmenteffectoftheformersystemisbetterthanthatofthelatterreactorunderhighconcentration.WhenEBRTwas45s,theremovalefficiencyofthecombinedsystemwassuperiortothesingleoneunderbothlowandhighchlorobenzeneconcentration.Themaximumeliminatorycapacity(ECmax)ofsingleBTFwasabout41g∙m-3∙h-1,whileonthesameexperimentalconditionECmaxdidn’tmeetinthecombinedsystem.ThemaximummineralizationrateofthesingleandcombinedBTFwasstabledat95%and86%,respectively.DielectricBarrierDischarge(DBD)-catalysiscouldimprovethehighloadwastegastreatmentbyBTFeffectively,andthepretreatmentprocesscouldpromotethepollutantsdegradationinBTF.Throughtheanalysisofeachfunctionunit'scontributingtotheremovalsystem,itwasfoundthattheDBD-catalysisprocesswasmainlyresponsiblefor基金项目：国家自然科学基金(No.21276239)，浙江省自然科学基金(No.LY14E080009)，浙江省科技厅国际合作项目(2013C24003)SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.21276239),theNaturalScienceFoundationofZhejiangProvince（No.LY14E080009）andtheDepartmentofInternationalCooperationProjectsinZhejiangProvince(2013C24003)作者简介：聂国锋（1990—），男，硕士，E-mail：[e-mail]；*通讯作者（责任作者），E-mail：[e-mail]：NIEGuo-feng(1990—),male,E-mail：[e-mail]；∗Correspondingauthor,E-mail：[e-mail]2016-05-3116:21:11环境科学学报ActaScientiaeCircumstantiae2conversionofchlorobenzene,theupperBTFpackingwasmainlyresponsibleforthetreatmentofresidualchlorobenzeneanditsmineralization,andtheBTFlowlayerwasmainlyresponsiblefordegradingintermediatesproducedinthepretreatmentprocess.Keywords:DielectricBarrierDischarge;Chlorobenzene;BiotricklingFilte;CuO/MnO2;Degradation引言(Introduction)随着现代工业文明的快速发展，挥发性有机化合物(VolatileOrganicCompounds，VOCs)的污染问题越来越严重,已经成为目前最突出的环境问题之一。VOCs气体由于毒性高、积聚性和持久性等特点，对环境和人体健康都存在严重的危害，如光化学烟雾、对人体的“三致效应”等（CarterW.P.etal,1997;PittenFetal,2000;YassaaNetal,2001;SunessonALetal,2006;FanCetal,2009）。因此，VOCs的污染控制刻不容缓。而随着生物技术的日趋成熟，生物法净化有机废气已广泛应用于化学工业排放的废气和其他气态污染物的治理，尤其是易于生物降解的有毒污染物的去除(DelhomenieCetal,2001;PopovV.O.etal,1999;JorioHetal,1999)。与传统的物理和化学法(Kennes,C.etal,1998;CaiZ.Letal,2009;AmariAetal,2010)相比，生物法具有处理费用低、能耗小、工艺设备简单、二次污染小等特点(YangC.P.etal,2008)，适于处理大批量低浓度废气(KennesCetal,1998)，从而得到广泛应用。目前，生物法处理易水溶易生物降解VOCs的技术已相当成熟，而对于难水溶难生物降解的VOCs由于其固有的物性，难以获得较为理想的去除效果。目前，以高级氧化作为生物净化的预处理在这类VOCs净化中引起了研究者的兴趣，报道较多，如紫外光解(ChenJ.Metal,2010;ChengZ.Wetal,2011)、紫外光催化(MoussaviGetal,2007)等。这些预处理技术可以显著的缩短反应时间、提高转化效率，并可以通过人为调控反应过程，实现污染物的定向转化，有利于后续生物净化的彻底去除(SarriaVetal,2001;BijanLetal,2004;BijanLetal,2005)。特别是近年来发展起来的低温等离子体技术（Non-thermalPlasmas，NTP）由于其在常温常压下进行，具有处理效率高，运行费用低，适应范围广的特点，在处理VOCs污染上有独特的优势，受到普遍关注和研究(林云琴等,2005;Vandenbroucke,A.M.etal,2011)。复旦大学郑光云等(2001)采用介质阻挡放电产生低温等离子体,处理甲苯废气时发现：甲苯的去除率可以达到100%,主要产物为CO2和H2O。然而单独等离子体不能彻底地将有害气体转化为无害气体，易产生一些副产物，缺乏选择性，能耗较高(林云琴等,2005;郑光云等,2001;MonicaMetal,2011)。而将等离子体耦合催化剂之后解决了低温等离子体净化方法所不能解决的问题。催化剂可选择性地降解等离子体反应中所产生的副产物，从而减少副产物的产生，提高碳平衡；Monica等(2011)利用等离子体-Ag/Al2O3耦合去除甲苯,发现相同条件下耦合系统的二氧化碳选择性比单独等离子体提高了25%。Delagrange等(2006)利用MnO/AC催化降解240ppm的甲苯,其能量效率较单独使用等离子体提高一倍。介质阻挡放电(DielectricBarrierDischarge，DBD)是低温等离子体的放电形式之一，可做为生物系统的预处理技术。Hakjoon等(2009)利用介质阻挡放电与生物滴滤塔(BiotricklingFilter，BTF)耦合去处理难生物降解VOCs气体，可以显著的提高其去除效果。采用耦合系统处理VOCs气体不仅提高了对污染物的去除效果，而且避免了单一技术的不足，减少副产物的产生，是一种很有前景的污染物处理技术。目前，已报道的生物滴滤塔(Biotricklingfilter,BTF)处理的VOCs和恶臭气体主要有(LesonG.etal,1991;FranckLetal,1998;MathurA.Ketal,2006;王爱杰等,2008;ChengS.Letal,2004)：醇类、脂类、醛类、酮类、单环芳烃，以及氨和硫化氢等。而且，生物滤塔净化VOCs废气的研究重点主要集中在降解机理的探讨(ChengS.Letal,2004)，动力学分析(MathurA.Ketal,2008)，运行工况(MoammadB.T.etal,2007)的研究等方面，而本研究着重考察等离子体法、催化以及BTF三者耦合降解氯苯废气的长期稳定运行性能，并和单一BTF工艺条件运行作比较，以期为VOCs在工业上的高效、低能耗、彻底净化降解提供理论依据和技术支持。环境科学学报ActaScientiaeCircumstantiae31材料与方法(MaterialsandMethod)1.1实验装置DBD协同CuO/MnO2耦合生物滴滤塔的实验装置如图1所示，主