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不同生物處理廢氣技術的工藝流程與適用性分析

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點擊次數:736 更新時間:2018年08月02日11:18:25 打印此頁 關閉

生物法處理技術最早可以追溯到1950年,起先主要是用于降解空氣中的低濃度惡臭物質。1957美國科學家申請了第一個生物法處理廢氣專利。1970-1980年,生物法在廢氣處理中的應用引起了世界各國的重視,并在歐洲和日本等發達國家得到了迅速發展。近年來,荷蘭、德國、日本等國家已經有相當數量工業規模的各類生物處理廢氣裝置并且投入工業化運行,實際運行的生物法處理廢氣裝置對污染物的去除率可達90%以上。國內許多研究機構包括清華大學等也對生物法處理有機廢氣進行了深入研究,但目前基本都處于試驗室階段,還未能實現大規模的工業化推廣。不過,未來生物法在我國具有較為可觀的應用前景。

目前主流的生物處理廢氣工藝有三種。按照微生物群落和液相形式,可分為生物過濾、生物滴濾和生物洗滌工藝。同時還有轉鼓生物過濾器、生物板式塔和膜生物膜法等新型工藝。以上生物法處理廢氣的簡易工藝流程如下圖所示。

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生物過濾工藝



生物過濾工藝是利用有較強吸附能力的填料如松樹皮、活性炭、陶粒、堆肥等完成對廢氣污染物的吸附,填料中有大量的微生物,微生物通過吸收捕獲廢氣中的污染物,通過微生物的代謝作用完成對污染物的降解。

在生物過濾器工藝中,廢氣先通過加濕,然后進入生物過濾床。濕潤的污染氣流通過固定有混合菌種的多孔填料,經凈化后氣體被排出生物過濾器系統。生物過濾器一般不需要額外補充營養物質(營養不足時,可以偶爾噴灑,主要是補充氮源或者是磷源),這是因為生物過濾器的填料通常是土壤,堆肥,泥炭,木屑,樹皮,顆粒活性炭和塑料材料或者數種材料混合使用,所以本身就為微生物的生長提供了足夠的營養以及微量營養素。生物過濾器中填料大多包含豐富的菌種,當然也可以額外接種微生物。生物過濾工藝的核心是生物過濾床,理想的生物過濾床應有如下重要特征:(1)用于微生物膜生長以及氣/生物膜傳質的高比表面積;(2)高空隙率,以促進氣體均勾分布;(3)良好的保水能力,避免床層干燥;(4)存在有效的固有營養物質;(5)存在密集的和多樣化的固有菌群。

生物過濾工藝處理廢氣具有工藝簡單、操作方便、運行成本低和處理效果好等優點,而且菌種附著在固定填料上比較穩定不易流失。當然,生物過濾工藝也有著自身的局限性,只適合處理溶解度高、易生化降解的VOCs,尤其是對高濃度廢氣處理效果較差,耐沖擊負荷能力弱,濾床需要定期更換等缺點。


生物洗滌工藝


生物洗滌工藝是一個由裝有惰性填料的吸收器和一個活性污泥反應器組成的懸浮活性污泥處理系統,吸收器內的惰性填充材料,其主要用于增加氣液相的接觸面積,而不是作為生物相的載體。洗滌循環液從吸收室頂部噴淋而下,使廢氣中的污染物和氧氣通過溶解和吸附作用實現從氣相至液相的轉移,部分的有機物被直接降解,大部分的有機物進入到活性污泥處理系統,通過活性污泥系統實現有機物的降解,洗滌循環液在活性污泥系統中通過曝氣再生。目前,大多數生物洗滌器的運行是以污水處理廠的活性污泥作為接種。

生物洗滌工藝的優點是阻力小壓降低、填料由于具有較大的孔隙率因此不易堵塞,不需要定期更換填料,運行過程和反應條件易于控制。但是,其適合治理易溶VOCs,如醇、酮類(Henry系數<0.01),污染物濃度一般低于5000 mg/Nm3、氣液傳質的比表面積較小(通常<300 m2·m-3);由于生物洗滌工藝所需的運行設備較多,運行成本較高,且不宜處理進氣流量較大的廢氣,在一定程度限制了生物洗滌工藝在處理工業廢氣中的應用。



生物滴濾工藝



生物滴濾池,是一種介于生物過濾法和生物洗滌法之間的處理工藝。相比生物過濾器,生物滴濾器中所用的填料是陶瓷、木炭、聚丙烯小球、顆粒活性炭等惰性材料,其不能提供微生物生存以及生長的營養物質。填料只是作為生物生長的載體,但其填料空隙率比生物過濾器高,使用壽命更長,流體阻力小。生物滴濾器整個系統的正常工作必須要有營養液,并通過循環泵將營養液噴淋到吸收塔內的填料上,營養液中一些營養物質(主要是氮源,磷源以及一些痕量元素)外,還起到了調節pH和控制塔內濕度的作用。有機氣體在進入吸收塔前也需要加濕,然后被惰性載體上的生物吸附并降解。

相比而言,生物滴濾器能處理范圍更廣的污染物,承受更大的污染負荷。這是因為生物滴濾器內的環境條件更好控制,而且潛在的有毒、頑固代謝產物會從系統中被清除出去。需要注意的是,生物滴濾器基于滴流的機制,因此這種工藝更適合于水溶性VOCs(Henry系數<0.1),當然由于微生物和污染物之間的接觸是同時發生的,所以對于VOCs在水中溶解度沒有生物洗滌器要求那么高。另外,由于微生物和污染物之間的接觸發生在VOCs擴散到液膜之后,所以對生物滴濾器運行而言,液體流速和循環速度被認為是影響其性能的重要參數。

生物滴濾池的優點在于其運營和投入成本低;日常操作簡便;可以人為投加必須的營養物,并調節pH值;適合中高濃度的污染物氣體凈化。但也有自身的局限性,比如因為塔內微生物的快速繁殖導致的填料層堵塞,壓降升高,生物滴濾系統的運行效率下降,必須采取反沖洗等方法來恢復生物滴濾系統的功能,目前常用的防治填料層堵塞的方法有漫灌沖洗法、酸/堿反沖洗、營養限制等。

生物板式塔

生物板式塔的基本結構類似于生物滴濾池,與其不同的是在吸收塔內不是填料而是一堆在邊界上有孔的平行圓板,相鄰兩個圓板的放置必須使孔交替平行。通過這種方式,營養液不斷改變方向自上而下的流經每塊塔板,氣相(含VOCs廢氣)則以逆向自下而上流動。生物膜則平行生長在每塊塔板上,塔板表面一般較為粗糙,這樣有助于生物膜粘附。

生物板式塔根據所需要的操作時間可以調節總的表面積和塔板之間的空間,同時由于其恒定的表面接觸面積使過程中更容易建膜和規模擴大化。相比生物過濾器、生物滴濾器而言,其對于生物相的分析更為方便,且不容易發生由于微生物過度生長而引起的堵塞等問題,即使當塔板生物膜的厚度達到最大值時也易于替換,性能更穩定(生物活性穩定),能長時間地工作,操作也更加方便

轉鼓生物過濾器

與生物洗滌類似,轉鼓生物過濾器也是由廢水生物處理技術所演化而來。它的設計在一定程度上解決了生物過濾器中固有的問題。

轉鼓生物過濾器的主體為水平圓筒,其安裝在兩端固定的轉軸(中空)上,圓筒約有30%至40%的面積浸沒在水槽中,微生物則附著在轉筒上。污染物氣體進入密封的反應器后,進而吸附在轉筒介質上(如活性炭,海綿等)。當轉筒轉動時,微生物經過水域并獲得其它營養物質后將污染物分解,并由中空轉軸排出反應器。結構上多盤式和單盤式類似,只是在微生物的載體以多片同心水平圓筒代替單個水平圓筒。混合式轉鼓生物過濾器可以看作多轉盤式鼓生物過濾器與活性污泥工藝的結合,不同于多盤式的是其將污染物進氣口設在水面以下。

一般而言,轉鼓生物過濾器中生物質主要分布在最外層。其中單盤式筒體最外層上生物質分布均勻,但生物質隨著筒體深度而呈現出非均勻分布。而多盤式除了在最外層,內層生物質分布也相當均勻,這表明其能夠有效防止氣體短路,從而獲得更好的性能。多盤式轉鼓生物過濾器可以長期運行在較髙的污染物負荷以及有介質清洗的情況下。但尚未有該項技術在實際應用的實例。

膜生物膜反應器

在典型的膜生物膜反應器中,微生物依附在膜的一側,膜作為微生物群落生長的載體,并為氧氣和揮發性有機物的傳質提供了巨大的比表面積。膜被生物膜所覆蓋的那一側浸潤在液相中,液相提供營養物質,進而可以控制生物相。而氣相中的污染物通過纖維膜微孔擴散到達生物相(生物膜),然后好氧微生物以氧氣為電子受體將VOCs降解。膜生物膜法處理廢氣有如下優勢:

(1)不會發生氣相阻塞,壓力降小,但在傳統的生物法堵塞問題較為嚴重,尤其是生物過濾器;(2)可以持續不斷地去除過剩生物質,因此在VOCs負荷較高的情況下可以防止反應器堵塞;(3)耐沖擊負荷能力較強,但最大污染負荷受到膜極限的限制,而傳統生物法耐沖擊負荷能力差,與營養狀態有關,最大污染物負荷速率為50-300 g/(m3·h),50- 2000ppmv; (4)可以去除生物降解過程中所產生副產物,可以添加pH緩沖劑中和酸性代謝產物和提供微生物生長的營養物質,并提供微生物群落生長的載體。(5)可以去除水溶性較低的污染物如NO或甲烷,而傳統生物法則由于傳質受限導致去除率低;(6)微生物與氣相分離,防止了載體中的微生物進入空氣,因而可以應用于室內控制的治理;(7)處于氣流的最佳濕度,普通生物其則需要額外加濕裝置;(8)氣、液相獨立控制,進而防止了溢流或發泡,而傳統生物法則很大程度上取決于操作過程。

相比傳統的三大生物反應器(生物過濾器,生物洗滌塔和生物滴濾池),膜生物膜法雖擁有諸多優勢,但目前仍停留在實驗室研究階段。

參考文獻:

[1] 王震文:膜生物過濾技術凈化工業廢氣中揮發性有機化合物性能研究。

來源:VOCs管理與技術交流驛站公眾號

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