CN109395572A - 一种流化床生物反应器、废气净化装置及废气净化方法 - Google Patents

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朱仁成
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Abstract

本发明涉及一种流化床生物反应器、废气净化装置及废气净化方法。该流化床生物反应器包括外壳，外壳具有用于盛装工作液体的内腔，内腔中设置有内套筒，内套筒外侧于外壳的内腔中形成环形空间，内套筒的上端开口、下端开口分别与环形空间的上部、下部相连通，外壳上还设置有废气进口和排气口，外壳的内腔中设有气体出口，内套筒上设有上布气隔板、下布气隔板，上布气隔板、下布气隔板上均开设有供气体和工作液体流通的连通孔，下布气隔板的连通孔与所述气体出口相连通且气体出口处于所述环形空间以内的下布气隔板下方的位置；内套筒的内壁及上布气隔板、下布气隔板围成填料腔。该流化床生物反应器强化了三相的传质效率，提高了生物净化效率。

Description

一种流化床生物反应器、废气净化装置及废气净化方法
技术领域
本发明属于废气净化处理领域，具体涉及一种流化床生物反应器、废气净化装置及废气净化方法。
背景技术
挥发性有机物(VOCs)指的是挥发性的碳氢化合物及其衍生物。在阳光照射下，NOx与大气中的VOCs发生光化学反应，生成臭氧、过氧硝基酰(PAN)、醛类等光化学烟雾，容易造成二次污染，并会刺激人的眼睛和呼吸系统，危害人的身体健康。大多数VOCs易燃易爆，在高浓度排放时易酿成火灾和爆炸。目前常用的VOCs处理方法有吸收法、冷凝法、吸附法、生物法、热氧化法、等离子体法等，其中生物法由于其低成本、易操作及良好的效果而被广泛接受。
公告号为CN205109392U的中国专利公开了一种吸收法和生物法联合作用处理VOCs废气的装置，其是先对VOCs废气进行增溶预处理，然后再将处理后的废气进行复合式生物氧化处理。在进行生物处理前，对废气进行预处理以实现初步净化，对后续生物处理的效率及效果具有重要影响。该现有技术是采用吸收法进行预处理，处理过程中会产生大量废水，需进一步降解处理后才能排放，这不仅增加了企业的废气处理流程，也增加了废气的处理成本。
对VOCs废气经流化床生物反应器进行预处理，可以对多种类型的VOCs废气进行有效的初步净化处理，可以降低后续生物滤塔处理的处理负荷，从而提高废气净化效率，提高废气处理量。公布号为CN101992020A的中国专利申请公开了一种流化床生物反应器，包括外壳体和设于外壳体内的沿上下方向延伸的导流筒，外壳体具有用于盛装工作液体的内腔，导流筒外侧于内腔中形成环形空间，导流筒(内套筒)的上端低于外壳的顶壁，下端高于外壳的底壁，以使导流筒的上端开口、下端开口分别与环形空间的上部、下部相连通，导流筒的下端开口与流化床生物反应器的废气进口相连通，废气进口与设于内腔中的供废气进入的气体出口相连通，导流筒的上端开口的上方设置有伞形帽罩，外壳体的上端设置有排气口。工作时，废气由废气进口进入导流筒内，同时带动附近的工作液体、流化床填料进入导流筒内并向帽罩运动，流经帽罩的内表面后，向下折返至环形空间中，并由导流筒的下端开口重新进入导流筒内完成一个内循环；期间，不能被流化床生物反应器吸收的废气由排气口向外排出，即完成废气的初步净化过程。该工艺对VOCs废气处理负荷有限，且对难溶性的VOCs废气不能取得理想的处理效果。
在流化床处理工艺中，气、液、固三相的传质过程是污染物处理效果的关键，现有技术的气、液、固三相的传质效率不高，导致流化床生物反应器的处理效率和处理效果仍有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流化床生物反应器，以解决现有流化床生物反应器的气、液、固三相的传质效率较差的问题。
本发明的第二个目的在于提供一种废气净化装置，以解决现有废气净化装置处理效率较低的问题。
本发明的第三个目的在于提供一种废气净化方法，以解决现有方法对废气的净化效率较低的问题。
为实现上述目的，本发明的流化床生物反应器的技术方案是：
一种流化床生物反应器，包括外壳，外壳具有用于盛装工作液体的内腔，内腔中设置有内套筒，内套筒外侧于外壳的内腔中形成环形空间，内套筒的上端开口、下端开口分别与环形空间的上部、下部相连通，外壳上还设置有废气进口和用于废气处理后排出的排气口，外壳的内腔中设有与所述废气进口相通的供废气进入的气体出口，内套筒上设有上布气隔板、下布气隔板，上布气隔板、下布气隔板上均开设有供气体和工作液体流通的连通孔，下布气隔板的连通孔与所述气体出口相连通且气体出口处于所述环形空间以内的下布气隔板下方的位置；内套筒的内壁及上布气隔板、下布气隔板围成用于封装流化床填料的填料腔。
本发明的提供的流化床生物反应器，气、液、固的三相传质在填料腔内进行，强化了三相的传质效率，提高了流化床生物反应器的生物净化效率。
现有的循环流化反应，流化床填料随工作液体在填料腔内外循环流动，流化床填料处于“随波逐流”状态，本发明将流化床填料限制在填料腔内，使流化床填料、工作液体、废气的相互作用增强，相互作用时间增加，因而可以达到强化传质效率，提高净化效率的目的。
为更进一步提高循环效率，优选的，所述环形空间形成供工作液体自上而下快速通过的无填料空间。在该种情形下，环形空间仅填充工作液体，相对于填料腔内的流体自下而上慢速通过，环形空间内工作液体自上而下快速、无阻通过，无填料空间的设置减小了流化床填料对流动的不良影响，提高了循环效率和净化速度，同时也可以减少流化床填料的用量并提高其利用效率。
为了便于对废气进行良好分散，使内套筒外的工作液体更好地向内套筒内回流，提高废气的净化处理效率，优选的，所述废气进口连接有气体分布器，所述气体出口设于气体分布器上，所述气体出口高于内套筒的下表面。
为便于内套筒的固定，简化反应器的结构，优选的，内套筒的下端高于外壳的底壁，在内套筒的下端与外壳的底壁之间沿内套筒的周向间隔设有多个垫板，相邻两个垫板之间连同内套筒及底壁的对应部位围成液体回流口。
本发明的废气净化装置所采用的技术方案是：
一种废气净化装置，包括流化床生物反应器和生物过滤塔，流化床生物反应器包括外壳，外壳具有用于盛装工作液体的内腔，内腔中设置有内套筒，内套筒外侧于外壳的内腔中形成环形空间，内套筒的上端开口、下端开口分别与环形空间的上部、下部相连通，外壳上还设置有废气进口和用于废气处理后排出的排气口，外壳的内腔中设有与所述废气进口相通的供废气进入的气体出口，所述排气口与生物过滤塔的进气口相连，内套筒上设有上布气隔板、下布气隔板，上布气隔板、下布气隔板上均开设有供气体和工作液体流通的连通孔，下布气隔板的连通孔与所述气体出口相连通且气体出口处于所述环形空间以内的下布气隔板下方的位置；内套筒的内壁及上布气隔板、下布气隔板围成用于封装流化床填料的填料腔。
本发明提供的废气净化装置，通过流化床生物反应器对废气进行初步净化处理，实现对可溶性废气和部分不溶性废气的净化处理，其余难溶性废气进入生物过滤塔进行处理，可实现废气的高效净化处理。
为更进一步提高循环效率，优选的，所述环形空间形成供工作液体自上而下快速通过的无填料空间。
本发明的废气净化方法所采用的技术方案是：
一种废气净化方法，包括以下步骤：将流化床填料限制在一位于流化床生物反应器内的填料柱中，向流化床生物反应器中加入工作液体至工作液体淹没填料柱，填料柱的上、下两端分别与填料柱外的工作液体连通，向填料柱中通入废气，工作液体随废气的通入在填料柱内外循环流动，在填料柱内实现流化反应处理，流化反应处理后得到预处理气体，将预处理气体进行生物过滤处理，即得。
本发明提供的废气净化方法，采用内循环流化反应加强气、液、固三相的传质过程，可提高废气尤其是VOCs废气的处理效率，提高处理气量，对不同浓度、不同类型废气均具有良好的处理效果。
为进一步缩短生物过滤处理的启动周期，提高对难溶性废气的处理效果，优选的，所述生物过滤处理所使用的填料为微生物缓释复合填料，生物过滤处理时使用生物营养液淋洗所述微生物缓释复合填料。
为更好的促进微生物的生长及增强微生物的分解作用，优选的，所述生物营养液由以下组分组成：K2HPO4 4-6g/L，KH2PO4 0.1-0.15g/L，NH4Cl 0.02-0.03g/L，MgSO4 0.06-0.08g/L，CaCl2 0.02-0.04g/L，FeCl3 0.2-0.4g/L，ZnSO4 0.02-0.06g/L，MnSO4 0.02-0.06g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.02-0.06g/L，溶剂为水。
附图说明
图1为本发明废气净化装置实施例的结构示意图；
图2为本发明废气净化装置实施例的流化床生物反应器中A-A向的截面图(由下至上)；
图3为本发明废气净化装置实施例的流化床生物反应器中下布气隔板的结构示意图；
图中，1-流化床生物反应器，2-生物过滤塔，3-内套筒，4-外壳，5-垫板，6-上布气隔板，7-下布气隔板，70-基板，71-连通孔，8-曝气板，9-进气口，10-废气进气管道，11-风机，12-进水口，13-流化床进水管道，14-工作液体储槽，15-流化床进水泵，16-流化床排水管，17-流化床出气口，18-填料单元，19-气体分布板，20-液体分布器，21-淋洗液输送管道，22-储液槽，23-液体循环泵，24-净化气出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的废气净化装置的具体实施例，如图1至图3所示，包括流化床生物反应器1和生物过滤塔2，流化床生物反应器1包括外壳4，外壳4具有用于盛装工作液体的内腔，内腔中设置有内套筒3，内套筒3外侧于外壳4的内腔中形成环形空间，内套筒3的上端开口、下端开口分别与环形空间的上部、下部相连通，内套筒3的上端低于外壳4的顶壁，内套筒3的下端高于外壳4的底壁，内套筒3通过设置于内套筒3与外壳4的底壁之间的沿内套筒3的周向均匀间隔布置的垫板5固定于外壳4的底壁之上。
内套筒3的上下两端相应设有上布气隔板6、下布气隔板7，下布气隔板7的下端略高于内套筒3的下端，内套筒3、上布气隔板6、下布气隔板7围成用于封装流化床填料的填料腔。下布气隔板7包括基板70和均匀密集设置在基板70上的多个连通孔71，上布气隔板6的结构与下布气隔板7相同。
外壳4上设置有进气口9，进气口9与曝气装置的气体入口相连接，曝气装置包括气体出口设置在环形空间以内且位于下布气隔板7下方的曝气板8，曝气板8的气体出口高于内套筒3的下表面。
内套筒3的内腔形成流体上升通道，内套筒外侧的环形空间形成流体下降通道，内套筒3的上端与外壳4的顶壁之间的空间形成连通上升通道和下降通道的上连通通道，相邻两个垫板5之间连同内套筒3的下表面、外壳底壁的上表面的对应部位围成连通上升通道和下降通道的下连通通道，下连通通道、流体上升通道、上连通通道及流体下降通道组成如图1中箭头所示的流体内循环通道。
外壳上的进气口9与废气进气管道10的出口相连，废气进气管道10上设置有风机11。风机出口与进气口9之间的连接管道上还连接有气体分流管道，以对进入曝气装置的曝气压力进行调节。外壳4上设置有进水口12，进水口12通过流化床进水管道13与工作液体储槽14相连，流化床进水管道13上设置有流化床进水泵15。外壳4上还连接有用于排出外壳4内工作液体的流化床排水管16。
外壳4的顶壁上设置有流化床出气口17，流化床出气口17与生物过滤器2的进气口相连。
生物过滤器2包括生物塔塔体和设于生物塔塔体内的填料单元18，填料单元18包括上下间隔设置的上填料层和下填料层，上填料层、下填料层分别设置在一气体分布板19上，生物过滤器的进气口设于下填料层的气体分布板19的下方，生物塔塔体的上端设置有液体分布器20，液体分布器20通过淋洗液输送管道21与储液槽22相连，淋洗液输送管道21上设置有液体循环泵23。
生物塔塔体上位于上填料层的上游设置有净化气出口24，生物塔塔体的下端通过回流管道与淋洗液输送管道21相连，生物塔塔体的底端还连接有排水管。
该废气净化装置的工作过程如下：向内套筒3的填料腔装入流化床填料，然后由进水口12向外壳4内通入工作液体，控制液面高度略高于内套筒3的上端面(上布气隔板6的上表面与内套筒3的上表面平齐)。VOCs废气由箭头方向经废气进气管道10经曝气装置分散成气泡后进入流化床生物反应器1，气泡经下布气隔板7后再次分布，使气泡进一步均匀扩散，下布气隔板7一方面对气体进行二次分布，另一方面对上层流化床填料起到支撑作用；细小的气泡有效增加了气液接触面积，加速易溶性气体的溶解，并增加了难溶性气体的溶解度；在气体的推动下，工作液体随着气泡向上涌动，到达上布气隔板6后在压差作用下沿流体下降通道重新回流，再由下连通通道随上涌的工作液体进入流体上升通道，形成内循环。
流化床填料可采用多孔、强吸附性填料，如聚氨酯海绵块、鲍尔环等，其上附着有微生物，以利用微生物的代谢反应实现对污染物质进行降解。内循环液含有水和供微生物生长及代谢所需的营养物质。
内循环过程中，易溶性VOCs气体被工作液体吸收后经多次循环进一步与流化床填料进行接触，部分难溶性气体微量溶解后被流化床填料吸附，其余难溶性气体经流化床出气口17进入生物过滤塔2进行后续处理。留在流化床生物反应器1内的VOCs气体经多次循环，反复与填料接触，最终被微生物分解；流化床生物反应器1一方面可以快速截留易溶性VOCs气体和部分难溶VOCs气体，另一方面对截留的VOCs气体进行生物降解，最终被微生物转化为二氧化碳和水，不会对环境产生二次污染，处理彻底。内循环过程中，因流化床填料被限制在填料腔内，废气、内循环液、流化床填料之间的接触传质得以强化，可使相关处理过程均匀、高效进行，不仅反应速度快，而且适应能力强，对不同污染物质、不同浓度的废气均能有效处理。
进入生物过滤塔2的难溶性VOCs被填料单元18吸附并被微生物分解。生物营养液由液体循环泵23运送至塔顶后经液体分布器20分布后均匀喷淋于填料之上，一方面供给微生物生长所需，另一方面将微生物分解后产生的小分子物质从填料表面淋洗下来；生物营养液经回流管进行多次循环后，由排水管排出，处理后的达标气体从净化气出口24排出。
填料单元18所用填料采用一种包埋功能微生物缓释复合填料(采用公告号为CN103041695B的中国专利记载的填料)，该填料在生物过滤塔2中具有启动周期短，生物活性高、便于操作等特性。生物营养液由以下组分组成：K2HPO4 4-6g/L，KH2PO4 0.1-0.15g/L，NH4Cl 0.02-0.03g/L，MgSO4 0.06-0.08g/L，CaCl2 0.02-0.04g/L，FeCl3 0.2-0.4g/L，ZnSO40.02-0.06g/L，MnSO4 0.02-0.06g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.02-0.06g/L，溶剂为水。使用时用NaOH将pH调至中性。
在本发明的废气净化装置的其他实施例中，下布气隔板7的下表面可与内套筒3的下表面平齐设置，通过增大曝气压力来促进内套筒3外工作液体的回流。可在外壳的底壁上设置一支架，该支架可包括内套筒安装框架和设置在内套筒安装框架下的均匀间隔设置的支撑足，通过该支架来实现内套筒3的固定以及使其下端开口与环形空间相连通。
本发明的流化床生物反应器的具体实施例，与上述废气净化装置实施例中流化床生物反应器的结构相同，在此不再详述。
本发明的废气净化方法的具体实施例，采用以下步骤：将流化床填料限制在一位于流化床生物反应器内的填料柱中，向流化床生物反应器中加入工作液体至工作液体淹没填料柱，填料柱的上、下两端分别与填料柱外的工作液体连通，向填料柱中通入废气，工作液体随废气的通入在填料柱内外循环流动，在填料柱内实现流化反应处理，流化反应处理后得到预处理气体，将预处理气体进行生物过滤处理，即得。
利用上述方法对VOCs废气进行处理，净化速度快，处理气量大，不产生二次污染，且运行成本低，对不同污染物质、不同浓度的废气均能有效处理，不受季节限制，操作弹性大。

Claims (9)

1.一种流化床生物反应器，包括外壳，外壳具有用于盛装工作液体的内腔，内腔中设置有内套筒，内套筒外侧于外壳的内腔中形成环形空间，内套筒的上端开口、下端开口分别与环形空间的上部、下部相连通，外壳上还设置有废气进口和用于废气处理后排出的排气口，外壳的内腔中设有与所述废气进口相通的供废气进入的气体出口，其特征在于，内套筒上设有上布气隔板、下布气隔板，上布气隔板、下布气隔板上均开设有供气体和工作液体流通的连通孔，下布气隔板的连通孔与所述气体出口相连通且气体出口处于所述环形空间以内的下布气隔板下方的位置；内套筒的内壁及上布气隔板、下布气隔板围成用于封装流化床填料的填料腔。
2.如权利要求1所述的流化床生物反应器，其特征在于，所述环形空间形成供工作液体自上而下快速通过的无填料空间。
3.如权利要求1所述的流化床生物反应器，其特征在于，所述废气进口连接有气体分布器，所述气体出口设于气体分布器上，所述气体出口高于内套筒的下表面。
4.如权利要求1所述的流化床生物反应器，其特征在于，内套筒的下端高于外壳的底壁，在内套筒的下端与外壳的底壁之间沿内套筒的周向间隔设有多个垫板，相邻两个垫板之间连同内套筒及底壁的对应部位围成液体回流口。
5.一种废气净化装置，包括流化床生物反应器和生物过滤塔，流化床生物反应器包括外壳，外壳具有用于盛装工作液体的内腔，内腔中设置有内套筒，内套筒外侧于外壳的内腔中形成环形空间，内套筒的上端开口、下端开口分别与环形空间的上部、下部相连通，外壳上还设置有废气进口和用于废气处理后排出的排气口，外壳的内腔中设有与所述废气进口相通的供废气进入的气体出口，所述排气口与生物过滤塔的进气口相连，其特征在于，内套筒上设有上布气隔板、下布气隔板，上布气隔板、下布气隔板上均开设有供气体和工作液体流通的连通孔，下布气隔板的连通孔与所述气体出口相连通且气体出口处于所述环形空间以内的下布气隔板下方的位置；内套筒的内壁及上布气隔板、下布气隔板围成用于封装流化床填料的填料腔。
6.如权利要求5所述的废气净化装置，其特征在于，所述环形空间形成供工作液体自上而下快速通过的无填料空间。
7.一种废气净化方法，其特征在于，包括以下步骤：将流化床填料限制在一位于流化床生物反应器内的填料柱中，向流化床生物反应器中加入工作液体至工作液体淹没填料柱，填料柱的上、下两端分别与填料柱外的工作液体连通，向填料柱中通入废气，工作液体随废气的通入在填料柱内外循环流动，在填料柱内实现流化反应处理，流化反应处理后得到预处理气体，将预处理气体进行生物过滤处理，即得。
8.如权利要求7所述的废气净化方法，其特征在于，所述生物过滤处理所使用的填料为微生物缓释复合填料，生物过滤处理时使用生物营养液淋洗所述微生物缓释复合填料。
9.如权利要求8所述的废气净化方法，其特征在于，所述生物营养液由以下组分组成：K2HPO4 4-6g/L，KH2PO4 0.1-0.15g/L，NH4Cl 0.02-0.03g/L，MgSO4 0.06-0.08g/L，CaCl20.02-0.04g/L，FeCl3 0.2-0.4g/L，ZnSO4 0.02-0.06g/L，MnSO4 0.02-0.06g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.02-0.06g/L，溶剂为水。
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