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有機廢氣治理-VOC廢氣的生物處理原理和技術應用
含有揮發性有機化合物廢氣(VOC廢氣)的生物處理原理和技術應用。對在德國應用較廣的生物濾池和生物洗提工藝的工作原理、適用范圍、工藝設計的基本要求進行了說明。通過和其他VOC廢氣處理工藝進行的經濟技術對比,表明了生物處理工藝在其適用范圍內的優越性。
關鍵詞:揮發性有機化合物 廢氣生物處理 生物濾床 生物洗提反應器
在塑料、橡膠加工、油漆生產、汽車噴漆和涂料生產等諸多工業領域中,工業品的生產和加工過程產生了大量含有揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds,VOC)的廢氣(VOC廢氣)。這些廢氣未經處理排入大氣,在一定條件下會形成光化學污染,影響大氣質量,影響動植物生長和人類的健康。某些有毒VOC廢氣有致殘、致畸、致癌作用,對長期暴露其中的人體造成嚴重傷害
[1]。為此,各國頒布了相應的法令,限制該類氣體的排放,我國于1997年頒布并實施的《大氣污染綜合排放標準》,限定33種污染物的排放限值,其中包括苯、甲苯、二甲苯等揮發性有機物。
對VOC廢氣的治理,有多種處理技術可供使用。但對于VOC濃度低、風量大的廢氣,傳統工藝存在投資運行費用高、處理效率低和處理后存在二次污染等問題。近年來,逐漸發展的廢氣生物處理技術作為一種新型的空氣污染控制技術,得到日益廣泛的應用。該項技術與傳統的燃燒法、催化氧化法、吸收法、吸附法相比,對VOC低含量廢氣的處理有明顯的優勢[2]。本文主要介紹現行的德國廢氣生物處理技術,以期對我國相應技術的推廣應用起到借鑒作用。
1、 廢氣生物處理工藝
1.1 生物處理原理
廢氣的生物處理技術首先應用于農業生產過程中異味氣體的處理,例如養殖業中動植物加工產生的臭氣、堆肥發酵和生物污泥廢氣處理等。隨著工業生產中產生的揮發性有機氣體的污染日益嚴重,這項技術逐步應用到工業廢氣凈化領域。其凈化的基本原理是:有機廢氣或異味氣體流經帶有液體吸收劑的處理器;在處理器中,由于廢氣中的污染物在氣、液相之間存在濃度梯度,濃度差使其從氣相轉移到液相,被生存其中的微生物吸附;通過微生物的代謝作用,有機物被分解、轉化為生物質和無機物。
1.2 反應處理工藝分類
生物處理技術的基本工藝流程以生物過濾為例,如圖1所示,廢氣經過一定的除塵、溫度和濕度調節,進入生物處理單元,經過微生物的處理,氣體可以達標排放。
圖1 有機廢氣的生物處理工藝流程圖
根據處理運行方式不同,處理工藝主要分為生物濾床工藝和生物洗提工藝兩種。
1.2.1 生物濾床
廢氣流經生物濾床(見圖2)中的活性濾層,有機物被濾料上的濕潤水膜吸收,通過濾料上生活的微生物的代謝作用而降解。
(a)生物濾床示意圖 (b)多層布置的生物濾床
圖2 生物濾床
生物濾床主要由進氣系統、布氣承托層、生物濾層和維護裝置組成。在生物濾床處理廢氣過程中,微生物的活性和數量對處理效果具有決定意義,它們取決
于如下因素:進氣流量、溫度和濕度;廢氣中物質組成;濃度的穩定性和水溶性;氧氣和營養物的供給;濾床的布置和溫度、濕度保持;濾料的選擇;濾床中的pH控制等[3]。
濾料影響微生物的生長,從而直接影響凈化效果。濾料選擇必須考慮濾料的孔隙率、孔徑分布、比表面積、親水性、自身氣味、pH等參數。在工程實踐中,一般可選擇有機濾料或無機濾料。無機濾料選擇比表面積大,有一定強度的無機填料,如加氣混凝土、多孔陶粒、熔巖顆?;虻V渣等。有機濾料主要有腐殖樹皮、植物根須、枝杈、鋸末、泥炭等及其混合物。由于有機濾料廉價易得,獲得廣泛的應用。有機濾料濾層一般高度在0.5~1.2 m。運行3~5年后,由于密實度增大造成阻力增大,應進行更換;更換濾料時,宜分次進行,以保持濾料中微生物種群的穩定。
1.2.2 生物洗提工藝
生物洗提工藝采用了污染物的液體吸收和生物處理的聯合作用[4]。廢氣首先被液體(吸收劑)有選擇地吸收形成混合污水,再通過微生物的作用將其中的污染物降解。根據污水處理的方式(吸收劑再生方式)不同,可分為活性污泥法和生物膜法(生物滴濾池),構筑物示意圖如圖3、圖4所示。
圖3 生物洗提—活性污泥法示意圖 圖4 生物滴濾池示意圖
從圖3中可以看出,生物洗提-活性污泥法是將吸收劑(水和微生物的混合液)和廢氣在吸收塔內采用通過噴淋、填料填充或曝氣等方式進行混合,溶解于水的有機物被微生物吸附,排入活性污泥反應器后進一步被降解,吸收劑得到凈化再生和重復使用。因為吸收劑的再生速度不受處理負荷和吸收速度的影響,所以這種方法適用于處理生物降解速度較慢的有機物。
圖4所示滴濾池中的填料上生長有大量生物膜,當廢氣通過其間,有機物被
生物膜表面的水層吸收后被微生物吸附和降解,得到凈化再生的水被重復使用。在生物洗濾過程中,吸收劑的再生效率影響廢氣的吸收、凈化效果和系統的能耗高低,這主要取決于污水處理效率的高低。而影響生物洗提工藝處理效果的因素有:廢氣中有機物水溶性和生物降解難易程度;進氣溫度、粉塵和有毒物質含量;對微生物的曝氣和營養物質供給(如N、P等);水的溫度、pH、含鹽量和新鮮淡水的補充情況。
2 生物反應器的應用和經濟技術比較
2.1 應用范圍與設計參數確定
廢氣生物處理的主要適用范圍是:去除異味氣體和含VOC廢氣濃度較低的廢氣,廢氣中TOC(總有機碳)<1000 mg/m3;氣體流量 ≤50000 m3/h,氣流均勻且連續;廢氣的溫度一般 ≤40 ℃,生物濾床工藝同時要求進氣濕度>95%;廢氣組分易溶于水,易生物降解[5]。對廢氣中各種組分的降解情況如表1所示,可作為工藝設計的選擇依據。
工程設計中,需要同時考慮廢氣中氣體組分的種類、濃度,反應器中有效接觸時間。反應器的尺寸由面積負荷:m3氣體/(m2過濾面積·h);接觸時間:s;體積負荷:gTOC/ (m3過濾體積·h);或:氣味單位GE/(m3過濾體積·h);或:m3氣體/(m3過濾體積·h)等參數確定。
實際工程中,反應器尺寸可參考同類生產企業的經驗值估算,并應進行中試實驗,以優化設備尺寸,降低投資。表2、表3分別給出不同種類企業應用生物濾床和生物洗提工藝的情況。從兩種工藝的應用可以看出,生物濾床工藝對氣味
和易溶性有機氣體去除效率較高,而生物洗提能夠用于生物降解性較差的VOC廢氣處理。
2.2 與其他工藝的經濟技術比較
在對含VOC廢氣處理工藝的選擇中,在技術領域應考慮如下因素:VOC的去除效率;廢氣性質(廢氣中有機物的組成、VOC含量、廢氣流量、氣味指標);可用建設面積;技術經濟使用期;必要的附屬設施建設(如:水蒸氣生產設施);與原有治污設備的配套;有機溶劑的回收等。經濟上主要考慮投資、運行費用和財務風險。各種工藝的初步選擇依據如表4所示。
3、小結
隨著國內對環境質量的要求不斷提高,揮發性有機廢氣的治理工作正逐步開展。生物處理方法利用微生物的代謝作用,對中、低濃度有機廢氣進行處理,具有適應性強,投資、運行費用低,二次污染小等優點,是一種自然的污染治理技術。這種方法的不足主要有:對氣體水溶性和生物降解性有要求,反應器啟動、微生物馴化、處理過程持續時間較長,運行中必須提供足夠的營養元素和氧氣等。今后的研究工作應主要集中在填料選擇、適宜菌種篩選和固定化、反應器優化設計及其組合應用等方面,為工藝的進一步推廣應用提供技術參數。
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