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低温等离子体技术用于餐厨垃圾恶臭气体治理的中试研究

2021-06-30翁林钢戚科技施秦峰舒贝利

环境科技 2021年3期
关键词:臭气等离子体尾气

翁林钢,张 帅,叶 青,戚科技,施秦峰,舒贝利,冯 超

(浙江大维高新技术股份有限公司,浙江 金华 321031)

0 引言

近年来,我国城市生活垃圾产生量约按5%~10%的增幅逐年增加,据中国国家统计局《中国统计年鉴2019》披露的数据,2018年我国城市生活垃圾清运量为2.28 亿t。餐厨垃圾是生活垃圾中有机相的主要来源[1],目前,我国46 个垃圾分类重点城市中,已相继开展餐厨垃圾的单独分类、运输及无害化处理。餐厨垃圾具有高含水率、高有机质、易腐烂等特点,在收集、转运及后续处理过程中,有机质快速被微生物降解,通常伴有NH3及VOCs 类等恶臭污染物的产生及散发[2],其中多数有机物臭阈值极低,易引发恶臭气体污染,严重影响餐厨垃圾处理从业者及周围居民的身体健康。餐厨垃圾恶臭污染物按组成基本可归纳为5 类,即含氧有机物、烃类及芳香烃、含硫化合物、含氮化合物以及卤素及衍生物[3]。由于恶臭污染物组分复杂,且不同组分间物化特性差异较大,传统除臭工艺均采用不同组合处理技术,不仅处理流程冗长,而且还存在净化效率低、易形成二次污染等缺点[4]。因此,在积极开发绿色工艺技术的基础上,发展高效率、低成本、无二次污染的新型除臭工艺,具有巨大的工程应用前景,业已成为国内外学者们的研究热点。

近几年,低温等离子体技术凭借效率高、投资低、占地面积少且无二次污染等优点已逐渐被应用于烟气脱硝[5]、低浓度VOCs 降解[6]等的实验室研究或示范工程项目。通过采用电晕放电低温等离子体技术来降解某餐厨垃圾处置中心外排恶臭气体的中试研究,研究不同放电功率、反应时间等因素对低温等离子体降解恶臭污染物效率的影响,另外同步考察了商用O3分解催化剂的加入对反应器中O3逃逸浓度以及降解能力的影响。

1 试验流程及检测方法

1.1 试验流程

本试验装置安装于浙江省某餐厨垃圾处置中心恶臭气体外排烟囱附近,主体设备包括:低温等离子体反应器、脉冲高频电源。恶臭气体来自厂区原有除臭装置入口烟道,臭气经烟道进入低温等离子体区,与等离子体反应后经出口烟道汇集至原除臭装置出口烟道,最终由原风机系统收集后经烟囱排放。系统流程见图1。

图1 除臭系统组成及流程示意

1.2 低温等离子体反应器

低温等离子体反应器主体设备包含反应器主体及自主研发的脉冲电源。低温等离子体反应器本体由进、出口烟道、壳体、放电极系统及接地系统组成,主体尺寸为0.8 m×0.8 m×1.5 m,反应器下部预留0.5 m 空间用于装填O3分解催化剂。接地极系统为管形接地极,通过框架梁固定在反应器壳体上,并与放电极系统进行绝缘设计。放电极为通过高压绝缘子瓷套悬挂于壳体内,为提高反应区域的耐腐蚀性,放电极采用不锈钢材质。

1.3 试验方法

试验过程中,通过调节脉冲电源参数,考察注入功率分别为5,10,15,20 kW 时放电参数对恶臭污染物降解的影响。通过调整原有风机频率,考察停留时间分别为2,1.5,1 s 时污染物降解特性。通过在低温等离子体区下部添加分解催化剂考察催化剂对O3逃逸浓度及降解效果的影响。

1.4 恶臭气体检测

恶臭气体中试设备分别在低温等离子体反应器入口烟道、反应器等离子体区出口以及低温等离子体出口烟道预设3 个气体取样点,编号为1#,2# 及3#。根据不同工况分别采取检测气体,储存在相应的气体收集袋中并依次编号备检。

O3浓度测定采用便携式O3浓度分析仪进行现场测定;H2S 及NH3的浓度测定委托第三方检测机构采用紫外-可见分光光度计法进行实验室检测;挥发性有机污染物组分浓度测定委托第三方检测机构采用气相色谱/质谱联用(GC/MS)系统法进行实验室检测。

2 结果与讨论

2.1 餐厨垃圾恶臭气体特征污染物筛选

通常认为复合臭气浓度受污染物质量浓度和阈稀释倍数2 方面因素影响[7]。因此,本次研究根据分析结果筛选出了物质浓度、阈稀释倍数分别排在前10 位的污染物物质,详见表1。

表1 臭气中质量浓度、阈稀释倍数分别排在前10 位的污染物质

由表1 可知,硫化氢、乙醛、氨、乙醇、柠檬烯5种物质,不仅质量浓度较高,而且阈稀释倍数也较大,可以认为这5 种物质对臭气浓度贡献值较大;另外,甲硫醇和丙醛虽然质量浓度不高(分别为0.02,0.21 mg/m3),但是阈稀释倍数较高,因此也归为臭气浓度主要贡献物质。综上,本次中试研究筛选出7 种主要恶臭气体特征污染物,分别为硫化氢、乙醛、甲硫醇、丙醛、氨、乙醇及柠檬烯。

2.2 低温等离子体注入功率对污染物降解率的影响

在测试进气流量为1 840 m3/h 的条件下,设置低温等离子体反应器注入功率分别为5,10,15,20 kW,考察污染物降解效果的变化情况,结果见图2。

图2 不同注入功率时污染物的降解率

由图2 可知,随着反应器注入功率逐渐增加,7种臭气特征污染物的降解率逐渐提高,注入功率为20 kW 时,各臭气特征污染物降解率达到58%~90.5%,其中柠檬烯的降解率最高,为90.5%。分析原因,柠檬烯属于不饱和芳香烃,分子结构中含有碳碳双键及不饱和碳环,因此化学性质十分活泼,易在强氧化氛围中被氧化并进一步分解。

此外,注入功率在5~15 kW 范围时,随着功率的增加,各污染物降解率的增幅较大,而当功率由15 kW 继续增至20 kW 时,虽然降解率仍呈增加趋势,但增幅明显减小。前期阶段降解率提升较快是因为随着注入功率增加,反应器内电场强度得到提高,低温等离子体内电子数量和电子能量随之增大,提高了臭气中污染物分子与高能电子发生碰撞的几率。同时,随着注入功率的增加,臭气中O2及H2O 在放电过程中生成的活性氧原子及羟基自由基数量也逐渐增多,活性氧原子及羟基自由基可参与污染物分子的高级氧化过程,从而提高污染物分子的降解效率。

2.3 反应时间对污染物降解率的影响

注入功率为15 kW 的条件下,设置臭气在低温等离子体反应器内的停留时间分别为0.8,1.5,2.8 s,考察污染物降解率的变化,结果见图3。

图3 不同反应时间的污染物降解率

由图3 可知,7 种臭气特征污染物的降解率随反应时间的延长不断升高,降解率与反应时间呈正相关。如柠檬烯在反应时间为0.8,1.5,2.8 s 时,对应降解率分别为67.4%,72.5%,81.7%,增幅分别为5%,9%。分析原因为由于臭气停留时间延长,一方面增加了污染物分子在放电区与高能粒子产生碰撞而发生分解的概率,另一方面增加了污染物分子与等离子体中活性氧原子及羟基自由基的接触时间,使污染物分子与强氧化性物质有足够的反应时间,降解反应进行的更彻底[8-9]。

2.4 功率对低温等离子体反应器O3 逃逸浓度的影响

测试进气流量为1 840 m3/h 且不添加O3分解催化剂模块的条件下,设置低温等离子体反应器注入功率分别为5,10,15,20 kW,考察尾气中O3的逃逸浓度,结果见图4。

图4 不同注入功率时尾气中O3 的逃逸质量浓度

由图4 可知,当注入功率分别为5,10,15,20 kW时,尾气中O3逃逸质量浓度分别为3.5,11.7,15.2,14.8 mg/m3,O3逃逸浓度随注入功率增加呈现先增后降的趋势。分析原因为随着注入功率的升高,电场内电子能量密度增大,氧原子的生成速率得到提高从而促进O3的生成,但是随着注入功率进一步增加,放电场内温度升高,导致O3的生成速率降低同时分解速率升高,因此最终逃逸质量浓度出现下降的趋势[10-11]。

2.5 分解催化剂对尾气中O3 逃逸浓度的影响

采用外购O3分解专用催化剂,主要成分为锰基金属氧化物负载活性炭,活性炭具有丰富的孔结构,能够提供了较好的吸附功能。分解催化剂对尾气中O3逃逸浓度的影响见图5。

图5 加入O3 催化分解模块后尾气中O3 的逃逸质量浓度

由图5 可知,当反应器底部加装分解催化剂模块后,尾气中O3残留浓度大幅度降低,注入功率为5,10,15,20 kW 时,尾气中O3残留质量浓度分别为0.5,1.6,1.9,1.8 mg/m3,催化分解效率分别为85.7%,86.3%,87.5%以及87.8%,平均催化分解效率为86.8%。分析催化降解的机制为,锰基金属氧化物中金属锰具有较多的价态,可在不同价态之间转换,作为良好的电子接受体。O3在过渡金属存在下的催化分解反应遵循“氧空位”理论,催化剂表面因晶格缺陷所形成的“氧空位”在催化过程中循环进行“吸氧”及“放氧”,从而将O3快速分解成O2-及O2,然后O2-可进一步参与氧化反应[12-14]。同时,活性炭较大的比表面积可以使催化剂的催化效率保持在较高水平。

3 结论

(1)综合臭气中试研究中各污染物排放质量浓度及阈稀释倍数,筛选出7 种臭气特征污染物,分别为硫化氢、乙醛、甲硫醇、丙醛、氨、乙醇及柠檬烯。

(2)低温等离子体反应器注入功率在15~20 kW范围内时,提高注入功率同样可以提高污染物的降解率,但降解率的增幅呈先升高后降低趋势;气体停留时间在0.8~2.8 s 范围内时,污染物的降解率与反应时间呈正相关。

(3)装置尾气中O3逃逸浓度随低温等离子体反应器注入功率的增加呈先增加后降低的趋势;添加O3催化分解模块后,尾气中O3逃逸浓度显著降低,催化分解模块对O3的分解率平均可达到86.8%。

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