CN117323812A - 一种气体生物反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体生物反应装置，包括壳体、废气进口、布气室、滤床、集气室、废气排口和循环水分布装置，滤床设置成多层竖向板状，废气处理过程中横向穿过多层滤床，循环水分布装置中设置蓄水槽、控水板和吸水垫，让适量循环水自上向下均匀通过板状滤床，并保证废气通过滤床时不发生泄漏。该装置在保证装置空间利用率的前提下通过减小滤床层厚显著降低滤床风阻。

Description

一种气体生物反应装置

技术领域

本发明涉及一种用生物方法处理废气的气体生物反应装置，并且更具体地涉及一种低风阻气体生物反应装置或气体净化装置。

背景技术

生物除臭是利用微生物体对恶臭物质的吸附、吸收、降解和转化功能，对臭气进行处理的一种废气处理工艺。根据是否设置水喷淋装置，该工艺可分为生物过滤法和生物滴滤法。在工业应用中，有较高的处理效率要求时，更广泛采用的是生物滴滤法。其装置可称为生物滴滤床、生物滴滤池或生物滴滤塔，其意义相同。为简便起见，如无特别说明，本申请中的生物滤池即指生物滴滤池。生物滤池除臭的主要过程是臭气进入生物滤池，臭气通过湿润、多孔和充满活性微生物的滤床，利用微生物细胞对恶臭物质的吸附、吸收和降解功能，将恶臭物质吸附后分解或转化成二氧化碳、水、硫酸、硝酸等简单无机物，有效去除废气中的恶臭异味成份。生物法具有无二次污染、降解效果好、运营成本低等诸多优点。在工业规模的生物滤池的众多运行参数中，滤床的风阻对整个装置运行的能耗有巨大影响。但是，现有降低滤床风阻的方式通常是加大填料颗粒度或增加填料孔隙率的方式，这些条件对滤床的细菌载量具有较大的负面影响，在实际应用中受到限制。按现有技术按上下方向设置布气室、滤床和集气室，并降低床层厚度，则整个装置会形成水平薄层结构，空间利用效率和建造成本均不具备实用性。

发明内容

本发明公开了一种气体净化生物反应装置，包括壳体、废气进口、布气室、滤床、集气室、废气排口和密封布水装置装置，滤床呈多层竖向板状。例如，滤床可以呈平行排列，也可以呈一定角度排列，从而在板状滤床之间形成特定形状的空间，例如楔形空间，有利于提高空间利用率，增加废气通过滤床时均匀分布。

滤床在壳体内的布置方式使得废气从废气进口到达废气排口的路径必须穿过至少一层滤床，例如横向穿过至少一层滤床。实际应用中通常布置两层以上的床层，该装置在工作时，废气沿例如迷宫状途径或蜿蜒的途径穿过滤床。

循环水的管路与分布装置从板状滤床上表面连续均匀输送，在重力及毛细作用下自上向下流动并均匀通过滤床，向床层内微生物提供水分、营养物质并带走其代谢产物。

密封布水装置(或称循环水分布装置)可以采用由蓄水槽、控水板和吸水垫组成渗水装置实现向滤床均匀适量布水。蓄水槽和吸水垫可以构成气体净化生物反应装置多层板状滤床之间的密封结构。控水板的作用是控制循环水的流速，使其维持在既能满足滤床微生物的生长代谢需求，又不会造成过度冲刷影响微生物附着，从而允许适量循环水在预定方向上通过滤床，例如在自上向下的方向上均匀通过板状滤床。

如本文所用的术语“适量”是指通过密封布水装置进入滤床的水既能满足滤床上附着的微生物的生长代谢需求，又不会造成过度冲刷影响微生物附着，并且适量循环水的具体设置对于不同的滤床结构和装置的应用场景是可以调节的。

吸水垫采用能够产生毛细现象的微孔亲水透水材料制成，吸水垫的作用是使得循环水均匀分布到板状滤床上表面(例如竖直方向上的顶部表面)，同时阻止废气通过阻力更小的布水空间绕过滤床。吸水垫可以采用市售的长纤维渗水土工布制成，也可以采用开孔的细孔亲水泡沫材料制成。

循环水分布装置也可以采用由分布式喷淋头和吸水垫组成渗水装置实现向滤床均匀适量布水。这种方式的布水系统与现有的布水方式最为接近。

循环水分布装置还可以采用由分布式滴灌头和吸水垫组成渗水装置实现向滤床均匀适量布水。这种方式可以节省壳体内的布水空间。

滤床可以采用目前常用颗粒填料，如竹炭、火山岩、塑料泡沫球等，这些颗粒填料均需要透气容器装填成板状。如采用整体开孔泡沫则更易于制作且整个滤床的透气性更加均匀一致，采用整体活性炭泡沫作为填料可以提高泡沫内表面对微生物群落的附着性。

本发明的有益作用可以包括但不限于以下方面：

1)采用了板状滤床的气体净化生物反应装置，在保证装置空间利用率的前提下显著降低了整个装置的风阻。根据欧根(Ergun)公式：

在气体通过固定床的空速保持不变的前提下，固定床风阻是吸附固定床厚度的3次函数，固定床的压力降随床层厚度的减小非常显著低地降低。上述公式推导过程及结论表述见专利文件CN11 1359366A，该专利文件的全文为了所有目的以参见的方式纳入本文。生物滤床的空气动力学模型与吸附固定床相当，生物滤床的空塔停留时间与吸附固定床的空速应用意义相似，短空塔停留时间相当于高空速。

2)布置两层以上的床层的意义在于当滤床局部区域微生物活性下降造成废气处理效率降低时，通过该区域的废气处理效率明显下降，但废气穿过该床层后会重新分布。即便每个床层都有微生物活性降低的区域，经过多层处理，最终的处理效果仍有基本保障。

3)在该装置采用蓄水槽和滴灌头布水的两个实施例中，循环水分布装置与现有生物滴滤床相比，取消了布水喷淋头。其技术优越性在于向蓄水槽供水的水泵只需对储水箱到蓄水槽的水位差的势能增加做功，无需提供布水喷头水雾化所需的额外压力。这会在该装置的长期运行中节省大量动力能耗。

4)在上述两个取消了布水喷淋头的实施例的布水过程中，循环水无需雾化，将减少循环水的蒸发水耗，降低排出废气的湿度，有利于后面的进一步深化处理，如分子筛吸附处理等，满足对废气湿度不宜过高的要求。

5)由于在该装置中风阻不再成为问题，滤床填料可以采用风阻较大但微小孔较多且分布均匀的有利于废气与微生物生长体之间物质交换的一体开孔泡沫材料。这种材质可以有效提高滤床填料的微生物载量和活性，极大地提高该气体净化生物反应装置对废气的处理效率。经小型实验模型验证，在保证处理效果不下降的前提下，该装置的空塔停留时间可以降低到目前常见商业装置的四分之一。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1.根据本发明的第一非限制性实施例的气体生物反应装置的基本结构的俯视示意图。

图2.图1的气体生物反应装置沿剖切线A-A′的剖视图，示出了循环水分布装置与板状滤床的布置关系。

图3.图1的气体生物反应装置沿折线B-B′的剖视图，同样示出了循环水分布装置与板状滤床的布置关系。

图4.图3虚线框内部分的局部放大图。

图5.图1的气体生物反应置沿图2中剖切线C-C′的剖视图，示出了处理气体穿过生物反应装置的途径。

图6.根据本发明的第二非限制性实施例的气体生物反应装置的基本结构的俯视示意图，示出了循环水分布装置采用喷淋方式。

图7.图6的气体生物反应装置沿剖切线D-D′的剖视图，示出了循环水分布装置与板状滤床的布置关系。

图8.图6的气体生物反应装置沿折线E-E′的剖视图，同样示出了循环水分布装置与板状滤床的布置关系。

图9.根据本发明的第三非限制性实施例的气体生物反应装置的基本结构的俯视示意图，示出了循环水分布装置采用滴灌方式。

图10.图9的气体生物反应装置沿剖切线F-F′的剖视图，示出了循环水分布装置与板状滤床的布置关系。

图11.图9的气体生物反应装置沿中折线G-G′的剖视图，同样示出了循环水分布装置与板状滤床的布置关系。

图12.根据本发明的第四非限制性实施例的气体生物反应装置的基本结构的俯视示意图，以俯视图示出了气体生物反应装置的蓄水槽方格，每个格内设置水位指示器。

图13.图12的气体生物反应装置沿剖切线H-H′的剖视图，示出了水位指示器在蓄水槽方格内的布置。

图14.以俯视剖面图示出了根据本发明的第五非限制性实施例的气体生物反应装置，该装置设置了两级滤床。

图15.示出了设置了四级滤床的气体生物反应装置，参考图14。

具体实施方式

实施例1

实施例1描述了气体生物反应装置100，该气体生物反应装置100是单层气体处理生物反应装置，特别是低风阻污染气体处理生物反应装置。在本申请的全文中，术语“气体生物反应装置”又可以称为“气体处理生物反应装置”或者“低风阻污染气体处理生物反应装置”。

该气体生物反应装置100可以设置有蓄水槽并且通过控水板来布水，参见附图1-5。

参见附图1，该气体生物反应装置100可以包括壳体1、废气进口2、布气室3、反应室4、集气室5、废气排口6和循环水分布装置7等。壳体1可以呈长方体形，在图1的俯视图中，废气进口2和废气排口6可以位于壳体1的左右两侧，例如在最外侧。布气室3和集气室5可以位于壳体1的两侧，例如分别布置在废气进口2和废气排口6的内侧，而反应室4可以位于壳体1的中间。

气体生物反应装置100还可以包括滤床8，滤床8可以布置在壳体1内部，例如大致竖直地布置在壳体1内部。作为非限制性实施例，滤床8是大致板状的结构，例如呈多层竖向板状的形式。在图1示出的实施例中，滤床8可以彼此之间呈一定角度排列，使得在板状滤床8之间形成楔形气道。

在图1示出的实施例中，板状滤床8之间可以形成例如五个楔形气道，每个楔形气道的小头封闭或密封，例如借助各种不透水且不透气的密封件等。对于图1中间以及最上端和最下端的三个楔形气道，它们的大头连通布气室3，并且可以称为前气隙，而对于图1中间偏上和中间偏下的两侧的两个楔形气道，它们的大头连通集气室5，并且可以称为后气隙。板状滤床可以包括开孔活性炭泡沫，或者可以由开孔活性炭泡沫制成，泡沫孔径分布可以在0.5-5mm的范围内，较佳地，在1-4mm或1-3mm的范围内(以上范围均包括端点值)。

如本文所述的“竖向”是指在大致平行于重力的方向上，例如板状滤床8的长度方向与重力方向之间的角度在0到10度的范围内，并且较佳地在0至5度的范围内。如本文所述的“横向”是指废气在大致水平方向上的总体运动方向，例如与“竖向”方向之间的角度在80到100度的范围内，并且较佳地在85至95度的范围内。应当理解，虽然废气在楔形气道以及一层或多层滤床8中的移动可能存在蜿蜒的路径，但是其总体的移动路径仍可以被称为横向运动，特别是不沿着滤床8的表面在竖直方向上运动。

另外，应当理解，楔形气道的形状主要取决于代替板状滤床8的布置方式，并且代替附图中示出的楔形气道，本领域技术人员可以设想其余类型的板状滤床8的布置方式，从而形成不同类型的气道，例如大致平行的气道、具有圆弧形轮廓的气道、或者具有其他类型的朝向一侧渐缩的结构的气道等。进一步地，虽然附图中示出的每个气道的结构是大致相同的，但是本领域技术人员也可以将它们设置为不同。

参见附图2-5。循环水分布装置7可以包括储水箱71、输水泵72、输水管73、蓄水槽74、吸水垫75和回水管76等。储水箱71可以位于壳体1内的最下层，其中的循环水经由输水泵72和输水管73泵入壳体1内上层的蓄水槽74，在输水管73上可以设置阀73A，以控制进入蓄水槽74的水的流量。在蓄水槽74底部与板状滤床8相对应的区域中可以设置控水板77，控水板77开有布水孔77A，布水孔77A可以均匀分布。另外，布水孔77A的尺寸和形状可以彼此相同。在控水板77与板状滤床8之间设置了吸水垫75。

如图1-5中所示，吸水垫75可以包括彼此间隔开的第一部段75A和第二部段75B。第一部段75A相应地设置在板状滤床8上方(即顶部)，而第二部段相应地设置在楔形气道上方(即顶部)。

作为示例，第一部段75A可以由能够产生毛细现象的微孔亲水透水材料制成，吸水垫75的第一部段75A的作用是使得循环水均匀分布到板状滤床8上表面(或顶表面)，同时阻止废气通过阻力更小的布水空间绕过滤床8。吸水垫75的第一部段75A可以采用市售的长纤维渗水土工布制成，也可以采用开孔的细孔亲水泡沫材料制成。第二部段75B可以由密封材料制成，使得不允许空气或水透过第二部段75B。

如图4中更详细地示出的，布水孔77A可以布置在吸水垫75的第一部段75A的位置处，并且布水孔77A的尺寸和形状可以根据具体需要进行选择和设置。较佳地，控水板77通过设置布水孔77A的孔径和密度来控制布水量在滤床8能够承受的最大值范围内，或者选择蓄水槽74、吸水垫75(特别是第一部段75A)和控水板77的规格和尺寸，以允许适量的循环水自上向下通过板状滤床，特别是均匀地通过板状滤床。

这样，在该实施例中，蓄水槽74、吸水垫75和控水板77可以组成渗水装置，从而允许向滤床均匀适量布水。

储水箱71与反应室4之间可以由滤床托板78隔开，滤床托板78上可以设置回水管76，该回水管76的上端与滤床托板78平齐，而回水管76的下端延伸到储水箱71底部。通过回水管76的这种布置方式，能够避免废气经由滤床托板78与周围部件之间的空隙旁路绕过滤床8。

滤床8的布水量通过输水泵72的流量控制调整，或者也可以通过阀73A来控制。输水泵72和输水管73可以设置在壳体1外也可以设置在可壳体1内，在这里示出的实施例中，输水泵72和输水管73设置在壳体1外。

作为非限制性实施例，输水泵72例如可以是可变排量泵并且连接到控制器(未示出)，控制器可以包括处理器，该处理器操作地连接到存储器。存储器可以是非暂态计算机可读介质，并且可以构造成存储可执行指令(例如，计算机可执行代码)，指令由处理器处理从而执行一个或多个控制方法，以调节经由输水泵72供应到蓄水槽74的水量的大小。存储器还可构造成存储由处理器接收的数据。类似地，该控制器可以类似地调节通过阀73A的流量大小。

通过流量控制循环水量有一个受布水板筛孔限制的最低范围。当流量小到一定程度，进入蓄水槽的水量不足以布满整个布水板，这时就不能实现均匀布水的功能了。这时的另一个选择是通过足够布满布水板的流量的断续供水来同时满足均匀布水和足够小的总体布水量。可以通过通水与断水的时间长短调节这种情况下的具体布水量。这期间，当蓄水槽内的水全部流出时，水槽内水的密封作用完全丧失，仅靠毛细现象驻留在吸水垫内的水产生密封作用。后面用喷淋方式布水时，布水垫的密封作用与此相似。

作为非限制性实施例，该气体生物反应装置100工作时，废气的气流路径可以如下进行：废气从废气进口2进入布气室3，经前气隙进入反应室4，穿过板状滤床8，经后气隙离开反应室4，到达集气室5，并且经废气排口6排出。

图5中借助空心箭头示出了处理气体穿过生物反应装置100的滤床8的示例途径。如图所示，废气可以从图5左侧的废气进口2进入布气室3，并且经由三个前气隙(例如附图中上部、中部和下部的三个气隙)的左侧开口进入反应室4，由于这些气隙的最右侧末端是封闭或密封的，因此，随着废气从左向右大致横向地流动，在压差的作用下，废气被迫使进入相应的滤床8中。例如，上部和下部气隙中的废气朝向中间行进穿过最上部和最下部的滤床8，而中部气隙中的废气朝向两侧行进穿过中间的滤床8，并且最终进入右侧的后气隙，并汇集到集气室5，并且经废气排口6排出。

通过这种布置方式，特别是通过吸水垫75和滤床托板78与板状滤床8之间的配合，使得根据本申请的循环水分布装置7形成一种密封布水装置，即，在气体生物反应装置100内循环的废气不会进入到以上所述的气流路径之外。因此，在本申请的全文中，可以用术语“密封布水装置”来表示循环水分布装置7。

另外，该气体生物反应装置100工作时，循环水的循环路径可以如下进行：循环水从储水箱71经输水泵72和输水管73流入储水槽74，然后穿过控水板77和吸水垫75，均匀流入板状滤床8并沿滤床8流向反应室4的底部，经回水管76回到储水箱71。

作为非限制性的较佳实施例，储水箱71通常还可以设置补水管路，用于补充循环水的损耗，例如蒸发损耗，以及排水管路，用于排出带有废气处理微生物代谢产物的废水。补水管路和排水管路图中未画出。

实施例2

实施例2描述了气体生物反应装置200，该气体生物反应装置200可以是单层气体处理生物反应装置，并且可以利用分布式喷头(或喷淋头)来布水，参见附图6-8。

除了以下描述的差异之外，气体生物反应装置200类似于图1-5所示的气体生物反应装置100，并且，相同或相似的元件在本文中通常用相同或相似的附图标记来指示，并且下文中可能不再对其进行重新介绍。

在实施例2中，在实施1的基础上，将由带有控水板77的蓄水槽74替换为覆盖布水区域(例如覆盖大部分布水区域或整个布水区域)的多个喷淋头74′，这些喷淋头74′可以并行布置，并且可以称为分布式喷淋头74′。这样，这些分布式喷淋头74′和吸水垫75可以组成渗水装置，同样可以实现对多层板状滤床8的均匀布水或者均匀适量布水。

实施例3

实施例3描述了气体生物反应装置300，该气体生物反应装置300是单层气体处理生物反应装置，并且利用分布式滴灌头布水，参见附图9-11。

除了以下描述的差异之外，气体生物反应装置300类似于图1-5所示的气体生物反应装置100，并且，相同或相似的元件在本文中通常用相同或相似的附图标记来指示，并且下文中可能不再对其进行重新介绍。

在实施例3中，在实施1的基础上，将由带有控水板77的蓄水槽74替换为分路覆盖板状滤床8(例如覆盖板状滤床8的顶部表面的大部分或者全部)的多组滴灌头74″，例如分布式滴灌头74″，并利用吸水垫75的毛吸现象将流出滴灌头74″的循环水更加均匀地分布到多层板状滤床8的上表面。

这样，在该实施例中，分布式滴灌头74″和吸水垫75可以组成渗水装置，从而允许向滤床8均匀适量布水。

实施例4

实施例4描述了气体生物反应装置400，该气体生物反应装置400是带有均匀布水控制装置的气体处理生物反应装置，参见附图12-13。

除了以下描述的差异之外，气体生物反应装置400类似于图1-5所示的气体生物反应装置100，并且，相同或相似的元件在本文中通常用相同或相似的附图标记来指示，并且下文中可能不再对其进行重新介绍。

在实施例4中，在实施例1的基础上，将蓄水槽74依据滤床8的板状结构分割成多个小格74A，例如矩形方格，每个方格单独分配供水，并设置控制水量的节流阀(例如阀73A)。这样可以使得板状滤床8的各个区域布水量保持均匀平衡。

作为较佳实施例，可以在每个蓄水槽的方格内设置相应的传感器74B，例如水位指示器。这里的水位指示器例如可以采用了双控浮子开关，每个浮子开关的双相通断控制光电信号，该光电信号可以发送到相应的显示装置，以显示每个水槽方格的水位变化，用来监测每个水槽方格的布水状态。

另外，该实施例同样可以包括如上关于实施例1所述的控制器，该控制器可以接收来自水位指示器的信号(例如，如上所述的光电信号)，并且基于接收到的信号和存储于控制器的存储器上的指令，来调节经由输水泵72和节流阀供应到蓄水槽74的水量的大小，从而使得每个水槽方格的水位保持在预定的水位范围内，或通过通水与断水的时间长短调节布水量。

实施例5

实施例5描述了气体生物反应装置500，该气体生物反应装置500是多层气体处理生物反应装置，参见附图14-15。

除了以下描述的差异之外，气体生物反应装置500类似于图1-5所示的气体生物反应装置100，并且，相同或相似的元件在本文中通常用相同或相似的附图标记来指示，并且下文中可能不再对其进行重新介绍。

在实施例5中，图14显示的是设置了两组板状滤床8。两组板状滤床8可以呈镜像布置，例如图14中示出的左右镜像对称布置，使得楔形气隙分别相对。另外，如图14中所示，在两组板状滤床8之间可以设置有分隔件9(在图14中以3条实线段示意性地示出)，使得两组板状滤床8关于该分隔件9对称布置。在气体生物反应装置500中，楔形气隙形成与布气室连通的前气隙、与集气室连通的后气隙和与布气室集气室均不连通的中间气隙。

根据图14的布置，在气体生物反应装置500工作时，废气需穿过至少两层滤床8，如经由图中的箭头示意性示出的。

图15显示的是设置了四组板状滤床，废气处理过程需穿过至少四层滤床8，如经由图中的箭头示意性示出的。

如图15中所示，在四组板状滤床8之间可以设置有三组分隔件9(在图15中以三组实线段示意性地示出)，使得四组板状滤床8被分隔件9分成4个区段。

应当理解，本申请借助图14和15示出了包括多组板状滤床8的气体生物反应装置的非限制性实施例，本领域技术人员可以替代地基于本申请的公开内容的教导设置其余数量的多层滤床布置，例如三层、五层或更多层等，并且这些多层滤床布置也在本申请的范围内。

如本文所用的表示方位或取向的术语“横向”和“竖向”以及“左右两侧”等仅仅是为了使本领域普通技术人员更好地理解以较佳实施例形式示出的本发明的构思，而非用于限制本发明。除非另有说明，否则所有顺序、方位或取向仅用于区分一个元件/部件/结构与另一个元件/部件/结构的目的，并且除非另有说明，否则不表示任何特定顺序、操作顺序、方向或取向。例如，在替代实施例中，“横向”可以是“侧向”或“水平方向”，并且“左右两侧”可以是指“前后两侧”。另外，虽然本发明结合“五个楔形气道”的实施例进行说明，但是在替代实施例中，可以设置有两至四个或者其他数量的楔形气道或其他形状的气道。

虽然以上结合了较佳实施例对本发明的气体生物反应装置进行了说明，但是本技术领域的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行各种修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。

Claims (9)

1.一种气体生物反应装置，包括壳体、废气进口、布气室、滤床、集气室、废气排口和密封布水装置，其特征在于，所述滤床呈多层竖向板状，在废气处理过程中，废气穿过至少一层滤床，所述密封布水装置允许适量循环水自上向下通过板状滤床。

2.根据权利要求1所述的气体生物反应装置，其特征在于，废气处理过程中，废气横向穿过多层滤床。

3.根据权利要求1所述的气体生物反应装置，其特征在于，所述滤床采用整体活性炭泡沫作为填料，以实现向所述滤床均匀适量布水。

4.根据权利要求3所述的气体生物反应装置，其特征在于，所述活性炭泡沫具有直径在1-3mm之间的不等孔径开孔，所述不等孔径开孔在所述滤床内均匀分布。

5.根据权利要求1所述的气体生物反应装置，其特征在于，所述密封布水装置通过蓄水槽、控水板和吸水垫组成渗水装置向所述滤床均匀适量布水。

6.根据权利要求5所述的气体生物反应装置，其特征在于，所述蓄水槽依据每层滤床的板状结构分割成呈矩阵形的方格，每个方格单独分配供水。

7.根据权利要求6所述的气体生物反应装置，其特征在于，在每个所述蓄水槽的方格内设置水位指示器。

8.根据权利要求1所述的气体生物反应装置，其特征在于，所述密封布水装置通过分布式喷淋头和吸水垫组成渗水装置向所述滤床均匀适量布水。

9.根据权利要求1所述的气体生物反应装置，其特征在于，所述密封布水装置通过分布式滴灌头和吸水垫组成渗水装置向所述滤床均匀适量布水。