CN102059047B

CN102059047B - 低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法及其装置

Info

Publication number: CN102059047B
Application number: CN 201010548499
Authority: CN
Inventors: 朱天乐; 孙轶斐; 燕潇
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Shandong Hangyuan Environmental Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2030-11-17
Also published as: CN102059047A

Abstract

本发明公开一种低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法及其装置。有机废气被收集后，依次通过低温等离子体反应器和生物处理反应器处理，最后，通过烟囱排入大气。在低温等离子体反应器内，利用高压放电产生的O₃、OH·、H₂O₂、O·和高能电子等强氧化性物质，使难溶于水、难生物降解多环芳烃、卤代烃、杂环类化合物和有机腈化合物氧化为易溶于水、易生物降解的低碳有机酸、醇和酯等有机化合物。在生物处理反应器内，有机酸、醇和酯等化合物在微生物作用下，进一步转化为CO₂、H₂O和其它无机化合物。上述处理可使废气中所含苯、甲苯、二甲苯、苯酚等难生物降解有机化合物的总净化效率达到90％以上。

Description

低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法及其装置

技术领域

本发明属于环境污染治理技术领域，涉及一种低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法及其装置，更具体地说，涉及借助低温等离子体与生物的互补效应，使有机废气中难溶于水、难生物降解的多环芳烃、卤代烃、有机腈化合物等转化为CO₂、H₂O和其它无机化合的方法及其装置。

背景技术

有机废气广泛产生于石油、化工、焦化、印染、喷涂、屠宰等行业。有机废气的主要处理方法包括吸附、催化氧化和生物处理等。其中，吸附法是利用多孔性固体吸附剂吸附有机组分，以达到分离的目的，主要用于低浓度有机废气的净化处理。该方法净化效率高，无二次污染，操作方便，且能实现自动控制。不足之处是吸附剂的吸附容量有限，需要再生处理吸附剂。若吸附剂一次性使用又会带来处理材料费用高的问题。另外，当废气中含有溶胶状颗粒物或其它杂质时，吸附剂易失效。

催化氧化是借助催化剂的作用实现适度加温的条件下，使废气中的有机组分彻底氧化分解，适用于处理不含卤素、硫化合物等催化剂中毒组分的有机废气。其优点是净化效率高、安全性好、对可燃组分浓度和热值限制较小，大部分有机物在200-400℃即可完成氧化，故辅助燃料消耗少。缺点是工艺条件要求严格，若废气中含有影响催化剂寿命和处理效率的尘粒、雾滴和使催化剂中毒的组分，则不但效率降低，而且催化剂费用高。

将生物处理应用于有机废气处理是一项新兴技术。生物处理的基本原理是在适宜的环境条件下，利用废气中的有机成分作为碳源和能源，并适当补充营养组分和水，以维持生物的生命活动，并将有机物氧化为CO₂、H₂O和其它无机化合物。由于微生物适应性好，而且微生物可利用有机废气中的碳氢化合物作为养料，不断繁衍，不需要类似吸附剂、催化剂那样的专门材料。因此，与吸附、催化氧化处理有机废气技术相比，生物处理技术具有投资及运行费用低、易于管理等优点。但是，生物法处理废气，要求废气中的污染物水溶性好，而且易于被生物降解。然而，苯、甲苯、苯酚、氯苯酚、三氯甲烷等有机化合物或因为水溶性差，或因为生物降解速率缓慢，因而不适用于采用生物法处理。

低温等离子体技术是在外加电场作用下，通过放电产生大量的O₃、OH·、H₂O₂、O·和高能电子等氧化性粒子，这些粒子与有机污染物分子发生一系列复杂的等离子体物理化学反应，从而使有机污染物氧化分解。它的优点是具有广谱净化效应，适用的有机物范围广，抗干扰能力强。大量研究已经表明，低温等离子体可有效分解甲苯、苯酚、氯苯酚、三氯甲烷等难生物降解有机化合物。但是，要求注入的能量在150kJ/m³以上。即使如此，也存在降解不完全，会产生大量有害副产物等问题，因而不能应用于工程实际。

发明内容

本发明的目的是提出一种低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法和装置。是在充分分析低温等离子体处理技术和生物处理技术的优势和不足，基于取长补短的思路提出的。整个处理过程包括低温等离子体处理和生物处理两个步骤，分别在低温等离子体反应器和生化处理反应器内实现。其工艺过程为：含有难降解有机化合物的废气首先进入低温等离子体反应器，在低温等离子体反应器内，依靠注入能量低于80kJ/m³的高压放电，产生O₃、OH·、H₂O₂、O·等氧化性强的活性粒子，它们与难降解有机化合物作用，使后者氧化分解为易溶于水、易生物降解的低分子醇、酸和酯类化合物。从低温等离子体反应器排出的气体进入生物处理反应器，其中所含的低分子醇、酸和酯类化合物溶解于生物处理反应器的液相。在生物处理反应器内，存在大量好氧微生物，它们以低分子的醇、酸和酯类化合物为营养物，使后者转化为CO₂、H₂O和其它无机组分。本发明提供的方法能在投资和运行费用相对较低的前提下，实现有机废气中难降解有机化合物的完全去除，有机废气中的苯、甲苯、苯酚、氯苯酚、三氯甲烷等化合物的去除效率达到95％以上。

为了实现上述低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法，本发明提供了一种实现装置，该装置主要由低温等离子体反应器和生物处理反应器构成，其构成、作用和主要参数如下：

1)低温等离子体反应器

低温等离子体反应器包括反应器本体和高压电源两部分。反应器本体由接地极和放电极构成，接地极有管式和板式两种，其中板式所用板材通常被制成一定的型状，以增大其强度；放电极为具有放电尖端的导电金属体，设置在管式接地极的正中心或均布在板式接地极极板中间。在放电极和接地极之间施加注入能量低于80kJ/m³的正极性高电压时，即可在反应器内形成流光放电，产生O₃、OH·、H₂O₂、O·等氧化性强的活性粒子，它们与难降解有机化合物作用，使其部分分解为易溶于水、易生物降解的低分子醇、酸和酯类化合物。若废气中含有雾粒或其它气溶胶颗粒，则在低温等离子体反应器内，这些溶胶状颗粒会捕获荷电粒子从而自身荷电。在高压电场作用下，这些荷电颗粒将作定向运动，并被电极捕集，从而从气流中分离出来。低温等离子体反应器所需高电压由正极性直流高压电源和正极性脉冲高压电源提供。正极性直流高压的电压峰值为15-50kV；正极性脉冲高压的电压峰值为20-100kV，脉冲频率为50-300次。

2)生物处理反应器

生物处理反应器有生物洗涤塔、生物滴滤塔和生物过滤塔3种形式。在生物洗涤塔中微生物悬浮洗涤液生长，即微生物及其外加营养物共存于洗涤液中，借助液相喷淋或气相鼓泡，可使气相可溶于水的有机醇、酸和酯类化合物转入液相。在生物滴滤塔中微生物附着生长，即微生物附着于固体介质表面，，通过废气与生物膜表面的充分接触，使有机醇、酸和酯类化合物从气相转入膜表面的液相。在生物过滤塔中，废气首先进行增湿，再进入由滤料介质构成的固定塔层时，在吸附、吸收等作用下，实现有机醇、酸和酯类化合物从气相转入过滤膜表面的液相。进入液相的易生物降解有机化合物在好氧微生物作用下，可转化为CO₂、H₂O和其它无机化合物。当有机废气中含有溶胶颗粒时，宜采用生物洗涤塔；当有机废气不含溶胶颗粒时，采用生物洗涤塔、生物滴滤塔或生物过滤塔中的任意一种即可。与单独采用生物处理相比，本发明的优势是能够处理难溶于水或难生物降解的有机污染物，使生物法处理有机污染物的范围大大拓宽。与单独采用低温等离子体处理相比，本发明的优势体现在仅需注入低于80kJ/m³的能量，使难溶于水或难生物降解的有机化合物降解为易溶于水且易生物降解的小分子有机化合物。总的来说，本发明可在投资和运行费用适宜的前提条件下，实现有机废气中难溶于水、难生物降解的有机污染物的彻底净化，满足越来越严格的大气污染物排放要求。

附图说明

图1是低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法及其装置的工艺流程示意图。

图中：

1污染源 2高压电源

3等离子体反应器本体 4生物处理反应器

5烟囱 6循环泵

7循环槽

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法和装置进行说明。

本发明提供的方法涉及有机废气收集、输送、处理和外排至大气等环节。其具体处理步骤如下：

1)低温等离子体氧化

根据污染源1的情况，采用适当的方法将有机废气收集后，先送入低温等离子体反应器本体3，借助高压电源2实施注入能量为80kJ/m³以下的高电压，产生的O₃、OH·、H₂O₂、O·和高能电子将难溶于水或难生物降解的大分子有机化合物氧化为易溶于水且易生物降解的醇、酸和酯等低分子有机化合物。另外，有机废气中所含的溶胶颗粒被等离子体作用而荷电，并在电场力作用下定向运动到电极上，从而从气流中分离出来。

2)生物氧化

从低温等离子体排出的气体直接进行生物处理反应器4，借助微生物好氧消化作用，可使低分子的醇、酸和酯类化合物降解为CO₂、H₂O和其它无机组分。采用生物洗涤塔时，塔内无任何填料；采用生物过滤塔或生物滴滤塔时，塔内有供微生物附着生长的填料层。当有机废气中含有溶胶颗粒时，采用生物洗涤塔；当有机废气不含固体颗粒时，生物洗涤塔、生物滴滤塔和生物过滤塔这三种塔均可用。

为了实现上述低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法，本发明还提供了一种相对应的装置，如图1所示，主要包括高压电源2、低温等离子体反应器本体3和生物处理反应器4，低温等离子体反应器本体3和生物处理反应器4之间通过风管连接，并分别连接到污染源1和烟囱5。从污染源1排出的有机废气首先进入低温等离子体反应器本体3在高压电源2的放电条件下进行部分氧化，然后经过生物处理反应器4使气相中的有机化合物转入液相，并在微生物作用下彻底氧化，达到净化目的。

所述的高压电源2和反应器本体3组成低温等离子体反应器。高压电源2为正极性直流高压电源或正极性脉冲高压电源等，其作用是为放电等离子体反应器本体3供电，注入能量低于80kJ/m³。低温等离子体反应器本体3的接地极有管式和板式2种，放电极为具有放电尖端的金属导体。当放电等离子体反应器的放电极和接地极之间施加足够高的电压时，即在反应器内形成流光放电，产生放电等离子体。在放电等离子体反应器本体3内，放电产生的O₃、OH·、H₂O₂、O·和高能电子等氧化性粒子使难生物降解有机化合物部分氧化为易溶于水且易生物降解的醇、酸和酯类低分子化合物。同时，溶胶颗粒荷电，在高压电场作用下，作定向运动，并被捕集在放电极上，实现溶胶颗粒从气流中分离。

生物处理反应器4是指生物洗涤塔或生物过滤塔或生物滴滤塔，作用是借助微生物好氧消化作用，使低分子的醇、酸和酯类化合物降解为CO₂、H₂O和其它无机组分。为了维持生物处理反应器4内的微生物生命机能，需要补充营养组分和水分到生物处理反应器4内。从生物处理反应器4排出的经过处理的气体从烟囱5排出，进入大气。

在所述生物处理反应器4上通过水管连接有循环泵6和循环槽7，所述的循环泵6与生物处理反应器4的内部反应空间相连通，用于提供使液体循环流动所需的动力，所述的循环槽7连接在生物处理反应器4的底部，用于缓冲保存循环液体。

实施例1：

湿熄焦废气温度为50℃、含有挥发酚249mg/m³和苯84mg/m³，流量为280m³/h，未检出甲酸、乙酸和草酸。经注入能量为66kJ/m³的低温等离子体反应器处理后，气体中挥发酚和苯的浓度分别降为18mg/m³和8.2mg/m³，同时，测得气体中含有甲酸17mg/m³、乙酸61mg/m³和草酸53mg/m³，说明有机废气通过低温等离子体反应器处理后，有机废气中的部分物质氧化，形成易降解有机产物甲酸、乙酸和草酸。从低温等离子体反应器排出的气体直接进入生物洗涤塔，处理后挥发酚和苯的浓度分别为12mg/m³和5.4mg/m³，未检出甲酸、乙酸和草酸，可见，有机废气中含有的易降解有机产物在生物洗涤塔中得到去除。经过低温等离子体与生物相结合处理后，挥发酚和苯的总去除率分别为95.2％和93.6％。

实施例2：

喷漆废气温度为21℃、含苯84mg/m³、甲苯143mg/m³和二甲苯185mg/m³，流量为120m³/h，未检出甲酸、乙酸和草酸。经注入能量为58kJ/m³的低温等离子体反应器处理后，气体中苯、甲苯和二甲苯浓度分别降为12mg/m³、11mg/m³和19mg/m³。同时，测得气体中含有甲酸62mg/m³、乙酸97mg/m³和草酸37mg/m³。从低温等离子体反应器排出的气体直接进入生物滴滤塔，处理后苯、甲苯和二甲苯浓度分别降为8mg/m³、8mg/m³和15mg/m³，未检测甲酸、乙酸和草酸。经过低温等离子体与生物相结合处理后，苯、甲苯和二甲苯的总去除率分别为90.5％、94.4％、和91.9％。

Claims

1.低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法，其特征在于：难降解有机废气先通过低温等离子体反应器，在低能量注入产生的低温等离子体作用下，难降解有机废气中含有的难降解有机化合物被部分氧化为易降解有机化合物，另外，有机废气中所含的溶胶颗粒被等离子体作用而荷电，并在电场力作用下定向运动到电极上，从而从气流中分离出来；然后，进入生物处理反应器，在好氧微生物作用下，易降解有机化合物转化为CO₂、H₂O和其它无机化合物；从生物处理反应器排出的经过处理的气体从烟囱排出，进入大气；所述的低温等离子体反应器为空腔放电反应器，由放电极和接地极组成，接地极有管式和板式两种，放电极为具有放电尖端的金属导体；低温等离子体反应器施加正极性直流高压或正极性脉冲高压；正极性直流高压的电压峰值为15-50kV；正极性脉冲高压的电压峰值为20-100kV，脉冲频率为50-300次。

2.根据权利要求1所述的低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法，其特征在于：所述的难降解有机废气是指含有难生物降解有机化合物的气体或气雾，来源于焦化、印染、喷涂、屠宰、化工行业；难生物降解有机化合物包括多环芳烃、卤代烃、杂环类化合物和有机腈化物。

3.根据权利要求1所述的低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法，其特征在于：所述的易降解有机化合物是指经过低温等离子体处理产生的易溶解于水体、易生物降解的有机化合物，包括低分子有机酸、醇或酯类化合物或混合物。

4.根据权利要求1所述的低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法，其特征在于：所述的低温等离子体是指强氧化性物质，包括O₃、OH·、H₂O₂、O·和高能电子，基于注入能量小于80kJ/m³的高压放电产生，难降解有机化合物在所述低温等离子体作用下发生不完全氧化，转化为易降解的低分子有机化合物。

5.根据权利要求1所述的低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法，其特征在于：所述的生物是指在有氧条件下，依靠废气所含的碳氢化合物、外加营养组分和水而生长、繁衍的微生物。

6.一种实现权利要求1所述的低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气的方法的装置，其特征在于：所述的装置主要包括低温等离子体反应器和生物处理反应器，还包括集气罩、风管和烟囱，污染源产生的难降解有机废气经集气罩收集后，先通过风管转送至低温等离子体反应器，使难降解有机化合物部分氧化为易降解有机化合物；然后，进入生物处理反应器，易降解有机化合物转化为CO₂、H₂O、和其它无机化合物通过烟囱直接排放到大气中；所述的低温等离子体反应器为空腔放电反应器，由放电极和接地极组成，接地极有管式和板式两种，放电极为具有放电尖端的金属导体；低温等离子体反应器施加正极性直流高压或正极性脉冲高压；正极性直流高压的电压峰值为15-50kV；正极性脉冲高压的电压峰值为20-100kV，脉冲频率为50-300次。

7.根据权利要求6所述的低温等离子体与生物相结合处理难降解有机废气装置，其特征在于：所述的生物处理反应器，是生物洗涤塔或生物过滤塔或生物滴滤塔；当难降解有机废气中含有溶胶状颗粒时，采用生物洗涤塔；当难降解有机废气不含溶胶状颗粒时，三种塔均可用。