CN107596905A - 膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的装置和方法，该装置的生物反应模块14分别与净化气体收集装置7和储液底座6连接；生物反应模块14包括筒状生物反应塔体1，膜曝气进气管10设置在筒状生物反应塔体的上部，膜曝气出气管11设置在筒状生物反应塔体下部，中空纤维膜组件2的两端分别与膜曝气进气管10和膜曝气出气管11连接；在中空纤维膜组件2上方设置有营养液喷淋装置5；含VOCs废气源通过管道与废气流量计15连接后分别与膜曝气进气管10和废气进口管道8的一端连接，废气进口管道8的另一端贯穿储液底座6的侧壁设置；本发明的装置结构简单，运行成本低。本发明的方法简单，无二次污染，能耗低。
Description
技术领域
本发明属于有机废气治理领域，具体涉及一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的装置和方法。
技术背景
洁净的大气是人类赖以生存的必要条件之一。一个人不吃饭、不饮水还有可能生存数天，但是断绝空气5min就会死亡。近年来我国北方大部分地区出现了严重的雾霾天气，尤其是京津冀地区，而VOCs(volatile organic compounds，挥发性有机物)是导致这种严重雾霾天气的直接原因之一。恶劣的雾霾天气严重影响了人们的正常生活并且对人的身体健康构成了严重威胁。
VOCs(VOCs)是一类含碳的有机物质，通常是指在环境条件下容易蒸发或挥发的有机化合物，一般是指在常温常压下饱和蒸气压大于70Pa、沸点小于260℃的有机化合物的总称，包括脂肪烃、芳香烃、含卤烃类、含氧烃类、含氮烃和含硫烃类等，其主要来源于石化、汽车、家电、精细化工等行业。
对于含VOCs废气的末端治理方法主要包括热氧化法、催化氧化法、流向变换反应器、吸附净化法、吸收净化法、冷凝法、膜分离法和生物法等等。在上述各种方法之中，生物法最为经济，特别针对低浓度大风量的废气，该方法的优势更为突出。但随着风量急剧的增大，生物法本身需要较大的占地面积又限制了其应用。此外，膜技术己经成为21世纪最有发展前途的高技术之一，膜技术的应用与节能、环境保护的关系也越来越密切。因此膜生物膜法应运而生。
另外，膜生物膜法由于其处理效率高、无二次污染等优点越来越受到人们的关注。膜生物膜法是利用膜材料作为微生物的载体(代替传统生物膜法的填料)，具有更大的比表面积，使得气相中有机物更容易接触到生物膜而被微生物吸附/吸收降解。反应条件温和、适用范围广，烃、醇、醛、酮、氨等有机物都能被微生物降解。其反应机理主要是填料上的活性微生物以废气中的有机组分作为能源或养分，转化成简单的无机物或细胞组成物质。根据生物膜理论，膜生物膜法处理废气一般要经历以下步骤：①废气中的污染物一部分同喷淋液接触并溶解于水中(即由气相进入液膜)，一部分被生物膜上的微生物吸附/吸收；②溶解于液膜中的污染物在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜，然后被其中的微生物捕获并吸收；③通过中空纤维膜内腔通气，为附着在膜丝上的微生物提供氧气供微生物正常的生命活动所需。④进入微生物体内的污染物在其自身的代谢过程中作为能源和营养物质被分解，产生的代谢物一部分进入喷淋液相，另一部分气态物质(CO2)脱离生物膜扩散到大气中。简要地说，膜生物膜法处理废气主要包括氧和VOCs的传质以及VOCs的降解两个过程，废气中的污染物不断减少，达到净化的效果。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的废气去除率低、滤塔易堵和处理成本高的不足，提供一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的装置。
本发明的第二个目的是提供一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的方法。
本发明的技术方案概述如下：
一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的装置，包括生物反应模块14，生物反应模块14分别与净化气体收集装置7和储液底座6连接；生物反应模块14包括筒状生物反应塔体1，筒状生物反应塔体1的上端和下端分别设置有法兰盘9，膜曝气进气管10的一端贯穿筒状生物反应塔体的体壁设置在筒状生物反应塔体的上部，膜曝气出气管11的一端贯穿筒状生物反应塔体的体壁设置在筒状生物反应塔体下部，中空纤维膜组件2的两端分别与膜曝气进气管10和膜曝气出气管11连接，使中空纤维膜组件与膜曝气进气管10和膜曝气出气管11相通；在中空纤维膜组件2上方设置有营养液喷淋装置5；含VOCs废气源通过管道与废气流量计15连接后分别与膜曝气进气管10和废气进口管道8的一端连接，废气进口管道8的另一端贯穿储液底座6的侧壁设置；膜曝气出气管11与储液底座6连接；储液底座6通过营养液输送管13分别与营养液添加罐12和循环泵3连接；循环泵3通过营养液输送管13依次与营养液流量计4和营养液喷淋装置5连接；净化气体收集装置7的顶部设置有净化气出气管16；净化气体收集装置的下端设置有法兰盘9；储液底座6的上端设置有法兰盘9。
生物反应模块14优选为1‐6个，相邻的两个生物反应模块之间通过法兰盘9连接。
营养液喷淋装置最好是喷头式分布器，喷头式分布器上小孔为同心圆排列，小孔直径为5～10mm。也可以选用其它类型的喷淋装置。
筒状生物反应塔体1的直径为500mm‐1500mm；筒状生物反应塔体1的高为800‐1500mm，中空纤维模组件的高600‐1200mm，中空纤维模组件填充密度为30％‐70％。
一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的的方法，包括如下步骤：
(1)使用上述膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的装置；
(2)对生物反应模块14内设置的中空纤维膜组件2外表面进行生物挂膜；
(3)将生物反应模块14与净化气体收集装置7和储液底座6通过法兰盘进行连接；
(4)启动营养液循环泵3；营养液喷淋装置喷淋营养液；
(5)将含VOCs废气经过废气流量计15后分两股，一股经过膜曝气进气管10，通入中空纤维膜的内部；另一股经过废气进口管道8，进入筒状生物反应塔体1内；
(6)营养液添加罐12内贮存的营养液补充微生物处理VOCs后营养物质的消耗；
(7)经过净化后的气体由净化气体收集装置7收集后从净化气出气管排入大气。
含VOCs废气的流量为1～50m3/s，浓度为50mg/m3～1500mg/m3。
最好是，含VOCs废气的流量为10～40m3/s，浓度最好是500mg/m3～1200mg/m3。
本发明的优点：
本发明的装置结构简单，反应塔为模块化设计，有不同的直径规格及处理能力，可根据实际应用中废气排放量、VOCs的浓度和生化性能选择直径规格和模块的数量。
本发明的方法简单，不会发生气相堵塞，无二次污染，能耗低，处理效果受外界(如VOCs含量、温度、微生物抑制物质等)影响较小并且具有很高的VOCs去除率。克服了传统的吸收法吸收分解VOCs气体时对环境有害的废弃吸收液很难得到有效处理和利用的不足，吸收VOCs后的吸收液经过储液底座收集可循环使用，显著降低了运行处理成本，并且不存在吸收液排放污染环境的问题。
附图说明
图1为膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的装置(单模块)示意图。
图2为膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的装置(多模块)示意图。
图3为生物反应模块(14)纵剖面示意图。
具体实施方式
各实施例中所用营养液的组成：
营养液按重量百分比由下述组分组成：葡萄糖0.045％、淀粉0.045％、尿素0.006％、硫酸铵0.024％、碳酸氢钠0.051％、磷酸氢二钾0.003％、磷酸二氢钾0.003％、七合水硫酸镁0.010％、氯化钙0.002％、七水合硫酸铁0.003％，余量为水，配制成C:N:P＝100:5:1的营养液。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的装置，见图1，包括生物反应模块14，生物反应模块14分别与净化气体收集装置7和储液底座6连接；生物反应模块14包括筒状生物反应塔体1，筒状生物反应塔体1的上端和下端分别设置有法兰盘9，膜曝气进气管10的一端贯穿筒状生物反应塔体的体壁设置在筒状生物反应塔体的上部，膜曝气出气管11的一端贯穿筒状生物反应塔体的体壁设置在筒状生物反应塔体下部，中空纤维膜组件2的两端分别与膜曝气进气管10和膜曝气出气管11连接，使中空纤维膜组件与膜曝气进气管10和膜曝气出气管11相通，见图3，；在中空纤维膜组件2上方设置有营养液喷淋装置5；含VOCs废气源通过管道与废气流量计15连接后分别与膜曝气进气管10和废气进口管道8的一端连接，废气进口管道8的另一端贯穿储液底座6的侧壁设置；膜曝气出气管11与储液底座6连接；储液底座6通过营养液输送管13分别与营养液添加罐12和循环泵3连接；循环泵3通过营养液输送管13依次与营养液流量计4和营养液喷淋装置5连接；净化气体收集装置7的顶部设置有净化气出气管16；净化气体收集装置的下端设置有法兰盘9；储液底座6的上端设置有法兰盘9。
生物反应模块14为1个，2个，3个，4个，5个或6个，当生物反应模块数等于或大于2的正整数时，相邻的两个生物反应模块之间通过法兰盘9连接，见图2。
营养液喷淋装置最好是喷头式分布器，所述喷头式分布器上小孔为同心圆排列，小孔直径为5～10mm。也可以选用其它类型的喷淋装置。
筒状生物反应塔体1的直径为500mm‐1500mm之间的任意数，如500mm、1000mm或1500mm。
筒状生物反应塔体1的高为800mm‐1500mm之间的任意数，如800mm、1000mm、1200mm或1500mm。
中空纤维模组件的高600mm‐1200mm之间的任意数，如600mm、800mm、1000mm或1200mm。
中空纤维模组件填充密度为30％‐70％之间的任意数，如30％、40％、50％、60％或70％。实施例1
一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的的方法，包括如下步骤：
(1)使用膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的装置；
(2)对生物反应模块14内设置的中空纤维膜组件2外表面进行生物挂膜；
(3)将生物反应模块14选三个，每两个生物反应模块之间通过法兰盘连接，生物反应模块与净化气体收集装置7和储液底座6通过法兰盘进行连接；
(4)启动营养液循环泵3；营养液喷淋装置喷淋营养液；
(5)将含VOCs废气经过废气流量计15后分两股，一股再分别经过三个膜曝气进气管10，通入中空纤维膜的内部；其中的有机污染物和氧气通过纤维膜微孔扩散到达生物相(生物膜)；另一股经过废气进口管道8，由下至上进入筒状生物反应塔体1内；
喷淋营养液提供微生物生长必要的营养物质，经营养液喷淋后被塔内中空纤维膜表面的生物膜吸附/吸收的废气中有机物就会被好氧微生物以氧气为电子受体而降解成二氧化碳和水，留在营养液中的有机物，在循环过程中被微生物分解；
营养液在储液底座6收集后循环使用。
(6)营养液添加罐12内贮存的营养液补充微生物处理VOCs后营养物质的消耗；
(7)经过净化后的气体由净化气体收集装置7收集后从净化气出气管16排入大气。
营养液喷淋装置为喷头式分布器，所述喷头式分布器上小孔为同心圆排列，小孔直径为5～10mm；
筒状生物反应塔体1的直径为500mm，筒状生物反应塔体1的高为800mm，中空纤维模组件的高600mm。中空纤维模组件填充密度为70％。
含苯乙烯的废气的流量为1‐5m3/s，浓度为50‐100mg/m3。
苯乙烯的去除率为99％。
实施例2
一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的的方法，包括如下步骤：
步骤(1)‐步骤(7)同实施例1步骤(1)‐步骤(7)；
营养液喷淋装置为喷头式分布器，所述喷头式分布器上小孔为同心圆排列，小孔直径为5～10mm；
筒状生物反应塔体1的直径为1000mm，筒状生物反应塔体1的高为1000mm，中空纤维模组件的高800mm。中空纤维模组件填充密度为50％。3个生物反应模块串联，
含二甲苯的废气流量为10‐20m3/s，浓度为800‐1000mg/m3。
二甲苯的去除率为90％。
实施例3
一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的的方法，包括如下步骤：
步骤(1)‐步骤(7)同实施例1步骤(1)‐步骤(7)；
营养液喷淋装置为喷头式分布器，所述喷头式分布器上小孔为同心圆排列，小孔直径为5～10mm；
筒状生物反应塔体1的直径为1000mm，筒状生物反应塔体1的高为1200mm，中空纤维模组件的高1000mm。中空纤维模组件填充密度为50％。1个生物反应模块。
含甲苯废气的流量为25m‐303/s，浓度为1200‐1500mg/m3。
甲苯的去除率为95％。
实施例4
一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的的方法，包括如下步骤：
步骤(1)‐步骤(7)同实施例1步骤(1)‐步骤(7)；
营养液喷淋装置为喷头式分布器，所述喷头式分布器上小孔为同心圆排列，小孔直径为5～10mm；
筒状生物反应塔体1的直径为1500mm，筒状生物反应塔体1的高为1500mm，中空纤维模组件的高1200mm。中空纤维模组件填充密度为30％。6个生物反应模块。
含有丙酮的废气的流量为40‐50m3/s，浓度为500‐1000mg/m3。
丙酮的去除率为99％。
实施例5
一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的的方法，包括如下步骤：
步骤(1)‐步骤(7)同实施例1步骤(1)‐步骤(7)；
营养液喷淋装置为喷头式分布器，所述喷头式分布器上小孔为同心圆排列，小孔直径为5～10mm；
筒状生物反应塔体1的直径为1500mm，筒状生物反应塔体1的高为1500mm，中空纤维模组件的高1000mm。中空纤维模组件填充密度为30％。2个生物反应模块。
含硫化氢的废气的流量为30‐40m3/s，浓度为800‐1200mg/m3。
硫化氢的去除率为99％。
含VOCs废气分两部分进入筒状生物反应塔体内，一部分废气由增压装置送入中空纤维膜组件内的空腔，废气中的有机污染物和氧气通过中空纤维膜微孔向膜外扩散到达生物相(生物膜)，另一部分废气由储液底座内的废气进口管道流出，由下至上依次通过各段筒状生物反应塔体，并与塔体内中空纤维膜接触，由营养液喷淋装置提供的微生物生长必要的营养物质，经营养液喷淋后被塔内中空纤维膜表面的生物膜吸附/吸收的废气中有机物就会被微生物降解成无机物，留在营养液中的有机物，在循环过程中被微生物分解；净化后的气体由净化气体收集装置收集并由净化气出气管排出，营养液在储液底座收集后循环使用。
以上所述是对本发明的解释，而非对本发明的限制，其他任何未背离本发明原理的修改、简化、组合都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的装置，包括生物反应模块(14)，生物反应模块(14)分别与净化气体收集装置(7)和储液底座(6)连接；生物反应模块(14)包括筒状生物反应塔体(1)，筒状生物反应塔体(1)的上端和下端分别设置有法兰盘(9)，膜曝气进气管(10)的一端贯穿筒状生物反应塔体的体壁设置在筒状生物反应塔体的上部，膜曝气出气管(11)的一端贯穿筒状生物反应塔体的体壁设置在筒状生物反应塔体下部，中空纤维膜组件(2)的两端分别与膜曝气进气管10和膜曝气出气管(11)连接，使中空纤维膜组件与膜曝气进气管(10)和膜曝气出气管(11)相通；在中空纤维膜组件(2)上方设置有营养液喷淋装置(5)；含VOCs废气源通过管道与废气流量计(15)连接后分别与膜曝气进气管(10)和废气进口管道(8)的一端连接，废气进口管道(8)的另一端贯穿储液底座(6)的侧壁设置；膜曝气出气管(11)与储液底座(6)连接；储液底座(6)通过营养液输送管(13)分别与营养液添加罐(12)和循环泵(3)连接；循环泵(3)通过营养液输送管(13)依次与营养液流量计(4)和营养液喷淋装置(5)连接；净化气体收集装置(7)的顶部设置有净化气排气管(16)；净化气体收集装置的下端设置有法兰盘(9)；储液底座(6)的上端设置有法兰盘(9)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述生物反应模块(14)为1‐6个，相邻的两个生物反应模块之间通过法兰盘(9)连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述营养液喷淋装置为喷头式分布器，所述喷头式分布器上小孔为同心圆排列，小孔直径为5～10mm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述筒状生物反应塔体(1)的直径为500mm‐1500mm；筒状生物反应塔体(1)的高为800‐1500mm，中空纤维模组件的高600‐1200mm，中空纤维模组件填充密度为30％‐70％。
5.一种膜曝气生物膜反应器净化含VOCs废气的方法，其特征是包括如下步骤：
(1)使用权利要求1‐3之一的装置；
(2)对生物反应模块(14)内设置的中空纤维膜组件(2)外表面进行生物挂膜；
(3)将生物反应模块(14)与净化气体收集装置(7)和储液底座(6)通过法兰盘进行连接；
(4)启动营养液循环泵(3)；营养液喷淋装置喷淋营养液；
(5)将含VOCs废气经过废气流量计(15)后分两股，一股经过膜曝气进气管(10)，通入中空纤维膜的内部；另一股经过废气进口管道(8)，进入筒状生物反应塔体(1)内；
(6)营养液添加罐(12)内贮存的营养液补充微生物处理VOCs后营养物质的消耗；
(7)经过净化后的气体由净化气体收集装置(7)收集后从净化气出气管排入大气。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是所述含VOCs废气的流量为1～50m3/s，浓度为50mg/m3～1500mg/m3。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是所述含VOCs废气的流量为10～40m3/s，浓度为500mg/m3～1200mg/m3。
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