CN102872724B - 一种平板式膜生物反应器及其构造方法,以及挥发性有机物废气的净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于挥发性有机物废气净化的平板式膜生物反应器，包括：平行对置的两个平板以及平行固定于其中的平板膜，所述平板在相对的侧面上分别具有一个矩形凹槽，在平板膜的间隔作用下分别形成为两个封闭区域；其中，第一平板的外侧的上、下端分别具有进气口和出气口，第二平板的外侧的上、下端分别具有出水口和进水口，所述进出口分别与相应的封闭区域相通；平板膜上附着生长有一层活性生物膜。本发明还提供还一种生物反应器的构造方法以及一种挥发性有机物废气的净化方法。该生物反应器采用组块设计使用方便；废气和循环活性生物液体不直接接触，可实现分别控制气相和液相的停留时间以及其他参数；出气中不会带有微生物，减少二次污染。

Description

一种平板式膜生物反应器及其构造方法,以及挥发性有机物废气的净化方法

技术领域

本发明涉及生物反应器领域，具体涉及一种用于挥发性有机物废气净化的平板式膜生物反应器及其构造方法，以及一种挥发性有机物废气的净化方法。 

背景技术

挥发性有机物（VOCs）是化工、石化以及相关行业所排放最为常见的气态污染物之一，对气候的变化，植物的生长和衰亡以及人类和所有动物的健康都有很大的影响。VOCs也是当前PM_2.5、臭氧等城市大气污染物的重要前体污染物，削减VOCs排放是空气质量标准达标规划的重要途径之一。 

常规的VOCs净化技术包括燃烧法、吸附法、冷凝法、光催化氧化和等离子体法等。相比常规的处理技术而言，生物净化法处理VOCs有着运行能耗和费用较低、安全可靠、运行管理方便，无二次污染等优点。常见的生物处理反应器的主要种类包括生物过滤器，生物滴滤器和生物洗涤器。生物过滤器主要是在塔内填充堆肥或土壤等富含营养物质的填料填充在塔内，利用填料中微生物将恶臭、有机废气去除。生物滴滤器工艺集生物吸收和生物降解于一体，生物滴滤器与生物过滤器的结构相似，不同之处是在于有循环液从填料上方喷淋，设备中除传质过程外还存在着很强的生物降解作用。生物洗涤器实际上是一个悬浮活性污泥处理系统，它是一种具有三态的流化床，其通常由一个装有填料的洗涤器和一个具有活性污泥的生物反应器构成。洗涤器里的喷淋柱将微小的水珠逆着气流喷洒，使废气中的污染物与填料表面 的水接触，被水吸收而转入液相，从而实现质量传递过程。 

因此，传统的生物法已经有了比较好的工业化应用，但是，传统的生物法同时也存在着诸多缺点。比如：传统生物法的占地面积极大，需要额外增湿，压降大，并且工作运行不稳定（存在液泛、发泡、溢流等问题）；传统的生物法由于气相和液相的接触，使得排气带有生物气溶胶甚至产生二次恶臭影响，因此其应用有较大的局限性。比如其在室内空气净化方面几乎不可使用。 

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明的首要目的在于提供一种用于处理挥发性有机物的平板式膜生物反应器，从而克服现有生物法处理废气的缺陷。 

本发明的第二个目的在于提供一种用于挥发性有机物废气净化的平板式膜生物反应器的构造方法。 

本发明的第三个目的在于提供一种挥发性有机物废气的净化方法。 

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案： 

提供一种用于挥发性有机物废气净化的平板式膜生物反应器，包括：平行且竖直设置的两个平板，所述两个平板在相对的侧面上分别具有一个矩形凹槽；以及竖直固定于所述两个平板之间的平板膜，在平板膜的间隔作用下所述两个矩形凹槽分别形成为两个封闭区域；其中一个平板的外侧的上、下端分别具有用于挥发性有机物废气进出的进气口和出气口，另一平板的外侧的上、下端分别具有用于活性生物液体进出的出水口和进水口，所述进气口和出气口与第一封闭区域相通，所述出水口和进水口与第二封闭区域相通；所述平板膜在朝向所述第二封闭区域的侧面上附着生长有一层活性生物膜。 

所述平板分别在所述封闭区域中设有数个挡板，所述挡板彼此平行且竖直设置，沿着与所述平板膜垂直的方向延伸。挡板的设置使得液相和气相在 两个封闭区域中分布更加均匀。 

所述平板膜是通过压合，或者粘合，或者螺丝固定于所述两个平板之间。 

本发明中的活性生物膜为细菌、放线菌、真菌、原生动物和后生动物的混合物，是指活性生物液体在平板与平板膜所构成的封闭长方形区域内流动时，能够降解VOCs分子的菌种会附着在平板膜的表面形成的一层生物膜，在形成过程中，平板膜表面逐渐变成黄褐色。 

其中，活性生物液体是指活性污泥沉淀片刻后的上层液体，这种液体既保留了较多的菌种，又不会堵塞管路，而活性污泥可以从常规的废气、废水生物反应器装置获得，通过驯化后使用。 

本发明所使用的平板膜为常规纤维膜，可从市场购买，优选地可选自：聚砜膜、聚丙烯膜或聚偏氟乙烯膜中的一种。 

本发明还提供一种用于挥发性有机物废气净化的平板式膜生物反应器的构造方法，包括以下步骤：1）提供平行对置的两个平板以及平行固定于所述两个平板之间的平板膜，所述两个平板在相对的侧面上分别具有一个矩形凹槽；在平板膜的间隔作用下所述两个矩形凹槽分别形成为两个封闭区域；其中一个平板的外侧的上、下端分别具有用于挥发性有机物废气进出的进气口和出气口，另一平板的外侧的上、下端分别具有用于活性生物液体进出的出水口和进水口，所述进气口和出气口与第一封闭区域相通，所述出水口和进水口与第二封闭区域相通；2）将活性生物液体从平板式膜生物反应器的进水口通入，使其在所述第二封闭区域中流动，经过驯化和富集，从而在平板膜的表面形成一层活性生物膜。 

所述活性生物液体为细菌、放线菌、真菌、原生动物和后生动物的液体混合物。 

本发明还提供了一种挥发性有机物废气的净化方法，采用上述平板式膜生物反应器，包括以下步骤：将挥发性有机物废气从平板式膜生物反应器的进气口通入，使其在第一封闭区域中流动，所述废气中的挥发性有机物分子 通过平板膜渗透至第二封闭区域，首先经过平板膜上的活性生物膜降解，然后到达活性生物液体中，进一步降解，从而将挥发性有机物彻底降解成水和二氧化碳。 

所述有机物废气包括挥发性苯系物、醛酮类、醇酯类、以及烷烯炔烃类。 

所述活性生物液体中还含有营养成分，例如：NH₄Cl，KH₂PO₄，K₂HPO₄，MgSO₄.7H₂O，以提供维持活性生物膜生长代谢所需的营养物质。 

本发明与现有技术相比的有益效果在于： 

1.挥发性有机物废气和活性生物液体通过平板膜分离，不直接接触，因此可以分别控制两相的停留时间以及液相的pH和离子浓度，不会有泡沫出现； 

2.没有填料，所以不会造成填料的压实，因此不容易发生堵塞，压降小； 

3.根据污染物的极性，可选择各种材料的平板膜，对传统生物反应器难以处理的低水溶性的VOCs有着极佳的处理效果； 

4.以膜为微生物载体比表面积大，平板式设计结构简单，容易工程放大，模组块设计，使用方便； 

5.气体不与微生物直接接触，出气中不会有悬浮态或附着在颗粒上的微生物，即不容易产生二次污染，因此也适用于室内空气环境净化； 

6.反应器小型化、便捷化，操作简单，有利于提高生物法相对于其他处理废气方法的优势。 

附图说明

参考随后的作为本发明的典型实施例示出的附图，该说明将更容易理解，但不应理解为对本发明范围的限制。 

图1是本发明的平板式膜生物反应器示意图； 

图2是本发明的平板式膜生物反应器中单块平板内部结构示意图； 

图3是本发明的平板式膜生物反应器处理VOCs废气的局部放大示意 图； 

图4苯系物有机物废气的进化效果曲线图； 

图5是醇酸酯类有机物废气的进化效果曲线图； 

图6是酮醛类有机物废气的进化效果曲线图； 

图7是烷烯炔烃类有机物废气的进化效果曲线图。 

具体实施方式

为使进一步深入了解本发明的技术手段与特征，谨配合附图再予举例进一步具体说明于后： 

实施例1、平板式膜生物反应器及其构造和使用方法

如图1-3所示，本发明提供了一种平板式膜生物反应器，用于挥发性有机物废气的净化，具体如图1所示。该平板式膜生物反应器主要包括：平行对置的平板6和6'，以及平行固定于所述两个平板之间的平板膜5；平板6和6'在相对的侧面上分别具有一个矩形凹槽，在平板膜5的间隔作用下分别形成为两个封闭区域1和1'，平板膜5在朝向封闭区域1'的侧面上附着生长有一层活性生物膜8，平板6的外侧的上、下端分别具有进气口2和出气口2'，平板6'的外侧的上、下端分别具有出水口2"和进水口2′″，这些进、出口分别与封闭区域1和1'相通。活性生物液体通过平板6'的进液口2′″和出液口2"在封闭区域1'内循环流动，活性生物液体中还包括营养液，其中的营养液包含能维持活性生物膜8生长代谢所需的营养物质，主要成分为NH₄Cl，KH₂PO₄，K₂HPO₄，MgSO₄.7H₂O等。 

所述活性生物膜8为细菌、放线菌、真菌、原生动物或后生动物的混合物。 

本发明所使用的平板膜5优选地可选自：聚砜膜、聚丙烯膜或聚偏氟乙烯膜中的一种。 

根据本发明的一个优选实施方式，所述平板膜的厚度为0.25mm。 

根据本发明的一个优选实施方式，所述平板膜5通过压合，或者粘合， 或者固定件连接，例如螺丝，固定在平板6和6'之间，平板膜的长宽可以根据所需处理的挥发性有机物浓度流量作适当的调整，优选所述平板膜的长宽与所述膜生物反应器的两块平板一致，即所述平板膜恰可被两块平板固定。 

根据本发明的一个优选实施方式，本发明的平板式膜生物反应器的构造和使用方法如下： 

1）从进水口2′″通入活性生物液体9，使其在平板膜的膜表面5'和平板6'的封闭区域1'中循环流动，经过1-5周的驯化和富集，在此过程中，VOCs的处理效果从小到大，直至达到稳定状态，此时平板膜5的膜表面5'会逐渐变黄褐色，即为活性生物膜8。运行达到稳定状态后即可开始稳定高效的降解处理。本实施例中，驯化和富集时间为3周，平板膜为聚砜膜。 

2）如图3所示，使用本发明的平板式膜生物反应器处理挥发性有机物时，挥发性有机物废气7从平板的进气口2进入平板6封闭区域1中，本实施例中气体停留时间保持在20秒，在实际操作中15-30秒均比较合适，只要停留时间足够长，就可以接近完全降解为水和二氧化碳，但是气体停留时间过长，反应器体积就会变大，使得运行投资成本极具上升。因此，停留时间适中即可。由于平板膜5膜表面5"具有许多微孔，对于挥发性有机物分子有着极高的通透率，于是挥发性有机物分子通过膜5传至平板膜5的另一侧膜表面5'，在垂直于活性生物膜8传质时，被微生物降解，纵向穿越活性生物膜8后的挥发性有机物到达区域1'中悬浮的活性生物液体9，在液体中继续进行生物分解，从而实现将挥发性有机物降解成无毒，无害的水和二氧化碳。 

本发明的平板式膜生物反应器在长时间运行后需要反冲洗从而达到维护的效果。膜生物反应器在长期运行后，会出现由于活性生物生长过度所造成的膜污染，如图3所示，从而导致处理效果急剧下降等工况，此时需要更新生物膜8。具体方法为：使用大流量，低停留时间的活性生物液体9冲刷活性生物膜表面5'，使得部分老化生物膜8脱落，然后继续进行正常的处理。 并定期向活性生物循环液中投加定量的氮源，磷源，即前面所提到的营养液，使得微生物能正常代谢繁殖。 

实施例2、挥发性有机物的浓度分析

采用气相色谱法对挥发性有机物中的苯系物，醇酸酯类，醛酮类，以及烷烯炔烃类等气体进行分析，该挥发性有机物即为经过实施例1中所构造的平板式膜生物反应器的处理，在各个时间点取样，根据不同污染物不同的进出口浓度计算处理效率，根据计算结果绘制曲线图，结果见图4-7。 

其中处理率计算公式为：[(C_in-C_out)/C_in]×100% 

2.1苯系物 

色谱柱：PEG20M交联柱，19m×0.25mm； 

柱温：40℃； 

载气：N₂； 

出峰顺序：1）苯，2）甲苯，3）乙基苯，4）对二甲苯，5）间二甲苯，6）邻二甲苯，7）对甲基乙基苯，8）间甲基乙基苯，9）邻甲基乙基苯。 

2.2醇酸酯类 

色谱柱：HP-INNOwax，30m×0.25mm； 

柱温：程序升温，35℃至150℃，10℃/min，150℃至250℃，20℃/min； 

载气：He； 

出峰顺序：1）乙酸乙酯，2）甲醇，3）乙醇，4）正丙醇，5）异丁醇，6）2-甲基异丁醇，7）乙酸 

2.3酮醛类 

色谱柱：DB-1，30m×0.32mm； 

柱温：程序升温，40℃至210℃，10℃/min； 

载气：He； 

出峰顺序：1）1-丙酮，2）甲乙酮，3）2-戊酮，4）甲基异丁基酮，5） 2-己酮； 

3.4烷烯炔烃类 

色谱柱：硅胶SCOT柱，10m×0.32mm； 

柱温：32℃； 

载气：He； 

出峰顺序：1）甲烷，2）乙烷，3）乙烯，4）丙烷，5）丙烯，6）环丙烷，7）乙炔，8）异丁烯，9）正丁烷，10）反-2-丁烯，11）1,3-丁二烯，12）顺-2-丁烯；13）1-丁烯，14）异丁烯，15）丙炔。 

由图4-7的结果可知，经过平板式膜生物反应器处理后，各挥发性有机物气体污染物的净化效果得到明显的提高，处理1-3周后，净化效率从15%上升到85%，可见平板式膜生物反应器处理有机物气体污染物有明显的优势。 

实施例3、占地面积比较

传统处理废气的生物法中以生物滴滤器的适用性最广。以二甲苯为例，生物滴滤器对二甲苯的平均去除能力为35g/(m³·h)，这代表单位体积（l m³）的填料介质单位时间（1h）内可以降解35g的二甲苯污染物。 

本发明使用平板膜生物反应器对甲苯的去除能力为0.2g/(m²·h)，假设，平板凹槽深度为4mm，而循环活性生物液体的体积为凹槽体积的3倍，这样1小时处理35g二甲苯需要大约0.68m³，小于传统的生物滴滤器1m³的填料体积，减少了31%的体积。 

这是由于平板膜厚度及其薄，比起填料所占的体积小很多，所以提高了生物反应器的单位体积降解能力。 

综上所述，本发明的膜生物反应器污染物废气（挥发性有机物）和循环活性生物液体通过平板膜分离，不直接接触，因此可以分别控制两相的停留时间以及液相的pH和离子浓度，不会有泡沫出现；没有填料，所以不会造 成填料的压实，因此不容易发生堵塞，压降小；平板膜可以根据污染物的极性，可以选择各种材料的膜，对传统生物反应器难以处理的低水溶性的VOCs有着极佳的处理效果；以膜为微生物载体比表面积大，平板式设计结构简单，容易工程放大，模组块设计，使用方便；气体不与微生物直接接触，出气中不会有悬浮态或附着在颗粒上的微生物，因此适用于室内空气环境净化；反应器小型化，便捷化，有利于提高生物法相对于其他处理废气方法的优势。 

以上虽然描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种用于挥发性有机物废气净化的平板式膜生物反应器，包括：

平行且竖直设置的两个平板(6，6′)，所述两个平板(6，6′)在相对的侧面上分别具有一个矩形凹槽；以及竖直固定于所述两个平板之间的平板膜(5)，在平板膜(5)的间隔作用下所述两个矩形凹槽分别形成为两个封闭区域(1，1′)；

其特征在于，其中一个平板(6)的外侧的上、下端分别具有用于挥发性有机物废气进出的进气口(2)和出气口(2′)，另一平板(6′)的外侧的上、下端分别具有用于活性生物液体进出的出水口(2")和进水口(2"′)，所述进气口(2)和出气口(2′)与第一封闭区域(1)相通，所述出水口(2")和进水口(2"′)与第二封闭区域(1′)相通；所述平板膜(5)在朝向所述第二封闭区域(1′)的侧面上附着生长有一层活性生物膜(8)；

所述平板膜选自：聚砜膜、聚丙烯膜或聚偏氟乙烯膜中的一种；

所述活性生物膜(8)为细菌、放线菌、真菌、原生动物和后生动物的混合物；所述平板(6，6′)分别在所述封闭区域(1，1′)中设有数个挡板(3)，所述挡板彼此平行且竖直设置，沿着与所述平板膜垂直的方向延伸。

2.根据权利要求1所述的平板式膜生物反应器，其特征在于，所述平板膜(5)是通过压合，或者粘合，或者通过螺丝(4)固定于所述平板(6，6′)之间。

3.一种挥发性有机物废气的净化方法，其特征在于，采用根据权利要求1-2中任一项所述的平板式膜生物反应器，包括以下步骤：

将挥发性有机物废气(7)从平板式膜生物反应器的进气口(2)通入，使其在第一封闭区域(1)中流动，停留时间保持在15-30秒，所述废气中的挥发性有机物分子通过平板膜(5)渗透至第二封闭区域(1′)，首先经过平板膜(5)上的活性生物膜(8)降解，然后到达活性生物液体(9)中，进一步降解，从而将挥发性有机物彻底降解成水和二氧化碳。

4.根据权利要求3所述的净化方法，其特征在于，所述有机物废气包括挥发性苯系物、醛酮类、醇酯类、以及烷烯炔烃类。

5.根据权利要求3所述的净化方法，其特征在于，所述活性生物液体还含有NH₄Cl，KH₂PO₄，K₂HPO₄，MgSO₄.7H₂O。