CN107349767A - 有机废气处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种有机废气处理装置，其包括反应腔体，所述反应腔体沿左右方向的两端分别开设进气口和排气口，所述反应腔体内沿进气口向排气口的方向分隔出依序连通的光氧化段、臭氧催化氧化段及生物滴滤段三个反应段。该有机废气处理装置采用光氧化和生物降解耦合的方式处理有机废气，提高了有机废气处理效率及实现了深度处理，避免了单一技术处理VOCs有机废气时出现的有机污染物矿化程度低，产生部分具有毒性的有机小分子中间产物的问题，具有适用大部分工业VOCs有机废气处理的特点，有利于我国解决目前迫切的大气污染问题。
Description
技术领域
本发明涉及大气污染治理技术领域，具体而言，本发明涉及废气处理装置，尤其涉及一种用于处理VOCs的有机废气处理装置。
背景技术
当前我国以细颗粒物(fine particulate，PM2.5)为特征污染物的区域性大气污染问题频发。研究表明有机废气中的挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是PM2.5形成的重要先导因子，推进有机废气尤其是VOCs的处理十分有利于我国解决目前迫切的大气污染问题。
VOCs种类包括烷烃类，烯烃类，苯系物，卤代烃类，醛类，酮类，醇酸酯类，有机胺类，有机硫类等，种类繁多、来源甚广，其中工业源产生的VOCs排放量最大，并对环境产生了严重的污染。目前工业VOCs废气处理技术仍以传统的吸附、吸收、催化燃烧或生物法等单一技术为主，实际运用上，在处理成分复杂、浓度范围广、排放量大的工业VOCs废气时，单一处理技术的缺点被放大，难以在技术和经济上取得满意的效果。例如吸附法需要频繁更换或再生吸附剂，而吸附质往往难以回收或不具备回收价值，运行维护成本高；吸收法多以水、酸碱或非极性矿物油作为吸收溶液，存在设备易腐蚀，吸收废液需要进行再生或处理，否则存在二次污染等问题，过程繁复且成本高；催化燃烧技术常以贵金属为催化剂，但催化剂易失活，在处理低浓度有机废气时还需补充额外的热量以维持系统燃烧；生物法在处理高浓度或含烷烃类和卤代烃类等水溶性较差、具有一定生物毒性、难生物降解的VOCs废气时效率低下。
近年来新兴的芬顿(Fenton)氧化、光氧化、等离子体等高级氧化技术开始进入VOCs废气处理领域。其中光催化氧化技术是一种能在较低能量波段的紫外线和催化剂的条件下产生羟基自由基(OH·)、超氧基(O2 -·)等具有强氧化活性分子的光氧化技术，具有反应温和，迅速氧化污染物的特点。然而光催化剂容易失活，紫外灯积垢后光解效率有所下降，大分子的VOCs在强氧化体系的作用下，易断链或开环形成醛、酮、酸或酯等矿化程度低、部分具有毒性的小分子中间产物，且经特定波长的紫外光处理后的尾气存在臭氧(O3)副产物，这些问题制约了光催化氧化技术在VOCs处理领域的应用推广。
实践证明单一的VOCs废气处理技术已不能满足日益严格的排放标准，将单一技术进行有机耦合，开发出一种经济高效、适用性广的新型组合式的VOCs处理技术，十分具有应用前景。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种结构简单的有机废气处理装置，其综合光氧化和生物降解的处理方式，先氧化后降解，从而提高有机废气的处理效率及净化率，达到排放标准。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种有机废气处理装置，包括反应腔体，所述反应腔体沿左右方向的两端分别开设进气口和排气口，所述反应腔体内沿进气口向排气口的方向分隔出依序连通的光氧化段、臭氧催化氧化段及生物滴滤段三个反应段。其中，所述光氧化段用于在其内形成(UV)/O3/OH·光氧化体系，以与有机废气发生快速链式反应；所述臭氧催化氧化段用于在光氧化段生成的O3作用下对光氧化段处理后的有机废气进行催化氧化处理；所述生物滴滤段用于降解经臭氧催化氧化段处理后的有机废气，并将降解后的气体经排气口排出。
优选地，相邻两个反应段之间设有隔板，所述隔板前后两边与腔体内壁连接，相邻反应段的隔板上下仅一边交错与腔体相连。
优选地，所述光氧化段设有用于提供紫外线的紫外线灯组件，所述紫外线灯组件包括固定于光氧化段顶部的灯管支架，安装在灯管支架上的紫外线灯，以及套设在紫外线灯外周的玻璃套管。
进一步地，所述光氧化段还设有喷淋机构，所述喷淋机构的喷淋液流经所述紫外线灯，以在紫外线灯作用下与空气中的氧气发生反应，形成(UV)/O3/OH·光氧化体系；同时，喷淋机构还可将紫外线灯上的积垢冲刷干净，保证紫外线灯的透光率。
优选地，所述喷淋机构包括喷淋管、安装于喷淋管上且用于将喷淋液雾化的雾化喷头，用于检测光氧化段内湿度的湿度传感器，以及与湿度传感器电连接以根据湿度传感器检测结果控制雾化喷头开启或关闭的湿度控制器。
优选地，所述臭氧催化氧化段包括设于下方区域且用于承托催化填料的催化填料支撑架和设于填料支撑架上方且填充有催化填料的催化氧化区，所述催化填料上负载有用于催化氧化臭氧的催化剂。
优选地，所述生物滴滤段包括由下而上设置的布水区、生物降解区和出气区，所述布水区设有用于承托生物填料的生物填料支撑架，所述降解区内堆填有生物填料，所述出气区设有用于向生物降解区喷淋营养液的营养液喷淋机构，所述出气区顶端开设有所述排气口。
进一步地，所述反应腔体左右两端分别于底部设有排液口，所述排液口设有用于防止气体外逸的液封段。
进一步地，所述反应腔体顶部对应三个反应段各开设有检修入口，以便于工作人员进行维修和保养。
相比现有技术，本发明的方案具有以下优点：
1.本发明的有机废气处理装置，通过将单一处理法的部件有机结合起来，将光氧化处理和生物处理有机耦合，可提高有机废气的处理效率及提高净化度，避免了单一技术处理VOCs有机废气时出现的有机污染物矿化程度低，产生部分具有毒性的有机小分子中间产物的问题，具有适用大部分工业VOCs有机废气处理的特点，有利于我国解决目前迫切的大气污染问题。
具体地，通过设置光氧化段，形成(UV)/O3/OH·光氧化体系，与有机废气发生快速链式反应；设置臭氧催化氧化段，运用光氧化段的臭氧与有机废气进行催化氧化反应，且进行脱臭氧处理；最后利用生物滴滤法降解经光氧化段、臭氧催化氧化段预处理的有机废气，最终使之变成微生物细胞质和简单的无机物，达到较高的净化效果，并尽可能消除臭氧的二次污染。
2.本发明的有机废气处理装置中，通过在光氧化段设置喷淋机构，既能控制该反应段的空气湿度，以保证(UV)/O3/OH·光氧化体系正常形成，提高了光氧化去除有机污染物的能力，无光催化剂失活问题；还可冲刷附着在紫外线灯组件上的积垢，延缓了紫外线灯积垢后光解效率降低的问题。
3.采用臭氧催化氧化作为VOCs处理的中间工艺，不仅充分利用了光氧化技术(λ＝185nm)产生的副产物臭氧对VOCs进行强化氧化，同时还解决了臭氧灭活微生物和逸出造成环境二次污染的问题，并为后续生物深度处理提供了充氧条件及削减了部分VOCs的处理负荷，成为了光氧化与生物处理技术有机耦合的重要基础条件。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的有机废气处理装置的立体图；
图2为图1所示的有机废气处理装置的分解图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
参见图1和图2，本发明涉及一种有机废气处理装置100，其采用光氧化耦合生物法处理有机废气，以提高有机废气的处理效率和净化度。
优选地，所述有机废气处理装置100包括光氧化段13、臭氧催化氧化段14及生物滴滤段15三个反应段。其中光氧化段13用于在其内形成(UV)/O3/OH·光氧化体系，并与有机废气发生快速链式反应；所述臭氧催化氧化段14用于在光氧化段13生成的O3作用下对光氧化段13处理后的有机废气进行催化氧化处理；所述生物滴滤段15用于降解经臭氧催化氧化段14处理后的有机废气，并将降解后的气体经排气口12排出。
所述有机废气处理装置100包括反应腔体1和设于反应腔体1内的隔板16。所述反应腔体1在其左右两端分别开设进气口11和排气口12。所述隔板16将反应腔体1沿左右方向分隔出依次连通的光氧化段13、臭氧催化氧化段14及生物滴滤段15。所述进气口11设于所述光氧化段13的底部，用于向反应腔体1内通入待处理的有机废气；所述排气口12设于所述生物滴滤段15的顶部，用于将经该有机废气处理装置100处理完成的气体排出。
优选地，所述隔板16设有两个，其设于相邻两个反应段之间，较佳地，所述隔板16使得相邻两个反应段之间具有通气间隙，并且两个通气间隙上下错开分布，即两个所述隔板16的左右两侧边均与反应腔体1连接，上下侧边仅一边与反应腔体1连接。其中，光氧化段13与臭氧催化氧化段14之间的隔板16的底边与反应腔体1连接，臭氧催化氧化段14与生物滴滤段15之间的隔板16的上边与反应腔体1连接，从而构成相对密闭的三个反应段。此处所称相对密闭，指的是气体能且仅能从隔板16限定的通气间隙处流向下一反应段，以保证有机废气在每一反应段的处理效率及处理效果。
本发明的有机废气处理装置100工作时，有机废气从进气口11进入光氧化段13，经光氧化段13与臭氧催化氧化段14之间的隔板16上方进入臭氧催化氧化段14，继而经臭氧催化氧化段14与生物滴滤段15之间的隔板16下方进入生物滴滤段15，最后从生物滴滤段15顶部的排气口12排出。
优选地，所述光氧化段13由设于下方区域的进气区130和设于进气区130上方的光氧化区131组成。所述进气区130底部一端与进气口11连通，待处理的VOCs废气从所述进气口11进入反应器。所述光氧化区131设有用于提供紫外线的紫外线灯组件132。
所述紫外线灯组件132包括固定于光氧化区131顶部的灯管支架1321，以阵列式安装在灯管支架1321上的多条紫外线灯1320，以及套设在每一条紫外线灯1320外周的玻璃套管。
所述光氧化段13的光氧化区131内阵列式均匀布置有多组，例如六组紫外线灯1320，具体为单层按25mm间距布置两组紫外线灯1320，按500mm层间距布置三层紫外线灯1320。所述紫外线灯1320能发出185nm波长的特征光谱，其单支紫外线灯1320长度为436mm，管径为15mm，功率为23W，1m紫外强度为65μW·cm-2。
在185nm波长下，空气中的氧气和水汽能在紫外线的照射下连续式地激发生成臭氧(O3)和羟基自由基(OH·)，进而形成能与绝大多数VOCs废气发生快速链式反应，无选择性氧化光解有害物质的紫外(UV)/O3/OH·光氧化体系。其中，臭氧(O3)和羟基自由基(OH·)产生机理具体如下：
O·+O2→O3 (1-2)；
O2·+O2→O3+O· (1-4)；
O·+H2O2OH· (1-6)；
优选地，所述玻璃套管为石英玻璃套管1322，用于保护紫外线灯1320的灯管，具体地，紫外线灯1320整体套装于石英玻璃套管1322内。所述石英玻璃套管1322的紫外线透射率≥90％，以使得通电工作时，所述紫外线灯1320发出的紫外线能透射过石英玻璃套管1322的管壁并充满光氧化区131。
应当理解地，紫外线灯组件132还具有对应每一紫外线灯管设置的电子镇流器，其具有稳定紫外线灯1320工作电流的作用。在其他实施方式中，所述紫外线灯1320可根据实际需要设置其数量及其在光氧化区131的固定位置。
由于有机废气中还存在颗粒物，容易粘附在石英玻璃套管1322降低紫外线的透过率。为了延缓紫外线灯积垢后光解效率降低的问题，优选地，所述光氧化段13还设有喷淋机构，所述喷淋机构的喷淋液流经所述紫外线灯1320外周的石英玻璃套管1322。所述喷淋机构的喷淋液流经紫外线灯1320的石英玻璃套管1322，一方面可以冲刷石英玻璃套管1322外部的积垢，另一方面可通过喷淋增大光氧化区131内空气的湿度，从而保证光氧化区131内存在足够的水汽以形成(UV)/O3/OH·光氧化体系。
优选地，所述光氧化区131湿度设定上限为80-85％，湿度设定下限为60-65％。优选地，所述喷淋机构包括喷淋管1331、安装于喷淋管1331上且用于将喷淋液雾化的雾化喷头1330，用于检测光氧化段13内湿度的湿度传感器(未标号)，以及与湿度传感器电连接以根据湿度传感器检测结果控制雾化喷头开启或关闭的湿度控制器1332。当光氧化区131湿度低于湿度设定下限时，雾化喷头1330启动喷淋增湿；当光氧化区131湿度达到湿度设定上限时，雾化喷头1330停止喷淋增湿。当喷淋时，部分喷淋液会在重力的作用下回落至进气区130，并经设在进气区130底部一端的排液口19排出反应腔体1。为防止废气从排液口19逸出，所述排液口19设液封段。
运行时，进入反应腔体1的VOCs废气首先在光氧化段13的进气区130内实现均匀布气，然后向上进入光氧化区131内被光解并断链或开环转化为醛、酮、酸或酯等小分子有机物，或直接被矿化为CO2、H2O等无机物，光解处理后的气体穿出光氧化段13并流至臭氧催化氧化段14，而气相中附着于石英玻璃套管1322上的颗粒或气溶胶态的杂质会被喷淋液冲刷转移至进气区130。
所述臭氧催化氧化段14设有催化填料支撑架1401和催化氧化区141。所述填料支撑架位于臭氧催化氧化段14的下方区域140，具有承托支撑催化填料1411的作用。所述催化氧化区141位于臭氧催化氧化段14中央区域，催化氧化区141内填充有催化填料1411，所述催化填料1411堆填于催化填料支撑架1401上。
因从光氧化段13流至臭氧催化氧化段14的气体含有一定浓度的臭氧(O3)，而臭氧(O3)具有很高的氧化电位，极易通过微生物细胞膜扩散，并能通过氧化微生物细胞的有机物或破坏有机体链状结构而导致细胞死亡。为确保后续生物能稳定地对VOCs废气进行深度降解处理及避免臭氧逸出环境形成二次污染，有必要在生物滴滤段15前对气体进行脱臭氧(O3)处理。在脱臭氧的同时还考虑利用臭氧(O3)的氧化性进一步降低VOCs污染物含量，为生物滴滤段15削减部分VOCs的去除负荷。
优选地，所述催化氧化区141的催化填料1411为活性炭、沸石和聚氨酯泡沫中的一种或多种具有多孔结构的颗粒填料，其粒径为5～20mm。所述催化填料上负载有催化氧化臭氧(O3)的催化剂，所述催化剂为含锰(Mn)、镍(Ni)、钴(Co)或铁(Fe)的金属氧化物催化剂。
具体地，臭氧(O3)催化氧化分解为氧气和产生羟基自由基(OH·)的部分反应机理如下：
Me-OH-+O3→Me-HO2-+O2 (1)；
Me-HO2 -+O3→Me-O2-+HO3 0 (2)；
HO3 0→OH·+O2 (3)。
运行时，含臭氧(O3)的VOCs气体从上至下穿过臭氧催化氧化段14的催化氧化区，臭氧(O3)在强化氧化VOCs污染物的同时，还与催化氧化区内的催化填料发生气固相催化反应，最终臭氧(O3)被催化分解为氧气，并与催化剂发生配位络合反应并生成一定数量的羟基自由基(OH·)，形成羟基自由基(OH·)/O3氧化VOCs污染物体系。通过以上反应过程，脱除臭氧且补充了一定浓度氧气的气体流至生物滴滤段15。优选地，臭氧催化氧化段14脱除臭氧(O3)的效率大于或等于95％。
所述生物滴滤段15自下而上由布水区150，生物降解区151和出气区152组成。所述布水区150设有生物填料支撑架1501，所述生物填料支撑架1501具有承托支撑填料作用。所述生物降解区151内填充有生物填料1511，其堆填于生物填料支撑架1501上，所述生物填料1511表面及微孔内生长有具有降解VOCs生物活性且以好氧性的细菌或丝状真菌为主的微生物。所述出气区152顶部一端与排气口12连通。
所述出气区152内还设有雾化喷头1520，所述雾化喷头1520安装于喷淋管道1521上，该出气区152内的喷淋管道与雾化喷头共同组成营养液喷淋机构。所述雾化喷头1520以间歇喷淋的方式定时向生物降解区151喷淋营养液。部分营养液会在重力的作用下回落至布水区150，布水区150底部一端设有排液口19，营养液可从所述排液口19排出反应腔体1。
本实施方式中，为了促进生物滴滤段15内老化的生物膜脱落更新，允许微量臭氧(O3)进入生物滴滤段15。
运行时，先后经光氧化段13和臭氧催化氧化段14预处理后不含臭氧或微量臭氧但含未彻底矿化的小分子VOCs污染物的气体首先在生物滴滤段15的布水区150内进行均匀布气，然后上升至生物降解区151，由于经预氧化处理后，气相中的小分子VOCs污染物的水溶性及可生化性均有所提高，故VOCs污染物能较迅速地被栖息于生物降解区151的微生物所捕获并利用，进而被降解转为微生物细胞质和简单的无机物，如烃类、醛类化合物被降解为CO2、H2O，有机硫类中的硫元素被转化为环境中稳定的硫酸盐，有机胺类中的氮元素转化为环境中稳定的硝酸盐或氮气，最终净化后的气体从排气口12排出，生物代谢产物和老化脱落的生物膜被营养液冲刷转移至布水区150，并经该反应段的排液口19排出。优选地，所述排液口19设液封段以避免VOCs废气短流外逸。
优选地，所述生物降解区151的生物填料1511为竹炭、陶粒和焦炭中一种或多种具有多孔结构的颗粒填料，其粒径为10～30mm。
优选地，营养液中含有N、P、Fe、Mg元素，用于调控生物降解区151内pH值和湿度并为微生物提供强化性的营养元素。
优选地，为便于该处理装置100的维修和保养，所述反应腔体1于每一反应段顶部均开设有至少一个检修入口18，以供操作人员从该检修入口进入反应腔体内操作。
在一具体应用中，该处理装置100用于处理工业源常见的二甲苯有机废气，所述应用场所的二甲苯有机废气进气浓度范围为1000-3000mg/m3，属高浓度VOCs废气。反应腔体1的处理风量为100m3/h，反应器为长方体腔体结构，总尺寸为930×400×2000mm(长×宽×高，下同)，含反应腔体1，进气口11，光氧化段13，臭氧催化氧化段14，生物滴滤段15，排气口12和排液口19。其中，光氧化段13尺寸为80×400×2000mm，臭氧催化氧化段14为150×400×2000mm，生物滴滤段15为700×400×2000mm。总设计空塔停留时间为20.1s，其中光氧化段13为1.7s，臭氧催化氧化段14为3.2s，生物滴滤段15为15.1s。
所述光氧化段13的光氧化区131内阵列式均匀布置有六组紫外线灯1320，具体为单层按25mm间距布置组组紫外线灯1320，按500mm层间距布置三层紫外线灯1320。所述紫外线灯1320设有具有保护灯管作用的石英玻璃套管1322，紫外线灯1320整体套装于石英玻璃套管1322内。所述紫外线灯1320能发出185nm波长的特征光谱，其单支紫外线灯1320长度为436mm，管径为15mm，功率为23W，1m紫外强度为65μW·cm-2。
所述臭氧催化氧化段14中，催化氧化区141的有效高度为1.5m，催化氧化区内填充有催化填料1411。所述催化填料为活性炭颗粒填料，其粒径为10mm；所述催化填料上负载含MnO2成分的金属氧化物催化剂。
所述生物滴滤段15中，生物降解区151有效高度为1.5m，生物降解区内填充有生物填料1511。所述生物填料为竹炭和陶粒按体积比2：1分层填装组成，其粒径为20mm-30mm；所述生物填料表面及微孔内生长有具有降解VOCs生物活性且以好氧性的细菌为主的微生物。所述生物滴滤段15的出气区内设有喷淋管道，喷淋管道1521上设有多个雾化喷头1520。所述雾化喷头以间歇喷淋方式定时向生物降解区喷淋营养液，优选地，营养液的流量按液气比1.5-3设计，在24h内按每小时向生物降解区喷淋1-1.5min的间歇喷淋方式运行。所述营养液中含有氯化铵(NH4Cl)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、氧化亚铁(FeO)、氧化镁(MgO)组分。部分营养液会在重力的作用下回落至布水区，继而从所述排液口19排出反应腔体1。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种有机废气处理装置，其特征在于，包括反应腔体，所述反应腔体沿左右方向的两端分别开设进气口和排气口，所述反应腔体内沿进气口向排气口的方向分隔出依序连通的光氧化段、臭氧催化氧化段及生物滴滤段三个反应段；其中，
所述光氧化段用于在其内形成(UV)/O3/OH·光氧化体系，以与有机废气发生快速链式反应；
所述臭氧催化氧化段用于在光氧化段生成的O3作用下对光氧化段处理后的有机废气进行催化氧化处理；
所述生物滴滤段用于降解经臭氧催化氧化段处理后的有机废气，并将降解后的气体经排气口排出。
2.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于，相邻两个反应段之间设有隔板，所述隔板前后两边与腔体内壁连接，相邻反应段的隔板上下仅一边交错与腔体相连。
3.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于，所述光氧化段设有用于提供紫外线的紫外线灯组件，所述紫外线灯组件包括固定于光氧化段顶部的灯管支架，安装在灯管支架上的紫外线灯，以及套设在紫外线灯外周的玻璃套管。
4.根据权利要求3所述的有机废气处理装置，其特征在于，所述光氧化段还设有喷淋机构，所述喷淋机构的喷淋液流经所述紫外线灯。
5.根据权利要求4所述的有机废气处理装置，其特征在于，所述喷淋机构包括喷淋管、安装于喷淋管上且用于将喷淋液雾化的雾化喷头，用于检测光氧化段内湿度的湿度传感器，以及与湿度传感器电连接以根据湿度传感器检测结果控制雾化喷头开启或关闭的湿度控制器。
6.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于，所述臭氧催化氧化段包括设于下方区域且用于承托催化填料的催化填料支撑架和设于填料支撑架上方且填充有催化填料的催化氧化区。
7.根据权利要求6所述的有机废气处理装置，其特征在于，所述催化填料上负载有用于催化氧化臭氧的催化剂。
8.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于，所述生物滴滤段包括由下而上设置的布水区、生物降解区和出气区，所述布水区设有用于承托生物填料的生物填料支撑架，所述降解区内堆填有生物填料，所述出气区设有用于向生物降解区喷淋营养液的营养液喷淋机构，所述出气区顶端开设有所述排气口。
9.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于，所述反应腔体左右两端分别于底部设有排液口，所述排液口设有用于防止气体外逸的液封段。
10.权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于，反应腔体顶部对应三个反应段各开设有检修入口。
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