CN201101946Y - 一种处理挥发性有机废气的生物滴滤床 - Google Patents

一种处理挥发性有机废气的生物滴滤床 Download PDF

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Abstract

一种处理挥发性有机废气的生物滴滤床，属于挥发性有机废气的处理领域。现有滴滤床内存在气流分布、生物量分布不均匀，中心气速高，压降高、易堵塞的问题。技术方案：挥发性有机废气通过进气管(1)进入生物滴滤塔(22)，降解净化后由排气管(9)排出；营养液(11)定时定量地由营养液喷淋管(18)和滴加分布装置(19)进入到生物滴滤塔(22)中；其特征在于：采用不同粒径的轻质廉价填料(4)，滤塔为同心圆柱形套筒式结构，从中心到边缘所装填的填料(4)的粒径由小到大分布，中心区域装填小粒径填料(4)，四周近壁环形区域装填大粒径填料(4)。本实用新型使滤塔内生物量的分布均匀，从而充分利用了生物滴滤器的有效空间。

Description

一种处理挥发性有机废气的生物滴滤床
技术领域
本实用新型涉及一种处理挥发性有机废气的生物滴滤床，属于挥发性有机废气的处理领域。
背景技术
挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是一大类气态有机污染物，主要是指在常温下饱和蒸气压约大于70Pa，常压下沸点小于260℃的有机化合物。VOCs种类繁多，分布广，毒性大。VOCs废气来源广泛，部分来自于大型固定源(如石油化工、废水处理设施、制药等，阀门、泵处的泄漏，低沸点有机化合物的贮存、运输等；大量来自交通工具、电镀、喷漆以及有机溶剂使用等所排放的废气，具有污染面广，气量大，浓度低等特点。在强烈紫外线作用下，VOCs与氮氧化物、碳氢化合物等发生光化学反应，生成光化学烟雾；吸收地面辐射的红外线引起温室效应；卤烃类VOCs还可破坏臭氧层形成臭氧空洞；此外有些VOCs还具有三致性(致癌、致畸变、致突变、毒性、恶臭味。VOCs废气污染日益广泛，日趋严重。它不仅严重危害着人类的生存环境，而且也无时无刻不在侵害着人类的身体健康。
生物法是近20年来兴起的一种处理方法，针对于这类既无回收价值又严重污染环境的工业低浓度VOCs废气的净化处理，主要通过微生物的代谢活动，将废气中的VOCs转化为简单的无机物(CO2，水等及细胞组成物质的过程。生物法可以分为生物洗涤法、生物过滤法以及生物滴滤法。生物滴滤法改进了传统生物过滤法在运行中遇到的一些问题，如填料降解需要更新、酸化导致pH值降低、废气湿度低使得填料干化等，成为近年来研究最为活跃的一种VOCs净化方法。
生物滴滤法普遍采用的设备为立式圆柱形生物滴滤塔，滴滤塔内具有一定高度的多孔填料床层，营养液从滴滤塔填料的顶部喷淋下来，并逐步地流过滴滤塔的填料，需净化废气由滴滤塔底部或顶部进入，在多孔的填料床内液相和气相可以以逆流或顺流接触的方式流动，净化后的废气由塔顶或塔底排出。填料上附着生长的生物以VOCs作为碳源，以营养液作为氮源进行自身生长繁殖。填料是微生物生存和生长的介质，它决定了微生物挂膜的难易程度和生物膜性能的好坏。填料的比表面积、空隙率与单位体积床层的生物量有关，还直接影响着整个床层的压降及是否容易堵塞等问题。更重要的一点是，气态污染物降解要经历一个气相到液相或生物相的传递过程，而填料的比表面积决定了气相和液相或生物相的界面面积，因而对传递过程有很大影响。
国内昆明理工大学的魏在山等采用不同的填料进行研究，结果表明七种填料的净化性能顺序为：海藻石＞轻质陶块＞陶粒＞瓷环＞不锈钢环＞煤渣＞塑料环。同济大学的羌宁、季学李等通过动态条件挂膜和静态降解曲线比较对丝网、纤维黏附活性炭、聚乙烯多面小球、炉渣等介质作为气态生物滴滤池生物载体材料的性能进行了研究，结果表明：丝网和具有丝网结构的纤维黏附活性炭挂膜量大，降解能力强，多面小球的降解性能次之，炉渣最差。西安建筑科技大学的汪凤诞等以两种不同的陶粒作为生物滴滤床填料净化较低浓度的二甲苯废气取得了很好的净化效果，说明陶粒是生物法处理二甲苯废弃的理想填料。国外的Sorial通过实验用滴滤塔测试了两种人工合成的填料性能，一种是Monolithic Channelized Medium(MCM)，另一种是PelletizedCeramic Medium(PCM)，最后得出PCM更适合作为填料的结论。
由上可知，目前国内外关于填料的研究集中在填料的优选、性能实验研究上，生物滴滤塔内填料的装填方式以及填料大小的极配未见报道。近年来公开了一些有关生物滴滤塔的专利，但生物滴滤塔内填料的装填大多数采用单一填料塔内均匀装填的方式，专利200510095104.6公开的一种用于去除空气中恶臭污染物的生物滴滤塔中，采用了两种规格填料填充滴滤塔，从底部至顶部装填的颗粒填料从大到小分布，在一定程度上解决了滤塔底部过大负荷、生物膜量积累过多的问题。但是，由于气体由滤塔底部进入，营养液由顶部加入，会存在底部碳源充足，顶部氮源充足的问题，从而导致顶部阻力远高于底部阻力，影响气流在滤塔内的分布，不利于净化后气体的排出。
对于圆柱形滤塔而言，气流分布在进口区域是均匀分布的，随着沿轴线方向的运动，气体流速会呈现中心区域高，四周近壁环形区域低的抛物线不均匀分布现象，中心轴线上的流速最大(如图1、图2所示)。这种气体横截面上流速分布不均匀的问题会导致营养液形成壁流、股流，从而导致滤塔内气液分布、湿度和生物量分布不均，有效降解空间减少，影响了其去除效果，产生了压降高、易堵塞的问题，这些问题的存在增大了设备体积和投资费用，给操作管理带来不便，极大的限制了生物滴滤塔在工业实际中的进一步应用。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种处理挥发性有机废气的生物滴滤床，该装置采用轻质膨胀陶土颗粒为填料，并进行进气横截面上填料大小的极配，能够在一定程度上解决气体横截面上气体分布不均匀的问题，提高了有效降解空间，具有压降低、生物量分布均匀的特点。
一种处理挥发性有机废气的生物滴滤床，包括进气管1、生物滴滤塔22、营养液自动定量供给装置17、营养液喷淋管18、营养液滴加分布装置19、U型液封管3、反冲洗进气管6、反冲洗进液管7、反冲洗液排出管8以及排气管9；生物滴滤塔22内部装填可以附着生物膜的多孔填料4，进气管1位于生物滴滤塔22的底部，排气管9位于生物滴滤塔22的顶部一侧，营养液喷淋管18和营养液滴加分布装置19位于生物滴滤塔22的顶部，U型液封管3位于生物滴滤塔22的底部，营养液自动定量供给装置17由储液箱5、水泵13、定容器16和电磁阀15依次连接组成，通过储液箱5与U型液封管3相连，通过电磁阀15与营养液喷淋管18相连；其特征在于：生物滴滤塔22填料层为同心圆柱形套筒式结构，从中心到边缘所装填的填料4的粒径由小到大分布，中心区域装填小粒径填料4，四周近壁环形区域装填大粒径填料4。气体流速u为中心轴线最大流速umax二分之一(umax/2)处为塔内中心区域的最大范围，根据流体力学公式计算得出中心区域的半径范围0＜r≤0.707r0。
所述填料4为轻质膨胀陶土颗粒。
所述反冲洗进气管6位于反冲洗进液管7的下方，管上均匀开孔，反冲洗进气管6开孔率高于反冲洗进液管7。
本实用新型具有以下有益效果：
(1)对于圆柱形滤塔而言，气流分布在进口区域是均匀分布的，随着沿轴线方向的运动，气体流速会呈现中心区域高，近壁边缘区域低的抛物线不均匀分布现象。在填料的装填方式上采取大小极配，中心区域装填小粒径填料，四周近壁环形区域装填大粒径填料后，中心区域的流体阻力大于近壁环形区域，从而在一定程度上使进气横截面上气流分布均匀，避免营养液壁流、股流的问题，使滤塔内生物量的分布比较均匀，从而充分利用了生物滴滤器的有效空间。
(2)选用轻质膨胀陶土颗粒作为填料，孔隙率高，在具有一定机械强度和持水性的同时，也有很好的持水性，可以减少营养液的加入，降低成本。同时具有悬浮性，有利于反冲洗，可以附着较多的生物膜的生长，价格低廉。
(3)反冲洗时间是生物滴滤塔的重要的操作指标之一，由反冲洗方式决定。本实用新型中滤塔设有气水反冲洗系统，反冲洗进气管位于反冲洗进液管的下方，排水方式为完全混合式，将填料上的污物剥落下来的速度远大于单独用水反冲洗时的速度。同时通过反冲洗进气管与反冲洗进液管开孔率的高低，可以有效调节气反冲洗与水反冲洗的强度及速度，达到最佳的去除污物的速率常数和反冲洗时间，降低能耗。
附图说明
图1为进气截面中心区域与四周近壁环形区域示意图。
图中：阴影区域为中心区域，空白区域为四周近壁环形区域。
r-中心区域半径；r0-滤塔半径
图2为塔内气体流速分布示意图。
图中：u-气体流速；umax-中心轴线最大流速
图3为本实用新型处理挥发性有机废气的生物滴滤床结构示意图。
图中：1-进气管；2-取样口；3-U型液封管；4-填料；5-储液箱；6-反冲洗进气管；7-反冲洗进液管；8-阀门；9-排气管；10-反冲洗液排出管；11-营养液；12-反冲洗缓冲区；13-水泵；14-进液管；15-电磁阀；16-定容器；17-营养液自动定量供给系统；18-营养液喷淋管；19-布水器；20-微电脑时间控制器；21-回流管；22-生物滴滤塔
图4为生物滴滤床连续运行处理挥发性有机废气的情况。
图5为各段填料层单位质量填料附着生长的生物量分布情况。
图中：按照从上到下的顺序将填料层分为一、二、三、四段，各段中心区域和近壁环形区域分别用一内、一外、二内、二外、三内、三外、四内、四外表示
具体实施方式
图3所示处理挥发性有机废气的生物滴滤床，由进气管1、生物滴滤塔22、营养液自动定量供给装置17、营养液喷淋管18、布水器19、U型液封管3以及排气管9组成。该生物滴滤床整体外观为立式圆柱状塔形，进气管1位于生物滴滤塔22底部一侧，排气管9位于生物滴滤塔22顶部一侧，在进气管1、生物滴滤塔22一侧、排气管9上分别设置有取样口2，起到的作用是可以及时准确地测定该生物滴滤装置的处理性能、压降以及反应器前后温、湿度变化，从而有利于控制该生物滴滤装置的运行。在生物滴滤塔22内部装填有可以附着生长生物膜的多孔填料4，位于生物滴滤塔22上部的营养液喷淋管18和布水器19，既可以更加有效的均匀布液，还可以用来解决防止气体从顶部短路这一问题，保证装置的密闭性。生物滴滤塔22底部与U型液封管3相连接，U型液封管3一端浸入到储液箱5中，储液箱5、水泵13、定容器16和电磁阀15依次相连接，组成了营养液自动定量供给装置17，储液箱12与水泵13进口相连，水泵13出口通过进液管14与定容器16上部相连，定容器16底部与电磁阀15相连，电磁阀与位于生物滴滤塔22顶部的营养液喷淋管18相连，设有微电脑时间控制器20进行水泵13和电磁阀15的控制，定容器16侧面设有营养液回流管21与储液箱5相通，操作管理方便，较好地控制了反应器主体内的温、湿度和生物膜的积累，保证了反应器长期运行处理性能的稳定性。
挥发性有机废气依次通过进气管1、由底部-侧进入生物滴滤塔22中，在生物滴滤塔22中装填有可附着具有降解能力的生物的多孔填料4，营养液11提供了这种具有降解能力的微生物生长所需的氮源，营养液11通过由储液箱12、水泵13、定容器16和电磁阀15依次连接组成的营养液自动定量供给装置17，自动定时定量地流经营养液喷淋管18、布水器19，最终进入到生物滴滤塔22中。水泵13与电磁阀15的开启与关闭通过微电脑时间控制器20自动控制，水泵13开启后营养液11通过进液管14由上部进入定容器16中，当回流管21中有营养液11流出时，水泵13自动关闭，然后电磁阀15自动开启，具有一定体积的营养液11便通过营养液喷淋管18、布水器19均匀地滴加到了生物滴滤塔22中，电磁阀15自动关闭。营养液自上而下均匀地滴入到生物滴滤塔22中，与自下而上进入到生物滴滤塔22中的挥发性有机废气逆流接触，附着在多孔填料4上具有降解能力的微生物以营养液11和挥发性有机废气作为自身生长繁殖所需要的基质，于是，废气中的污染物得到了降解，由排气管9排出。
处理某挥发性有机废气，其中甲苯浓度为1005-1466mg/m3，在该生物滴滤床内的停留时间为86.4s。温度随环境温度变化而变化，变化范围为17-28℃，进口浓度在一定范围内波动。生物滴滤塔由有机玻璃管制成，填料层分为四段，分别设与滤塔同心的筒体作为中心区域，中心区域半径为滤塔半径的0.707倍，中心区域装填直径为Ф8-9mm的轻质膨胀陶土颗粒，四周近壁环形区域装填直径为Ф5-6mm的轻质膨胀陶土颗粒。
采用从市场购买的种植花草的轻质膨胀陶土颗粒作为填料，价格低廉。该填料表面粗糙，微孔结构丰富、比重小、利于微生物生长繁殖、价格便宜，具有高度保湿性。填料外观为球形，红褐色。分为8-9mm和Ф5-6mm两种。空隙率为72％和80％；堆积密度分别为0.36kg/m3和0.46kg/m3；比表面积分别为257m2/m3和221m2/m3；持水率均在30.8％左右。
填料表面附着的生物膜菌源为恶臭假单胞菌。将制备菌悬液滴入到填料4中，开始接种微生物，定时向生物滴滤塔22中滴入营养液，同时向生物滴滤塔22中通入废气。菌悬液中的细菌附着在填料表面开始生长繁殖，并逐渐形成生物膜，通过定期从取样口2取样进行甲苯浓度分析测试，以去除效率来反映系统的净化能力。
图4所示为生物滴滤床连续运行处理挥发性有机废气的情况。细菌加入初期，整个系统处于挂膜启动阶段，随着微生物的不断繁殖生长，填料表面逐渐出现乳白色生物膜，颜色逐渐加深，呈淡黄色，如图四所示，该生物滴滤床的去除效率由启动第1天的21％逐渐增加，在第七天达到84％，并继续增加达到稳定，去除效率维持在91％以上，挂膜启动完成，挂膜启动时间较快，在以后一个多月的连续运行中，装置处理性能较为稳定，连续运行处理挥发性有机废气，其平均去除效率为94％，单位体积填料最大去除负荷能力为115.7g/m3·h，出口气体检测到的甲苯浓度均低于《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)中规定的最高排放浓度。
图5所示为各段填料层单位质量填料附着生长的生物量分布情况。生物量分布的不均匀会导致处理装置有效降解空间的降低，从而导致设备体积的庞大，增加投资运行成本。在生物滴滤床运行第二十天测定了各段填料层中心区域与四周近壁环形区域单位质量填料附着生长的生物膜量。由图五可以看到，各段填料层中生物膜分布较为均匀，没有出现较为大的差距。表明，在填料的装填方式上采取大小极配，可在一定程度上使进气横截面上气流分布均匀，避免营养液壁流、股流的问题，使处理设备内生物量的分布比较均匀，从而充分利用了处理设备的有效空间。
为了避免出现堵塞时影响滤塔处理性能，设有气水反冲洗系统，反冲洗进气管与反冲洗进液管位于生物滴滤塔底部，且反冲洗进气管位于反冲洗进液管的下方，并均匀开孔，通过反冲洗进气管与反冲洗进液管开孔率的高低，反冲洗进气管的开孔率为反冲洗进液管的1.5倍，达到了最佳的去除污物的速率常数，有效地调节了气反冲洗与水反冲洗的强度及速度，反冲洗时间仅需5min，降低了能耗。
本实用新型不局限于上述具体实施方式，只要生物滴滤塔内进气横截面上进行填料大小的极配，中心区域装填小粒径填料，四周近壁环形区域装填大粒径填料，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1. 一种处理挥发性有机废气的生物滴滤床，包括进气管(1)、生物滴滤塔(22)、营养液自动定量供给装置(17)、营养液喷淋管(18)、营养液滴加分布装置(19)、U型液封管(3)、反冲洗进气管(6)、反冲洗进液管(7)、反冲洗液排出管(8)以及排气管(9)；生物滴滤塔(22)内部装填可以附着生物膜的多孔填料(4)，进气管(1)位于生物滴滤塔(22)的底部，排气管(9)位于生物滴滤塔(22)的顶部一侧，营养液喷淋管(18)和营养液滴加分布装置(19)位于生物滴滤塔(22)的顶部，U型液封管(3)位于生物滴滤塔(22)的底部，营养液自动定量供给装置(17)由储液箱(5)、水泵(13)、定容器(16)和电磁阀(15)依次连接组成，通过储液箱(5)与U型液封管(3)相连，通过电磁阀(15)与营养液喷淋管(18)相连；其特征在于：生物滴滤塔(22)填料层为同心圆柱形套筒式结构，从中心到边缘所装填的填料(4)的粒径由小到大分布，中心区域装填小粒径填料(4)，四周近壁环形区域装填大粒径填料(4)。
2. 按照权利要求1所述的一种处理挥发性有机废气的生物滴滤床，其特征在于：反冲洗进气管(6)位于反冲洗进液管(7)的下方，管上均匀开孔，反冲洗进气管(6)开孔率高于反冲洗进液管(7)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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