生物法处理VOCs废气的实验对工程应用的指导作用

2021-12-19崔一凡孙明辉卢振琦张维华蔡海燕

皮革制作与环保科技 2021年19期

崔一凡，孙明辉，卢振琦，张维华，蔡海燕

（江苏航天惠利特环保科技有限公司南京分公司，南京 210000）

挥发性有机化合物（VOCs）对环境以及人类健康的危害已逐渐受到人们的重视，“十四五”规划和2035年远景目标纲要中提出加快挥发性有机物排放的综合整治，挥发性有机物总量下降10%以上的目标。目前生物法在工业企业的污水站废气处理中得到了越来越广泛的应用[1-3]，关于生物法处理VOCs的试验研究主要涉及进气浓度、气体停留时间、温度、填料类型等方面[4-6]。在实际工程应用中，各工业企业废气中的污染物组分多样，进气浓度也存在差异，在难以具备实验条件的情况下，为了进行生物法处理有机废气的初步设计，包括对填料类型、空塔停留时间等的设计，可在已有实验数据的基础上进行分析与推测。

1 实验材料与方法

1.1 实验设备

实验设备主要包括VOCs气源发生系统和生物过滤塔、生物滴滤塔，其组成见图1。其中电子流量计量程为0～200 L/ min；生物过滤塔和滴滤塔为有机玻璃材质，内壁净尺寸为100 mm×100 mm，填料高度为600 mm，生物过滤塔的填料自下而上依次为柱状活性炭、轻质陶瓷颗粒、堆肥，体积比依次为1:3:2，生物滴滤塔填料为聚丙烯鲍尔环，规格为DN15；生物过滤塔每日添加一次营养液，生物滴滤塔连续喷淋，蠕动泵运行流量约为16 mL/ min。

图1 生物法净化VOCs气体实验流程图

1.2 VOCs气源

有机废气气源是通过氮气瓶释放的氮气促进鼓泡瓶中的有机溶液挥发产生的气体与风机引入的空气混合而成（空气中的氧气可为生物反应器中的微生物提供好氧环境），混合气体在缓冲罐里充分混合均匀。VOCs的浓度可通过氮气瓶产生的氮气量进行控制，进入生物反应器的废气流量可通过手动球阀控制，一定的废气流量对应一定的气体停留时间。

1.3 试剂

营养液含有以下分析纯试剂：NH4Cl；K2HPO4；MgSO4·7H2O；CaCl2；MnSO4·H2O；FeSO4·7H2O；ZnSO4·7H2O等；氮源和磷源投加量依据碳、氮、磷质量比为100：5：1进行投加。

1.4 测试方法

气体中甲苯、乙酸乙酯、乙醇、二氯甲烷的浓度采用气相色谱法测定（FID检测器）。

2 结果与讨论

生物滴滤塔和生物过滤塔在一定时间内依次处理了甲苯、乙酸乙酯、乙醇、二氯甲烷气体，运行时间依次为60天（含驯化7天）、20天（含驯化3天）、20天（含驯化3天）、30天。生物滴滤塔和生物过滤塔并联运行，同一时间的进气条件、气体停留时间、环境温度均相同。

2.1 生物滴滤塔与生物过滤塔处理效果的比较

在停留时间为60 s的条件下，用生物滴滤塔和生物过滤塔处理甲苯气体，甲苯入口浓度在200～800 mg/m3的区间变化，处理效果如图2所示。在停留时间为20 s的条件下，用生物滴滤塔和生物过滤塔处理乙醇气体，乙醇入口浓度在250～950 mg/ m3的区间变化，处理效果如图3所示。

由图2可知甲苯入口浓度小于500 mg/m3时，生物滴滤塔和生物过滤塔的气体出口浓度比较接近，均小于40 mg/m3，生物滴滤的出口浓度略大于生物过滤，甲苯入口浓度超过500 mg/m3时，入口浓度越大，两种塔的气体出口浓度增幅越快，且生物滴滤的出口浓度增速比生物过滤快。由此可知，相似入口浓度下，生物过滤塔的处理效果优于生物滴滤塔，且生物过滤塔的抗冲击负荷能力更强，相似的结论也可从图3中得出，这与李国文等人[7]的研究结果相符。

仔细观察图2和图3可知，甲苯和乙醇的入口浓度超过500 mg/m3后，图2中（甲苯）生物滴滤塔与生物过滤塔在相似入口浓度条件下，出口浓度之间的差值明显大于图3中（乙醇）生物滴滤与生物过滤出口浓度之间的差值。甲苯水溶性较差，乙醇与水互溶，对于水溶性较差的VOCs，在较高浓度的进气条件下，生物过滤塔的性能明显优于生物滴滤塔。而这种差异性在较低浓度进气条件下，对于水溶性较好或较差的VOCs来说，都不是很明显。

图2 T=60s时生物滴滤塔和生物过滤塔对甲苯的处理效果

图3 T=20s时生物滴滤塔和生物过滤塔对乙醇的处理效果

2.2 VOCs处理效果与其可生化性指标的关系

图4反映的是生物过滤塔对甲苯、乙酸乙酯、乙醇的处理效果情况。其中乙酸乙酯的实验数据基于气体停留时间为20 s，甲苯的实验数据基于气体停留时间为30 s。观察图4可知，在各介质入口浓度约100～850 mg/m3的范围内，生物过滤塔对VOCs的处理效果由优到劣依次为乙醇、乙酸乙酯、甲苯。

图4 生物过滤塔对乙醇、乙酸乙酯、甲苯的处理效果

我们尝试用上述装置处理二氯甲烷气体，在30天的实验周期内，进气浓度为0～100 mg/m3的二氯甲烷在停留时间为70 s的条件下去除率不超过20%，处理效果明显劣于上述三种VOCs。

乙醇、乙酸乙酯、甲苯、二氯甲烷的BOD5/COD值依次为0.6、0.45、0.1、0，反映出这四种物质的可生化性依次降低。这种排序关系与上述VOCs的处理效果排序一致，即某种有机物的BOD5/COD值越高，生物法对其处理效果越好。在缺乏实验数据的情况下，可根据上述规律推测某种VOCs废气的生物法处理效果。

2.3 工程应用中停留时间的选取和处理工艺的选择

在实际工程应用过程中，VOCs废气组分往往不会是单一组分，我们可根据主要污染物组分的亲水性来选择处理工艺或设计气体停留时间。

由图3可知，对于亲水性好的乙醇，生物过滤和生物滴滤工艺在1 000 mg/m3以下的进气条件下处理效果比较接近。同样尺寸和同样填料堆积高度的生物过滤和生物滴滤装置，生物过滤填料重量更大、压损更高，导致装置造价更高、风机电耗更大，故对于亲水性较好的VOCs，优先选择生物滴滤工艺进行处理。如果污染物组分中亲水性和疏水性物质占比均不低，可考虑采用生物滴滤和过滤的组合工艺。

由图4可知，对于乙酸乙酯和乙醇这类亲水性较好的物质，气体停留时间为20 s时，入口VOCs浓度小于800 mg/m3，出口浓度可达60 mg/m3以下，基本可满足各种国标、地标、行标对非甲烷总烃的排放浓度要求。对于相同进气浓度区间的甲苯，气体停留时间为30 s时，出口浓度明显高于乙酸乙酯和乙醇，故当使用生物法处理甲苯这样的疏水性物质时，需延长停留时间，并结合入口浓度进行考虑。

上述结论还需结合工程经验进行综合判断。生物法处理VOCs的工艺也常常和吸收、吸附等工艺结合使用。