CN103263830B

CN103263830B - 一种雾化等离子体氧化-生物质吸附处理恶臭的方法

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Publication number: CN103263830B
Application number: CN201310208438.4A
Authority: CN
Inventors: 姜彬慧; 付丽丽; 姜莉
Original assignee: SHENYANG ENTRY-EXIT INSPECTION AND QUARANTINE BUREAU; Liaoning Shihua University; Northeastern University China
Current assignee: SHENYANG ENTRY-EXIT INSPECTION AND QUARANTINE BUREAU; Liaoning Shihua University; Northeastern University China
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: CN103263830A

Abstract

一种雾化等离子体氧化-生物质吸附处理恶臭的方法，属去除恶臭气体的净化技术领域。采用雾化等离子体氧化-生物质吸附装置，按以下步骤进行：（1）投料：将植物废弃物破碎经微波照射改性，增湿后投入生物质吸附塔中（2）雾化低温等离子体氧化：用水泵将水连续泵入低温等离子反应器随即雾化，雾同时风机从污染源引出恶臭气体进入雾化低温等离子体装置，（3）吸附塔吸附：从低温等离子体装置强氧化后的气体进入生物质吸附塔进行吸收与吸附作用，去除进气中剩余恶臭气体及氧化副产物。本发明结合了低温等离子体与吸附法去除恶臭气体的优势，同时避免了低温等离子体带来副产物二次污染问题以及吸附剂制作成本与再生费用和二次污染问题。

Description

一种雾化等离子体氧化-生物质吸附处理恶臭的方法

技术领域

本发明涉及一种去除恶臭气体的净化技术，特别涉及一种雾化等离子体氧化-生物质吸附处理恶臭的方法。

背景技术

恶臭作为七大公害之一(恶臭污染、大气污染、水质污染、土壤污染、噪声污染、振动污染、地面污染)，危害着人们的身体健康和生活的安宁与舒适，其主要经过呼吸系统对人体进行侵害,容易导致消化系统、内分泌系统和神经系统的紊乱。轻微的恶臭污染容易使人烦躁、易怒、失眠、精力不集中、记忆减退，进而影响工作和生活的质量,高浓度的突发恶臭污染甚至可使接触者发生肺水肿瞬间窒息死亡。恶臭物质的来源极为广泛，一方面来源于天然的动植物体在生态循环系统内的自然腐败，但更多的是来自于人类在加工生产过程中的释放。如：化肥厂、畜禽舍、污水处理厂、食品加工场地、沼气、天然气、石油炼制、焦化、农药、人造纤维等生产过程。散发恶臭气味的化学物质主要有硫化氢、硫醇类、硫醚类、氨、胺类、吲哚类、硝基化合物、烃类、醛类、脂肪酸类、酚类、酮类、酯类及有机卤系衍生物等。随着人们生活水平不断提高以及对优美舒适环境的迫切要求，其产生危害的已越来越引起公众的重视，此类污染已被列为国家未来环保的重点攻关项目。

治理恶臭气体的方法有物理法、热破坏法、吸收法、氧化法、生物法、光催化氧化法、吸附法和低温等离子体法等。

物理法包括掩蔽法、稀释扩散法等，掩蔽法通常是采用更强烈的芳香气味,或其他令人愉快的气味与臭气掺合,以掩蔽臭气或改变臭气的性质,使气味变得能够为人们所接受,或采用一种能够抵消或中和恶臭的添加剂,以减轻恶臭，掩蔽法的效果因个人各异的感觉程度而有差异；稀释扩散法是将有臭味的气体由烟囱排向高空扩散,或者以无臭的空气将其稀释,以保证在烟囱的下风向及臭气发生源附近的人们不受恶臭的侵扰,不妨碍人们的正常生活。通过烟囱排放臭味气体,必须根据当地的气象条件,正确设计烟囱的高度,其目的是保证有人工作和生活的地点,恶臭物质的浓度不超过它的阈值浓度。

热破坏是目前应用比较广泛,也是研究较多的有机废气的治理方法,特别是对低浓度的有机废气,有机化合物的热破坏可分为直接火焰燃烧和催化燃烧。直接火焰燃烧是一种有机物在气流中直接燃烧和辅助燃料燃烧的方法。多数情况下,有机物浓度较低,不足以在没有辅助燃料时的燃烧。直接火焰燃烧在适当温度和保留时间条件下,可以达到99%的热处理效率；催化燃烧是指有机物在气流中被加热,在催化床层作用下,加快有机物化学反应(或提高破坏效率)的方法,催化剂的存在使有机物在热破坏时,比直接燃烧法需要更短的保留时间和更低的温度,催化剂在催化燃烧系统中起着重要作用。用于有机废气净化的催化剂主要是金属和金属盐,金属包括贵金属和非贵金属。目前使用的金属催化剂主要是Pt、Pd,技术成熟,而且催化活性高,但价格比较昂贵,而且在处理卤素有机物及含N、S、P等元素时,有机物易发生氧化等作用,使催化剂失活;非贵金属催化剂有过渡族元素钴、稀土等。对催化燃烧而言,今后研究的重点与热点,仍将是探索高效高活性的催化剂及其载体、催化氧化机理。

化学氧化法是采用强氧化剂,如臭氧、高锰酸盐、次氯酸盐、氯气、二氧化氯、过氧化氢等来氧化恶臭物质,将其转变成无臭或弱臭物质的方法。氧化过程通常是在液相中进行,也有在气相中进行的,如臭氧氧化过程。臭氧处理系统主要包括排气扇、臭氧扩散器、臭氧接触室输送管网、臭氧生成系统和自动控制系统等。用来分解恶臭物质的臭氧剂的量,取决于污染物的种类和浓度。臭氧处理法在污水处理厂的恶臭去除方面应用比较成功。然而当污水处理厂产生的废气中污染物浓度很高时,臭氧不能完全氧化这些污染物。另外,未使用的残余臭氧本身又造成了二次污染。臭氧氧化的缺点为能耗高和处理不当时的臭氧污染。

生物法是利用微生物的代谢作用,使气体在通过生物处理装置时,其中的恶臭物质被溶于水,继而为微生物所降解。其实质是利用微生物的生命活动,将气流中产生气味的物质转化成简单的无味物质。现阶段的主要工艺包括:生物过滤床、生物滴滤床以及生物洗涤床。生物法设备简单、能耗低、产生二次污染的可能性小, 是目前国内外恶臭污染治理的主流方法,但该方法需要培养可将臭气成分氧化分解的菌种,且菌种的除臭效果受到气候等因素的影响。

光催化降解的技术原理是, 光催化剂(如TiO₂ )在紫外线的照射下被激活,使H₂O生成OH自由基,然后OH自由基将有机污染物氧化成CO₂和H₂O。虽然光催化氧化得到了广泛研究,但就其对废气的净化还存在一些争议,有人提出在对臭气的降解过程中,光催化氧化反应会产生醛、酮、酸和醋等中间产物,造成二次污染。另外,光催化氧化法需要的催化剂价格昂贵, 并且受量子效率限制, 难以处理大流量、高浓度的有机废气, 同时存在催化剂失活、催化剂难以固定等缺点,因而在工业上的应用有待进一步开发。

吸附法主要用来处理低浓度的恶臭气体。常用的脱臭吸附剂有活性炭、两性离子交换树脂、活性氧化铝、硅胶、活性白土等。各种吸附剂中,活性炭内部孔隙率高且比表面积大,堆积密度小,故最常用。经过氧化铁、或氢氧化钠、或臭氧处理的活性炭,往往具有更好的吸附性能。吸收法净化气态污染物,是用适当的吸收剂(如水、酸、碱) ,从废气中选择性地吸收,除去气态污染物以消除污染。此法适用于低浓度、中浓度的硫化氢与氨气等恶臭物质的处理。在大气污染控制工程中, 这种方法已广泛应用于处理含SO₂、NH₃、NO₂、氟化物及其他气态污染物废气的净化上,现已成为控制工业废气中气态污染物的重要技术之一，但仍存在着其吸附剂制作成本、脱附再生困难和二次污染等问题。因此开发环境友好型吸附剂势在必行。其中生物质以其价格低廉、易得、无需再生等优势引起了人们的关注。利用植物废弃物经过改良作为吸附剂目前有许多学者在尝试，但大多数集中在污废水的处理，而在废气处理中的研究及应用却鲜有报道。

低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的目的。低温等离子体技术被认为是少数可实现复合污染物同时控制的实用工艺之一,具有效率高、能耗低、成本适中、处理时间短等优点，近年来国内外学者做了许多关于低温等离子体技术处理各种废气的研究，但相对于低温等离子体技术的优点，其存在的问题却鲜有报道。有害副产物的产生是其中主要的问题，例如低温等离子体处理VOCs后CO生成量比例大，产物未完全降解，尚含有碳氢化合物，处理含N气体后大量存在NO_x等。针对低温等离子体技术，许多学者展开了以低温等离子体技术为主体，结合其他工艺的复合处理技术的开发和研究，可进一步增加处理效果及减少副产物等，如低温等离子体结合催化、吸附等方法的联用，但仍存在着联用工艺自身存在的一些弊端。

发明内容

本发明的目的在于提供一种去除各类复杂有机和无机恶臭气体的净化技术，将雾化低温等离子体氧化-生物质吸附技术直接用于恶臭气体的治，在常温常压下能够很好地去除恶臭污染。

本发明一种雾化等离子体氧化-生物质吸附处理恶臭的方法，采用雾化等离子体氧化-生物质吸附装置，按照以下步骤进行：

（1）投料：将植物废弃物破碎并筛选颗粒粒径为5～10mm的颗粒，经功率为0~1000W的微波照射0～10min改性，增湿后投入生物质吸附塔中达到自然堆积密度；增湿用水为藻菌混合液，经15000r离心1-10min后，其水与藻菌体积比为（4～9）：1；同时在装置运行过程中适当进行水喷淋不断增湿，使植物废弃物的质量与水的体积比w/v= 1/（0.3～0.7）g/ml；

（2）雾化低温等离子体氧化：用水泵将水连续泵入低温等离子反应器随即雾化，雾化供水流速为10～100ml/min，同时风机从污染源引出恶臭气体进入雾化低温等离子体装置，进气气体停留时间为5～30s，放电极居中与收集电极平行放置，板间距20～60mm，放电电压为7～20kv，雾化水经两极板阻挡收集进入集水池可作为吸附塔增湿辅助用水，无废水排放；

（3）吸附塔吸附：从低温等离子体装置强氧化后的气体进入生物质吸附塔进行吸收与吸附作用，去除进气中剩余恶臭气体及氧化副产物；吸附塔高径比（10～20）：1，吸附塔中二次净化可达“恶臭气体排放标准”相应级别而排放，生物质吸附饱和可连续换料。

所述的植物废弃物为玉米芯、豆渣或提取有机成分后的植物药渣。

所述藻菌混合液中藻类为具有小颗粒高比表面积高吸附性的小球藻属、月牙藻属或纤维藻属类等，菌类为具有高效产絮能力的类芽孢杆菌属、芽孢杆菌属、嗜酸菌属、动胶菌属、微球菌属或假单孢菌属等。

所述放电极为不锈钢丝、合金丝或金属丝，直径为1mm，收集电极为不锈钢板。

本发明的工艺流程图如图1所示，恶臭气体由排放源排出经风机引入雾化等离子体反应器中初步净化，后进入生物质吸附塔进行二次吸附净化后经引风机达标排放。水泵由供水箱泵入等离子反应器中，在高压放电的作用下形成雾化液滴，经收集后可辅助增湿吸附剂。

本发明利用雾化低温等离子体氧化-生物质吸附联用技术处理恶臭气体，不仅结合了低温等离子体与吸附法去除恶臭气体的优势，同时避免了低温等离子体带来副产物二次污染问题以及吸附剂制作成本与再生费用和二次污染问题，另外雾化作用增强了低温等离子体的作用效果并兼具喷淋塔的喷淋吸收作用，对于各种类型的恶臭气体均适宜，是一种具有广阔应用前景的新技术。

目前将雾化低温等离子体氧化-生物质吸附技术直接用于恶臭气体的治理，在国内还未见到相关的专利。它是针对传统的低温等离子体氧化技术在气体治理方面加以改进与创新，解决了低温等离子体在废气处理过程中效率不高、耗能及带来二次污染问题。

与其他气体或恶臭气体处理技术与设备相比，雾化低温等离子体氧化-玉米芯生物质吸附脱臭技术具有以下特点：

（1）放电作用产生的活性氧化物种(·OH，·H，·O，O₂ ，·HO₂，H₂O₂，O₃等) 及其高能电子轰击污染物质中 C—C键及不饱和键，发生断键和开环等一系列反应，同时，由于活性物种不具电极性，在等离子区域内不受到电场力的作用，能充分和恶臭气体中的污染物质接触反应，产生氧化去除作用。

（2）雾化后的小液滴大大增加等离子体区活性物种与恶臭气体接触的比表面积，有效增加了放电过程对气体的净化作用，相当于一个与放电同时进行水喷淋吸收塔，有效吸收氨气和硫化氢等可溶与易溶性气体，大大加强了其对恶臭气体的去除能力。

（3）雾化液滴对低温等离子体的强氧化产物（中间副产物）中可溶性气体和荷电颗粒（基团）同样具有吸附与去除效果，降低了二次污染物产生量。

（4）生物质吸附塔中的多孔植物废弃物具有同时吸附多种气体（SO₂、NO_X、NH₄、H₂S等）的能力，进一步增强了恶臭气体及中间副产物的去除效果。

（5）生物质吸附塔中的藻菌依附于植物废弃物生长，藻类及产絮菌的絮凝多糖类具有吸附和吸收降解恶臭气体的能力，进一步增强了恶臭气体及中间副产物的去除效果。

（6）从机理上来看，除了等离子装置强氧化去除恶臭气体的去除机理，本发明增加了四种气体去除机理：雾化液滴的吸附溶解作用、荷电水滴的静电吸附、植物废弃物对恶臭气体的吸附与吸收作用及藻类和产絮菌微生物对恶臭气体的吸附与吸收降解作用，因此对恶臭气体中可溶性气体和带电颗粒（基团）具有更高的去除效率。

（7）所述植物废弃物廉价易得，制取方便，吸附饱和后可弃去换新，无需吸附再生费用，占地空间小，造价较低，运行成本低廉。

（8）雾化收集水可作为生物质吸附塔增湿原料的一部分，无需另增加成本处理，经济方便。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明雾化等离子体氧化-生物质吸附装置的装置图；其中1风机， 2雾化等离子体装置， 3进气口，4出气口，5放电极，6收集电极，7集水池，8出水口， 9高压直流稳压器，10高压电源， 11电流表，12电源控制器， 13水泵， 14水箱， 15吸附塔，16进气口， 17出气口， 18.喷淋系统。

具体实施实例

本发明采用雾化等离子体氧化-生物质吸附装置，该装置包括风机1、雾化等离子体装置2、高压直流稳压器9 、高压电源10、电流表11、电源控制器12、水泵13 、水箱14，生物质吸附塔15，其中雾化等离子体装置2包括放电极5、收集电极6、集水池7，雾化等离子体装置15顶端设有进气口3、底部设有出气口4、集水池底部设有出水口8，生物质吸附塔15上部设有喷淋系统18以及出气口17，底部设有进气口16。风机1与雾化等离子装置2的进气口3相连，雾化等离子装置2的出气口4与生物质吸附塔15的进气口16相连，生物质吸附塔15的出气口17与另一风机1相连，雾化等离子体装置2的集水池7与水泵13的一端相连，水泵13的另一端与水箱14相连，高压直流稳压器9 、高压电源10、电流表11、电源控制器12依次连接，并与雾化等离子体装置2的放电极5和收集电极6相连。

开启水泵13和雾化等离子反应装置2，放电极5周围电晕放电区域出现不均匀电场，在放电极5和收集电极6区域间不断形成雾化液滴，并高速运动至放电极6，后落入集水池7。开启风机1，污染源恶臭气体由进气口3进入雾化等离子体装置进行强氧化作用降解，一部分通过雾化液滴高速运动与其碰撞吸收溶解于水及荷电液滴吸附作用转入液相，由集水池7收集可为生物质吸附塔辅助增湿；另一部分中间产物及未降解恶臭进入吸附塔15。塔顶设置自动喷淋增湿系统18，经增湿与微波照射改性的吸附剂通过吸收与吸附作用对中间副产物进行二次净化并达到“恶臭气体排放标准”中的相应级别可排放，吸附剂吸附饱和可弃旧换新。

实施例1

一种雾化低温等离子体氧化-生物质吸附联用技术处理恶臭气体的方法，采用雾化等离子体氧化-生物质吸附装置，按照以下步骤进行：

植物废弃物（玉米芯）破碎并筛选颗粒粒径为7～10mm的颗粒，经增湿后投入吸附塔中，增湿用水为藻菌混合液，其中藻类为具有小颗粒高比表面积高吸附性的小球藻，菌类为高效产絮的类芽孢杆菌，增湿用水的水与藻菌体积比（15000r离心5min）为9：1。同时在装置运行过程中适当进行水喷淋不断增湿，使植物废弃物的质量与水的体积比w/v= 1/（0.3～0.7）g/ml；

开启水泵，将水连续泵入低温等离子反应器随即雾化，雾化供水流速为10ml/min，风机从污染源引出NH₃进入雾化低温等离子体装置，进气气体停留时间为5s，浓度20ppb，放电极为不锈钢丝，直径为1mm，收集电极为不锈钢板，放电极居中与收集电极平行放置，板间距20mm，放电电压为7kv，雾化水经两极板阻挡收集进入集水池。

从低温等离子体装置强氧化后的气体进入生物质吸附塔进行吸收与吸附作用，吸附塔高径比10：1。

等离子体-吸附塔连续工作360min内无NH₃气体排放。

实施例2

植物废弃物破碎并筛选颗粒粒径为7～10mm的颗粒，经功率为800W的微波照射5min改性，经增湿后投入吸附塔中，增湿用水为藻菌混合液，其中藻菌混合液中藻类为具有小颗粒高比表面积高吸附性的月牙藻属，菌类为高效产絮的芽孢杆菌属，增湿用水的水与藻菌体积比（15000r离心5min）为9：1。同时在装置运行过程中适当进行水喷淋不断增湿，使植物废弃物的质量与水的体积比w/v= 1/（0.3～0.7）g/ml；

开启水泵，将水连续泵入低温等离子反应器随即雾化，雾化供水流速为60ml/min，风机从污染源引出NH₃进入雾化低温等离子体装置，进气气体停留时间为10s，浓度100ppb，放电极为不锈钢丝，直径为1mm，收集电极为不锈钢板，放电极居中与收集电极平行放置，板间距40mm，放电电压为15kv，雾化水经两极板阻挡收集进入集水池。

从低温等离子体装置强氧化后的气体进入生物质吸附塔进行吸收与吸附作用，吸附塔高径比20：1。

等离子体-吸附塔连续工作240min内无NH₃气体排放。

实施例3

植物废弃物破碎并筛选颗粒粒径为5～7mm的颗粒，经功率为1000W的微波照射10min改性，经增湿后投入吸附塔中，增湿用水为藻菌混合液，其中所述藻菌混合液中藻类为具有小颗粒高比表面积高吸附性的纤维藻属类，菌类为高效产絮的嗜酸菌属，增湿用水的水与藻菌体积比（15000r离心1min）为7：1。同时在装置运行过程中适当进行水喷淋不断增湿，使植物废弃物的质量与水的体积比w/v= 1/（0.3～0.7）g/ml；

开启水泵，将水连续泵入低温等离子反应器随即雾化，雾化供水流速为100ml/min，风机从污染源引出H₂S进入雾化低温等离子体装置，进气气体停留时间为20s，浓度1ppm，放电极为不锈钢丝，直径为1mm，收集电极为不锈钢板，放电极居中与收集电极平行放置，板间距60mm，放电电压为20kv，雾化水经两极板阻挡收集进入集水池。

等离子体-吸附塔连续工作240min内无H₂S气体排放。

实施例4

植物废弃物破碎并筛选颗粒粒径为5～10mm的颗粒，经功率为800W的微波照射10min改性，经增湿后投入吸附塔中，增湿用水为藻菌混合液，其中所述藻菌混合液中藻类为具有小颗粒高比表面积高吸附性的小球藻属，菌类为高效产絮的动胶菌属，增湿用水的水与藻菌体积比（15000r离心10min）为9：1。同时在装置运行过程中适当进行水喷淋不断增湿，使植物废弃物的质量与水的体积比w/v= 1/（0.3～0.7）g/ml；

开启水泵，将水连续泵入低温等离子反应器随即雾化，雾化供水流速为60ml/min，风机从污染源引出NH₃进入雾化低温等离子体装置，进气气体停留时间为10s，浓度50ppb，放电极为不锈钢丝，直径为1mm，收集电极为不锈钢板，放电极居中与收集电极平行放置，板间距40mm，放电电压为15kv，雾化水经两极板阻挡收集进入集水池。

等离子体-吸附塔连续工作12h内无NH₃气体排放。

Claims

1.一种雾化等离子体氧化-生物质吸附处理恶臭的方法，采用雾化等离子体氧化-生物质吸附装置，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）投料：将植物废弃物破碎并筛选颗粒粒径为5～10mm的颗粒，经0~1000W微波照射0～10min改性，经增湿后投入生物质吸附塔中达到自然堆积密度；增湿用水为藻菌混合液，经15000r离心1-10min后，其水与藻菌体积比为（4～9）：1；同时在装置运行过程中适当进行水喷淋不断增湿，使植物废弃物的质量与水的体积比w/v= 1/（0.3～0.7）g/ml；所述的植物废弃物为玉米芯、豆渣或提取有机成分后的植物药渣；所述藻菌混合液中藻类为具有小颗粒高比表面积高吸附性的小球藻属、月牙藻属或纤维藻属类，菌类为具有高效产絮能力的类芽孢杆菌属、芽孢杆菌属、嗜酸菌属、动胶菌属、微球菌属或假单孢菌属微生物；

2. 根据权利要求1所述的一种雾化等离子体氧化-生物质吸附处理恶臭的方法，其特征在于所述放电极为不锈钢丝、合金丝或金属丝，直径为1mm，收集电极为不锈钢板。