CN107174946A - 一种室内空气处理装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种室内空气处理装置和方法，该方法包括对室内空气进行微生物处理、活性炭吸附、及紫外杀菌消毒。其中微生物处理采用了固定化微生物处理技术。本发明所述的装置，包括固定化微生物滤池、活性炭吸附组件和空间紫外照射；其中，所述固定化微生物滤池中采用了微生物固定化技术。本发明采用的微生物固定化载体具有很强的微生物固定能力，生物负载量大，固定的微生物可同时呈现好氧、兼氧及厌氧菌共存的状态，可同时去除废气中的颗粒污染物、有机物、氨氮、硝氮、硫化物类污染物，处理速度快、净化效率高以及成本低的优点。

Description

一种室内空气处理装置和方法
技术领域
本发明涉及一种室内空气处理的装置及其方法,更具体来讲,本发明涉及对污染气体进行处理的装置及其方法，即采用物理化学处理与生物处理相结合的工艺来对室内空气进行处理的装置及其方法。
背景技术
目前由于空气污染加剧，空气中粉尘、PM2.5以及挥发性有机物严重超标，加之家具、内墙涂料等释放的甲醛等有毒有害气体，室内空气已处于不安全的状态，因此开发一种室内空气净化器，清除空气污染，保障人民身体健康，已是一项刻不容缓的国家需求。
CN105944558A所述的一种办公用室内空气净化装置，利用腔体内的蜂窝状二氧化钛纳米结构的钛管制成，成弯曲回路结构，利用压力吸入气体，蜂窝状二氧化钛纳米结构的钛管构成的第一级过滤模块以及蛇形状弯曲的表面为蜂窝状二氧化钛纳米结构的钛管构成的第二级过滤模块。CN105987441A所述的室内和室外空气双净化空气净化装置,主要原理是通过复合过滤对室外进入室内的空气和室内原有的空气进行净化。该装置可去除如甲醛等小分子有机污染物，但对颗粒性无机和有机污染物特别是PM2.5等微小颗粒无法去除。
CN204153868U所述的一种空气净化装置，通过设置颗粒除尘器、塑烧板除尘器、空气加热装置与活性炭吸附装置，对空气中的颗粒物质进行去除。CN204806571U中所述的一种利用单向气流实现室内空气净化的装置，通过初效棉过滤层、除菌过滤层、HEPA高效PM2.5过滤层、活性炭吸附过滤层、冷触媒毒臭物分解层和紫外线消毒灯组成。CN205536268U中所述的一种适用于教室的空气净化系统主要也是通过过滤、紫外灯、光催化元件和活性炭过滤对空气中的污染物进行去除。CN204593643U、CN205208743U、CN205208773U主要也是类似的原理达到空气净化的效果。这些装置主要通过过滤和活性炭吸附去除颗粒性污染物和部分有机物，但对小分子有机物的去除效果不好，特别是处理污染较重的空气时活性炭容易饱和而很快失去处理功能，故长期使用处理效果难以保障，且活性炭的更换比较麻烦。
CN205332375U所述的分体壁挂式室内空气净化成套设备，包括室外洁净空气输入和室内空气净化，利用多环节的过滤加VOCs(挥发性有机物)光触媒氧化分解空气中的VOCs。CN105841245A所述的室内空气净化处理机，由三层活性炭吸附过滤网和两层紫外线灯和具有二氧化钛涂层的换热器组成，在检测到甲醛等气体存在时开启紫外灯，激活二氧化钛多元体系的活性，降解甲醛、PX等有害气体。同样的，CN205747173U中所述的一种复合型室内空气净化及监测、报警装置，也是在四周布置了过滤组件，包括活性炭滤网、静电驻极滤网、HEPA高效滤网、纳米NIO2光触媒附着滤网，后续包括紫外灯、负离子发生器、空气质量监测与报警模块等。CN106016522A所述的一种高效的室内空气净化设备涉及的方式包括活性炭吸附与喷淋的吸附液对空气中污染物的吸收。以及涂有二氧化钛涂层的光触媒层对VOC的降解。这些装置主要通过过滤和活性炭吸附去除颗粒性污染物和部分有机物，但对小分子有机物的去除效果不好，特别是处理污染较重的空气时活性炭容易饱和而很快失去处理功能。光触媒装置由于接触时间很短，只能将一部分有机物转化，不能够将有机污染物矿化，故长期使用处理效果难以保障，且活性炭的更换比较麻烦。
CN105642071A所述的分体式室内空气净化供氧机及应用方法，提供了一种净化供氧并举的分体式空气净化供氧机，该发明滤芯除了传统的活性炭之外，还有沉香、柏木、樟木、树绒、绞股蓝、零陵香等中药材成分，另外在气体进入房间之前加了一个密闭净化水箱，用来提高净化空气中的水分，并且进一步阻挡室外空气中的污染物。类似的，CN205481367U所述的新风通风和室内空气净化机，也是利用空气循环系统，将室外进入的空气与室内空气混合后进行高效净化后再送入室内，提高空气质量。该装置的主要原理是过滤，同样存在着上述几个装置的缺陷，且中药材中的挥发性有机物容易溢出而造成新的污染。
CN205536237U所述的办公室内空气净化装置，包括净化腔室、混合腔室和超声波雾化腔室，除了过滤层之外，加入了臭氧氧化层和超声雾化，臭氧氧化层氧化了空气中的有机物，同时分解产生的氧气增加了室内的氧气浓度，而超声雾化将水变成水蒸气与干净空气混合后排入室内。该装置采用了臭氧和超声波氧化，虽然有助于有机物的去除，但由于反应时间很短，大分子有机物只能转化为小分子有机物，污染物没有完全被去除；另外过滤层同样存在着饱和、堵塞和更换问题；且未反应或者泄露的臭氧造成新的污染和对人体的伤害是这个装置最主要的问题。
CN105457416A所述的一种基于蒸汽洗涤空气原理的室内空气净化设备，就是将水变成水蒸气，利用喷淋作用对空气中的颗粒物进行去除，达到净化空气的效果。CN205717823U也是利用了类似的原理。该装置虽可去除部分颗粒污染物，但对有机污染物特别挥发性有机物基本没有去除作用。
CN205002232U所述的生态健康空气疗养机，在下部设置清水室，中部设置转笼器，过滤之间先通过转笼器将过滤装置润湿，可同时去除空气中的可吸入颗粒物，加入了太阳光谱灯与银星秋海棠，植物的光合作用产生的氧气和高压脉冲发生器产生的生态负离子对人体具有很大的好处。CN205014166U所述的一种基于室内空气净化的家用电器，通过提供匹配植物生长装置栽种的光照系统，利用植物对空气的净化作用，达到净化的效果。该装置虽可去除部分颗粒污染物，但对有机污染物特别挥发性有机物的去除作用有限。
从上可以看出，目前的空气净化器主要分为两类，一类是过滤可吸入颗粒物性质的空气净化器，利用各种吸附材料制成的滤网对其去除，但是并不能彻底去除空气中的污染物质，且吸附、过滤材料的污染和饱和问题使得处理效果不稳定；另外对用户而言，材料的清理和更换难度较大。另一类为在过滤的基础上增加了水、氧化剂、光触媒等的物理化学作用，这些方法对有机污染物的去除效率不高，适用性也不广泛，且光触媒等大大提高了制造成本与更换成本，氧化剂如臭氧泄漏对身体造成了安全隐患，而植物的存活周期不长、维护难度较大和水的效果不够好等。
发明内容
针对上述发明的不足，针对空气污染日益严重的现状，提出加入微生物处理的模块，彻底去除空气中的污染物质。
本发明是通过将物化处理与先进的生物处理技术-固定化微生物技术相结合而实现发明目的。
本发明目的可以通过如下措施来实现:用气泵将空气引入设备，先通过固定化微生物滤池进行生物处理，降解其中的有机物，如可挥发性有机物和可溶性有机物，并将颗粒物如PM2.5与空气分离，达到净化空气的效果。
以下对发明内容进行深入讨论，首先对本发明的基本原理进行讨论。污染空气，先通过固定化生物滤池进行生物处理，降解其中的有机物，如可挥发性有机物和可溶性有机物，并将颗粒物如PM2.5与空气分离，随后不能被降解的物质通过活性炭吸附组件吸附去除，而最后的紫外光消毒照射组件彻底去除难降解物质，保证了纯净气体的输出。
固定化微生物污染气体处理技术是当前废气生物处理技术的重点研究领域。通过一定的固定化技术手段,使微生物附着生长,有利于提高生物反应器内微生物的数量,有利于反应后的气固液分离,有利于去除氨氮、重金属离子、有机物及难以生物降解的物质,提高系统处理能力和适应性，缩短处理时间，降低处理成本。与传统的污染气体处理技术相比，固定化微生物处理技术将微生物引入空气净化器中，可彻底去除空气中的污染物质，不造成二次污染，具有处理效率高、运行稳定、可纯化和保持优势菌群、反应器内生物量大及气固液分离效果好等一系列优点，是一项高效低耗、运行管理方便的空气净化技术。
本发明的特点集中体现在本发明的微生物固定化载体上。本发明的微生物固定化载体,具有生物相容性好、抗水解、抗氧化、耐磨损及不堵塞的结构特征，其特征在于最佳孔径为0.5-3.0mm，持水量为20倍，孔隙度98％，比表面积约为80m2/g-120m2/g,其对微生物及酶的负载量可达80g/L。
载体具有较好的传质、传热、动量传递的特性，可维持理想的反应动力学特征。
本发明的微生物固定化载体，固定微生物能力强，生物负载量大，微生物及酶的负载量可达20-60g/L，所固定的微生物可同时呈现好氧、兼氧及厌氧菌共存的状态，故采用该技术可同时去除废气中的有机物和氮氧化物类污染物，通过反硝化作用将氮氧化物转变氮气,产物无毒害作用并不造成二次污染。其他的有机污染物通过好氧菌转变为二氧化碳和水,微量重金属离子与微生物鳌合而得以去除。由于选用了高吸水量的聚氨酷网状悬浮滤料，污染空气中的颗粒物可被载体吸附并去除。由于固定化微生物的作用,维持了生物的多样性,提高了微生物的活性及适应性,好氧菌、兼氧菌及厌氧菌同时存在,硝化、反硝化同时进行,氨氮和总氮同时降低,丝状微生物、原生动物及后生动物非常丰富,可有效的降解污染空气中的芳烃、重金属等难降解物质。
固定化微生物滤池中微生物固定化步骤包括：
第一、微生物固定化载体为聚氨酯基生物固定化载体，在本人的发明专利CN200410062577.1中已有述及，即含有反应性基团，这些基团可与生物活性分子中的氨基和羧基直接形成离子键、共价键和氢键，从而实现载体与微生物、酶偶联，或经过较温和的化学方法活化后与生物活性分子偶联,通过载体结合法固定生物分子。载体孔径为0.5mm-5mm，吸水量为2500％-3000％，孔隙度98％，比表面积约为100m2/g-120m2/g，固定化微生物的负载量可达18-56g/L。
第二、微生物固定化：在生物滤池中，加入上述固定化载体和复合菌剂，复合菌粉采用高效复合微生物和酶制剂FZ35M(由北京丰泽绿源环境技术有限公司提供)，该微生物含有好氧菌、缺氧菌、厌氧菌、硝化菌等菌株，同时复合了淀粉酶、纤维素酶、蛋白质酶和杂环物质降解酶，对有机物、硫化物、氨氮等具有优异的降解性能。FZ35为固体粉状物质，分散在载体中。其中第一、第二步在设备出厂前已安装完毕，即提前装入固定化载体与复合酶制剂FZ35，用户只要在进水口加满自来水并开动设备电源，通入空气后便可自动完成微生物的激活和固定化。
第三、空气净化处理，开动电源，空气泵、紫外线消毒设备随即开始工作。污染空气通入空气泵进入上述固定化微生物滤池中，载体滤层和水的截留作用可将可溶性污染物质留在水中，如空气中的氮氧化物、有机物和硫化物等，这些物质作为微生物的营养物质被降解为二氧化碳和水，硫化物、氨氮被氧化为硫酸盐、硝氮和亚硝氮。
利用生物滤池中的载体滤层和水将空气中的PM2.5等颗粒物质留在水下，实现颗粒物的分离。这是本反应装置的第一层净化分离，经过处理和分离的空气，离开滤池后，会顺着进入活性炭组件，在呈Z字型的活性炭组件里，活性炭可将生物滤池中没有去除干净的污染物进一步去除，空气得到二次净化。
经过活性炭组件的空气，进入紫外线消毒装置，即利用紫外灯发出的紫外线杀死空气中的微生物，并彻底灭菌，净化空气。紫外线消毒器中可灌满水，进一步起到水洗作用，同时增加了房间的湿度，创造良好的生活环境。
本发明与现有技术相比具有如下优点:本发明所采用的微生物固定化载体具有很强的微生物固定能力,生物负载量大,该载体所能固定的微生物可同时呈现好氧、兼氧及厌氧菌共存的状态,故采用该技术可同时去除废气中的有机物和无机物类污染物,与现有的处理技术相比,本发明具有处理速度快、净化效率高以及成本低的优点。可彻底去除空气中的污染物质，不造成任何二次污染。
因此,本发明的生物处理采用固定化微生物处理技术,在处理效率、运行稳定性、微生物量、及气固液分离效果等方面具有一系列优点。
此外，本发明根据室内空间大小分为A、B、C三个系列，其中，A系列适用于小于50m2的室内空间，B系列适用于50-100m2的室内空间，C系列适用于100-200m2的室内空间。三种系列的区别在于固定化生物滤池的大小不同，1m3的生物滤池每小时可处理500m3的废气，那么8h就可以处理4000m3，正常的室内空间高为3m，50m2的房间室内空间为150m3，则A系列中固定化微生物滤池的大小为0.0375m3，具体为0.2*0.375*0.5m，设备的大小为0.5*0.375*0.7m。B系列需满足100m2的室内空间，即300m3，则固定化微生物滤池的大小为0.075m3，具体为0.4*0.375*0.5m，设备的大小为0.7*0.375*0.7m。C系列需满足200m2的室内空间，即600m3，则固定化微生物滤池的大小为0.15m3，具体为0.8*0.375*0.5m，设备的大小为1.1*0.375*0.7m。所以根据不同的室内空间大小，设计了不同系列的设备来保证在8h的处理时间内满足需求。
附图说明
图1是本发明的高效空气净化设施的工艺流程图。
图2是本发明的高效空气净化设备的装置示意图。
附图标记如下:
1-进气泵，2-进气管，3-固定化微生物载体，4-1、4-2进水注水口，5-1、5-2、5-3微孔曝气器，6-第一生物滤池处理区，7-第二生物滤池处理区，8-活性炭过滤组件，9-紫外消毒灯，10-出气口。图中箭头方向为空气的流动方向。
具体实施方式
请参阅图2，本发明实施例中，一种高效室内空气处理装置，壳体外部设有进气泵，进气泵通过进气管2与壳体的底部相连通，进气泵工作，室内空气可引入到进气管内。
气体进入壳体后，首先通过生物滤池底部的5-1微孔曝气器，进入6第一生物滤池处理区中，该区为好氧区，在该区内有机物得到降解，氨氮转化为硝氮和亚硝氮，硫氧化物被降解。随后气体通过通气管，进入7第二生物滤池处理区中，由底部的5-2微孔曝气器将气体曝入水中，该区域仍为好氧区，进一步处理未净化气体，经过进一步处理的气体通过5-3微孔曝气器将处理后的空气排入8活性炭过滤组件，在这一部分，气体进一步得到纯化。
净化后的空气在活性炭组件上部的腔室内，被9紫外灯照射消毒，杀死残留在空气中的细菌和微生物。最终纯洁的空气顺着出气口10进入室内。
在该部分中，日常操作只需要通过进水口4-1、4-2向装置内加水。加到最高液面即可。水可以洗脱空气中的大部分污染物质，如PM2.5等，这些物质在固定化微生物滤池中截留下来，随后被微生物分解。同时，活性炭过滤组件8也可以进一步吸附空气中的微粒杂质。在9紫外光的照射下，杀死空气中的各种细菌并去除异味。
本装置即可用于家庭室内空气的净化，也可用于办公室、教室、工厂厂房等室内空气的净化。
实施例1：小区住户(50-100m2，适用于B系列装置)
某住宅小区80m2住户家中，室内空气中各超标污染物包括PM2.5、PM10、甲醛和挥发性有机物(TVOC)的日均浓度各为：125μg/m3,180μg/m3，0.15mg/m3和3.60mg/m3，其中国家标准PM2.5、PM10、甲醛和挥发性有机物浓度各为，25μg/m3,50μg/m3，0.10mg/m3和0.60mg/m3，经过本装置处理后各污染物的浓度PM2.5、PM10、甲醛和挥发性有机物(TVOC)浓度各为1μg/m3,5μg/m3，0.07mg/m3和0.34mg/m3。
表1某住宅小区住户家污染物处理前后浓度变化
实施例2：某美发店(50m2以内，适用于A系列装置)
某美发店，室内空气中各超标污染物包括NH3、NOx、苯、甲苯的日平均浓度各为：0.29mg/m3,0.26mg/m3，0.16mg/m3和0.21mg/m3，其中国家标准NH3、NOx、苯、甲苯各为，0.20mg/m3,0.10mg/m3，0.09mg/m3和0.20mg/m3，经过本装置处理后各污染物的浓度NH3、NOx、苯、甲苯浓度各为0.05mg/m3,0.03mg/m3，0.02mg/m3和0.06mg/m3。
表2某美发店主要污染物处理前后浓度变化
项目 处理前日均浓度 8h处理后日均浓度 国家标准(一级)
NH3(mg/m3) 0.29 0.05 0.20
NOx(mg/m3) 0.26 0.03 0.10
苯(mg/m3) 0.16 0.02 0.09
甲苯(mg/m3) 0.21 0.06 0.20
实施例3：某教室(50-100m2，适用于B系列装置)
某教室，室内空气中各超标污染物包括PM2.5、PM10、甲醛和挥发性有机物(TVOC)的日均浓度各为：220μg/m3,400μg/m3，0.12mg/m3和5.30mg/m3，其中国家标准PM2.5、PM10、甲醛和挥发性有机物浓度各为，25μg/m3,50μg/m3，0.10mg/m3和0.60mg/m3，经过本装置处理后各污染物的浓度PM2.5、PM10、甲醛和挥发性有机物(TVOC)浓度各为10μg/m3,30μg/m3，未检出和0.38mg/m3。
表3某教室污染物处理前后浓度变化
实施例4：某化工厂厂房(100-200m2，适用于C系列装置)
某教室，室内空气中各超标污染物包括总悬浮颗粒物(TSP)、SO2、NO2和挥发性有机物(TVOC)的日均浓度各为：500μg/m3,0.30mg/m3，0.32mg/m3和0.88mg/m3，其中国家标准总悬浮颗粒物(TSP)、SO2、NO2和挥发性有机物(TVOC)各为，120μg/m3,0.05mg/m3，0.08mg/m3和0.60mg/m3，经过本装置处理后各污染物的浓度总悬浮颗粒物(TSP)、SO2、NO2和挥发性有机物(TVOC)浓度各为10μg/m3,0.01mg/m3，0.01mg/m3和0mg/m3。
表4某化工厂厂房污染物处理前后浓度变化
实验数据表明，装置对于室内空气净化效果明显，可推广使用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是说明限定。因此等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的叙述方式仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可经适当组合，包括本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种室内空气净化设备，包括壳体，其特征在于，壳体外部设有进气装置，通过进气装置将气体通入设备，设备的主要部分为固定化微生物滤池，通过固定化微生物滤池进行生物处理，降解其中的有机物，如可挥发性有机物和可溶性有机物，并将颗粒物如PM2.5与空气分离，达到净化空气的效果。通过生物滤池的气体经过活性炭吸附层并经紫外灯消毒后排出装置。
2.根据权利要求1所述室内空气净化设备，其特征在于：在固定化微生物处理中，所采用的微生物固定化载体是改性的聚氨脂泡沫塑料，该塑料含有反应性基团，通过离子键、共价键、氢键为主的载体结合法固定微生物及复合酶。
该载体的孔径为0.5～3.0mm，持水量为载体自重的20倍，孔隙度98％，比表面积约为80m2/g-120m2/g，对微生物及酶的负载量可达80g/L。
3.一种如权利要求1所述的室内空气净化设备，其特征在于：该装置包括活性炭吸附与紫外灯消毒组件。
4.根据权利要求1所述的室内空气净化设备，其特征在于：所述固定化微生物滤池中采用了微生物固定化技术，所用的微生物为高效复合微生物和酶制剂FZ35M。
5.根据权利要求1所述的室内空气净化设备，其特征在于：该装置所用的活性炭为椰壳活性炭，颗粒直径为1-3mm。
6.根据权利要求1所述的室内空气净化设备，其特征在于：该装置固定化微生物滤池上有注水口，需要定期注入清水。
7.根据权利要求1所述的室内空气净化设备，其特征在于：根据室内空间的大小，分为不同型号的系列装置，装置内生物滤池的大小与室内空间正相关。
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