（环境工程专业论文）生物滴滤法净化含二甲苯有机废气的试验研究.pdfVIP

伊3 7 秘3 3 生物滴滤法净化含二甲苯有机废气的试验研究 专 业： 硕士生： 指导教师： 环境工程 汪凤诞 马广大 摘要 随着工、i k 的迅猛发展，人们物质生活水平的提高，空气污染问题变得同益严重。 作为一类气念污染物，挥发性有机污染物( v o c s ) 对人体健康和自然环境具有很 大的危害。因此，对挥发性有机污染物( v o c s ) 的净化处理已经引起了人们的越 来越多的关注。 生物过滤法作为新兴的技术，在工业废气处理方面已有所应用。作为生物过滤 法的改进技术，生物滴滤法以其低投入、低运行费用、高效率、运行稳定、管理方 便以及无二次污染等优点，备受人们的青睐，在工业废气处理方面应用更加广泛。 本论文详细介绍了生物滴滤法的基本原理，并基于对二甲苯可生化降解性的分 析，通过对比试验研究了在稳态条件下，改变操作条件时二甲苯、降解产物c 0 2 在塔中的浓度分布情况，得出二甲苯、c 0 2 在塔中轴向浓度分布曲线，进气负荷和 滤塔去除负荷之间的定性关系；研究了气体流量、液体流量和n h ；一n 浓度的变化 对去除效果的影响；并对挂膜前后的填料进行压降试验，得出了生物滤塔运行过程 中的能耗状况。 该试验运行条件如下：采用两种不同的填料( 陶粒1 # 、2 群) ，分别装入两个规 格相同的填料塔，进行对比试验。滴滤塔的进气负荷为4 0 8 0 0 9 ( m 3 h ) ，废气在滴 滤床内停留时间为2 8 2 6 s 1 4 1 3 0 s 。通过近五个月的连续运行，所得试验研究结果 表明：二甲苯去除负荷随着填料进气负荷的增加而增加，且二者之间有良好线性相 关性；当进气负荷一定时，去除负荷随流量的增加而降低；其他条件一定时，净化 效率随着气体流量的增大而减小；喷淋液量在试验范围内对净化效率的影响不大， 但其流量不宜过大；氨氮浓度对净化效率影响显著，在试验范围内，氨氮浓度增加， 净化效率明显增高；生物滴滤塔中c 0 2 轴向浓度随着二甲苯轴向浓度的降低而增 大；二甲苯轴向浓度的定量分析证实了微生物具有良好活性；与其他试验研究相比， 本试验采用了较短的空塔停留时间( 2 8 2 6 s ) ，仍能取得很好的处理效果。 本试验所得结论与前人的研究成果相符合，具有很强的实用价值，为生物滴滤 法在工业废气处理方面的进一步推广应用提供了有益的参考。 关键词：生物滴滤塔，含二甲苯废气，挥发性有机化合物( v o c s ) ，填料，陶粒， 生物降解 s t u d i e so nt h et r e a t m e n to f o f f - g a s e sc o n t a i n i n gx y l e n e b yb i o t r i c k l i n g f i l t e r s s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ： w a n gf e n g d a n i n s t r u c t o r ：m a g u a n g d a a b s t r a c t a i rp o l l u t i o nw h i c ha t t r i b u t e st ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r yi sm o r ea n d m o r es e r i o u sw i t ht h ei n c r e a s eo fc h i n e s ep e o p l e sm a t e r i a ls t a n d a r do fl i v i n g a sa i m p o r t a n tk i n do fp o l l u t a n t s ，t h ev o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d sf v o c s ) d og r e a th a r mt o p e o p l e sh e a l t ha n d n a t u r a le n v i r o n m e n t ，s om o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do n t h e p u r i f i c a t i o na n d t r e a t m e n to f v o c s a sa b o o m i n gt e c h n o l o g y , t h eb i o - f i l t r a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e nu s e di na i rp o l l u t i o n c o n t r o lp r o j e c t b i o - t r i c k l i n gf i l t r a t i o n ，t h em o d i f i e dt e c h n i q u eo f b i o f i l t r a t i o n ，h a ss u c h a d v a n t a g e s a sl o wi n v e s t m e n ta n do p e r a t i n gc o s t s ，h i g he f f i c i e n c y , s t a b l eo p e r a t i o n ， c o n v e n i e n tm a n a g e m e n ta n dn os e c o n d a r y p o l l u t i o n ，a n dh a sb e e na p p l i e dm o r eb r o a d l y i ni n d u s t r i a lw a s t eg a s e st r e a t m e n t b a s e do nt h ef e a s i b l ea n a l y s i so ft h er e m o v a lo fx y l e n eb yb i o d e g r a d a t i o n ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h eb a s i c p r i n c i p l e o fb i o - t r i c k l i n gf i l t e ri n d e t a i l ，a n db yt h e c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t ，m a i n l ys t u d i e st h ei n f l u e n c e so fo p e r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha s f i l t e rm e d i a ( p e l l e t s ) ，i n f l u xg a sl o a d ，e m p t yb e dc o n t a c tt i m e ，g a sf l o wr a t e ，l i q u i df l o w r a t ea n dn h ：一nc o n c e n t r a t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo f t h e b i o t r i c k l i n gf i l t e r t h ee x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do u tu n d e rt h ef o l l o w i n gc o n d i t i o n s ：t w od i f f e r e n t k i n d so ff i l t e rm e d i a ( p e l l e t s ) w e r ep a c k e di n t ot h et w os a m e - s i z et o w e r s ，t h ei n f l u xg a s l o a do ft h et w ot o w e r si s 4 0 8 0 0 9 ( m j h ) ，t h er e t e n t i o nt i m e o ft h ew a s t e g a s i s 2 8 2 6 s 1 4 1 3 s a f t e rf i v em o n t h so f c o n t i n u o u s o p e r a t i o n ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss u g g e s t t h a tt h ee l i m i n a t i o nl o a da n dt h ei n f l u xg a sl o a da r el i n e a r l yc o r r e l a t e da n de l i m i n a t i o n c a p a c i t yo fx y l e n ei n c r e a s e si np a c ew i m t h ei n c r e a s eo fi n f l u xg a sl o a d a n dd e c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo f g a s e o u sf l o wr a t ea tf i x e di n f l u xg a sl o a d t h el i q m df l o w r a t eh a s l i t t l ei n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eb u ti ts h o u l db ec o n t r o l l e dw i t h i nap r o p e rr a n g e t h e r e m o v a le f f i c i e n c yo f x y l e n ea l s od e c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s eo f g a s e o u sf l o w r a t ew h i l e k e e p i n gx y l e n ec o n c e n t r a t i o nc o n s t a n ti nt h eb i o f i l t e r si n l e t n i t r o g e ni sn e c e s s a r yf o r t h eg r o w t ho fm i c r o o r g a n i s m s t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h et w ot o w e r si n c r e a s e s o b v i o u s l yw i t hd o u b l i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fn h ：一ni ns p r a y i n gl i q u i d q u a n t i t a t i v e a n a l y s i so fc 0 2 c o n c e n t r a t i o ni nb i o - f i l t e r sv a l i d a t e sm i c r o b i a la c t i v i t y f r o mt h ei n l e tt o t h eo u t l e t ，t h ec o n c e n t r a t i o no fc 0 2i n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo fc o n c e n t r a t i o no f x y l e n e ，c o m p a r e d 州t 1 1o t h e re x p e r i m e n t s ，i ns p i t eo fs h o r t e rr e t e n t i o nt i m e ( 2 8 2 6 s ) h i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c yh a sb e e no b t a i n e d t h er e s u k so b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t sc o i n c i d ew i t ht h ec u r r e n tt h e o r i e sa n d a r ev a l u a b l e ，w h i c hw i l lp r o m p tt h ef u r t h e r a p p l i c a t i o no f b i o t r i c k l i n gf i l t e ri ni n d u s t r y k e yw o r d s ：b i o - t r i c k l i n gf i l t e r , o f f - g a s e sc o n t a i n i n gx y l e n e ，v o c s ，f i l t e rm e d i a ， p e l l e t s ，b i o d e g r a d a t i o n 声明 矽3 7 0 9 3 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 ， 论文作者签名：诅叹艇 日期：p 噼i 胡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：知虱诓导师签名：乡尹久日期：触碑朗 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 挥发性有机物( v o c s ) 概述 随着人类文明的进步和近代工业的发展，商品生产过程中使用的化学品种迅猛 增加，在商品生产给人类提供丰富的物质生活的同时，石油化工、橡胶再生、油漆 喷涂、制药、印刷、制鞋等行业中大量使用和排放各种挥发性有机物，给人类的生 活带来了危害。 1 1 1 v o o s 的定义及危害 根据化学文摘资料，从1 8 8 0 - 1 9 9 0 年的1 0 0 多年内，化学品种从1 2 万种 增至7 0 0 万种，净增5 0 0 倍以上。虽然大部分无毒或微毒，但少数化学品能给生态 环境和人体健康带来严重危害，特别是有机化合物所引起的污染。而有机化合物中 挥发性有机化合物所造成的污染尤为严重，它是仅次于颗粒污染物的第二大类气态 污染物。 挥发性有机物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 简称v o c s ，是一大类气态污染物， 它主要是指在常温常压下，沸点低于2 6 0 ，蒸气压小于7 0 p a 的有机物。 v o c s 对环境的影响主要表现在以下几个方面：大多数v o c s 有毒。“、有恶臭， 一部分v o c s 有致癌性。+ 2 “，如氯乙烯、苯、多环芳烃、甲醛等：多数v o c s 易燃 易爆，对生产企业也存在不安全性：在阳光照射下，大气中的氮氧化合物、碳氢 化合物与氧化剂发生光化学反应，生成光化学烟雾“”，危害人体健康和作物生长： 卤烃类v o c s 可破坏臭氧层“2 。4 。8 ，如氯氟碳化物( c f c s ) ：挥发性有机化合物中 的芳香烃( 如：二甲苯、甲苯等) 及含氧烃( 如：乙醇、酮、酯等) 由于挥发性较 大，易扩散在大气中，严重污染环境和影响人体健康0 1 。 正是由于v o c s 的上述危害，世界各国都通过立法不断限制v o c s 的排放量。美 国等西方发达国家颁布法令对v o c s 的排放进行管制，制定了废气排放标准，将工 业中的1 8 9 种空气危险污染物列为毒性空气污染物，其中大部分为v o c s 。中华人 民共和国大气污染防治法要求工业生产中产生的可燃气体应回收利用，对v o c s 的排放制定标准也已提上议事日程，这样就要求经济而有效地脱除v o c s ，并加以回 收利用”“。 根据挥发性有机物的结构可分为8 类，如表1 1 所示。 嚣安建筑秘技大学硬士学缀谂文 袭1 1 常见的v o c s 分类 类别常见有机物 脂肪类碳氯化裔物丁烷、正己烷 芳香类碳氢纯裔物苯、甲苯、二单笨、苯乙烯 氯嵇璇氢耗裔物二氯荦靛、三蘸零娩、三氧己烷、二氯五烯、三鬟己燎、西氯乙燎、鞭簸纯禳 酮、醛、醇、多元醇类丙酮、丁酮、环范黼、甲基异t 基酮、甲醭、乙醛、甲醇、异谢醇、弊丁醇 醚、酚、环氧熊化合物乙醚、甲酚、苯酚、环氧乙烷、环氧丙烧 酯、酸类化裔物醋酸乙酯、醋酸丁酯、乙酸 驶、蜻类讫食物二甲基甲雏胺、瑚烯膊 其毽藏氟瑗纯魏、艇羝烃、荦基溴 对工业低浓度挥发性有机废气的净化处理现已爨剡全社会的广泛关浪。 1 1 2 嫩物法去除v o o s 的研究现状及意义 挥发瞧露极凌气由予撑赦分数，毒掇；妨含量低，瘸鬻显豹吸收、吸驸、後纯燃 浇等方法懿璞，投资大，运行戒零鑫，二次污染霞簸瀵i 童程复杂。 生化过滤器是近年来开发和推广的新技术睛1 。最先的生物法处理空气中的污染 物是用于处理空气中低浓度的臭味物质0 1 。2 0 世纪7 0 年代后期，世界备工业国相 继展开了用缴物法处理低浓度有机气体( 5 0 0 0 m g m 3 ( 标) 时，则需在吸附前稀释。是否回收活性炭吸附的物质( v o c s ) 主 要由经济因素决定，对流量大和有价值的产品，则考虑回收，在现场安装脱附装置； 对小气量物流( 流量 5 的情况，并需低温和高压，设备费用和操作费用高，回收率 不高，故很少单独使用。 膜分离法最适合于处理较浓的物流，即v o c s 浓度 一1 0 0 0 m g m 3 ( 标) ，系统的 费用与进口流量成正比，与浓度的关系不大。对大多数间歇过程，因温度、压力、 流量和v o c s 浓度是在一定范围内变化，要求回收设备有较大的适应性，膜分离系 统正能满足这一要求。另外膜分离系统有高的回收率，未被回收的v o c s 量极少， 保证其能完全符合环保排放要求，其处理浓度从电子行业较稀的溶剂到石油化工、 制药行业排放的较高浓度的未反应单体或挥发的溶剂。 1 2 1 燃烧法 燃烧法用于处理低浓度v o c s 气体与有恶臭的化合物很有效，其原理是用过量 的空气使这些杂质燃烧，大多数生成二氧化碳和水蒸汽，可以放空。但当处理含氯 和含硫的有机化合物时，燃烧产物中有h e l 或s 0 2 ，需要对燃烧后气体进一步处理。 燃烧法有两种，一是直接氧化燃烧法( 热燃烧) ，温度一般高于6 5 0 ，需要消 耗较多的燃料，但操作简单，投资低。另一种是催化氧化燃烧法，是使用催化剂加 快氧化反应的速度，可降低反应温度，一般为3 l o 左右。下面分述这两种方法。 ( 1 ) 直接氧化燃烧法” 直接氧化燃烧法的简略流程如图1 2 所示，其主要设备是燃烧器，由燃烧室和 换热器等组成。欲处理的污染气体首先进入间接换热器与出燃烧室的高温气体换 热，加热后的气体进入燃烧炉，在燃烧炉顶部加入辅助空气与辅助燃料，燃料可用 天然气或油。用间接式换热器一般可以回收6 0 8 0 的热量，间接式换热器可以 选用管壳式或板式。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 预热气体，5 3 8 图1 1 2 直接氧化燃烧法的简略流程 用蓄热式回收热量的氧化燃烧系统允许更高的操作温度( 6 5 0 ) ，其流程见 图1 3 ，其热回收系统是由3 个填充床的蓄热炉组成，填充床内用耐热和耐化学侵 蚀的陶瓷材料填充。离开燃烧室的高温气体通过第3 个填充床被冷却，同时污染的 气体进入第1 个填充床被加热，而第2 个床层在吹净放空，3 个床层的轮换操作用 阀门自动切换，这种热回收系统最高可以回收9 5 的热量。 设计氧化燃烧系统的首要问题是要确定燃烧室的温度与反应气体在此温度条 件下的停留时间，这二因素是相互影响并有联系的，如减少停留时间，则要达到一 定分离率时所需的温度就高。表l - 3 列出某些化合物要达到9 9 9 9 的分解率，停留 时间为1 s 时的理论燃烧温度，实际生产上的分解率低于此值，停留的反应时间也 少于1 s ，燃烧温度在6 5 0 1 0 9 4 之间。 表1 3 某些化合物的理论燃烧温度( 分解率9 9 9 9 ，停留时间l s ) 化合物温度化合物温度化合物温度化合物温度 丙烯腈7 2 9氯化苯 7 6 4 氯甲烷8 6 9氯乙烯7 4 3 苯7 3 2 1 ，2 一二氯乙烷 7 4 2 甲苯7 2 7 ( 2 ) 催化氧化燃烧法 催化氧化法与以上直接氧化法相类似，只是在催化剂存在的条件下污染杂质与 氧气在较低温度下进行反应，此法广泛用于去除空气中的v o c s 与恶臭物，也用于 去除燃烧过程排放气中的一氧化碳。 硬安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 1 1 1 11 1 欧净气 循环床号 l23 1进欢挣出 2欢潦密迸 3罐遴欧洚 图1 3 蓄热式填充脒回收热量的氧化燃烧系统流程简圉 用固定臻摧化裁豹徨让氧纯法的流程如图1 4 掰零，要处理豹气体通过一管 轰式滔搂撩热器热蒸蘩嚣器要浆潺度，燕蒸嚣匏气体逶过一霹定寐谨优裁层，爨 8 0 9 9 盼麓赛分解，热气体通过热交换器冷帮震放空。 露t 4 露定臻罐化氧亿法流程简黼 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 典型的v o c s 杂质的催化氧化最低的燃烧温度如表1 4 所示。在催化氧化法中用 作v o c s 氧化的催化剂有纯铂、铂合金、铜一铬、氧化铜、氧化镁、镍等。工业上 使用的催化剂分为二大类：铂金属系列和金属系列，常用y 一铝作催化剂的载体， 氧化催化剂的毒物为：卤素、磷、砷、锑、铋、水银、铁、锡、硫、碱金属与硅等 1 2 o 用贵金属铂系列催化剂时气体的空速在| 0 0 0 0 h o 到6 0 0 0 0 f f l 之间，用金属氧化 物系列催化剂时气体的空速在5 0 0 0h o 到1 5 0 0 0h “之间。 表1 4 转换率为9 9 、一些v o c s 的最低燃烧温度“3 化合物 下化合物下 乙烯3 0 05 7 2马来酸2 0 03 9 2 乙烷2 9 05 5 4邻苯二甲酸二丁酯2 7 55 2 7 丁烯2 3 04 4 6毗啶2 5 04 8 2 庚烷 2 7 55 2 7三丁基胺2 0 03 9 2 苯3 0 05 7 2二甲基甲酰胺2 3 04 4 6 甲苯2 7 05 1 8二异氰酸甲苯2 8 55 4 5 二甲苯2 8 05 3 6氯苯3 8 07 1 6 萘2 7 05 1 8二氯甲烷3 5 06 6 2 甲醇1 9 03 7 4乙腈2 2 04 2 8 甲醛1 9 03 7 4丙烯腈2 2 04 2 8 乙醇2 1 04 1 0印刷溶剂2 6 05 0 0 1 一丙醇2 1 04 1 0沸点( 2 3 0 2 7 0 c ) 1 一戊醇2 0 03 9 2一氧化碳1 8 03 5 6 甲酚2 4 04 6 4氨2 5 04 8 2 二异丁基酮2 1 04 1 0氰化氢2 5 04 8 2 甲基乙基酮2 4 04 6 43 种臭味排气 丁酸2 0 03 9 2洋葱，大蒜加工2 0 03 9 2 氧化乙烯1 9 03 7 4咖啡焙烧1 8 03 5 6 苯二酸酐2 7 05 1 8肉分解加工2 0 03 9 2 注：1 温度指进床层温度：2 催化剂一t 0 p s4 , e c k 一3 0 2 金属氧化物。 一个大型的催化氧化系统如图1 5 所示，处理的v o c s 气体是丙酮，废气中丙酮 的浓度是1 0 9 m 3 ( 标) ，使用间接式换热器回收热量用于产生水蒸汽与加热水d 4 o 典型的催化氧化系统的设计参数如表1 5 所示“”。 西安建筑科技大学硕士学位论文 表1 5 典型的催化氧化系统设计参数 参数指标参数指标 分解率， 9 5 空速，| i 。1 进入催化剂气体温度 c 3 1 6 普通金属 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 出催化剂气体温度 c 5 3 7 6 4 9 贵金属 3 0 0 0 0 4 0 0 0 0 图1 5c a t o x 催化氧化系统简略流程图 器 1 2 2 活性炭吸附法 活性炭吸附是目前最广泛使用的回收技术，主要用于有机溶剂的回收。其他 吸附剂如沸石、分子筛等也有工业应用，因费用较高限制了它们的广泛使用。 ( 1 ) 基本原理m 3 m 1 活性炭吸附的原理是吸附剂有较大的比表面积，对有机废气中所含的v o c s 发 生吸附，此吸附多为物理吸附，过程可逆；当吸附达到饱和后，再用热空气或水 蒸汽脱吸，再生的活性炭循环使用。吸附过程常用两个吸附器，当一个吸附时， 另一个脱吸再生，保证过程的连续性；经吸附器吸附后的气体直接排出系统外。 脱吸常用水蒸汽作为脱吸剂，蒸汽将吸附在炭表面的v o c s 脱吸并带出吸附器，根 据物料的不同性质，采用冷凝或蒸馏两种方法，将v o c s 提纯回收，冷凝水则排出 系统。 活性炭吸附适用于处理如下v o c s 气体污染物“： v o c s 的分子量在5 0 2 0 0 之间、相应的沸点为1 9 4 1 7 6 ； 脂肪族与芳香族的碳氢化合物，c 原子数在c 。 c 。间； 大多数的卤素族溶剂( 符合第l 条) ，包括四氯化碳、二氯乙烯、过氯乙烯、 西安建筑科技大学硕士学位论文 三氯乙烯等： 大多数的酮( 丙酮、甲基酮) 和一些酯( 乙酸丁酯、乙酸乙酯) ： 醇类( 乙醇、丙醇、丁醇) 。 r 2 ) 工艺流程 活性炭吸附法由吸附和脱附再生两大部分组成，其工艺流程见图1 6 。v o c s 废 气送入吸附器进行净化，净化后气体排入大气。在运行中，当第一台吸附床内的活 性炭饱和后，通过阀门切换到第二台吸附床进行吸附。同时向第一台吸附床通入蒸 汽进行脱附，解析出来的蒸汽和v o c s 混合物经冷凝器冷凝，冷凝液收集于容器中， 如果溶剂不溶于水，可通过分层得到溶剂。如果溶剂溶于水，要通过蒸馏来分离。 脱附后活性炭用热蒸汽干燥后循环使用，一般可重复使用5 年。 图1 6 吸附法工艺流程 吸附法常见于处理低浓度v o c s 废气，其处理效果除了与吸附剂本身的性质有 关外，还与v o c s 的种类、性质、浓度以及吸附系统的温度、压力等有关。一般而 言，吸附剂对v o c s 的吸附性能随v o c s 分子量而增加；低分压的v o c s 比高分压的 v o c s 更易被吸附。 用氯化铁处理过的活性炭是v o c s 的良好吸附剂，活性炭吸附法去除效率高， 当物流中v o c s 的含量为1 0 3 ( 体积) 以上时，被吸附的v o c s 可达9 5 以上。但存 在投资高，运行费用高且易产生二次污染等缺陷。 1 2 3 吸收法 溶剂吸收法是采用低挥发性或不挥发溶剂对v o c s 废气进行吸收，再利用有机 分子和吸收剂物理性质的差异进行分离的v o c s 控制技术。吸收法工艺流程见图1 7 。 9 净些、体 西安建筑科技大学硕士学位论文 v 经处理后气体 吸收剂 图1 7 吸收一解吸工艺流程 有机物 吸收效果主要取决于吸收剂的吸收性能和吸收设备的结构形式。吸收系统一般 由吸收、解吸两大部分组成。吸收剂的选择原则：对目标v o c s 溶解度大，选择性 强，蒸气压低，无毒且化学稳定性好等；吸收设备选择原则为：气液接触面积大， 阻力小，易操作，运行稳定等。常用的吸收设备是填料塔。此外，气液比、v o c s 初始浓度、运行温度、压降以及解吸性能亦是影响吸收塔吸收效果的主要因素，使 用时需权衡考虑。 1 2 4 冷凝法 冷凝法是脱除和回收v o c s 最简单的方法。其基本原理是气态污染物在不同温 度和不同压力下具有不同的饱和蒸气压。当降低温度或加大压力时，某些污染物会 凝结而出，从而达到净化和回收v o c s 的目的。通常借助不同的冷凝温度而达到分 离不同污染物的目的。 冷凝法要达到较高的净化要求，往往需要较低的冷却温度，必要时还要增大压 力，这必然会增加处理的难度和费用( 主要是能耗费) 。因而，在实际应用中，冷 凝法常常与吸附、吸收、燃烧等净化手段联合使用，以达到降低运行费用、提高回 收、净化率的目的。其主要设备是用冷凝器使气体中v 0 c s 在低温下冷凝而分离， 如图1 1 所示，冷凝法用于气体中v o c s 浓度大于5 0 0 0 m g m 3 ( 标) 的条件下，最高脱 除率约9 5 ，故冷凝法常用作v o c s 的第一级净化，要将v o c s 完全脱除，还需作第 二级最终净化。 用冷冻冷凝法脱除和回收v o c s 有如下优点“： 是一个独立的操作系统； 回收的产品可直接用泵打至贮槽； 可处理在活性炭上不易解析或引起活性炭系统温度波动的v o c s 气体。 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 冷凝器有二种形式：接触式冷凝器和表面冷凝器两种。冷凝器选用要视温度和 净化要求而定。常用的冷却剂有水、盐水( 冷却温度4 4 c 3 4 0 ) 和c f e ( 冷却 温度- - 3 4 4 。c - - 6 8 o c ) 。表面冷凝器一般用管壳式换热器，管内走冷却介质， 净化后气体 图1 8 冷凝液回流的冷却冷凝回收 v 0 c s 的简略流程 1 2 5 其他方法 管间走气体，冷凝液沿管子成 膜流下，收集于冷凝器底部引 出。使用表面冷凝器处理排放 气中v o e s 的简略流程如图1 8 所示，该系统使用冷却剂冷凝， 部分冷凝液回流，防止热交换 器表面结冰嘞1 。直接冷却一般 是用喷洒塔，塔顶喷水使气体 冷却并冷凝，塔底水排出。这 种方法设备虽较简单，投资低， 但造成二次污染。 冷凝法适宜于处理高浓度 v o e s 废气，一般情况下，去除 率在8 0 9 5 以上。 ( 1 ) 膜分离法 膜分离法是一种新的高效分离法，其中心部分为膜元件，常用的膜元件有中空 纤维膜和卷式膜。膜分离技术的基本原理。“”1 是，基于气体中各组分透过膜的速 度不同，每种组分透过膜的速度与该气体的性质、膜的特性与膜两边的气体分压有 关。膜分离法净化v o e s 废气是根据有机蒸气和空气透过膜的能力不同，而将二者 分开的。它由两个步骤组成。首先，压缩和冷凝有机废气，而后进行膜分离。过程 如图1 9 所示，压缩后的混合物进入冷凝器中冷却，冷凝下来的液态v o c s 即可回收， 混合物中未冷凝部分通过膜分离单元分成两股物流。渗透物流含大部分有机物，返 回压缩机进口：未透过的为除去了有机物的物流，从系统中排出，为保证渗透过程 的进行，膜的进料侧压力要高于渗透后物流的压力。 用膜分离法可回收的常见的v o e s ，有脂肪族和芳香族碳氢化合物，含氯溶剂、 酮、醛、腈、酚、醇、胺、酸等大部分v o e s ，如丁烷、正丁烷、辛烷、三氯乙烯、 苯乙烯、丙酮、乙醛、乙腈、甲基溴、甲基氯、二氯甲烷、甲基异丁基酮、氯仿、 西安建筑科技大学硕士学位论文 四氯化碳、甲醇、环氧乙烷、环氧丙烷、c f c l l 、c f c 一1 2 、a c f c 一1 2 等。 含 有 图1 9 膜分离流程原理图 膜分离技术用于净化 和回收v o c s 已实现工业 化，世界上已有很多装置 建成并运行多年。膜分离 技术用于气体净化上的优 点是投资费用低；分离因 子大，分离效果好( 即净 化效果好) ；由于过程中不 发生相变，不耗费相变能 量；膜法净化操作简单，控制方便，操作弹性大。总之，该法回收率高、能耗低、 无二次污染，是一种非常有前途的分离方法。 f 2 ) 脉冲电晕法 脉冲电晕法去除v o c s 的基本原理是通过前沿陡峭、脉冲窄( 纳秒级) 的高压 脉冲放电，在常温常压下获得非平衡等离子体，即产生大量高能电子和0 、- o h 等 活性自由基，对有机物分子进行氧化降解反应，使污染物最终转化为无害物。该法 具有系统工艺简单、操作方便、过程容易控制、能耗低、回收率高、且无二次污染 等优点。 有机物在等离子体中的氧化降解机理，一般认为反应主要有以下几个过程： 在高能电子作用下，强氧化自由基0 、o h 、h o z 的产生； 有机物分子受到高能电子碰撞被激发，及原子键断裂形成小碎片基团和原 子； 0 、o h 、h 0 2 与激发原子、有机物分子、破碎的基团、其他自由基等发生 一系列反应，有机物分子最终被氧化降解为c o 、c 0 ：和h ：0 。去除率的高低与电子能 量和有机物分子结合键能的大小有关。 美国等一些国家已开发出一种能在通常环境温度和压力下，效率、费用达到工 业要求的工业规模的电晕反应器，这表明电晕法是一种有前途的v o c s 控制技术。 ( 3 ) 吸附一催化氧化技术 吸附法在前面已有介绍。催化氧化法是使废气中的污染物在催化剂作用下被氧 化。吸附一催化氧化技术是将吸附法与催化氧化法相结合的一种污染物控制技术。 该法的机理为：v o c s 进入吸附床进行吸附，通过加热吸附床，使吸附的v o c s 脱附， 脱附出的v o c s 进入催化氧化装置，在3 0 0 c 下进行催化氧化。该法适用于大气量、 西安建筑科技大学硕士学位论文 低浓痰v o c s 处理。有试验表骥，v o c s 氧纯率达9 6 ，处理成本魄零娩缝毽法低褥 多。该法芷处于小撬横示范装鬣歼发阶段。 ( 4 ) 光催化降解技术 剃瘸半导传楗粒麓多程光镁织氛纯法对嚣凌中冬耱污染物瓣黢显去狳效果，已 g | 超懿器关注，崮予t i 0 2 豹徐撩、无毒鞋及太阳能巅蠲霹大幅度降低遴转爨瑗， 使该技术具有良好的应用前景。该技术的机理为光催化剂t i 0 2 在紫外线照射下使 h 2 0 生成- o h ；然后o h 将v o c s 戴化成e 砚和h 2 0 。鸯研究表明，有效光强度、气相 氧戳及德纯帮授翔鲎楚先镬讫氧亿鹣关键嚣素，适警酌热处爨霹提高t i 0 2 静催纯 活性。该技术已接近商业使用阶段。 。3 处理v o o s 凌气静各种置芝的性畿 艺较 常用废气净化方法( 燃烧法、吸附法、吸收法、冷凝法) ，除净化v o c s 以外， 也可净化其他有机物戏无机物，现将这四种方法的净化原理及特点、缺点、适用范 围剜表院鞍，羟表1 5 掰示。 广泛采用盼及新繇现的v o c s 溜染控割技术在上面已有简单论述，糯将凡种控 制技术的性能作一眈较，如表1 6 所示。 生甥处理技术与篡缝处理按零器鑫逶焉黪废气处理范围如图l 。l o 鼹示。 i ，0 0 0 ，0 0 0 1 0 0 + 0 0 0 g 1 0 0 0 0 麟 蟋 扩 1 0 0 0 瑙 1 0 0 污染物浓度g m 4 飘l 。l o 各聪 娥疆技术逶掰瓣疲笺滚瘦秘浚羹 西安建筑科技大学硕士学位论文 表i 5 常用废气净化方法比较 净化法净化原理及特点缺点适用范围 利用废气中污染物可以燃烧氧化的特直接燃烧，氧化温度高，能耗大。特别适用于 性，将有害物转化成无害物c 仉、h z o 等的方对于含有卤素、氮或其他金属元素的各种有机废气的 法。废气，由于燃烧结果转化为含卤化治理，如石油化 燃 简单易行，投资少，适用范围广，处氢、s 仉、n o x 或金属氧化物的气态物，工、炼油、溶剂生 烧 理彻底。需进一步与吸收等其他净化手段联产、油漆烘烤等工 催化燃烧氧化温度低，节省能源。且合使用，否则会造成二次污染。业排出的大量含 法 净化效果好。催化燃烧有防止催化剂中毒、老有有机蒸气废气 化的问题。或恶臭。 利用各混合物在吸附剂上吸附能力的吸附剂需再生，间歇式操作复适用于低浓 吸 ( 吸附量) 不同或者吸附质在吸附剂的表杂，再生时解析出来的有害物需进行度、大气量有机、 附 面发生选择性化学反应，而得以净化分离。 二次处理，否则会造成二次污染。无机物废气的治 设备简单，效果好，尤其是对大气量、理，如脱水、脱有 法 低浓度气态污染物的治理，显示了独特的机蒸气及恶臭、含 能力，或者用于浓缩有害物与其他手段h f 、s o , 、n h 的废 如燃烧等混合使用。气等。 利用废气中混合物在溶剂中不同的溶吸收剂再生需消耗能量。化学吸多用于含无 吸 解度或者溶质( 气态污染物) 与溶剂中活收剂再生往往比较麻烦或困难，可能机有害物废气的 收 性鲴分的化学反应，达到净化的目的。会造成二次污染。治理，如s 血、n n 、 一般在常温常压下操作设备、流程c o , 、h f 、c i z 、h c l 、 法 简单。操作方便，效率高。化学吸收过程h 。s 等。 有时可获取副产物有一定的经济效益。 利用废气中各混合组分冷凝温度不能耗大尤其是处理低浓度的或通常用于治 冷同。将有害组分分离出来的方法。含低沸点组分的废气，此时往往与其理高浓度有机废 凝该法设各简单，操作方便，净化效率他手段如吸附、燃烧等净化手段联合气回收副产物。 法高，可以回收较纯产物。不会导致二次污使用。 染。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 表1 6 几种v o o s 处理工艺的性能比较。3 1 溶剂脉冲吸附催化 工艺燃烧法。吸附法冷凝法。生物法膜净化法 吸收法电晕法氧化法 处理效率高 由 高中低中高中 费用。高 由 高低较低中高 处理效率高高 由 中高较高低高 费用。高高高高低低 由 最终c 疆解析c 如c o zc m 有机物有机物有机物 产物h z 0有机物m 0h z oh z 0 适用高浓度低浓度高浓度高浓度低浓度低浓度高浓度 低浓度 范围范围广范围广特定范扇纯净单组分范围广范围广范围广 燃烧不完运行费用高温气体需工艺复杂。可工艺简单，操研究阶段流程简单，回开发阶段 其他全，产生每，废液需降温操作压回收有用组作方便去除收率高，能耗 有毒v o c s处理力低时，吸收分，但对入口率高，投资低低，无二次污 中间产物率很低。需回v o c s 要求严，无二次污染染 收溶液格 注：为处理高浓度( 5 0 0 0 m g m 3 ) v o c s 时的处理效率及费用；为处理低浓度 ( 9 5 ， 低 8 0 中8 0 , - 9 5 ；不包括能源回收费用可与溶剂回收设备配合。 针对工业上气量大、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，都有不可比拟 的优越性和重要性。它工艺简单、操作方便、运行稳定、处理效果好、无二次污染， 特别是费用低、能耗少是实施可持续发展的一项有利技术措施。因此，生物法备受 人们的青睐，吸引着世界各国许多环保人士致力于该方法的研究，以开发更有效的 生物处理技术。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 生物处理系统 2 1 1 概述 2 生物法 随着近代工业的发展，进入大气的有机化合物越来越多，这类物质往往带有恶 臭，而且不少有机化合物具有一定毒性，从而对人体和环境产生很大危害，已引起 人们越来越多的关注。一些发达国家已经立法，要求采用一定的治理措施。 工业废气的生物处理是利用微生物以废气中的有机组分作为其生命活动的能 源或其他养分，经代谢降解，转化为简单的无机物( 二氧化碳、水等) 及细胞组成 物质。微生物对各类污染物均有较强、较快的适应性，并可将其作为代谢底物降解、 转化。一般来说，生物过滤法可与任一种废气处理技术相比，如焚烧、吸附、催化 氧化、洗涤等。生物过滤的优势在于初期投资、操作和维修费用低，尤其在处理低 浓度( 3 0 0 0 m g m 3 ) 、生物可降解性好的有机废气时更能显示出优越性，具体见表 2 1 。 表2 1 生物技术与传统方法的经济性比较n 5 1 方法投资费用运转费用 美元3燃料和药剂消耗美元6能耗w 6 燃烧法1 3 015心 吸收法6 0 8l 活性炭吸附法 2 0 一 生物法8 n o 0 6 注： a 以每1 0 6 f t 3 ( 1 i 妒= 2 8 3 1 6 8 l ) 的处理气量计。 b 以单位时间( r a i n ) 处理每立方英尺气量计。 2 1 2 生物法的发展血5 。剐 用生物法处理空气中的污染物可以追溯到2 0 世纪5 0 年代中期，最先是用于处 理空气中的低浓度的臭味物质嘶3 。第一个利用微生物处理废气的专利于1 9 5 7 年出 现在美国。1 9 5 9 年在德国的一个污水处理厂建立了一个填充土壤的生物过滤床，用 于控制污水输送管散发的臭味。6 0 年代，人们开始采用生物过滤法处理气态污染物， 德国和美国开始对此方法进行深入研究。从8 0 年代起，德国和荷兰越来越多地采 用生物过滤法控制工业生产过程中产生的挥发性有机物和有毒气体。迄今，在德国 1 6 西安建筑科技