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      1. 生物法 | 有機廢氣VOCs及惡臭治理工藝技術

        導讀:
        目前,生物法處理有機廢氣在德國、荷蘭、美國和日本等國已得到廣泛的應用,其中生物濾池和生物滴濾塔技術已經十分成熟。Bayer AG,Braintech Gmbh,Roth,Bioteg,HHAS,Monsanto,Comprimo B V 等公司提供的成套裝置已經成功地運用于處理在釀酒廠、食品加工廠、化工廠、紙加工廠和煙草生產廠等地方中產生的有機廢氣。

        目前凈化處理VOCs 有吸收法、吸附法、冷凝法、催化燃燒法、等離子體氧化法、光催化氧化法、生物法等方法。其中,生物法相對于其他凈化方法而言,具有投資低、去除效率高、能耗低、無二次污染等優點,已成為大氣污染控制技術領域的研究熱點之一。生物法包括生物過濾、生物洗滌和生物滴濾法三種工藝。

        一:生物法凈化VOCs原理

        生物法凈化VOCs廢氣的機理如圖1.1所示。VOCs廢氣的生物凈化是微生物通過代謝活動,將廢氣中的VOCs轉化為簡單的無機物(CO2,水等)及細胞組成物質的過程。廢氣的生物凈化過程與廢水的生物凈化過程有很大的區別:對于前者,由于氣、液相(或固體表面液膜)之間的有機物濃度梯度和水溶性的作用,廢氣中的污染物首先要經過氣、液相間的傳質過程,然后在液相中被微生物降解,產生的代謝物一部分溶于液相,一部分作為細胞物質或細胞代謝能源,還有一部分(如CO2)則從液相轉移到氣相。廢氣中的污染物通過上述過程不斷減少,從而被凈化。

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        圖1.1 生物法凈化VOCs機理

        用于降解氣相污染物的微生物種類很多,根據能源利用情況可以分為自養菌和異養菌:自養菌利用無機碳作為能源,因此一般存在于生物除臭塔中;異養菌則是通過氧化有機物來獲得能量,在適宜的溫度、pH值和有氧的條件下,能較快地完成降解過程。在生物濾塔運行初期,微生物對污染物有一個適應過程,其種群和數量分布逐步向適宜于處理目標污染物的情況轉變。在通常情況下,對易降解的有機物,大約需10天時間,而對于難降解的有機物,所需時間則更長。

        二:生物法凈化VOCs的工藝

        2.1 生物洗滌法(Bioscrubbing)

        生物洗滌法的工藝流程見圖2.1。生物洗滌塔由一個吸收塔和一個再生池構成,洗滌液(循環液)自吸收室頂部噴淋而下,廢氣中的VOCs和O2在這個過程中傳入液相。吸收了VOCs的洗滌液再進入再生池(活性污泥池)中,洗滌液中的VOCs被再生池中的活性污泥降解,再生后的洗滌液循環使用。目前,常用的洗滌設備為噴淋塔,也可以采用多孔板式塔和鼓泡塔。一般地,若氣相傳質阻力較大,可用多孔板式塔;反之,液相傳質阻力較大時則用鼓泡法。

        由于生物洗滌器的循環洗滌液需采用活性污泥法來再生,所以在通常情況下,循環洗滌液主要是水,因此,該方法只適用于水溶性較好的VOCs,如乙醇、乙醚等,而對于難溶的VOCs,該方法則不適用。

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        圖2.1 生物洗滌法工藝流程

        2.2生物過濾法(Biofilitration)

        生物過濾法處理VOCs廢氣的工藝流程如圖2.2所示。VOCs廢氣通過增濕塔增濕后進入生物濾塔,流經約0.5~1 m厚的生物活性填料層,在這過程中,污染物從氣相傳入生物相,進而被氧化分解。生物過濾法工藝簡單,易于操作,而且濾料具有比表面積大、吸附性能好的特性,可大大減緩入口負荷變化引起的凈化效率的波動。

        生物過濾反應器的性能參數主要有空床停留時間、表面負荷、質量負荷和去除率,各參數的基本含義及典型范圍見表2.1。這些參數及其范圍實際上也是生物過濾反應器的設計依據。其中空床接觸時間表示的是廢氣經過反應器的相對時間,由于床內充滿填料,而氣體只能在填料空隙間通過或停留,因此氣體的實際停留時間,應該是氣體流量除以反應器的空隙體積。

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        圖2.2 生物過濾法工藝流程

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        生物滴濾是介于生物過濾與生物洗滌的一種生物法廢氣凈化方法。滴濾塔中填充一定體積的惰性填料,為微生物提供一定的附著面。在生物滴濾塔中,液相是連續流動的,且進行一定的循環,如圖2.3所示,循環液由滴濾塔的頂部向下噴淋,并沿著填料滴流而下同時控制著床層的濕度。循環液為微生物提供分解有機物所必需的水分和營養液。VOCs由滴濾塔的底部至上運動,流經表面附有微生物的填料,與微生物接觸后被降解。

        2.3 生物滴濾法(Trickling Biofiltration)

        生物滴濾塔填料的選擇原則與生物過濾塔基本相同,通常采用粗碎石、塑料、陶瓷等無機材料,比表面積一般為100~300 m2/m3。采用這類填料,一方面為氣流通過提供了大量的空間;另一方面,也可降低填料壓實程度,避免由于微生物生長和生物膜脫落引起的填料堵塞。

        與生物過濾塔相比,生物滴濾塔的反應條件(pH值、濕度)易于控制(通過調節循環液的pH值、濕度),故在處理鹵代烴、含硫、含氮等微生物降解過程中會產生酸性代謝產物的污染物時,生物滴濾塔較生物過濾塔更有效。另外,由于生物滴濾塔的反應條件由人為控制,所以濾塔中的環境更適于微生物的生長和繁殖,單位體積填料的生物量較生物過濾塔多,也更適于凈化負荷較高的廢氣。

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        圖2.3 生物滴濾塔工藝流程示意圖

        2.4 生物法工藝比較

        對不同成分、濃度、氣量的VOCs各有其適宜的生物凈化系統。凈化氣量小、濃度大且生物代謝速度較低的氣體污染物時,可采用以穿孔板式塔、鼓泡塔為吸收設備的生物洗滌器,以增加氣液接觸時間和接觸面積,但系統的壓降較大;對易溶氣體則可采用生物噴淋塔;對于大氣量、低濃度的VOCs可采用生物過濾系統,該系統工藝簡單、操作方便。對于負荷較高,降解過程易產酸的VOCs則宜采用生物滴濾法。

        三:國內外研究進展及研究方向

        3.1 國內外研究進展

        目前,生物法處理有機廢氣在德國、荷蘭、美國和日本等國已得到廣泛的應用,其中生物濾池和生物滴濾塔技術已經十分成熟。Bayer AG,Braintech Gmbh,Roth,Bioteg,HHAS,Monsanto,Comprimo B V 等公司提供的成套裝置已經成功地運用于處理在釀酒廠、食品加工廠、化工廠、紙加工廠和煙草生產廠等地方中產生的有機廢氣,它們對VOCs 的去除率在50 %~99 %之間。R.S. Singh等采用木豆秸稈作濾料,研究生物濾池處理甲苯的效率,經過7天的運行系統達到穩定。Estela Pagans等選用城市固體廢棄物中的有機部分和動物副產品堆肥做濾料,研究了生物濾池同時去除NH3和揮發性有機化合(VOCs)的效率,當NH3的負荷在846~67100 mg/(m3·h),其平均去除率為94.7 %。

        我國從20 世紀90 年代起,各高校和研究機構也開展了生物處理VOCs 廢氣的研究。汪群慧等采用裝有ZX02 型特制填料的生物滴濾塔,對某藥廠青霉素生產車間精餾殘液揮發出的含醋酸丁酯、正丁醇和苯乙酸等復雜多組分的混合有機廢氣,進行中試規模的動態連續處理。當醋酸丁酯、正丁醇和苯乙酸的最大進氣質量濃度分別<20000 mg/m3、24000 mg/m3 和370 mg/m3 時,其去除率分別>95 %、92 %和接近100 %。俞敏等報道的某制藥廠生物滴濾處理兼氧池高濃度惡臭廢氣工程裝置。兼氧池惡臭成分主要是H2S,當進氣量為8000 m3/h,有效平均空床停留時間為12.0 s,H2S 進氣質量濃度為394.26~776.52mg/ m3、平均為524.36 mg/ m3 時,H2S 去除率保持在86.53 %~94.79 %,平均去除率為90.60 %;去除負荷為59.14~122.63 g/(m3·h),平均去除負荷為81.47 g/(m3·h)。楊虹等利用生物滴濾器處理味精廠揮發性惡臭廢氣,試驗表明以沸石為填料的生物滴濾器能較好地處理成分復雜的揮發性惡臭氣體,在進氣量<3.0 m3/h、pH 為7.0~8.0、噴淋水量為2.0 L/h、溫度為20~25 oC 的條件下,系統除臭效果較好,能將臭氣強度從4~5 級降至0 級。

        3.2 存在問題及研究方向

        (1)目前,生物法僅限用于處理低濃度有機廢氣,如何將這些技術和方法用于高濃度有機廢氣的治理有待于研究。

        (2)影響污染物去除率的關鍵過程是將污染物從氣相轉移到液相中,目前的大部分研究是對于易溶物和易降解污染物進行處理,在實際應用中將會受到一定的限制,開發出適合于難降解和疏水性污染物處理工藝就顯得尤為迫切。利用基因工程技術開發出高效的降解菌種;添加一定的有機溶劑提高疏水性污染物的溶解性,會提高污染物的凈化率。

        (3)生物法所用填料的比表面積、孔隙率等直接影響反應器的生物量以及整個填充床的壓降及填充床是否易堵塞問題,污染物完成從氣相到液、固相傳質過程,在兩相中的分配系數是處理工藝可行性的決定因素。因此,改善生物濾料、填料的物理性能和使用壽命,以節省投資和能耗。

        (4)在原有菌種的基礎上通過選擇最佳生長條件,篩選出能高效降解VOCs的優勢菌種,從而縮短反應啟動時間,加快生物反應進程,提高處理效率。

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