CN110252129A - 一种基于放电等离子体与生物技术协同降解VOCs的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于放电等离子体与生物技术协同降解VOCs的系统，涉及废气处理系统技术领域，依次包括等离子体反应单元、缓冲单元和生物反应单元。本发明能够依据VOCs浓度自动调节放电单元，充分利用活性粒子，避免电能浪费，降低等离子体反应器能耗；充分发挥部分载气与VOCs气体分子间的彭宁效应，提高降解效果；充分利用臭氧，解决生物处理技术的瓶颈问题。

Description

一种基于放电等离子体与生物技术协同降解VOCs的系统

技术领域

本发明涉及废气处理系统技术领域，具体涉及一种基于放电等离子体与生物技术协同降解VOCs的系统。

背景技术

工业排放的VOCs不仅是形成PM2.5和光化学烟雾的重要前体物，还是气溶胶和二次气溶胶的重要组成部分，对人体健康和环境带来巨大危害。等离子体技术作为新兴发展的高新技术，在环境治理方面受到广泛关注，该技术以VOCs为工作载体，具有装置简单、处理速度快、降解效率高的优点。通过放电产生低温等离子体，利用其中的高能电子、高活性自由基、激发态O原子等活性粒子与VOCs分子发生非弹性碰撞，使其激发、电离，VOCs内部化学键断裂，形成VOC分子碎片，在活性粒子的作用下进一步降解为水和二氧化碳等无害小分子。生物处理技术中，微生物以生物膜形式固定或附着在填料上，以VOCs作为其生命活动的能量源和碳源，将其转化为二氧化碳和水等物质，具有运行成本低、降解效率高、无二次污染的特点。

现有的等离子体反应器，大多采用介质阻挡放电(DBD)的形式产生等离子体。与其他放电形式相比，DBD中覆盖的阻挡介质既能起到限流的作用又能阻止放电向电弧放电转化，能够避免出现电极被腐蚀的情况，提高装置的使用寿命。此外，介质阻挡放电能够在较低温度下、较宽气压范围内产生等离子体，具有广阔的应用前景。目前所使用的生物反应器以生物滴滤塔为主，滴滤塔设有喷淋装置，为微生物提供其余生长所需的营养物质，生物滴滤塔喷洒的营养液是循环流动的，存在液体流动相，能够控制pH值和营养物质浓度，利于微生物生长。此外，生物滴滤法具有操作成本低、长期运行压降低、对VOCs酸性降解产物去除能力强等优点。

目前市面上的等离子体反应器，多数不能改变放电气体氛围，无法充分发挥载气与VOCs气体分子间的彭宁效应，且无法针对实际VOCs浓度灵活调节活性粒子浓度，造成电能浪费，能耗较大。此外，放电产生的臭氧没有得到及时有效地解决，同时会产生小分子VOCs副产物。对于目前的生物反应器，当处理水溶性差或多组分VOCs时效果不好，且大通量VOCs易引起生物过量生长，导致填料层的堵塞问题。而目前现有的等离子体与生物处理技术协同降解系统并未有效解决两者各自的瓶颈问题，且无法实现完美的匹配，致使两者协同效果不明显。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于放电等离子体与生物技术协同降解VOCs的系统，使得充分发挥载气与VOCs气体分子间的彭宁效应，且针对实际VOCs浓度灵活调节活性粒子浓度，减少能耗。此外，放电产生的臭氧可以得到及时有效地解决，同时不会产生小分子VOCs副产物，实现现有的等离子体与生物处理技术协调降解系统的完美结合。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，利用等离子体中的高能电子和活性粒子与VOCs发生一系列氧化还原反应，对VOCs进行初步降解，将大分子、不溶于水VOCs降解成为小分子、水溶性VOCs，利于生物系统进行进一步降解，等离子体反应器和生物反应器的中间通过缓冲罐中的阻挡板调节VOCs气流量，避免大通量VOCs引起生物过量生长，造成系统堵塞，此外，缓冲罐中臭氧和VOCs进一步反应，消耗部分臭氧，通过缓冲罐长度调节臭氧浓度，进而选择合适的臭氧浓度，对微生物进行进一步调控，避免其过量生长，另一方面，本系统可以根据VOCs种类选择载气，充分发挥载气与VOCs气体分子间的彭宁效应，且针对实际VOCs浓度灵活调节活性粒子浓度，减少能耗，同时不会产生小分子VOCs副产物，实现现有的等离子体与生物处理技术协调降解系统的完美结合。

为实现上述目的，本发明提供了

一种基于放电等离子体与生物技术协同降解VOCs的系统，所述系统依次包括：等离子体反应单元，缓冲单元和生物反应单元，

所述等离子体反应单元，其包括气体进口、压缩气瓶、流量控制器、高压电源、开关、等离子体反应器、VOCs浓度检测仪、继电器常开触点和高电平触发继电器，其中气体进口用于通入VOCs废气和载气；压缩气瓶用于储存载气；流量控制器用于控制VOCs和载气的流量；高压电源用于为等离子体反应器提供高压；开关用于连接放电单元和高压电源；等离子体反应器用于产生等离子体；VOCs浓度检测仪用于检测VOCs浓度，当VOCs浓度超过设定阈值时，检测仪输出高电平；继电器接收到高电平后，其常开触点闭合，接通下一列放电单元；所述等离子体反应器包括放电单元，放电单元在高压的作用下产生等离子，所述放电单元根据VOCs浓度自动调节工作放电单元的列数，放电单元外接所述VOCs浓度检测仪和所述高电平触发继电器；

所述缓冲单元，其包括缓冲罐和臭氧浓度检测仪，所述缓冲罐包括阻挡板和气体出口，用于调控VOCs流量和臭氧浓度，所述阻挡板外接所述臭氧浓度检测仪，用于检测不同位置的臭氧浓度；

所述生物反应单元，其包括生物反应器、循环水泵和营养液，其中所述生物反应器包括喷淋装置、填料层和过滤层，营养液、循环水泵和生物反应器构成营养液循环回路，其中喷淋装置用于喷淋微生物生长所需的其他营养物质和微量元素，填料层用于附着微生物，过滤层用于过滤死亡的微生物，营养液循环回路用于循环利用营养液，循环水泵为营养液循环回路提供动力；

所述等离子体反应单元从所述放电单元接入所述缓冲单元，所述缓冲单元从所述气体出口接入所述生物反应单元的所述生物反应器。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明可根据VOCs种类选择不同类型及含量的载气，灵活利用放电产生的活性粒子，充分发挥部分载气与VOCs气体分子间的彭宁效应，提高降解效果；

2、本发明可自动检测VOCs浓度，当浓度超过设定值时，VOCs浓度检测仪便向高电平触发继电器输出高电平，继电器的常开触点闭合，接通下一列放电单元，进一步降解VOCs废气，若浓度依然高于设定值，将自动接通下一列放电单元，以此类推，充分利用活性粒子浓度，避免电能浪费，提高能量效率，此外，阻挡介质管外部涂覆活性氧化铝，对于活性粒子和VOCs分子具有吸附作用，增加反应时间，提高降解效率；

3、本发明在缓冲罐外部设置有多个臭氧浓度检测仪，并对应多个气体出口，根据生物反应器中的微生物生长状况，选择合适臭氧浓度，打开对应气体出口流量控制器，充分利用了放电产生的臭氧；

4、本发明利用放电产生臭氧的杀菌作用抑制微生物的过量生长，避免填料层的堵塞问题，且在填料层下部设置有过滤层，以滤除死亡的微生物，可节约资源，作为肥料以备他用。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种基于放电等离子体与生物技术协同降解VOCs的系统的结构示意图；

图2是本发明提供的阻挡介质管的结构示意图；

其中，

1-等离子体反应单元，11-气体入口，12-压缩气瓶，13-流量控制器，14-高压电源，15-开关，16-等离子体反应器，161-阻挡介质管，162-一列放电单元，17-VOCs浓度检测仪，18-继电器常开触点，19-高电平触发继电器，120-接地电极，2-缓冲单元，21-缓冲罐，211-阻挡板，212-缓冲罐气体出口，22-臭氧浓度检测仪，3-生物反应单元，31-生物反应器，311-喷淋装置，312-填料层，313-过滤层，32-气体出口，33-营养液，34-循环水泵，1611-活性氧化铝，1612-阻挡介质，1613-纳米铁粉。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明揭示了一种基于放电等离子体与生物技术协同降解VOCs的系统，所述系统依次包括：等离子体反应单元，缓冲单元和生物反应单元，

等离子体反应单元，其包括气体进口、压缩气瓶、流量控制器、高压电源、开关、等离子体反应器、VOCs浓度检测仪、继电器常开触点和高电平触发继电器，其中气体进口用于通入VOCs废气和载气；压缩气瓶用于储存载气；流量控制器用于控制VOCs和载气的流量；高压电源用于为等离子体反应器提供高压；开关用于连接放电单元和高压电源；等离子体反应器用于产生等离子体；VOCs浓度检测仪用于检测VOCs浓度，当VOCs浓度超过设定阈值时，检测仪输出高电平；继电器接收到高电平后，其常开触点闭合，接通下一列放电单元；所述等离子体反应器包括放电单元，放电单元在高压的作用下产生等离子，所述放电单元根据VOCs浓度自动调节工作放电单元的列数，放电单元外接所述VOCs浓度检测仪和所述高电平触发继电器；

缓冲单元，其包括缓冲罐和臭氧浓度检测仪，所述缓冲罐包括阻挡板和气体出口，用于调控VOCs流量和臭氧浓度，所述阻挡板外接所述臭氧浓度检测仪，用于检测不同位置的臭氧浓度；

生物反应单元，其包括生物反应器、循环水泵和营养液，其中所述生物反应器包括喷淋装置、填料层和过滤层，营养液、循环水泵和生物反应器构成营养液循环回路，其中喷淋装置用于喷淋微生物生长所需的其他营养物质和微量元素，填料层用于附着微生物，过滤层用于过滤死亡的微生物，营养液循环回路用于循环利用营养液，循环水泵为营养液循环回路提供动力；

所述等离子体反应单元从所述放电单元接入所述缓冲单元，所述缓冲单元从所述气体出口接入所述生物反应单元的所述生物反应器。

本发明实施例的系统，可根据VOCs种类选择不同类型及含量的载气，灵活利用放电产生的活性粒子，充分发挥部分载气与VOCs气体分子间的彭宁效应，提高降解效果；

另一方面，本发明实施例的系统可自动检测VOCs浓度，当浓度超过设定值时，VOCs浓度检测仪便向高电平触发继电器输出高电平，继电器的常开触点闭合，接通下一列放电单元，进一步降解VOCs废气，若浓度依然高于设定值，将自动接通下一列放电单元，以此类推，充分利用活性粒子浓度，避免电能浪费，提高能量效率，此外，阻挡介质管外部涂覆活性氧化铝，对于活性粒子和VOCs分子具有吸附作用，增加反应时间，提高降解效率；

另一方面，本发明实施例的系统在缓冲罐外部设置有多个臭氧浓度检测仪，并对应多个气体出口，根据生物反应器中的微生物生长状况，选择合适臭氧浓度，打开对应气体出口流量控制器，充分利用了放电产生的臭氧；

另一方面，本发明实施例的系统利用放电产生臭氧的杀菌作用抑制微生物的过量生长，避免填料层的堵塞问题，且在填料层下部设置有过滤层，以滤除死亡的微生物，可节约资源，作为肥料以备他用。

在一个较佳的实施例中，所述等离子体反应器的材质为4-6mm厚的有机玻璃，以使等离子反应器具有一定的强度。

在一个较佳的实施例中，所述高压电源为幅值和频率均可调的交流电源，所述高压电源频率介于10-100kHz，幅值介于10-30kV，使得高压电源频率和幅值都可满足系统的要求。

在一个较佳的实施例中，所述放电单元可根据VOCs废气浓度，配合所述高电平触发继电器，利用所述继电器常开触点自动调节放电单元列数，每列放电单元包括5-15根阻挡介质管，所述阻挡介质管自上而下依次连接地电极和高压电极。

在一个较佳的实施例中，相邻所述阻挡介质管之间上下间隙为2-5mm，阻挡介质管长度为50-300mm，厚度为1-3mm，内径5-10mm，内部填充纳米级铁粉，外部涂覆活性氧化铝。涂覆的活性氧化铝可以吸附VOCs，增加活性粒子与VOCs分子的作用时间，提高降解效果。

在一个较佳的实施例中，所述阻挡介质管的材质为石英玻璃、陶瓷或有机玻璃的一种。

在一个较佳的实施例中，所述VOCs废气浓度检测仪可自动检测VOCs废气浓度，并实时显示，当VOCs浓度超过设定值时输出高电平。

在一个较佳的实施例中，所述高电平触发继电器接收到所述VOCs废气浓度检测仪发出的高电平时动作，其常开触点闭合，使下一列放电单元连接高压，产生等离子体，进一步与VOCs反应。

在一个较佳的实施例中，所述缓冲罐和所述阻挡板的材质为有机玻璃，缓冲罐尺寸可调，阻挡板长度与缓冲罐长度相同，阻挡板高度为缓冲罐高度的二分之一，厚度为3mm。所述阻挡板可以起到流量控制的作用，避免VOCs废气流量过大引起微生物过量生长，导致生物反应器堵塞，使等离子体反应器和生物反应器完美匹配。

在一个较佳的实施例中，所述臭氧浓度检测仪位于缓冲罐外侧，可实时监测臭氧浓度，每个臭氧浓度仪即为一个检测位点，对应一个气体出口，每个气体出口配备一个气体流量控制器，可根据实际需求的臭氧浓度选择合适的气体出口，以通过臭氧的杀菌作用合理调控微生物生长，避免调料层堵塞。

在一个较佳的实施例中，所述生物反应器直径为100-500mm，厚度为20mm，高度为500-1000mm，材质为有机玻璃。

在一个较佳的实施例中，所述营养液循环回路中的营养液包含N、P和微量元素，通过所述循环水泵经由喷淋装置喷洒在生物反应器中。

在一个较佳的实施例中，所述填料层为陶瓷、拉西环、塑料垫圈或橡胶颗粒等材料，所述过滤层为孔径3mm，厚度4mm的蜂窝状有机玻璃。

在一个较佳的实施例中，所述压缩气瓶内部为O₂、N₂、Ar、He中的在一种，通过所述流量控制器控制流量和浓度，为废气降解提供不同载气。

如图1本发明的一个较佳实施例的一种基于放电等离子体与生物技术协同降解VOCs的系统的结构示意图所示，依次包括等离子体反应单元1、缓冲单元2和生物反应单元3，其中，所述等离子体反应单元1包括气体进口11、压缩气瓶12、流量控制器13、高压电源14、开关15、等离子体反应器16、VOCs浓度检测仪17、继电器常开触点18和高电平触发继电器19和地电极120。气体进口11连接等离子反应器16，在气体进口11和等离子反应器16之间连有压缩气瓶12，压缩气瓶的出口12配置有流量控制器13，等离子反应器16包括多列放电单元，图1中示出了一列放电单元162，每列放电单元包括5-15根阻挡介质管161，阻挡介质管161自上而下依次连接接地电极20和高压电极，相邻阻挡介质管161之间上下间隙为2-5mm，阻挡介质管161的管长度为50-300mm，厚度为1-3mm，内部填充纳米级铁粉1613，外部涂覆有氧化铝1611；放电单元可根据VOCs浓度自动调节放电单元列数。等离子反应器16外接VOCs浓度检测仪17和高电平触发继电器19，放电单元通过开关15和高压电源14外接地电极120。等离子体反应单元1从放电单元接入缓冲单元2，缓冲单元2包括缓冲罐21和臭氧浓度检测仪22，其中，缓冲罐21包括阻挡板211和气体出口212，缓冲罐21和阻挡板211的材质为有机玻璃，缓冲罐21的尺寸可调，阻挡板211长度与缓冲罐21长度相同，阻挡板211的高度为缓冲罐21高度的二分之一，厚度为3mm。臭氧浓度检测仪22可实时监测臭氧浓度，每个臭氧浓度检测仪22即为一个检测位点，每个检测位点对应一个气体出口212，每个气体出口212配备一个气体流量控制器，可根据实际需求的臭氧浓度选择合适的气体出口。缓冲单元2从气体出口212接入生物反应单元3的生物反应器31，生物反应器31内部从上到下依次包括喷淋装置311，填料层312和过滤层313，其中，营养液33通过管路中的循环水泵34进入喷淋装置311，最终剩余气体通过气体出口32排出。

如图2本发明的一个较佳实施例的阻挡介质管的结构示意图所示，阻挡介质材料1612采用管状陶瓷或石英玻璃，管内填充纳米级铁粉1613，外部涂覆活性氧化铝1611。采用该结构能够取得较为均匀的放电等离子体，且纳米级铁粉1613不会因受热膨胀而损坏阻挡介质管161，此外，外部涂覆的活性氧化铝1611具有较好的吸附性，能够吸附VOCs分子和活性粒子，增加两者作用时间，提高降解效果。

在应用发明实施例的系统时，首先根据微生物生长状况，确定需求的臭氧浓度，确保生物反应器31处于高效运行的状态，根据微生物对VOCs的降解效率，设定进入生物系统的VOCs浓度(如500ppm)，其次打开高压电源14，闭合第一列放电单元162，产生等离子体，对废气进行初步降解，位于第一列放电单元162后部的VOCs浓度检测仪17实时对VOCs浓度进行检测，当VOCs浓度超过设定值(如500ppm)时，VOCs浓度检测仪17向高电平触发继电器19输出信号，高电平触发继电器19动作，使其继电器常开触点18闭合，接入第二列放电单元，对VOCs废气进行进一步降解，然后位于第二列后部的VOCs浓度检测仪17对VOCs浓度进行检测，以此类推，直到VOCs浓度达到设定值后，进入缓冲罐21，这样保证了充分利用活性粒子，提高了能量效率，同时VOCs浓度被等离子体降解成为小分子碎片。

VOCs废气和臭氧进入缓冲罐21后，相互之间进一步反应，依靠缓冲罐21长度控制臭氧浓度，在缓冲罐21外部依次等距离设置多个臭氧浓度检测仪22，且每个检测位点对应一个气体出口。根据生物反应器中的微生物的生长状况，选择合适的臭氧浓度，打开对应气体出口的流量控制器，使VOCs浓度和臭氧进入生物反应器31。

部分不溶于水VOCs经过等离子体的初步降解后，变为易溶于水的VOCs，利于微生物进一步降解。同时进入生物反应器31的臭氧具有一定的杀菌作用，能够有效调控微生物生长，避免填料层堵塞，死亡的微生物随喷淋的营养液进入过滤层313被过滤后停留在过滤层上，可作为肥料以备他用。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于放电等离子体与生物技术协同降解VOCs的系统，所述系统依次包括：等离子体反应单元，缓冲单元和生物反应单元，

所述等离子体反应单元，其包括气体进口、压缩气瓶、流量控制器、高压电源、开关、等离子体反应器、VOCs浓度检测仪、继电器常开触点和高电平触发继电器，其中气体进口用于通入VOCs废气和载气；压缩气瓶用于储存载气；流量控制器用于控制VOCs和载气的流量；高压电源用于为等离子体反应器提供高压；开关用于连接放电单元和高压电源；等离子体反应器用于产生等离子体；VOCs浓度检测仪用于检测VOCs浓度，当VOCs浓度超过设定阈值时，检测仪输出高电平；继电器接收到高电平后，其常开触点闭合，接通下一列放电单元；所述等离子体反应器包括放电单元，放电单元在高压的作用下产生等离子，所述放电单元根据VOCs浓度自动调节工作放电单元的列数，放电单元外接所述VOCs浓度检测仪和所述高电平触发继电器；

所述缓冲单元，其包括缓冲罐和臭氧浓度检测仪，所述缓冲罐包括阻挡板和气体出口，用于调控VOCs流量和臭氧浓度，所述阻挡板外接所述臭氧浓度检测仪，用于检测不同位置的臭氧浓度；

所述生物反应单元，其包括生物反应器、循环水泵和营养液，其中所述生物反应器包括喷淋装置、填料层和过滤层，营养液、循环水泵和生物反应器构成营养液循环回路，其中喷淋装置用于喷淋微生物生长所需的其他营养物质和微量元素，填料层用于附着微生物，过滤层用于过滤死亡的微生物，营养液循环回路用于循环利用营养液，循环水泵为营养液循环回路提供动力；

所述等离子体反应单元从所述放电单元接入所述缓冲单元，所述缓冲单元从所述气体出口接入所述生物反应单元的所述生物反应器。

2.如权利要求1所述的系统，其中，优选的，所述等离子体反应器的材质为4-6mm厚的有机玻璃。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述高压电源为幅值和频率均可调的交流电源，所述高压电源频率介于10-100kHz，幅值介于10-30kY。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述放电单元可根据VOCs废气浓度，配合所述高电平触发继电器，利用所述继电器常开触点自动调节放电单元列数，每列放电单元包括5-15根阻挡介质管，所述阻挡介质管自上而下依次连接地电极和高压电极。

5.如权利要求4所述的系统，其中，相邻所述阻挡介质管之间上下间隙为2-5mm，阻挡介质管长度为50-300mm，厚度为1-3mm，内径5-10mm，内部填充纳米级铁粉，外部涂覆活性氧化铝。

6.如权利要求4所述的系统，其中，所述阻挡介质管的材质为石英玻璃、陶瓷或有机玻璃的一种。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述VOCs废气浓度检测仪可自动检测VOCs废气浓度，并实时显示，当VOCs浓度超过设定值时输出高电平。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述高电平触发继电器接收到所述VOCs废气浓度检测仪发出的高电平时动作，其常开触点闭合，使下一列放电单元连接高压，产生等离子体。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述缓冲罐和所述阻挡板的材质为有机玻璃，缓冲罐尺寸可调，阻挡板长度与缓冲罐长度相同，阻挡板高度为缓冲罐高度的二分之一，厚度为3mm。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所述臭氧浓度检测仪位于缓冲罐外侧，可实时监测臭氧浓度，每个臭氧浓度仪即为一个检测位点，对应一个气体出口，每个气体出口配备一个气体流量控制器，可根据实际需求的臭氧浓度选择合适的气体出口。