CN111701410A - 一种化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法和装置 - Google Patents

一种化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法和装置，属于废气治理领域。首先将废气与氧化性气体混合后通入反应塔中，经氧化分解产生的低毒性或无毒性VOCs通入含有碱性吸收液的碱性喷淋吸收塔中，碱性吸收液吸收部分可溶解性VOCs以及其他物质，排出剩下的VOCs的气体，将吸收后的碱性吸收液通入微氧活性污泥反应器中，利用好氧微生物降解溶解的VOCs；然后剩下的气体进入另一个生物反应器将气体中剩余的VOCs去除。该工艺合理，去除污染物不受浓度限制，碱性吸收液可循环使用，不再添加碱液，不用添加碳源；不产生二次污染；利用好氧微生物去除有机物的，节约运行费用；同时将吸收后的碱液可循环使用，是一种理想的去除废气中高毒性VOCs的工艺。

Description

一种化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法和装置
技术领域
本发明涉及废气治理技术领域，具体涉及一种化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法和装置。
背景技术
VOCs(Volatile Organic Compounds，挥发性有机物)及恶臭污染问题日益突出，已成为PM2.5的主要来源之一，废气的直接排放危害人体健康，产生严重的环境污染，破坏生态平衡，防控VOCs刻不容缓。VOCs及恶臭物质来源于生活和工业生产等方面，其成分主要有含硫化合物(硫化物、硫醚类、硫醇类等)、(氨气、胺、吲哚等)、含氧有机物(有机酸、醇、酮、酸、酯等)、烃类化合物(芳香烃、烷烃、烯烃等)和卤素及其衍生物(卤代氢、氯气等)。
常用的处理方法有吸附法、吸收法、燃烧法、冷凝法、生物法和膜分离法等。其中，生物法具有运行费用低、维护管理方便和无二次污染等优点，成为今后治理及恶臭污染物质的环保清洁型方法。生物法主要分为生物过滤法、生物洗涤法和生物滴滤法三种。生物过滤法是一种能有效处理恶臭和挥发性有机废气的气体污染控制技术，在美国和欧洲，该技术已被广泛应用了40多年，主要用于处理来自城市污水处理设施、炼油厂、堆肥设施以及其他产生恶臭的操作过程所产生的恶臭气体。生物滤塔是该技术的一种装置形式，装置内填充上壤、泥炭或其他填料，含有可生物降解的挥发性有机物气体通过填料，被填料中的微生物所降解。该方法在单独使用时气体中有毒组分(如苯、甲苯、氯苯、氟苯等)对生物填料上附着的微生物具有毒害作用，会抑制微生物的活性，从而影响整体的VOCs去除效果。
申请公布号为CN 106492594A的中国发明专利申请公布了而一种VOCs废气处理系统及其处理方法，将排出的VOCs通过雾化吸收、光催化氧化以及吸附作用后将达标气体排放到大气中，然而吸附模块需要消耗大量的活性炭，会导致整个工艺成本增加，吸附模块只是物理性的去除剩余的VOCs，达不到完全降解的目的。
授权公告号为CN 206082105U的中国实用新型专利公开了一种光/热双驱动催化耦合生物净化VOCs废气的装置及方法，根据特定湿度的VOCs废气中是否含有难生物降解的组分，将其分别通入两个不同的的处理单元。主路系统对废气进行低温等离子体驱动光/热催化处理，短时间内将VOCs废气的难降解组分转化为易生物降解的组分，旁路系统对废气或从主路处理后的废气进行生物净化。该方法过程复杂，催化剂需使用贵重金属制备，增加工艺成本。
授权公告号为CN 206950950U的中国实用新型专利公开了一种有机废气治理一体式复合设备，通过设置碱液喷淋装置消除有机废气中的酸性气体，设置生物除臭液喷淋装置消除有机废气中的硫化氢、氨气等恶臭气体，设置催化系统消除有机污染物等，分级处理有机废气。该方法仅适用于较小的废气量，难以适用VOCs排放量较大的场所。
因此，开发一种经济环保的脱除废气中高毒性的VOCs技术尤为迫切。
发明内容
本发明的目的是提供一种化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法，该方法废气污染物不受浓度限制、碱性吸收液可循环利用，不再添加碱液，不产生二次污染；同时，本发明的目的还在于提供一种使用上述方法的去除废气中高毒性VOCs的装置。
为实现上述目的，本发明的一种化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法采用如下技术方案：一种化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法，包括以下步骤：
1)将含高毒性VOCs的废气通入反应塔，利用氧化性气体将废气中高毒性VOCs氧化分解为低毒性或无毒性VOCs；
2)将低毒性或无毒性VOCs的气体通入碱性喷淋吸收塔，同时利用碱性吸收液吸收气体中的可溶性组分生成有机物；
3)经过碱性喷淋吸收塔吸收后的气体进入生物滤池反应器，利用生物滤池内的含有功能微生物的填料，将废气中剩余的VOCs进行吸附；被吸附和溶解于液相中的污染物进一步扩散到生物膜，进而被其中的微生物捕获并吸收，进入微生物细胞内的污染物作为营养物质被微生物利用，将其氧化分解为CO2、H2O和矿物质等无害化产物，使VOCs得以去除；同时，含有有机物的碱性吸收液进入活性污泥反应器进行降解，活性污泥反应器中的碱性吸收液经循环系统处理后返回至碱性喷淋吸收塔中循环利用。
步骤3)中所述活性污泥反应器中，pH值控制在5-10，温度控制在25-45℃，停留时间控制在2-50h，溶解氧控制在0.05-1mg/L，C:N:P＝200:5:1。
步骤3)中所述生物滤池反应器中pH值控制在5-10，温度控制在15-65℃，停留时间控制在10-15s，C:N:P＝200:5:1。
步骤2)中碱性吸收液采用NaOH、Ca(OH)2、KOH、NaHCO3、Na2CO3中至少一种与经过活性污泥反应器处理后的碱性溶液混合组成。
步骤3)中活性污泥反应器中设置有搅拌增氧装置，循环系统包括与活性污泥反应器连通的固液分离器，循环系统还包括连通固液分离器和碱性喷淋吸收塔的连通管道，连通管道上设置有循环泵。
本发明的一种使用上述方法的去除废气中高毒性VOCs的装置采用如下技术方案：一种使用上述方法的去除废气中高毒性VOCs的装置，包括反应塔，反应塔上设置有废气进气管和氧化气体进气管；该装置还包括供反应塔中气体进入的碱性喷淋吸收塔，气体由下部进入碱性喷淋吸收塔中，碱性喷淋吸收塔的下部设置有供碱性吸收液进入的进液管；碱性喷淋吸收塔上部通过第一管道连通有生物滤池以供被碱性吸收液吸收后的气体进入，碱性喷淋吸收塔下部通过第二管道连通有活性污泥反应器，活性污泥反应器通过循环系统将净化后的碱性吸收液返回至碱性喷淋吸收塔的上部。
所述活性污泥反应器中设置有搅拌增氧装置。
所述循环系统包括与活性污泥反应器连通的固液分离器，循环系统还包括连通固液分离器和碱性喷淋吸收塔的连通管道，连通管道上设置有循环泵。
所述生物滤池中设置有喷淋系统，以保证生物滤池内的湿度。
所述喷淋系统包括设置有生物滤池上部的喷淋管，喷淋管上设置有多个喷淋头，喷淋管通过管道连通有水箱，管道上设置有喷淋泵。
有益效果：本发明采用化学法和生物法结合在一起，氧化性气体在反应塔中将废气中高毒性VOCs分解为低毒性或无毒性VOCs，含低毒性或无毒性VOCs的气体进入碱性喷淋吸收塔中，利用碱性吸收液吸收气体中的可溶性组分生成有机物，含有有机物的碱性吸收液利用活性污泥反应器中的好氧微生物对吸收到碱性吸收液中的溶解的VOCs进行降解，净化后的的气体排出，同时回收碱性吸收液，实现碱性吸收液的重复利用，不再添加碱液，降低成本。被碱性溶液吸收后的气体进入生物滤池中将剩余的VOCs进一步去除，净化后的气体排出。本发明中去除污染物不受浓度限制，固液分离后的碱性液体可循环使用，不再添加碱液，不添加碳源，节约能源，且VOCs的去除率高，该方法工艺合理、能耗低、投资和运行费用少、不产生二次污染。
附图说明
图1是本发明的一种去除废气中高毒性VOCs的装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的一种化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法的实施例，包括以下步骤：包括以下步骤：
1)将含高毒性VOCs的废气通入反应塔，利用氧化性气体将废气中高毒性
VOCs氧化分解为低毒性或无毒性VOCs；
2)将低毒性或无毒性VOCs的气体通入碱性喷淋吸收塔，同时利用碱性吸收液吸收气体中的可溶性组分生成有机物；
3)经过碱性喷淋吸收塔吸收后的气体进入生物滤池反应器，利用生物滤池内的含有功能微生物的填料，将废气中剩余的VOCs进行吸附；被吸附和溶解于液相中的污染物进一步扩散到生物膜，进而被其中的微生物捕获并吸收，进入微生物细胞内的污染物作为营养物质被微生物利用，将其氧化分解为CO2、H2O和矿物质等无害化产物，使VOCs得以去除；同时，含有有机物的碱性吸收液进入活性污泥反应器进行降解，活性污泥反应器中的碱性吸收液经循环系统处理后返回至碱性喷淋吸收塔中循环利用。
步骤1)中氧化性气体采用臭氧或经催化后分解的双氧水。
步骤3)中所述活性污泥反应器中，pH值控制在5-10，温度控制在25-45℃，停留时间控制在2-50h，溶解氧控制在0.05-1mg/L，C:N:P＝200:5:1。本发明中活性污泥反应器中微生物所用碳源为可溶解性VOCs产生的有机物，氮源为氨或含氨氮类化合物，磷源为磷酸二氢盐或磷酸氢二盐。
步骤3)中所述生物滤池反应器中pH值控制在5-10，温度控制在15-65℃，停留时间控制在10-15s，C:N:P＝200:5:1。本发明中生物滤池反应器中微生物所用碳源为VOCs产生的有机物，氮源为氨或含氨氮类化合物，磷源为磷酸二氢盐或磷酸氢二盐。
步骤2)中碱性吸收液最好采用水溶性碱类与盐类的混合，形成缓冲溶液，主要为IA或IIA族元素的碱类或盐类，优选的为NaOH、Ca(OH)2、KOH、NaHCO3、Na2CO3中至少一种与经活性污泥反应器净化的碱性溶液混合组成。
步骤3)中活性污泥反应器中设置有搅拌增氧装置，循环系统包括与活性污泥反应器连通的固液分离器，循环系统还包括连通固液分离器和碱性喷淋吸收塔的连通管道，连通管道上设置有循环泵。
步骤1)中反应塔采用多层填料塔。
步骤3)中生物滤池反应器的填料采用松树皮、花生壳、枯树叶和活性炭中的一种或两种以上的混合物。本发明的生物滤池反应器中微生物通过多种功能菌种的共同作用过程去除VOCs，生成可无害的二氧化碳、水及矿物质。
步骤3)中活性污泥反应器采用微氧条件，选用好氧菌种。本发明活性污泥反应器中的好氧微生物氧化分解吸收液中的有机物，生成废气排放到空气中无污染，减少有机碳源，降低成本。
实验例一
化工厂生产工艺产生的废气，主要含有苯、甲苯、氟苯、氯苯等，废气流量为2500Nm3/h，VOCs含量为600-2000mg/Nm3，废气温度为30℃，按照本发明的工艺，离开处理装置(生物滤池)时，VOCs含量为≤80mg/Nm3，脱除VOCs效率90％以上。
碱性喷淋吸收塔直径为1.5m，高为12m，液气比为6L/Nm3，吸收过程的吸收液采用氢氧化钠和硫回收系统碱性溶液混合组成。
微氧活性污泥反应器中pH值控制在5，温度控制在25℃，停留时间控制在2h，溶解氧控制在0.05mg/L，C:N:P＝200:5:1。
生物滤池反应器中pH值控制在5，温度控制在25℃，停留时间控制在15s，C:N:P＝200:5:1。
实验例二
制药车间和厌氧罐产生的混合气体，废气流量为4000Nm3/h，VOCs含量为800mg/Nm3，废气温度为35℃，按照本发明的工艺，废气离开处理装置(生物滤池)时，VOCs含量为≤80mg/Nm3，脱除VOCs效率90％以上。
碱性喷淋吸收塔直径为2.0m，高为18m，液气比为6L/Nm3，吸收过程的吸收液为氢氧化钠、氢氧化钙和硫回收系统碱性溶液混合组成。
微氧活性污泥反应器中pH值控制在10，温度控制在45℃，停留时间控制在50h，溶解氧控制在1mg/L，C:N:P＝200:5:1。
生物滤池反应器中pH值控制在10，温度控制在65℃，停留时间控制在10s，C:N:P＝200:5:1。
实验例三
制药车间和厌氧罐产生的混合气体，废气流量为4000Nm3/h，VOCs含量为800mg/Nm3，废气温度为35℃，按照本发明的工艺，废气离开处理装置(生物滤池)时，VOCs含量为≤80mg/Nm3，脱除VOCs效率90％以上。
碱性喷淋吸收塔直径为2.0m，高为18m，液气比为6L/Nm3，吸收过程的吸收液为氢氧化钠、氢氧化钙和硫回收系统碱性溶液混合组成。
微氧活性污泥反应器中pH值控制在8，温度控制在30℃，停留时间控制在20h，溶解氧控制在0.6mg/L，C:N:P＝200:5:1。
生物滤池反应器中pH值控制在8，温度控制在45℃，停留时间控制在13s，C:N:P＝200:5:1。
本发明的一种使用上述方法的去除废气中高毒性VOCs的装置的实施例，如图1所示，包括反应塔1，反应塔1上设置有废气进气管5和氧化气体进气管2，废气进气管5上设置有增压风机6，氧化气体进气管2连通有氧化剂发生装置3，氧化气体进气管上设置有风机4。
该装置还包括供反应塔1中气体进入的碱性喷淋吸收塔10，反应塔与碱性喷淋吸收塔之间通气体管道9连通，气体管道的一端与反应塔的上部连通，气体管道的另一端与碱性喷淋吸收塔的下部连通。气体由下部进入碱性喷淋吸收塔中，碱性喷淋吸收塔的下部设置有供碱性吸收液进入的进液管，进液管连通有碱性吸收液配置系统7，进液管上设置有碱性吸收液投加泵8。
碱性喷淋吸收塔上部通过第一管道26连通有生物滤池21以供碱性吸收液吸收后的气体进入。生物滤池中设置有喷淋系统，以保证生物滤池内的湿度。喷淋系统包括设置有生物滤池上部的喷淋管23，喷淋管上设置有多个喷淋头24，喷淋管通过管道连通有水箱20，管道上设置有喷淋泵19。生物滤池中还设置有温度控制器25，用于控制生物滤池中的温度。第一管道上设置有压力阀18，用于控制生物滤池中废气压力。生物滤池21具有供净化后的气体排出的排放口22。
碱性喷淋吸收塔下部通过第二管道11连通有活性污泥反应器13，活性污泥反应器通过循环系统将净化后的碱性吸收液返回至碱性喷淋吸收塔的上部。活性污泥反应器中设置有搅拌增氧装置12。循环系统包括与活性污泥反应器连通的固液分离器14，循环系统还包括连通固液分离器和碱性喷淋吸收塔的连通管道17，连通管道上设置有循环泵15。活性污泥反应器13具有废气排放口16。
在使用时，通过废气进气管将高毒性VOCs的废气与氧化性气体混合后送入反应塔中，氧化性气体来自氧化剂发生装置，反应塔内的高毒性VOCs通过与氧化性气体混合接触后被降解为低毒性或无毒性VOCs，随后废气经出口进入到碱性喷淋吸收塔中，与由循环泵送入塔上部流下的碱性吸收液逆流接触，废气中的可溶解性VOCs被碱性吸收液吸收产生有机物，废气净化后经由碱性喷淋吸收塔上部的废气出口进入到生物滤池中，经生物滤池进一步降解剩余的VOCs，生成二氧化碳、水和矿物质，净化后气体由生物滤池的排放口排放。碱性吸收液由碱性吸收液配置系统配制，由碱性吸收液投加泵送入碱性喷淋吸收塔中。碱性喷淋吸收塔内含有有机物的碱性吸收液利用重力流入活性污泥反应器中，在此利用反应器中的微生物降解剩余的VOCs，产生的废气经废气排放口排出，通过增氧搅拌系统搅动维持生物反应器中的溶解氧浓度在一定范围。经过好氧微生物转化处理后的混合液进入固液分离装置，在此混合液经固液分离后，产生的固体经固体排放口排出，产生的碱性溶液由循环泵送入碱性喷淋吸收塔中循环利用。
本发明的效果和益处是：
(1)本发明采用化学法和生物法结合在一起，氧化性气体在反应塔中将废气中高毒性VOCs分解为低毒性或无毒性VOCs，含低毒性或无毒性VOCs的气体进入碱性喷淋吸收塔中，利用碱性吸收液吸收气体中的可溶性组分生成有机物，含有有机物的碱性吸收液利用活性污泥反应器对吸收到碱性吸收液中的可溶性有机物进行降解，净化后的的气体排出，同时回收碱性吸收液，实现碱性吸收液的重复利用，不再添加碱液，降低成本。被碱性溶液吸收后的气体进入生物滤池中将剩余的VOCs进一步去除，净化后的气体排出。
(2)本发明中去除污染物不受浓度限制，固液分离后的碱性液体可循环使用，不再添加碱液，不添加碳源，节约能源，且VOCs的去除率高，该方法工艺合理、能耗低、投资和运行费用少、不产生二次污染。

Claims (10)

1.一种化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将含高毒性VOCs的废气通入反应塔，利用氧化性气体将废气中高毒性VOCs氧化分解为低毒性或无毒性VOCs；
2)将低毒性或无毒性VOCs的气体通入碱性喷淋吸收塔，同时利用碱性吸收液吸收气体中的可溶性组分生成有机物；
3)经过碱性喷淋吸收塔吸收后的气体进入生物滤池反应器，利用生物滤池内的含有功能微生物的填料，将废气中剩余的VOCs进行吸附；被吸附和溶解于液相中的污染物进一步扩散到生物膜，进而被其中的微生物捕获并吸收，进入微生物细胞内的污染物作为营养物质被微生物利用，将其氧化分解为CO2、H2O和矿物质等无害化产物，使VOCs得以去除；同时，含有有机物的碱性吸收液进入活性污泥反应器进行降解，活性污泥反应器中的碱性吸收液经循环系统处理后返回至碱性喷淋吸收塔中循环利用。
2.根据权利要求1所述的化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法，其特征在于：步骤3)中所述活性污泥反应器中，pH值控制在5-10，温度控制在25-45℃，停留时间控制在2-50h，溶解氧控制在0.05-1mg/L，C:N:P＝200:5:1。
3.根据权利要求1所述的化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法，其特征在于：步骤3)中所述生物滤池反应器中pH值控制在5-10，温度控制在15-65℃，停留时间控制在10-15s，C:N:P＝200:5:1。
4.根据权利要求1所述的化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法，其特征在于：步骤2)中碱性吸收液采用NaOH、Ca(OH)2、KOH、NaHCO3、Na2CO3中至少一种与经过活性污泥反应器处理后的碱性溶液混合组成。
5.根据权利要求1所述的化学耦合生物法去除废气中高毒性VOCs的方法，其特征在于：步骤3)中活性污泥反应器中设置有搅拌增氧装置，循环系统包括与活性污泥反应器连通的固液分离器，循环系统还包括连通固液分离器和碱性喷淋吸收塔的连通管道，连通管道上设置有循环泵。
6.一种使用如权利要求1所述方法的去除废气中高毒性VOCs的装置，其特征在于：包括反应塔，反应塔上设置有废气进气管和氧化气体进气管；该装置还包括供反应塔中气体进入的碱性喷淋吸收塔，气体由下部进入碱性喷淋吸收塔中，碱性喷淋吸收塔的下部设置有供碱性吸收液进入的进液管；碱性喷淋吸收塔上部通过第一管道连通有生物滤池以供被碱性吸收液吸收后的气体进入，碱性喷淋吸收塔下部通过第二管道连通有活性污泥反应器，活性污泥反应器通过循环系统将净化后的碱性吸收液返回至碱性喷淋吸收塔的上部。
7.根据权利要求6所述的去除废气中高毒性VOCs的装置，其特征在于：所述活性污泥反应器中设置有搅拌增氧装置。
8.根据权利要求6所述的去除废气中高毒性VOCs的装置，其特征在于：所述循环系统包括与活性污泥反应器连通的固液分离器，循环系统还包括连通固液分离器和碱性喷淋吸收塔的连通管道，连通管道上设置有循环泵。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的去除废气中高毒性VOCs的装置，其特征在于：所述生物滤池中设置有喷淋系统，以保证生物滤池内的湿度。
10.根据权利要求9所述的去除废气中高毒性VOCs的装置，其特征在于：所述喷淋系统包括设置有生物滤池上部的喷淋管，喷淋管上设置有多个喷淋头，喷淋管通过管道连通有水箱，管道上设置有喷淋泵。
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