（环境科学与工程专业论文）表面活性剂在生物滴滤器净化苯乙烯气体中的作用.pdf

硕士学位论文 器对苯乙烯的去除效率。结果表明，b t f l 的去除效率分别为6 9 、5 2 和4 0 ， 而使用表面活性剂的b t f 2 的去除效率分别为8 6 、8 2 和7 0 。 两台滴滤器运行期间的压降证明，随着进气浓度的增大，进气量的增加，压 降增大。当有机负荷增高至2 3 7 3g s t y r e n e ( m 3 h ) 时，b t f l 的压降增加至7 0 0p a ( 7 0m mh 2 0 ) ，填料发生堵塞，去除效率降低。但是使用表面活性剂的b t f 2 运 行期间压降变化稳定，无堵塞现象发生，所以，表面活性剂的使用可以在一定程 度上避免填料堵塞的发生。 本实验还研究了去除效率随填料层高度的变化，结论表明，随着填料高度的 增加，去除效率上升，但是当填料层高度增大到某一程度后，继续增加填料层高 度去除效率的增加并不明显，这点b t f l 和b t f 2 所得到的结果是一致的。 通过对两台滴滤器的实验结果进行分析，可以得出结论，表面活性剂的使用， 在一定条件下可以改善滴滤器的性能，对气态苯乙烯的降解效率明显升高；而两 台滴滤器的压降也可以说明在一定的实验条件下，表面活性剂的添加可以避免填 料堵塞发生。 关键词：生物滴滤器；苯乙烯；生物膜；表面活性剂 i 表面活性剂在生物滴滤器净化苯乙烯气体中的作用 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ， al a r g en u m b e ro fv o l a t i l e o r g a n i cc o m p o u n d s( v o c s ) e m i s s i o n sw h i c hg e n e r a t e df r o mt h ei n d u s t r yh a v es e r i o u s l ye n d a n g e r e dt h eq u a l i t y o ft h ee n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t h t h ew a yo fb i o l o g i c a lt r e a t m e n to nl o w c o n c e n t r a t i o n so fv o c sd e v e l o p e dr a p i d l y ，i nw h i c ht h eb i o t r i c k l i n gf i l t e r ( b t f ) i s c o n s i d e r e dt ob ee f f i c i e n t ，e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l l yf l r i e n d l y ，a n dd o e sn o t p r o d u c es e c o n d l yp o l l u t i o n ，b u tt h er e m o v a le m c i e n c yi s s t i l ll o ww h e nd e g r a d i n g o r g a n i cg a sw i t hl o ww a t e rs o l u b i i i t yo nb t f ，s u c ha ss t y r e n e ，s oh o wt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fb t fo nt h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i cg a sw i t hl o ws o l u b i l i t yb e c o m e m o r es i g n i f i c a n t i nt h i ss t u d y ，w es e l e c t e dp o l y u r e t h a n ef o a ma st h em e d i a ，t h e s l u d g ef r o mt h es e w a g et r e a t m e n tp l a n t s t y r e n ev a p o r sw a si n v e s t i g a t e du s i n gt w o a st h es e e ds l u d g e ，t h eb i o f l l t r a t i o no f s e p a r a t ew h i l ei e n t i c a lb i o t r i c k l i n gf i l t e r s ， b t fla n db t f 2 ，a r e rb o t hb t f sw e r es u c c e s s f u n ys t a r t e du p ，w ea d d e dt r i t o n x - 10 0t ot h en u t r i t i o ns o l u t i o nw h i c hw a sf b dt o b t f 2 ， t o i n v e s t i g a t e dt h e p e r f o m a n c eo ft h eb t fo nt h es t y r e n ed e g r a d i n ga n dt h ee f f e c to ft h es u r f a c t a n to n i t sp e r f o r m a n c e d u r i n gt h es t a r t u pp e r i o d ，t h ei n l e ts t y r e n ec o n c e n t r a t i o no fb o t hb t f sw a s f i x e da t2 5 0m g m j ，a n dt h eg a sr e s i d e n c et i m ew a sf i x e da t3 0 s ，t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h eg a s e o u ss t y r e n er e m o v a le f f i c i e n c yo fb o t hb t f sr e a c h e d9 0 o rm o r e w i t h i n8d a y s ，a n dc a nr e a c hm o r et h a n9 9 o nd a y18 ，t h i sp r o v e dt h a tb o t hb t f s w e r es u c c e s s f i u l l ys t a r e d o nd a y2 0 ，w ea d d e dt h es u r f a c t a n tb t f 2a n da l lo t h e r o p e r a t i o nc o n d i t i o n sr e m a i n e ds a m e t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb t f sf o rt r e a t i n gs t y r e n ew a s t e g a su n d e rd i f f e r e n ti n l e ts t y r e n ec o n c e n t r a t i o n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，w h e nf i x e d t h ee b c ta t3 0 s ，w h i l ei n c r e a s e dt h ei n l e ts t y r e n ec o n c e n t r a t i o nt o5 5 0 ，8 5 0a n d l7 0 0m g m j ，c o r r e s p o n d i n gt ot h eo r g a n i cl o a d i n gr a t eo f6 5 2 5 ，1 0 0 8 5a n d2 0 1 7 g ( m h ) ，t h es t y r e n er e m o v a le f n c i e n c yo fb t f lw e r e8 7 ，7 0 a n d4 9 ， r e s p e c t i v e l y ，w h i l et h er e m o v a le f 6 c i e n c yo fb t f 2w h i c hu s e dt h es u r f a c t a n tw e r e 9 6 ，9l a n d8 2 ，r e s p e c t i v e l y f r o mt h er e s u l t sw ec a nc o n c l u d e dt h a t ，t h eu s eo f t h es u r f a c t a n tc a ni m p r o v et h es t y r e n ed e g r a d i n ge m c i e n c yo ft h eb t fo nt h e s e o p e r a t i n gc o n d i t i o n s a r e r w a r d sw ec o n t i n u e ds t u d yt h ep e r f o r m 锄c eo ft h eb t f sf o rt r e a t i n gs t y r e n e i v w a s t eg a su n d e rd i f k r e n te b c l s d u r i n gt h i sp e r i o dw ec o n t i n u e dt os u p p l yt r i t o n x 1 0 0t ob t f 2 ，t h eo r g a n i cl o a d i n gr a t eo f b o t hb t f sf i x e da t2 3 7 2 9g ( m h ) ，t o i n v e s t i g a t et h es t y r e n er e m o v a le m c i e n c yo ft h e b t fw h e nt h ei n l e ts t y r e n e c o n c e n t r a t i o nw e r e2 0 0 0 ，10 0 0a n d5 0 0m g m 3 ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge b c tw e r e 3 0 ，15a n d7 5s ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h es t y r e n er e m o v a le f f i c i e n c y o fb t f lw e r e4 8 ，4 7 a n d4 5 ，r e s p e c t i v e l y ，w h i l e8 0 ，7 9 a n d7 6 f o rb t f 2 w h i c hu s e dt h es u r f a c t a n t f r o mt h er e s u l t sw ec a nc o n c l u d et h a tw h e no p e r a t i n go n ac o n s t a n tl o a d i n gr a t e ，c h a n g i n ge b c ta n di n l e ts t y r e n ec o n c e n t r a t i o nh a v el i t t l e e f & c to ns t y r e n er e m o v a le m c i e n c yo fb t f ， a n dt h eu s eo ft r i t o nx 一10 0c a n d i s t i n c t l ye n h a n c et h es t y r e n er e m o v a le m c i e n c yo f ：b t fo nt h er e f 色r e n c eo p e r a t i n g c o n d i t i o n s f i n a l l yw es t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb t f sf b rt r e a t i n gs t y r e n ew a s t eg a s u n d e rd i f - f e r e n tg a sn o wr a t e s d u r i n gt h i sp e r i o dw ec o n t i n u e dt os u p p l yt r i t o n x 10 0t ob t f 2 ，t h es t y r e n ec o n c e n t r a t i o no fb o t hb t f sf i x e da t15 0 0m g m 3 ，t o i n v e s t i g a t et h es t y r e n er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h eb t fw h e nt h ee b c tw e r e6 0 ，3 0 a n d15s ，w h i l et h ec o r r e s p o n d i n gs t y r e n el o a d i n gr a t e s w e r e8 8 9 8 ， l7 7 9 6a n d 3 5 5 9 2m g m 3 ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t y r e n er e m o v a le f e c i e n c y o fb t flw e r e6 9 ，5 2 a n d4 0 ，r e s p e c t i v e l y ，w h i l e8 6 ，8 2 a n d7 0 f o rb t f 2 w h i c hu s e dt h es u r f a c t a n t t h ep r e s s u r ed r o po ft h eb t fd u r i n gt h eo p e r a t i o np r o v e dt h a t ，a st h ei n c r e a s e o ft h ei n l e tc o n c e n t r a t i o na n dt h eg a sn o wr a t e ，t h ep r e s s u r ed r o pi n c r e a s et o o w h e n t h es t y r e n eo r g a n i cl o a d i n gr a t ei n c r e a s et o2 3 7 3gs t y r e n e ( m j h ) ，t h ep r e s s u r ed r o p o fb t fli n c r e a s et o7 0 0p a ( 7 0m mh 2 0 ) ，a n dt h ec l o g g i n go c c u r r e d ，t h es t y r e n e r e m o v a le f n c i e n c yd r o p p e d b u tt h ep r e s s u r ed r o po fb t f 2w h i c hu s e dt h e s u r f a c t a n ti ss t a b l ed u r i n gt h ew h o l eo p e r a t i o n ， w i t hn oc l o g g i n go c c u r r e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eu s eo ft r i t o nx 1o oc a ne f f e c t i v e l yi n h i b i tm e d i u mc l o g g i n g t h er e s e a r c ha l s os t u d yt h ee f f e c to ft h eh e i g h to ft h em e d i u mo nt h es t y r e n e r e m o v a le m c i e n c yo fb t f ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，a st h et h i c k n e s so ft h em e d i u m i n c r e a s e s ，t h es t y r e n er e m o v a le m c i e n c yo ft h eb t fi n c r e a s e st o o ，b u tw h e nt h e t h i c k n e s so ft h em e d i u mi n c r e a s e st oac e r t a i nd e g r e e ，t h ei n c r e a s eo ft h es t y r e n e r e m o v a le f n c i e n c yi sn o ta p p a r e n t 0 nt h i sp o i n t ，t h ec o n c l u s i o n so f b t fla n db t f 2 a r es i m i l a r l y a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o no fr e s u l t so fb t f 1a n db t f 2 ，i ti sc o n c l u d e dt h a t t h eu s eo ft r i t o nx 10 0c a ni m p r o v et h ep e r f b r m a n c eo fb t fo b s e r v a b l yo nt h e c o n d i t i o no fw ee x p e r i m e n t e do n ，t h ed e g r a d a t i o no fg a ss t r e a ms t y r e n eo fb t f 2 v 表面活性剂在生物滴滤器净化苯乙烯气体中的作用 w h i c ha d d e ds u r f a c t a n ti s h i g h e r t h a nb t flw h i c hw a sw i t h o u ts u r f a c t a n t m e a n w h i l e ，f r o mt h ep r e s s u r ed r o po fb t fla n db t f 2w ec a nn n dt h a tt h eu s eo f s u r f a c t a n tc a n p r e v e n t t h e h a p p e n i n g ofc l o g g i n go nt h ec o n d i t i o no fw e e x p e r i m e n t e do n k e yw o r d s ：b i o t r i c k l i n gf i l t e r ；s t y r e n e ；b i o n i m ；s u r f a c t a n t 表面活性剂在生物滴滤器净化苯乙烯气体中的作用 插图索引 图1 1 膜分离回收示意图7 图1 2 光催化降解流程示意图8 图1 3 生物法处理v o c s 废气机理8 图1 4 生物洗涤法去除v o c s 工艺流程1 1 图1 5 生物过滤法降解v o c s 工艺流程1 2 图1 6 生物滴滤法降解v o c s 工艺流程1 3 图1 7 多层转鼓生物过滤器截面示意图1 4 图2 1 生物滴滤器实验装置图2 5 图2 2 支撑板示意图2 6 图2 3 聚氨酯海绵实物图一2 7 图2 4 生物滴滤器工艺流程图3 0 图3 1 生物滴滤器b t f l 启动阶段性能3 4 图3 2 进口苯乙烯浓度对生物滴滤器b t f l 性能的影响3 4 图3 3e b c t 对生物滴滤器b t f l 性能的影响3 5 图3 4 进气量对生物滴滤器b t f l 性能的影响3 6 图3 5 填料高度对b t f l 性能的影响3 7 图4 1 生物滴滤器b t f 2 启动阶段性能3 8 图4 2 进口苯乙烯浓度对生物滴滤器b t f 2 性能的影响4 0 图4 3e b c t 对生物滴滤器b t f 2 性能的影响4 l 图4 4 进气量对生物滴滤器b t f 2 性能的影响4 2 图4 5 填料高度对b t f l 性能的影响一4 3 图5 1b t f l 和b t f 2 运行期间降解效率的对比一4 5 图5 2b t f l 和b t f 2 运行期间压降的变化一4 7 x 硕士学位论文 附表索引 表1 1 主要恶臭污染物与产生行业【6 】2 表1 2 现有污染源大气污染物排放标准3 表1 3 部分挥发性有机物对人体的危害4 表1 4 各种燃烧的特点6 表1 5 各种处理工艺的性能比较9 表2 1 苯乙烯的物理性质2 6 表2 2 聚氨酯海绵填料性能参数2 7 表2 3 每公升营养液所需营养元素质量一览表一2 8 表2 4 气相色谱仪运行条件3 1 表5 1 不同运行条件下b t f l 和b t f 2 对苯乙烯的降解效率一4 5 x i 硕士学位论文 第1 章绪论 随着经济的发展，大规模的工业生产活动和大量化学药品的制造所产生的 v o c s 气体已经严重污染了人类的生存环境，并威胁着人类的健康【1 ，2 1 。因此， 加强控制环境中v o c s 的排放和探索各种有效的治理方法越来越受到人们的重 视。 1 1 挥发性有机物的概念、来源、危害 1 1 1 挥发性有机物的概念 挥发性有机物简称v o c s ，是一类气态有机污染物，它们是在常温下饱和蒸 汽压大于7 0 9 1p a 、常压下沸点小于2 6 0 的有机化合物【3 1 。其中包括氧烃类、 含卤烃、氮烃及硫烃类化合物。世界卫生组织对总挥发性有机物( t v o c ) 的定义 式熔点低于室温，沸点温度在5 0 2 6 0 间的挥发性有机化合物的总称。 1 1 2 挥发性有机物的种类和来源 v o c s 种类繁多，分布面广。根据部分国外主要环境优先污染物名录，v o c s 占8 0 以上。日本19 7 4 1 9 8 5 年环境普查指出，在其检测出的毒物中，卤代烃类 最多，共有5 2 种，次之是一般烃类，共有4 3 种，含氮有机物( 主要苯胺类化合 物等) ，共有4 0 种，这3 类化学毒物占总检出毒物的7 0 。 煤、石油和天然气的使用，以煤、石油和天然气为燃料或原料的工业，与煤、 石油、天然气有关的化学工业生产，包括各种染料、涂料的生产使用，各种化工 行业的运行，各种农药的生产使用，是v o c s 产生的主要原因【4 ，5 1 。 v o c s 的产生源逐渐增多，随着近几年来中国经济水平的不断提高，汽车的 逐渐普遍，农业水平的先进化，以及各种日常生活产品种类不断增多，汽油、煤 油等的污染逐渐严重，农药的污染也亟待解决，家庭涂料、天然气的使用也给环 境施加了负担，总之，v o c s 的种类不断增多，浓度也逐渐提高。 苯乙烯是一种重要的化工原料，应用及其广泛，在许多化工生产和使用过程 中都可能导致低浓度苯乙烯气体的排放。苯乙烯废气不但具有三致作用，而且还 是光化学反应剂，通过降解可产生如臭氧等二次污染物。苯乙烯对大气造成污染， 并直接或间接危害人体健康，目前苯乙烯污染问题逐渐引起人们的高度关注，对 苯乙烯废气的处理研究也越来越多，但是苯乙烯难溶于水的性质及其较高的蒸汽 压一直困扰着广大研究者。 表面活性剂在生物滴滤器净化苯乙烯气体中的作用 表1 1 主要恶臭污染物与产生行业【6 】 物质名称主要来源 炼油业、炼焦业、炼钢业、石油化工产业、畜便处理、动物尸体、污水 硫化氢处理、 固体废弃物处理 氨氮肥制造业、硝酸、各种肉类加工产业、家庭固体废弃物处理 煤气以及天然气的使用、制药产业、农药的使用、合成纤维、牛皮纸浆、 硫醇类 橡胶生产 炼油、农药的使用、各种硫醚类香料的生产、管道的制造、固体废弃物 硫醚类 处理 胺类畜产品加工、皮革的生产、固体废弃处理、染料废水 吲哚类固体废弃处理、粪便处理、动物尸体、涂料的生产和使用 硝基煤和石油等燃料的使用、废水的处理、固体废弃物处理 油脂加工、化妆品生产、表面活性剂合成、生活废水( 尤其餐饮业废水) 、 脂肪酸 制药、各种香料的生产、食品腐化 烃类建筑材料、各种化工业 醇类石油化工、燃料的使用、照相软片、消毒液、化妆品生产 酯类合成纤维树酯等化工业 炼油、化工业、医药产业、染料的生产和使用、固体废弃物处理、室内 醛类 装饰材料 卤素及 合成树酯和橡胶等、灭火器 衍生物 1 1 3 部分v o c s 排放标准 我国的有机废气治理情况并不乐观，近几年来很多案例不断发生，例如兰州 和上海等地一些大型石油化工工业区出现过光化学烟雾现象【7 】，南京一些地区也 出现严重的污染。因此，我国对有机污染的排放做了许多相关的法律规定，这些 年来相继颁布了工业企业涉及卫生标准、恶臭污染物排放标准、大气污染 物综合排放标准以及中华人民共和国大气污染防治法等，这些法律条文的 规定有助于污染情况的缓解。如图1 2 即为现有污染源大气污染排放标准。 2 硕士学位论文 表1 2 现有污染源大气污染物排放标准 1 1 4 挥发性有机物的危害 v o c s 无色无味，其危害不亚于氮氧化物和碳氧化物，虽然浓度通常较低， 但是多种v o c s 混合在一起对人体的危害仍旧不容忽视。v o c s 急性毒性的反应 通常是头痛、头晕、呕吐等，重者甚至会出现昏迷现象。长期接触低浓度的v o c s 会对人体的器官造成一定影响，形成慢性中毒，损伤人体的肝脏以及其他器官。 另外长期接触v o c s 化合物的人群会有干咳、喉痛、支气管炎和哮喘的症状，严 重时会导致死亡【3 j ，孕妇长期接触v o c s 会致使胎儿畸形。 在v o c s 中，苯系物最具有代表性。主要在石油和石油产品生产过程中产生， 是化学工业最重要的化工原料之一，如涂料、油漆、胶以及飞机、汽车用的燃料 油等都含有苯系物。尤其是家庭所使用的涂料，甲醛含量很高。长期接触苯系物， 最初会引起肝的损伤，渐渐会衍生为再生障碍性贫血，甚至白血病【9 】，更有甚者 会致癌。 苯乙烯刺激皮肤和粘膜，有麻醉作用，对血液和肝有轻度损害作用，吸入 1 的蒸汽数分钟即失去知觉。但是苯乙烯与苯不同的是不会造成慢性中毒，大 鼠经口l d 5 0 为4 9 2 0m g k g 。t j 3 6 7 9 规定车间空气中最高允许浓度4 0m g m 3 【1 们。 表面活性剂在生物滴滤器净化苯乙烯气体中的作用 表1 3 部分挥发性有机物对人体的危害 4 硕士学位论文 1 2 挥发性有机物的常规处理方法 目前，处理挥发性有机物的主要方法有吸收法【1 1 1 、吸附法【1 2 。1 5 】、燃烧法【1 1 1 、 冷凝法【16 1 、膜技术1 7 郴1 和生物法2 0 2 2 1 等。选择不同方法主要考虑的因素有污染 物的性质、浓度、净化要求、经济性等。 1 2 1 吸收法 常用于净化水溶性较好的v o c s ，它的应用不如燃烧法和吸附法广泛。它利 用气中一种或多种污染物组分在吸收剂中溶解度的不同，或与吸收剂中组分发生 选择性化学反应，而达到控制污染的目的。吸收效果主要取决于吸收剂的吸收性 和吸收设备的结构形式。吸收法通过气液相的接触来降解污染物，v o c s 通过气 相的转移从而达到高效的降解效率。一般吸收法会通过人工增加液相的鼓泡速率 来改善吸收法的处理效果，也可以通过添加酸性或碱性物质以改变吸收液的酸碱 性从而提高所要处理v 0 c s 的水溶性，但是这会增加处理成本。吸收法适用于浓 度较高、温度较低和压力较高情况下气态污染物的处理。但该法存在后处理过程 复杂以及二次污染的问题，一般采用膜分离法来回收吸收的v o c s 【2 引。 1 2 2 吸附法 吸附法是指利用具细孔结构、并具有一定吸附能力的吸附剂吸附v o c s 的过 程，应用较为广泛。吸附法处理v o c s 中，一般较为常用的吸附剂有活性炭和沸 石，且一般用于低蒸汽压、高分子量的v o c s 的降解。活性炭和沸石可以有效的 处理低浓度v o c s ，处理效果优越。但是吸附法处理v o c s 需要花费较高的成本， 因为吸附剂一旦达到本身的吸附能力，就必须更换填料或者清洗填料，这往往会 增加成本，吸附v o c s 的吸附剂也往往会成为新的污染物，不仅增加运营成本， 而且会造成二次污染。总之，吸附法处理v o c s 去除效率高、工艺成熟、易于推 广实用，但缺点是处理设备庞大而且流程复杂，吸附剂容易失效，且吸附剂达到 其吸附能力的时间难以控制。且使用过的吸附剂会产生二次污染，不可以进行反 吸附的吸附剂也会增加成本。目前常用的吸附剂有：活性炭、活性氧化铝、硅胶、 人工沸石等。 1 2 3 燃烧法 燃烧法处理v o c s 是指利用v o c s 自身易燃性对其进行处理的一种方法，通 过燃烧将v o c s 转化成c 0 2 和h 2 0 。其中，直接燃烧法和催化燃烧法是被认为 比较有效的处理v o c s 的方法。 直接燃烧法，又称火焰燃烧法，是指将要处理的v o c s 当作燃料进行燃烧。 燃烧温度一般在7 0 0 到1 4 0 0 之间，温度越高，转化率也就越高，当转化不完 表面活性剂在生物滴滤器净化苯乙烯气体中的作用 全时，会生成c o ，c o 严重影响人体健康，所以转化率如要达到9 5 9 9 ，燃 烧温度要控制在8 5 0 一1 1 0 0 之间。 催化燃烧一般用于v o c s 的第二道处理工序，因为催化燃烧需要消耗比较昂 贵的催化剂，增加运行成本，所以一般不用于处理浓度较高、气流量较大的有机 废气。催化燃烧无需如直接燃烧需在高温下进行，一般温度控制在3 0 0 7 0 0 之间便可，有机废气先预热到2 0 0 一4 0 0 ，然后进入燃烧室，通过催化剂降低 其活性，从而转化成c 0 2 和h 2 0 。催化燃烧是中一般用到的催化剂包括贵金属 催化剂和非贵金属催化剂，贵金属催化剂有铂、钯等，价格较高且不易得到，非 贵金属催化剂有氧化铜和氧化镍等，价格虽不如贵金属催化剂昂贵，但其氧化活 性相对较低，转化效率也相应降低。催化燃烧对所用催化剂要求较高，首先必须 在高温氧化反应情况下仍具有高的活性，此外还需有高的热稳定性、高的机械强 度和高的耐腐蚀性【2 4 1 。 但是催化燃烧法仍具有很多优势，比如无二次污染、设备简单，无需在高温 下进行，对v o c s 的降解效果较好等。 对各种燃烧法的比较见表1 4 。 表1 4 各种燃烧的特点 1 2 4 冷凝法 冷凝法是利用不同v o c s 具有不同的蒸汽压，然后通过调节温度和压力以使 v o c s 中具有一定应用价值的组分发生过饱和凝结现象从而对其进行回收的一 种方法。冷凝法仅适合对具有回收应用价值的有机废气进行处理，否则会造成二 次污染，且在实际应用中，冷凝法的成本相对较高。 1 2 5 膜分离法 膜分离法是指在3 1 0p a 1 4 0 0p a 的压力驱动下，根据各组分有机气体在高分 子膜上吸附能力的不同，或者根据其在膜内溶解一扩散上的差异从而进行分离的。 6 硕士学位论文 其工艺流程如图1 1 所示。膜分离法于2 0 世纪7 0 年代研究成功，是一种新型高 效分离方法，目前已经非常成熟，并在一些发达国家广泛应用。膜分离法工艺简 单、低能耗、无二次污染、操作方便安全而且启动较快，具有广泛的应用前景。 目前，气体膜分离技术已在空气中氧的富集与氮的浓缩以及天然气的分离提纯等 方面得到应用【2 5 1 。 有机 压缩机 冷凝器 膜单元 净化后的气体 图1 1 膜分离回收示意图 1 2 6 生物处理法 利用微生物降解环境污染物在水处理工艺中已经得到广泛且深入的研究，但 是将该项技术应用于大气污染物控制还是近4 0 年的事情。最早的利用生物法处 理废气的概念是b a c h h 在1 9 2 3 年提出的【2 6 1 。而有关工业中利用生物法来处理 废气的研究是在5 0 年代【2 7 1 ，其中p o m e r o y 详细说明了生物反应器装置的操作和 设计，且在美国得到了专利，之后才广泛使用。较之于传统的废气处理方法，生 物法具有操作简单，投资运行成本低、无二次污染等特点【1 。关于生物处理法 将在1 3 节中作详细介绍。 目前较为常见的生物法处理工艺主要有三种，即生物过滤器、生物洗涤和生 物滴滤器。其中生物过滤法是实践中最为常见的生物处理工艺，早在6 0 年代便 被广泛使用，8 0 年代生物过滤法处理v o c s 和有毒气体在德国和荷兰被越来越 多的使用，到1 9 9 0 年，荷兰和德国已有5 0 0 多座规模较大的生物过滤处理设备。 之后十年在一些欧美国家也被广泛使用。 在我国，废气处理技术的研究和应用较落后，9 0 年代后期才逐步投入研究。 目前我国已经有越来越多的人开始对生物法处理v o c s 进行研究，具体单位有清 华大学【2 8 - 3 0 ，52 1 、哈尔滨工业大学3 1 - 3 3 1 、大连理工大学【3 4 _ 37 1 、浙江工业大学3 8 - 4 3 1 、 西安建筑科技大学4 4 ，4 5 1 和同济大学等【4 6 ，4 7 1 。但目前生物法在实践中的应用依旧 较少。近几年来我国经济发展速度越来越快，但是v o c s 的污染也越来越严重， 一些工厂排放的气体污染了大气，污染了环境，威胁着人类的生存环境和身体健 康，着实令人堪忧，所以生物法处理v o c s 在我国依然有较为广泛的前景。 表面活性剂在生物滴滤器净化苯乙烯气体中的作用 1 2 7 其他v o c s 处理工艺 近些年来，纳米材料光催化分解有机废气是一种新兴的技术，这种技术随着 纳米材料的兴起而被人们逐渐关注。它是利用纳米材料的纳米粒子( 如t i 0 2 、 z n o 、f e 2 0 3 、c d s 、w 0 3 等) 在一定波长光的照射下产生电子跃迁和空穴作用及 水蒸气存在下产生o h ，将v o c s 最终降解成c 0 2 和h 2 0 或其它离子。现已有 采用纳米材料催化分解技术初步处理烷烃、醇醛、酮、芳香族和卤代物的研究， 但此技术目前还主要处于实验研究阶段1 4 引。 布袋除尘器 稳流室 吸收室 h * 1 ，i u i 。 图1 2 光催化降解流程示意图 臭氧分解法和等离子体分解法这两种方法是用在处理有机废气上的新型方 法，有关这两种方法的报道很少，现阶段，国外用臭氧分解净化废气也只是停留 在实验室研究的阶段【4 9 1 。该法可将v 0 c s 彻底氧化分解，但是成本高，能耗高。 1 2 8 各种处理工艺的性能比较 随着研究的的不断深入，处理v o c s 的方法越来越多，也越来越方便、经济 和实用，但是比较受研究者青睐的方式往往是一些操作简单、价格低廉且环境友 好的方式，每种处理工艺都有优缺点，所以应针对不同有机废气的物理化学性质 来决定使用何种处理方式。各种处理工艺性能比较见表1 5 。 介质 图1 3 生物法处理v o c s 废气机理 8 流 硕士学位论文 表1 5 各种处理工艺的性能比较 1 3 生物处理法 生物法处理v o c s 是指利用微生物自身的新陈代谢作用来净化有机废气。目 标污染物从气相进入液相，与生物膜接触，微生物利用部分v o c s 作为自身的碳 源，将之分解为二氧化碳和水。生物法适用于处理低浓度大流量的有机废气。其 机理如图1 3 所示。 而对于工业中气量大，浓度低，且污染物大都无回收价值的v o c s 废气治理 而言，生物法与其他方法相比，无论从经济角度，还是从技术角度上来讲，都有 其优越性。生物处理法工艺简单，运行稳定，成本低廉，更加重要的是无二次污 染，在国人提倡节能减排的今天成为备受环保人士青睐的v o c s 处理技术。生物 法处理有机废气在德国、荷兰、美国和日本等国已得到广泛的应用，其中生物过 滤和生物滴滤技术已经十分成熟。生物法处理v o c s 的方法主要有生物洗涤法 【5 0 1 、生物过滤法【5 1 ，5 2 1 、生物滴滤法【5 3 。5 6 1 以及近几年来广受研究者青睐的转鼓生 9 表面活性剂在生物滴滤器净化苯乙烯气体中的作用 物过滤【y 卜6 0 】。 v o c s 生物降解和废水生物降解的区别是：v o c s 首先要经历从气相转移到 液相，之后污染物才在固相或者液相表面被降解微生物所降解。目前世界上公认 的影响较大的生物净化理论是荷兰学者o t t e n g r a f 根据气体吸收双膜理论提出的 生物膜理论。所谓双膜，是指在气液传质中所形成的有一定厚度的膜，据生物膜 理论，有机废气生物处理必须经过三个阶段：气液转化阶段，生物吸附吸收理论 以及生物降解阶段。所谓气液转化阶段，是指废气中的有机物与水接触同时溶于 液相中，经过气液相传质过程，废气中的一部分分子便转移到液相之中，进而从 气膜转移到液膜；所谓生物吸附吸收阶段，是指溶于液相之中的污染物成分因在 浓度差的推动下，会进一步扩散到生物膜中，从而被微生物作为营养物质吸收、 捕获。吸附剂再生还原，可在用以降解另外的有机物；生物降解阶段，是指被填 料中的微生物所捕获的有机物，用作微生物的碳源，另一部分被分解为二氧化碳 和水，同时，气态产物脱离生物膜，逆向通过液膜和气膜，最终排放至大气之中。 目前较常用的集中生物法有生物洗涤法、生物过滤、生物滴滤以及近些年来 较为常用的转鼓生物过滤器。随着生物法处理v o c s 技术研究的不断增多，生物 法处理v o c s 的技术日渐成熟，许多生物反应器投入工程实践，所以，对生物法 处理v o c s 的研究要继续深入，以期能在实践应用中获得较好的处理效果。 1 3 1 生物洗涤法 生物洗涤法也称为生物吸收法，是一种利用由生物膜、微生物营养成分和水 所组成的混合物来处理有机废气的方法，比较适用于吸收水溶性较好的v o c s 。 生物洗涤过程结束之后，对吸收了v o c s 的微生物吸收液进行好氧处理，将其中 的v o c 转化为c 0 2 和h 2 0 ，以期对微生物吸收液进行再生。 生物洗涤器实质上是一个活性污泥处理系统，由一个吸收室和一个再生池构 成，而对v o c s 的吸收和对微生物吸收液的再生是否在一个反应器内完成取决于 微生物悬浮液的活性和其再生能力。生物悬浮液从吸收室顶部喷淋而下，从而使 有机废气从气相转移至液相。当微生物悬浮液将有机废气吸收之后，吸收液转移 至再生池，对其进行曝气从而进行再生过程。被微生物悬浮液吸收的v o c s 通过 微生物的代谢作用，最终转化成c 0 2 和h 2 0 ，实现微生物吸收液的再成。一般 所选用的微生物菌种来源不同，所需再生时间也有不同，一般为几个小时。洗涤 器中气液相的接触方法有液相喷淋法和气相鼓泡法，若气相阻力较大则用喷淋 法，若液相阻力较大可用鼓泡法。其工艺流程如图1 4 所示。 但是，生物洗涤法只适用于处理水溶性较好的v o c s ，如醇类、醚类等，而 对于一些难溶的v o c s ，如一些醛类、烯烃类物质，该方法则不适用。与生物过 滤和生物滴滤相比，生物洗涤塔主要解决了以下两方面问题： 1 0 硕士学位论文 ( 1 ) 生物洗涤法可以促进污染物在液相中被吸附，从而提高污染物吸附量； ( 2 ) 生物洗涤法可以延长微生物接触污染物的时间，从而可以更高的降解污 染物。 生物洗涤塔装置体积小，且运行过程中无需进行增湿，节约了安装增湿器所 需的成本。但是生物洗涤塔成本较高，需安装价格高昂且复杂的进料中和系统， 其安装成本高于生物滴滤器和生物过滤器，而且当进气流量过大时，会引起生物 膜过度蓄积。 生物洗涤器适用于处理气流量较小、浓度较大、水溶性较好的v o c s 。生物 洗涤器在处理芳香烃、卤代烃、含氧化合物等混合废气时，对含氧化合物的处理 效果较好，而对卤代烃和芳香烃的处理效果较差。 活性污泥池 空气 图1 4 生物洗涤法去除v o c s 工艺流程 1 3 2 生物过滤法