CN101530732B - 处理有机废气的光催化和微生物联用方法及设备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种处理有机废气的光催化和微生物联用方法。同时，本发明还公开了所述处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备与及其应用。本发明所述处理有机废气的光催化和微生物联用方法包括物理除尘、光催化剂催化氧化以及微生物净化等步骤，能有效去除有机废气中的总悬浮颗粒物，废气中的挥发性有机物。本发明所述的处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备应用于工业有机废气的处理，特别适用于各种工业有机废气排放车间有机废气的处理。

Description

处理有机废气的光催化和微生物联用方法及设备与应用

技术领域

本发明涉及一种处理有机废气的方法，更具体地说，本发明涉及处理有机废气的光催化和微生物联用方法。同时，本发明还涉及用于上述处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备与应用。

背景技术

近年来光催化技术治理有机废气中有机物的污染问题目前已成为热点问题。有机废气包含挥发性有机物，如三苯废气等，和半挥发性有机物，如多环芳烃、多溴联苯醚等。有机废气中微量毒害有机污染物由于其浓度较低，难以在后续过程中充分接触和去除，因而使得一些控制技术花费较多且相对困难。气-固相光催化氧化对去除微量有机污染物存在一定的潜在优势。但是，由于气-固相光催化氧化的反应速率较慢，且有可能会在反应的过程中生成比原反应物更加剧毒的中间产物。因此，为了富集低浓度有毒物质于光催化剂表面以提高光催化剂催化效率以及防止反应中生成的毒性更大的微量中间副产物扩散到大气环境中，研究人员采取的最主要的措施是使用比表面积较大的物质，如活性炭作为添加剂添加到纳米二氧化钛催化剂上。这种措施有效地提高了光催化剂的催化效率和使用寿命。但是，在流量大的工业有机废气处理过程中，由于有机废气在光催化氧化装置中因为停留时间不够长，导致光催化反应剂不能有效地、较完全地氧化废气中的有机物。另外，随着光催化剂处理有机废气的时间延长，光催化剂的催化效率会随着处理负荷的增加而有所降低。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有的技术的不足，提供一种处理有机废气的光催化和微生物联用方法。

本发明的另一目的在于提供用于上述处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备。

本发明还提供了上述用于处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种处理有机废气的光催化和微生物联用方法，包括以下步骤：

(1)物理除尘：通过集气罩收集有机废气，再经袋式除尘器将有机废气中粒径大于2.5μm的颗粒物去除；

(2)光催化剂催化氧化：除尘后的有机废气进入光催化反应器，在负载在活性炭纤维丝上的光催化剂的作用下，有机废气中的大部分挥发性有机物分解为小分子有机物或矿化为CO₂和H₂O；

(3)微生物净化：经光催化剂催化氧化的有机废气进入生物滴滤塔中，废气中残留的有机物在微生物的作用下，进一步被降解。

所述有机废气为各类工业有机废气，特别为苯系物有机废气。

为了更好得到更好的除尘效果，在步骤(1)中，收集后的有机废气在进入袋式除尘器前，通过冷却装置冷却。

步骤(2)中所述光催化剂为负载在活性炭纤维丝上的纳米TiO₂光催化剂或者纳米ZnO-SnO₂复合氧化物光催化剂。

步骤(2)中所述光催化剂需被紫外光激发，才能分解有机废气中挥发性有机物质。

步骤(3)中所述微生物为美国商业化高效优势菌种B350。

用于所述处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备，包括集气罩、袋式除尘器、光催化反应器和生物滴滤塔；集气罩、袋式除尘器、光催化反应器和生物滴滤塔通过管道依次相连；其中，袋式除尘器和光催化反应器之间依次接有风速压力表和风机。

为了更好地实现本发明，在所述集气罩和所述袋式除尘器之间设置冷却装置。

所述光催化反应器为流过式光催化反应器，详细结构见ZL200420088717.8，其中的光催化剂为负载在活性炭纤维丝上的纳米TiO₂或者纳米ZnO-SnO₂复合氧化物光催化剂。

所述生物滴滤塔为普通的生物滴滤塔，内部设置1～6层填料层。

所述填料层由微生物与填料组成，其中的微生物为美国商业化高效优势菌种B350；其中的填料为能负载微生物的有机多孔填料、无机多孔填料的一种或者两种混合物。

所述有机多孔填料为聚氨酯泡沫、塑料多孔微球的一种或者两种。

所述无机多孔填料为多孔陶粒、拉西环或活性炭的一种或至少两种混合物。

所述填料优选为拉西环和多孔陶粒的混合物。

所述拉西环和多孔陶粒混合物按以下质量百分含量组成：

拉西环    20～80％

多孔陶粒  80～20％。

所述的用于处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备，应用于工业有机废气的处理。

所述的用于处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备，特别适用于各种工业有机废气排放车间有机废气的处理。

本发明的物理除尘步骤中袋式除尘器能有效去除有机废气中的颗粒物，从而减小颗粒物对光催化剂的遮蔽和中毒作用。特别是将有机废气通过冷却装置冷却达到处理温度，再经袋式除尘器除尘，废气中大于2.5μm的颗粒物去除效率达到95％以上。袋式除尘器和光催化反应器之间的风机能提供动力和控制废气的流速，废气的流速大小可以决定废气在催化剂上有效停留和反应时间，从而影响废气的处理效果。在光催化剂催化氧化步骤中，光催化反应器内部的活性炭纤维丝有利于有机废气中的有机分子快速富集在光催化剂的表面，特别有利于对流量大的有机废气的处理。半导体光催化剂在紫外灯的照射下经激发可以产生具有非常强氧化能力的·OH(羟基自由基)，·OH可以无选择性的氧化有机废气中所有的有机物，将其分解为小分子有机物或矿化为无毒无害的CO₂和H₂O，使得小分子有机物有利于微生物的吸收、代谢。在微生物净化步骤中，有机废气中的有机物经过气、液相间的传质过程，在液相中被微生物吸附代谢，产生的代谢物一部分溶于液相，还有一部分(如CO₂)将从液相转移到气相。有机废气中的绝大部分有机物经过光催化氧化和微生物净化后，最终被分解成无毒的无害的CO₂和H₂O。其中，根据有机废气的组分选择能针对有机废气组分进行分解的微生物，培养于能负载微生物的填料上，将培养有微生物的填料装入生物滴滤塔中，形成填料层。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点和有益效果：

(1)处理有机废气的光催化和微生物联用方法通过在前工序的光催化氧化，将有机废气的有机物降解成小分子，提高微生物对有机废气的可生化利用率，另外，微生物通过代谢作用对有机废气的残留有害污染物进一步吸收、降解成无毒无害的CO₂和H₂O，可以保证有机废气完全去除的处理效果；

(2)处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备组合紧凑、占地面积小，微生物培养基通过生物滴滤塔的循环水槽循环使用，不但不会对环境造成二次污染，而且降低成本。根据测试结果表明，采用光催化和微生物联用方法的设备对化工生产车间有机废气苯系物的总处理效率达99％以上。

附图说明

图1为用于处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(1)处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备：如图1所示，光催化和微生物联用方法的设备由集气罩1、阀门2、袋式除尘器3、流过式光催化反应器6(详细结构见ZL200420088717.8)和生物滴滤塔7通过管道依次相连，其中，袋式除尘器3和流过式光催化反应器6之间依次接有风速压力表4和风机5。所述流过式光催化反应器6的光催化剂固定床层为5层，固定床层大小为500×450mm，纳米ZnO-SnO₂复合氧化物光催化剂负载于活性炭纤维丝上。所述的生物滴滤塔7为2L不锈钢罐，内径为400mm，顶端从上往下依次设置有废气进气口、进气控制阀门、布水装置，下部设置有气体出气口8。生物滴滤塔7内部设置有5层填料层，填料层层间距为300mm，外部设置循环水槽，在水泵的作用下，生物滴滤塔7底部的液体通过循环水槽由布水装置向下均匀喷淋液体。在集气罩1和袋式除尘器3之间设置冷却装置。

(2)生物滴滤塔填料层的制备：1L处于对数生长期的美国商业化高效优势菌种B350菌液和2Kg按质量比例为4∶6的大小为12×12×3mm的拉西环和粒径直径为5～6mm的多孔陶粒混合物混合，添加B350菌种的培养基至8L，通氧，使溶解氧DO恒定在4ppm左右，培养3天，得到微生物挂膜的拉西环和多孔陶粒。将微生物挂膜的拉西环和多孔陶粒装入图1的生物滴滤塔7，形成填料层，层高为120mm。

(3)光催化和微生物联用方法的设备运行：

A、物理除尘：通过集气罩1以200m³/h的速度收集有机废气(所述有机废气为苯系物有机废气)，再经袋式除尘器3去除有机废气中95％的总悬浮颗粒物。

B、光催化剂催化氧化：除尘后的有机废气通过风机5调节有机废气进入流过式光催化反应器6的流速，流速为200m³/h。

C、微生物净化：接着，通过生物滴滤塔的进气控制阀门控制气流速度，有机废气以200m³/h进入生物滴滤塔7中，使得有机废气与微生物的进行有效接触以后，排出处理后的有机废气。生物滴滤塔循环液为B350菌种的培养基，循环液喷淋设置为喷淋20min后停8min，反复循环，流量为80L/h。

试验进行中分别于光催化反应器出气口阀门2和气体出气口8定期采集废气样品，进行分析以测定光催化和微生物联用方法对有机废气的处理效果。有机废气开始的最初阶段，光催化后对总苯系物去除效率为88.6％，而经过微生物降解后总处理效率为98.1％。光催化和微生物联用方法的设备运行一个月以后，光催化后对总苯系物去除效率为88％，而经过微生物降解后总处理效率为98.5％。这是由于初期阶段催化剂和紫外灯都处于最佳时期，光催化效率较高，而且此时微生物正处于驯化阶段，微生物处于挂膜期，微生物处理效率未能达到最佳。光催化和微生物联用方法的设备运行一个月以后，微生物成功挂膜，因此后期本三段式组合方法仍能对苯系物进行高效稳定的完全去除。由此可见，不管是在处理的初期还是在后期，光催化技术和微生物技术均可以很好地配合达到有机废气的完全去除。

实施例2

本实施例与实施例1所运行的设备区别仅在于本实施例的光催化剂为纳米TiO₂光催化剂。设备运行条件同实施例1。有机废气开始的最初阶段，光催化后对总苯系物去除效率为89.9％，而经过微生物降解后总处理效率为98％。光催化和微生物联用方法的设备运行一个月以后，光催化后对总苯系物去除效率为89.1％，而经过微生物降解后总处理效率为99.9％。

实施例3

处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备以及生物滴滤塔填料层的制备同实施例1。

在光催化和微生物联用方法的设备运行一个月后，进行流速的变化对光催化和微生物联用方法的设备影响的测试。通过风机调节有机废气进入流过式光催化反应器6的流速，流速为300m³/h，接着，有机废气以300m³/h进入生物滴滤塔7中，对采集的样品进行分析，光催化后对总苯系物去除效率为75％，而经过微生物降解后总处理效率为98.1％。降低有机废气进入流过式光催化反应器6的流速，流速为100m³/h，接着，有机废气以100m³/h进入生物滴滤塔7中，对采集的样品进行分析，光催化后对总苯系物去除效率为90％，而经过微生物降解后总处理效率为99.5％。可见，有机废气的流量对光催化剂的效率影响较大，当废气量较多，有机废气中的挥发性物质来不及完全富集在光催化剂表面，导致光催化剂总体催化效率有所降低，因此，在一定程度上而言，对于具有不同废气排放量的工厂，光催化和微生物联用方法优于单一光催化和生物滴滤塔的单独应用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种处理有机废气的光催化和微生物联用方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)物理除尘：通过集气罩收集有机废气，再经袋式除尘器将有机废气中粒径大于2.5μm的颗粒物去除；

(2)光催化剂催化氧化：除尘后的有机废气进入光催化反应器，在负载在活性炭纤维丝上的光催化剂的作用下，有机废气中的大部分挥发性有机物分解为小分子有机物或矿化为CO₂和H₂O；

(3)微生物净化：经光催化剂催化氧化的有机废气进入生物滴滤塔中，废气中残留的有机物在微生物的作用下，进一步被降解；

步骤(2)中所述光催化剂为纳米TiO₂或者纳米ZnO-SnO₂复合氧化物光催化剂；

步骤(3)中所述微生物为菌种B350。

2.根据权利要求1所述处理有机废气的光催化和微生物联用方法，其特征在于：步骤(1)所述有机废气为苯系物有机废气；所述步骤(1)中收集后的有机废气在进入袋式除尘器前，通过冷却装置冷却。

3.一种用于权利要求1所述处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备，其特征在于：所述设备包括集气罩、袋式除尘器、光催化反应器和生物滴滤塔；集气罩、袋式除尘器、光催化反应器和生物滴滤塔通过管道依次相连；其中，袋式除尘器和光催化反应器之间依次接有风速压力表和风机；

所述光催化反应器为流过式光催化反应器；其中的光催化剂为负载在活性炭纤维丝上的纳米TiO₂或者纳米ZnO-SnO₂复合氧化物光催化剂；

所述生物滴滤塔内部设置1～6层填料层；

所述填料层是由微生物与填料组成，其中的微生物为菌种B350；其中的填料为能负载微生物的有机多孔填料、无机多孔填料中的一种或者两种混合物。

4.根据权利要求3所述处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备，其特征在于：所述集气罩和袋式除尘器之间设置冷却装置。

5.根据权利要求3所述处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备，其特征在于：所述有机多孔填料为聚氨酯泡沫、塑料多孔微球的一种或者两种；所述无机多孔填料为多孔陶粒、拉西环或活性炭的一种或至少两种混合物。

6.根据权利要求3所述处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备，其特征在于：所述填料由拉西环和多孔陶粒按以下质量百分含量组成：

拉西环   20～80％

多孔陶粒 80～20％。

7.权利要求3～6任一项所述的处理有机废气的光催化和微生物联用方法的设备应用于工业有机废气的处理。

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