（环境工程专业论文）生物过滤法处理vocs与nh3混合气的性能研究.pdf

大连理工大学博十学位论文 摘要 生物过滤法由于其具有低成本、操作简单、无二次污染等优点，已被认为是富有前 景的处理低浓度可生物降解的恶臭和挥发性有机物( v o c s ) 的废气处理技术。然而在 生物过滤器长期运行处理v o c s 废气，特别是高污染负荷v o c s 混合废气时，混合气组 分间存在的抑制影响以及填料中的氮营养物质的缺乏往往成为v o c s 生物降解的限制因 素。本研究对生物过滤反应器长期处理高浓度的具有不同生物可降解性v o c s 与n i t 3 三组分混合废气的去除效果进行了研究，以及探索解决生物过滤反应器长期处理混合废 气过程中营养缺乏问题的简便而有效的方法。 本研究采用堆肥和聚乙烯( p e ) 为填料的生物过滤反应器处理高浓度乙酸丁酯、对 二甲苯和n h 3 的混合废气。考察了在不同浓度、不同空床停留时间条件下生物过滤反应 器对乙酸丁酯、对二甲苯和n h 3 的处理效果；描述了生物降解过程中污染物组分间的抑 制作用；探索并确立了n h 3 作为生物过滤反应器去除此混合气时微生物所需的氮营养物 质的可行性；考察了不同n i t 3 浓度对生物过滤反应器处理乙酸丁酯、对二甲苯和n h 3 混合气处理效果的影响，确立了适宜的n i l 3 浓度范围；并对生物过滤反应器运行过程中 填料中的、p h 、湿度以及微生物状态变化进行了考察。本研究还考察了采用由填有堆肥 和p e 混合物的堆肥生物过滤器和填有挂有生物膜的p e 生物过滤器所组成的复合生物 过滤器对高浓度对二甲苯废气的去除效果。本研究的主要结论为： ( 1 ) 采用由堆肥生物过滤反应器和p e 生物过滤反应器组成复合生物过滤反应器可 以成功地去除高浓度的对二甲苯废气。在对二甲苯的入1 3 浓度为1 0 0 3 3 0 0m g - i l l 一，e b r t 为1 3 2s 时，去除率在8 0 以上，可获得8 0g m - 3 h 1 的去除负荷。e b r t 为3 0s 时，反 二甲苯的最大去除负荷为4 0g m - 3 h 。 ( 2 ) 乙酸丁酯、对二甲苯和n h 3 混合废气可以在以堆肥和p e 为主要填料的三段 式生物过滤反应器中有效地去除。 当e b r t 为6 0s 和3 0s 时，得到的高的乙酸丁酯去除负荷为1 5 7g m - a h 4 和1 5 0 g m - 3 h ，相应地去除率约为1 0 0 和9 6 。乙酸丁酯的去除主要发生在反应器第一段。 当在总e b r t 为6 0s ( 即第一段e b r t 为2 0s ) ，乙酸丁酯入口负荷为4 7 1g - i 1 1 - 3 h 。1 时， 乙酸丁酯在第一段的去除负荷为3 9 7g m - 3 h 。 在e b r t 为3 0 - 9 0s ，对二甲苯入口浓度为4 5 8 2 7 m g m 。时，去除率为廿1 0 0 。 对二甲苯在e b r t 为6 0s 时的最大去除负荷为3 3g - m 一h 一。在e b r t 为6 0s 和3 0s 时， 达到1 0 0 去除时的对二甲苯的去除负荷分别为3 0g 1 1 3 - 3 h 。和2 4g m - 3 h 。 n h l 在e b r t 为6 0s 和3 0s ，入口浓度为4 3 1 5 0 m g r n 。时的去除牵近1 0 0 。 吴丹：生物过滤法处理v o c s 和n h 3 混合气的性能研究 ( 3 ) 在乙酸丁酯和对二甲苯共存的条件下，生物过滤反应器优先去除乙酸丁酯。 较高浓度的乙酸丁酯的存在会抑制生物过滤反应器中对二甲苯的去除。 ( 4 ) n h 3 既可以作为污染物被去除，同时也可以作为微生物所需的氮营养物质为 生物过滤反应器去除混合废气提供氮营养。 在三段式生物过滤反应器中，对于由于n h 3 引入，使对二甲苯在e b r t 为6 0s 时 的去除率为1 0 0 的最大去除浓度( 5 1 0m g - m 。) 高于e b r t 为9 0s 时的去除率为1 0 0 的最大去除浓度( 4 0 0m g - m 。) 。 ( 5 ) 不同的n h 3 入口浓度对生物过滤反应器处理混合气的处理效果有很大的影响。 在单段的填有堆肥和p e 混合填料的生物过滤器中，保持e b r t ( e b r t = 6 0s ) 恒定时， 在一定的n h 3 入口浓度( 1 3 1 9 3 m g m 。) 范围内，n h 3 的存在改善了乙酸丁酯和对二甲 苯的生物过滤处理效果，并随着n h 3 入口浓度的提高，乙酸丁酯和对二甲苯的去除负荷 增加。但当n h 3 浓度过高( 2 1 1 4 9 3m g m o ) 时，对混合气的去除负荷并未随着n i l 3 浓 度的增加而明显增加，而是与低n h 3 浓度( 1 3 8 0m g - m 。) 下的混合气去除负荷相接近。 在此堆肥生物过滤反应器中和操作条件下，适宜的n i l 3 入口浓度为1 4 5 1 9 3m g m 。 ( 6 ) 对二甲苯的去除对n h 3 浓度变化比较敏感。 ( 7 ) 连续运行的处理乙酸丁酯、对二甲苯和n h 3 混合气的生物过滤反应器中，填 料的p h 、湿度和氮含量均发生变化。n i l 3 的引入对填料的p h 和氮含量存在影响。 在生物过滤反应器运行过程中，填料无酸化现象发生，填料中的氮含量在没有n h 3 引入时逐渐减少。当n i l 3 引入后，氮含量增加。 反应器的填料中细菌和真菌数增加，特别是在接近污染气体入口处，这是由于在接 近反应器的入口处高的污染负荷。 总之，填有堆肥和p e 混合填料的生物过滤器可以成功地去除高浓度乙酸丁酯、对 二甲苯和n h 3 混合气。n h 3 可以作为生物过滤反应器处理乙酸丁酯、对二甲苯和n h 3 混合气时微生物的氮营养物质。 关键词：生物过滤；堆肥；乙酸丁酯：对二甲苯；n l t a 大连理1 = 大学博士学位论文 b i o f i l t r a t i o no ft h em i x t u r e so fv o c sa n dn h 3f r o ma i rs t r e a m s a b s t r a c t b i o f i l t r a t i o nh a sb e e nr e c o g n i z e da sac o s t - e f f e c t i v ea n dp r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rt h e p u r i f i c a t i o no fa i rs t r e a m sc o n t a m i n a t e dw i t hl o wc o n c e n t r a t i o n so fb i o l o g i c a l l yd e g r a d a b l e v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ( v o c s ) b e c a u s eo fl o wc o s t s ，o p e r a t i o n a ls i m p l i c i t ya n dl i m i t e d n e g a t i v e e n v i r o n m e n t a le f f e c t s h o w e v e r , d u r i n gt h e l o n g t e r mo p e r a t i o no fb i o f i l t e r s ， e s p e c i a l l yw i t hh i g hv o c sl o a d , a v a i l a b l en u t r i e n td e f i c i e n c ya n di n h i b i t i o no fv o c s c o m p o n e n t sm a y b el i m i t i n gf a c t o r sf o rd e g r a d i n gv o c sw h e nv o c sm i x t u r e sa r er e m o v e d i nb i o f i l t e r s t h em a j o ro b j e c t i v e so ft h i sw o r kw e r et oi n v e s t i g a t et h eb i o f i l t r a t i o no ft h e m i x t u r e so fd i f f e r e n tb i o l o g i t a l l yd e g r a d a b l ev o c sa n dn h 3w i t hh i i g hi n l e tc o n c e n t r a t i o n s ， a n dt or e s o l v et h en u t r i e n td e f i c i e n c yf o rd e g r a d i n gv o c sd u r i n gt h el o n g t e r mo p e r a t i o no f b i o f i l t e r sa n ds e e kac o n v e n i e n ta n de f f e c t i v em e t h o do fn u t r i e n ta d d i t i o n i nt h i sw o r k , t h eb i o f i l t e r sp a c k e dw i t ht h em i x t u r e so fc o m p o s ta n dp o l y e t h y l e n e ( p e ) w e r ee m p l o y e dt or e m o v et h em i x t u r e so f b u t y la c e t a t e p x y l e n ea n dn h 3w i t hh i g hi n l e t c o n c e n t r a t i o n s t h er e m o v a le f f i c i e n c i e s o f 忍一b u t y la c e t a t e p x y l e n ea n dn h 3w e r e i n v e s t i g a t e dw i t hv a r i o u sc o n c e n t r a t i o n sa tv a r i o u se m p t yb e dr e s i d e n c et i m e ( e b r t ) t h e i n h i b i t i o ne f f e c to fv o c sc o m p o n e n t sw a sd e s c r i b e d t h ea v a i l a b i l i t yo fn h 3a st h en u t r i e n t f o rm i c r o o r g a n i s m sd e g r a d i n gn - b u t y la c e t a t ea n dp x y l e n ew a sd e t e r m i n e d f u r t h e r m o r e ，a l l o p t i m a lc o n c e n t r a t i o no fn h 3w a so b t a i n e db yi n v e s t i g a t i n gt h er e m o v a lo ft h em i x t u r e so f 玎一b u t y la c e t a t e p x y l e n ea n dn h 3w i t hv a r i o u sn h 3c o n c e n t r a t i o n si nb i o f i l t e r sp a c k e dw i t h t h em i x t u r e s o fc o m p o s ta n dp e t h en u t r i e n t s ，p h ，w a t e rc o n t e n ta n dm i c r o b i a l c h a r a c t e r i s t i c si np a c k i n gm e d i aw e r em e a s u r e d i na d d i t i o n t h er e m o v a lo fp x y l e n ew i t h h i g h i n l e tc o n c e n t r a t i o n sw a sp e r f o r m e di nah y b r i db i o f i l t e rw h i c hc o n s i s t e do fa c o m p o s t b a s e db i o f i l t e ra n dab i o f i l t e rp a c k e dw i t hp e t h ef o l l o w i n gm a i nc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d ： ( 1 ) p - x y l e n ew a ss u c c e s s f u l l y r e m o v e di nah y b r i db i o f i l t e rw h i c hc o n s i s t e do fa c o m p o s t - b a s e db i o f i l t e ra n dab i o f i l t e rp a c k e dw i t hp e a te b r to f1 3 2s ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c yw a sm o r et h a n8 0 a n dt h ee l i m i n a t i o nc a p a c i t yo f8 0g m - 3 h 一1 w a so b t a i n e dw i t h t h ei n l e tc o n c e n t r a t i o n so f1 0 0 3 3 0 0m g m a te b r to f3 0s ，t h em a x i m u me l i m i n a t i o n c a p a c i t yw a s4 0g m - 3 h 一 ( 2 ) t h em i x t u r e so f ，l - b u t y la c e t a t e ，p x y l e n ea n dn h 3 c o u l db ee f f e c t i v e l ye l i m i n a t e di na t h r e e s e c t i o nb i o f i l t e rp a c k e dw i t ht h em i x t u r e so fc o m p o s ta n dp e 吴丹：生物过滤法处理v o c s 和n i l 3 混合气的性能研究 a te b r to f6 0sa n d3 0s ，h i 【g he l i m i n a t i o nc a p a c i t i e so f1 5 7g m - h a n d1 5 0g m - 3 h “ w e r eo b t a i n e dc o r r e s p o n d i n gt ot h er e m o v a le f f i c i e n c i e so f1 0 0 a n d9 6 r e s p e c t i v e l y w h e nt h ei n l e tl o a do f 忍一b u t y la c e t a t ew a s4 7 1g m - 3 h 一，t h ee l i m i n a t i o nc a p a c i t yw a s3 9 7 g - m - 3 h 一1i nt h e1 “s e c t i o no ft h eb i o f i l t e ra tt o t a le b r t o f6 0sc o r r e s p o n d i n gt oe b r to f2 0s f o r1 “s e c t i o no fb i o f i l t e r a te b r to f3 0 9 0s t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fp x y l e n ew e r e4 0 1 0 0 w i t hi n l e t c o n c e n t r a t i o n so f4 5 8 2 7m g 。m t h em a x i m u me l i m i n a t i o nc a p a c i t yo fp - x y l e n ew a s3 3 g m - a h a te b r t o f6 0s w i t ht h er e m o v a le f f i c i e n c yo f1 0 0 ，t h ee l i m i n a t i o nc a p a c i t i e s w e r e3 0 g - m h 4 a n d2 4g m - 3 , h a te b r t o f6 0sa n d3 0sr e s p e c t i v e l y a te b r to f6 0sa n d3 0s ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fn h 3w a sa p p r o x i m a t e1 0 0 w i t hi n l e t c o n c e n t r a t i o no f4 3 1 5 0m g m 3 ( 3 ) a tt h es i m u l t a n e o u sp r e s e n c eo fn b u t y la c e t a t ea n dp - x y l e n e ，t h er e m o v a lo fn b u t y l a c e t a t ew a sm o r ea v a i l a b l et h a nt h a to f p x y l e n e ，a n dt h er e m o v a lo f p x y l e n ew a si n h i b i t e d b yt h ep r e s e n c eo fh i g hc o n c e n t r a t i o no fn b u t y la c e t a t e ( 4 ) n h 3w a sn o to n l yr e m o v e d 勰ap o l l u t a n t ，b u ta l s oa d d e da st h en i t r o g e nn u t r i e n tf o r d e g r a d i n gv o c sb ym i c r o o r g a n i s m s i nt h et h r e e s e c t i o nb i o f i l t e r , d u et ot h ef e e d i n go fn h 3 ，t h em a x i m a lr e m o v a lc o n c e n t r a t i o n o f p x y l e n ew i t ht h er e m o v a le f f i c i e n c yo f1 0 0 w a s5 1 0m g m 。a te b r to f6 0s ，w h i c hw a s m o r et h a n4 0 0m g m 。a te b r to f9 0s ( 5 ) t h er e m o v a lo ft h em i x t u r e so f ，l b u t y la c e t a t e ，p x y l e n ea n dn h 3w a sr e m a r k a b l y a f f e c t e db yt h ev a r i a t i o no fn h 3i n l e tc o n c e n t r a t i o ni nb i o f i l t e r sp a c k e dw i t ht h em i x t u r e so f c o m p o s ta n dp e a tc o n s t a n te b r to f6 0s ，w i t ht h er a n g eo fn h 3 i n l e tc o n c e n t r a t i o no f 1 3 1 9 3m g 。m t h ep r e s e n c eo f n h 3i m p r o v e dt h er e m o v a lo f ，l - b u t y la c e t a t ea n d p x y l e n e ， a n dt h ee l i m i n a t i o nc a p a c i t i e so fn - b u t y la c e t a t ea n dp x y l e n ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f n h 3i n l e tc o n c e n t r a t i o n h o w e v e r , w h e nt h ei n l e tc o n c e n t r a t i o no fn h 3w a si nt h er a n g eo f 2 1 1 4 9 3m g m 一t h ee l i m i n a t i o nc a p a c i t i e so f ，l b u t y la c e t a t ea n dp - x y l e n ed i dn o tk e e p i n c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fn h 3 i n l e tc o n c e n t r a t i o na n dw e r es i m i l a rt ot h o s eo b t a i n e d w i t hn h 3i n l e tc o n c e n t r a t i o no f1 3 8 0m g 。m 一a no p t i m a li n l e tc o n c e n t r a t i o no fn h 3w a s 1 4 5 - 1 9 3m g m 。f o rg o o dp e r f o r m a n c eo ft h eb i o f i l t e ru n d e rt h e s eo p e r a t i o nc o n d i t i o n si nt h i s b i o f i l t e r ( 6 ) t h er e m o v a lo f p - x y l e n ew a ss e n s i t i v et ot h ev a r i a t i o no fn h 3 i n l e tc o n c e n t r a t i o n ( 7 ) p h ，w a t e rc o n t e n ta n dn i t r o g e nc o n t e n to fp a c k i n gm e d i ac h a n g e di nt h eb i o f i l t e r sw h e r e t h em i x t u r e so fn b u t y la c e t a t e ，p - x y l e n ea n dn h 3w e r ec o n t i n u o u s l yr e m o v e d t h ef e e d i n go f n h 3a f f e c t e dp ha n dn i t r o g e nc o n t e n to fp a c k i n gm e d i a 大连理工大学博士学位论文 n oa c i d i f i c a t i o no c c u r r e di nt h ep a c k i n gm e d i ai nd u r i n gt h eo p e r a t i o no fb i o f i l t e r s n i t r o g e nc o n t e n to fp a c k i n gm e d i ag r a d u a l l yd e c r e a s e dw i t h o u tt h ef e e d i n go fn h 3 ，a n da f t e r t h ef e e d i n go fn h 3 ，t h en i t r o g e nc o n t e n to f p a c k i n gm e d i ai n c r e a s e d t h eb a c t e r i aa n df u n 画c o l o n yc o u n t si n p a c k i n gm e d i ai n c r e a s e dd u r i n gt h eo p e r a t i o n p e r i o d ，e s p e c i a l l ya tt h ei n l e ts e c t i o no ft h eb i o f i l t c rw h i c hw a sd u et ot h eh i g hc o n t a m i n a n t s l o a da tt h ei n l e ts e c t i o no ft h eb i o f i l t e r i nc o n c l u s i o n , t h em i x t u r e so f 恕一b u t y la c e t a t e p x y l e n ea n dn h 3w i t hh i g hi n l e t c o n c e n t r a t i o n sw e r es u c c e s s f u l l ye l i m i n a t e di nab i o f i l t e rp a c k e dw i t ht h em i x t u r e so f c o m p o s ta n dp e s i - - 1 3c o u l db eu s e da sn i t r o g e nn u t r i e n tf o rd e g r a d i n gt h em i x t u r eo fn b u t y l a c e t a t e ，p x y l e n ea n dn h 3 i nt h eb i o f i l t e r k e yw o r d s ：b i o f i l t r a t i o n ；c o m p o s t ：万b u t y la c e t a t e ：p - x y l e n e ；n m 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 4 日期：互与血 人连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工人学硕士、博士学位沦文版权使用 规定”，同意火连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 储虢 剖 导师签名：擅 丝年如旦日 大连理工大学博士学位论文 弓 口 随着工业的迅速发展，大量的挥发性有机化合物( v o c s ) 从各种工业活动中排放 到大气中，形成有机废气。这些物质不仅造成大气质量变坏，而且严重危害人体健康和 生态环境，因此对v o c s 废气的治理已经引起世界各国的重视。 生物过滤法相较于传统处理技术( 如冷凝法、吸收法、吸附法、燃烧法等) 具有工 艺设备简单、投资运行费用低、操作方便、无二次污染等优点，从而成为具有良好经济 性和前景的v o c s 处理技术。特别是在处理低浓度、大气量的v o c s 废气时，生物过滤 法更能显示其优越的经济效益和环境效益。目前，采用生物过滤法处理v o c s 己成为净 化工业废气研究的前沿热点。 生物过滤法作为一种废气的处理方法最早是6 0 年代应用在处理恶臭气体。到了8 0 年代，才真正用来处理v o c s 废气。目前生物过滤法已经成功地处理低浓度下单一或几 个简单组分v o c s 废气。但是生物过滤法处理v o c s 废气还存在一些问题。对难降解的 v o c s 去除负荷比较低。在处理具有不同生物可降解性、复杂多组分v o c s 废气过程中， 特别是处理高浓度废气时，v o c s 组分问常常存在相互抑制作用，或者降解产物的存在 抑制了v o c s 的生物降解，降低了去除效果。在生物过滤器长期连续处理v o c s 废气过 程中，特别是在高污染物负荷下，常常由于填料中营养的缺乏导致污染物去除效果下降。 因此，为了在生物过滤器长期运行中维持良好的v o c s 处理效果，反应器的优化( 包括 各个参数条件的控制) ，和对实际有机废气的处理也是生物过滤法处理v o c s 的关键性 问题。 相较于国外，我国开展生物过滤法处理废气的研究起步比较晚，是从9 0 年代开始 的，目前主要还处于实验室阶段。 本研究采用堆肥和聚乙烯( p e ) 为生物过滤器的填料处理具有不同生物降解性的乙 酸丁酯、对二甲苯和n h 3 混合废气。 乙酸丁酯和对二甲苯常作为溶剂和化学合成原料，二者均为v o c s 。其中对二甲苯 还是美国清洁空气修正案中的1 8 9 种有毒污染物质之。n h 3 是具有强烈刺激性的 恶臭气体。喷涂洗漆和石油化工工业常排放出含有乙酸丁酯、对二甲苯和n h 3 的气体。 这些物质排放到环境中，严重影响大气质量和人体健康。 本研究旨在于考察在不同操作条件下生物过滤器对乙酸丁酯、对二甲苯和n h 3 混合 气能否成功地同时去除及其处理效果。考察在处理过程中，具有不同生物降解性的混合 气组分问的相互作用，以及填料p h 、湿度、营养、微生物状态的分布及变化。探索n h 3 作为生物过滤法处理v o c s 所需的氮营养物质的可行性。进一步考察不同n h 3 浓度对生 吴丹：生物过滤法处理v o c s 和n h 3 混合气的性能研究 物过滤反应器对乙酸丁酯和对二甲苯处理效果的影响，确立适宜的n h 3 浓度范围。以期 为生物过滤法处理混合废气的理论研究以及实际中长期稳定应用奠定基础并提供科学 依据。 大连理工大学博士学位论文 1 国内外相关领域研究进展 1 1 挥发性有机污染物的概述 随着现代工业的迅速发展，大量的有害物质被排放到大气中，对大气造成污染，严 重的危害了人类的健康以及生态环境。在众多的大气污染物中，挥发性有机污染物以其 来源广、危害大的特点而成为仅次于颗粒污染物的第二大大气污染物。 挥发性有机化合物简称v o c s ( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) ，是指在常温下饱和蒸 汽压大于7 0p a 、常压下沸点在2 6 0 以内的化合物，它一般是作为溶剂使用后而进入大 气中，也广泛的存在于水和土壤中，形成污染【”。其主要来自石油化工、涂料、喷漆、 印刷、制鞋、橡胶、农药等各种化工生产过程。 具有挥发性的有机物种类繁多，常见的v o c s 有脂肪族碳氢化合物、芳香族碳氢化 合物、卤代烃、醇、多元醇、醛、酮、醚、酚、酯、酸、胺、腈以及氯氟烃、含氯氟烃、 甲基溴等。这类化合物在常态下，一般具有挥发性、刺激性和独特的气味，且是易燃易 爆( 除某些卤代烃外) 的液体，基本不溶于水，但具有脂溶性1 2 j 。 这类物质通常作为溶剂或稀释剂，或者作为燃料( 如烃类及卤代烃类) 和喷射剂( 如 氟利昂类) 。它们挥发到大气中，不仅会污染环境，而且也危害人体健康。该类有机物 对人体的危害主要表现在它可以影响人体的呼吸系统、循环系统、消化系统、内分泌系 统【3 】o 其中有些有机物质甚至可以产生“三致”效应，如苯系物，它可以造成人体神经 系统障碍，同时进入人体后，会损害血液及造血器官，导致出血症或败血症，致癌。在 制鞋行业中，已发生多起苯中毒致死事件。还有其他化合物，有的可以损害人体的肝功 能，严重危害人体健康。c f c s ( 氯氟烃) 类物质和h c f c s ( 含氢氯氟烃) 类物质对臭 氧层具有破坏作用。 v o c s 还与n o x 在光合作用下，发生光化学反应，引起光化学烟雾，通过吸收红外 线引起温室效应。 目前，对v o c s 引起的大气污染已经受到世界各国的广泛关注和重视。各国纷纷颁 布法令来控制v o c s 的排放。美国通过了清洁空气修正案和污染防治法，提高 废气排放标准，将1 8 9 种污染物列为有毒污染物，其中7 0 是v o c s ；我国颁布的中 华人民共和国大气污染防治法，要求对工业生产中的v o c s 进行回收、利用和综合处 理。还颁布了g b l 6 2 9 7 1 9 9 6 大气污染物综合排放标准，规定了“三苯”废气的排放 标准，和g b l 4 4 5 4 - - 9 3 中华人民共和国恶臭污染物排放标准以及其他行业性污染物 排放标准，其中绝大部分规定的排放物是v o c s 。 吴丹：生物过滤法处理v o c s 和n h 3 混合气的性能研究 鉴于v o c s 的危害，目前，寻求合理的解决v o c s 污染的对策及技术已经成为科学 界的研究重点及热点之一。 1 2 挥发性有机废气的处理方法 目前，处理v o c s 废气的方法主要有物理法、化学法和生物法三类。处理方法的选 择主要根据挥发性有机污染物的来源、种类、性质、浓度及具体的处理要求来确定。传 统上的v o c s 处理方法一般采用物理和化学方法，主要包括冷凝法、吸收法、吸附法、 燃烧法( 直接式催化式燃烧) 、膜分离法、光催化分解法、电晕法、等离子体分解法、 臭氧分解法等。 1 2 1 冷凝法 冷凝法是最简单的v o c s 处理方法，是用来回收v o c s 中有价值成份的一种处理方 法【2 1 。它是通过控制操作温度来实现的。将废气冷却到低于v o c s 的露点温度以下，将 v o c s 冷凝成液滴，从而使其从废气中分离出来，达到回收目的。通常使用的冷却介质 主要有冷水、冷冻盐水和液氨。该法的回收效率与废气中的v o c s 的沸点有关，其回收 率随着沸点的升高而升高；当沸点较低时，回收效果较差。 该技术只适用于高沸点和高浓度v o c s ( v o c s 含量1 0 ，体积含量) 、小气量的 废气处理，一般去除率可达到8 0 9 0 以上；对于中等和高挥发性的有机物处理效果 不好。由于冷凝法对温度和压力的特殊要求，所以实际应用中，该法一般不单独使用， 常作为一级处理技术与其它方法( 如吸附、吸收、膜分离法等) 联合使用1 5 】。 1 2 2 吸收法 该法是利用有机废气与液体吸收剂相接触，使其中的v o c s 被吸收剂所吸收，再经 过解吸，将v o c s 去除或回收，并使吸附剂获得再生重复利用1 6 j 。常见的吸收器是填料 洗涤吸收塔。吸收剂主要是油类物质或芳香烃类物质。 该法一般比较适用于浓度较高、温度较低和压力较高v o c s 的处理。但由于吸收法 仍然存在许多问题，如吸收剂的再生、对多组分v o c s 的吸收效果不好、吸收程度有限 等等，而且存在二次污染的问题，使其应用受到限制。 1 2 ，3 吸附法 吸附法在有机废气的处理中，应用极为广泛。该法早己用于v o c s 的回收处理l 7 。 吸附法处理v o c s 的原理是利 】吸附剂所具有的较大的比表面的多孔结构，对废气中所 含的v o c s 发生截留吸附，_ 废气通过吸附床时，v o c s 就被吸附在孔内，使i 体得到净 大连理工大学博士学位论文 化。该法去除率高、工艺成熟易于推广。但其设备庞大、流程复杂、处理费用高，而且 吸附剂需再生。常用于处理低浓度大气量的v o c s 废气。 常用的吸附剂有粒状活性炭、炭纤维、活性氧化铝、硅胶、人工沸石等。 从工艺角度，吸附法又可以分为固定床吸附法、流动床吸附法和浓缩轮吸附法。 1 2 4 燃烧法 燃烧法是v o c s 废气传统处理技术的主要方法之一。它是利用v o c s 易燃的性质进 行处理或消除v o c s 的。该法净化效率高、分解彻底。但设备易腐蚀、消耗燃料、成本 高、操作安全性差、处理可能产生二次污染。 该法处理方式常用的主要有直接燃烧和催化燃烧两种。 直接燃烧法浪费能源且可能产生二次污染，适用于成分复杂、高浓度、小气量的 v o c s 的处理。 催化燃烧法是指v o c s 经过热交换器、预热器加温后，进入催化反应器，在有催化剂 作用下，发生燃烧。1 9 9 0 年美国清洁空气修正案实施后，催化焚烧法已成为净化含 v o c s 废气的最常用方法之一，在美国与日本已得到广泛推广。主要适用于处理低浓度 v o c s 废气，工艺简单、效率高，但其设备较大、投资成本高，可能产生二次污染【8 ，9 j 。 常用的催化剂有：贵重金属，如p t 和p d 贵重金属以及铂合金：非贵重金属，主要 有铜、铬、锰、镍等；金属氧化物催化剂；活性蜂窝状催化剂；过渡族元素钴和稀土等。 1 2 5 膜分离法 膜法气体分离是近十年间发展起来的技术，膜分离技术是一种新的高效分离方法。 采用对有机物具有选择性渗透的高分子膜，在一定压力下使v o c s 渗透而达到分离的目 的。当v o c s 气体进入膜分离系统后，膜选择性地让v o c s 气体通过而被富集，脱除了 v o c s 的气体留在未渗透侧，可以达标排放，排出系统；富集了v o c s 的气体可进入冷 凝回收系统，进行回收1 2 j 。 常用的v o c s 回收膜有：玻璃膜和橡胶膜。常用的处理废气中v o c s 的膜分离工艺 包括：蒸汽渗透、气体膜分离和膜接触器等1 1 0 j 。 该技术具有流程简单、v o c s 回收率高、能耗低、无二次污染等优点。但设备投资 费用高。适用于高浓度、小气量和有较高回收价值的v o c s 的回收。 1 2 6 纳米材料光催化分解法 纳米材料光催化分解有机废气是一项新兴的技术，它是随着纳米材料的兴起而被关 注的。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 吴丹：生物过滤法处理v o c s 和n h 3 混合气的性能研究 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 最终氧 化成c 0 2 和h 2 0 或其它离子( 如a ) 。目前，t i 0 2 是公认的光反应最佳催化剂，其以 价廉无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好而最为常用。已有采用纳米材料光催化 分解技术初步处理烷烃、醇、醛、酮、芳香族化合物和卤代物的研究1 1 1 , 1 2 】。此技术还主 要处于实验室研究阶段。 1 2 7 电晕法 v o c s 进入带高电压的反应器，通过前沿陡峭、脉宽窄( 纳米级) 的高压脉冲放电， 在常温常压下产生大量高能电子和o 、o h 等活性自由基，对v o c s 分子进行氧化降解 反应，使其最终转化为无害物质。该技术起先应用在废气中s 0 2 、n o x 等的脱除，近几 年被逐步应用到有机废气的处理上，并在机理、处理效率、反应器等方面进行了研究 f 1 2 珈i 。该法对芳烃类v o c s 的处理效率较高。 目前脉冲电晕放电法处理v o c s 废气的研究，大多还停留在实验室阶段。此法适用 于低浓度v o c s 废气。 1 2 8 臭氧分解法 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，关 于它们的报道很少。目前，臭氧分解法国外报道的很少，国内几乎未见有关臭氧分解法 处理含v 0 c s 的废气处理研究，而关于其机理的报道更少【2 1 1 。国外用0 3 分解法净化废气， 也只是简单的实验室尝试。 该法对v o c s 废气可彻底氧化分解，但是臭氧发生器能耗高，处理费用高，而且对 人体和周围环境可能造成危害。 1 2 9 生物法 生物法是指利用微生物吸附分解有机物的能力降解v o c s 废气的方法。该法可在常 温常压下进行，工艺设备简单可靠、运行稳定、管理操作简单、能耗低、投资运行费用 低、对v o c s 净化效果好、无二次污染1 2 2 - 2 6 】。该法是针对既无回收价值又严重污染环 境的中低浓度的有机废气的处理而研究开发的。尤其对大气量、低浓度、生物降解性好 的v o c s 具有良好的适用性和经济性。 除以上技术之外，还有微波催化氧化法处理v o c s 废气，目前处于实验室研究阶段。 大连理工大学博士学位论文 1 2 1 0 生物法与传统的物理化学方法的比较 根据具体的v o c s 废气的来源、组成、性质以及具体的处理要求