生活垃圾VOCs生物洗滌凈化技術(shù)研究

馮冰杰，王志強(qiáng)，趙 忠，孫天雨，張長平

（河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

生活垃圾VOCs生物洗滌凈化技術(shù)研究

馮冰杰，王志強(qiáng)，趙 忠，孫天雨，張長平

（河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

本研究采用立體傳質(zhì)技術(shù)代替生物洗滌塔中的傳統(tǒng)粒狀填料，提高生物洗滌技術(shù)對生活垃圾VOCs的凈化處理效果．通過試驗(yàn)分別研究了三維立體傳質(zhì)方法和傳統(tǒng)填料塔方法對生活垃圾VOCs進(jìn)行凈化處理效果，并考察了氣液比、停留時(shí)間及微生物的濃度 (MLVSS)對生活垃圾VOCs凈化效果的影響．結(jié)果表明，在相同的操作條件下，立體傳質(zhì)塔對生活垃圾VOCs的去除效果優(yōu)于傳統(tǒng)填料塔對生活垃圾VOCs的去除效果．

生物洗滌塔；VOCs；氣液比；停留時(shí)間；MLVSS；立體傳質(zhì)塔

城市生活垃圾在收集、轉(zhuǎn)運(yùn)、存放的過程中產(chǎn)生大量惡臭氣體，嚴(yán)重困擾了人們的生活．惡臭氣體主要組分為三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯等多種揮發(fā)性有機(jī)氣體（Volatile Organic Compounds，簡稱VOCs）以及氨、硫化氫等[1]，它不僅使大量傳播疾病的細(xì)菌滋生繁衍，而且直接通過嗅覺系統(tǒng)對呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激作用[2]．

生活垃圾VOCs主要處理方法包括燃燒法、氧化法、吸收法、吸附法、中和法及生物法等[3]．生物法主要有3種[4]：生物過濾法，生物滴濾法，生物洗滌法．生物法處理VOCs的研究最早由美國開始，自20世紀(jì)70年代在國外大規(guī)模興起，我國相關(guān)的研究則始于20世紀(jì)90年代初[5]．2003年，李國文[6]等采用生物洗滌法對氯苯廢氣的降解性能進(jìn)行了研究，探討了洗滌塔中氯苯廢氣的生物降解性能．2004年，劉玉紅[3]等采用生物洗滌法對含苯酚廢氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)處理研究，考察了進(jìn)口氣體質(zhì)量濃度對含苯酚廢氣凈化效果的影響．2011年，齊國慶[7]等用生物洗滌法對煉油污水廠產(chǎn)生的惡臭氣體進(jìn)行了預(yù)處理的中試研究．本研究采用立體傳質(zhì)塔和傳統(tǒng)填料塔對生活垃圾VOCs進(jìn)行處理，比較了兩者對生活垃圾VOCs的凈化效果．

生物法凈化VOCs主要利用微生物的代謝活動，將VOCs降解或轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)簡單的小分子物質(zhì)（CO2、水等），具有能耗較低、反應(yīng)條件簡單和無二次污染等優(yōu)點(diǎn)[6]．傳統(tǒng)填料塔對于易溶的氣體凈化效果較好，對難溶的氣體凈化效果較差[8]．本研究考察了立體傳質(zhì)塔對生活垃圾VOCs的處理效果，并與傳統(tǒng)填料塔對生活垃圾VOCs的處理效果進(jìn)行比較分析．

1 工藝試驗(yàn)裝置、流程與操作方法

1.1 工藝流程及試驗(yàn)裝置

生物洗滌塔由一個(gè)裝有填料的洗滌器，一個(gè)具有活性污泥的生物反應(yīng)器和一個(gè)調(diào)節(jié)污泥濃度的沉淀池3部分組成，其流程見圖1．生物洗滌器由一個(gè)洗滌器和生物降解反應(yīng)器組成，出水需設(shè)沉淀池．生活垃圾VOCs從下而上進(jìn)入洗滌器，在填料層與生化反應(yīng)器過來的泥水混合物進(jìn)行傳質(zhì)吸附、吸收，部分有機(jī)物在此被降解，液相中的大部分有機(jī)物進(jìn)入生化反應(yīng)器，通過懸浮污泥的代謝作用被降解掉，生化反應(yīng)器出水進(jìn)入沉淀池進(jìn)行泥水分離，上清液排出，污泥回流[9]．洗滌器分別采用傳統(tǒng)填料塔和立體傳質(zhì)塔，傳統(tǒng)填料塔填料采用規(guī)格為16mm×16mm×8.9mm的塑料階梯環(huán)；立體傳質(zhì)塔內(nèi)置直徑190mm的三維立體塔板，塔板間距200mm，在塔板上氣相與液相接觸進(jìn)行傳質(zhì)吸收作用[10]，塔板原理如圖2所示．

圖1 生物洗滌系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of biological washing system

圖2 立體傳質(zhì)塔板示意圖Fig.2 Three-dimensional mass transfer tray diagram

試驗(yàn)裝置由內(nèi)徑200mm，高度1 750mm的有機(jī)玻璃塔組成，塔內(nèi)有高度1 000mm的填料層，裝填料時(shí)做填料塔，裝塔板時(shí)做立體傳質(zhì)塔．生化反應(yīng)器為500mm×500mm×500mm的PVC材質(zhì)的生物反應(yīng)池．沉淀池為內(nèi)徑400mm，高度約700mm的有機(jī)玻璃豎流式沉淀池．

1.2 試驗(yàn)方法

廢氣源：從河北工業(yè)大學(xué)教師公寓生活小區(qū)收集生活垃圾，其產(chǎn)生VOCs用于實(shí)驗(yàn)．

測定指標(biāo)與方法：試驗(yàn)過程中需要測定反應(yīng)器內(nèi)的pH值、微生物濃度（MLVSS）、VOCs的濃度等．其中pH值采用玻璃電極法測定，MLVSS采用烘干稱量法測定．三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫濃度采用氣相色譜法測定[11]；苯乙烯濃度采用固體吸附/熱脫附-氣相色譜法測定[12]；二硫化碳采用二乙胺風(fēng)光光度法測定[13]，吸光值采用TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）測定．

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)考察了立體傳質(zhì)塔與生物洗滌塔中氣液比、氣體在洗滌器內(nèi)的停留時(shí)間、微生物濃度（MLVSS）分別對VOCs去除率的影響．試驗(yàn)過程中系統(tǒng)的溫度保持在20～30℃，pH值保持在6.5～7.5之間．

2.1 氣液比對VOCs去除率的影響

氣液比是影響洗滌塔凈化性能的重要影響因素，數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)生活垃圾VOCs氣體流量和洗滌塔內(nèi)吸收液的噴淋量的比值，氣液比是指1m3的吸收液吸收生活垃圾VOCs氣體的體積．氣液比體現(xiàn)了吸收過程中推動力和吸收速率的大小．

運(yùn)行過程中，VOCs首先要溶解于吸收液才能被微生物降解，因此吸收液量越大，生活垃圾VOCs的吸收凈化效果越好．為了考察不同氣液比對生活垃圾VOCs的凈化效果，通過調(diào)節(jié)風(fēng)量和進(jìn)液量來實(shí)現(xiàn)氣液比的變化．在試驗(yàn)過程中保證立體傳質(zhì)塔和傳統(tǒng)填料塔的操作條件一樣，停留時(shí)間設(shè)置為12 s、微生物濃度設(shè)置為2 500mg/L．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示，圖3為傳統(tǒng)填料塔中氣液比與去除率的關(guān)系曲線，圖4為立體傳質(zhì)塔中氣液比與去除率的關(guān)系曲線．結(jié)果表明，隨著洗滌液量增加，VOCs被傳質(zhì)吸收的量也大大增加．因?yàn)檫M(jìn)氣量是不變的，當(dāng)氣相中的VOCs進(jìn)入液相后被帶走進(jìn)入生化池進(jìn)行降解反應(yīng)，隨著洗滌液量的增加，VOCs的生化去除量也隨之增加．洗滌液流量增加（氣液比（Q/L）減?。r(shí)，VOCs從氣相傳質(zhì)到液相的推動力加強(qiáng)，但是當(dāng)洗滌液流量過大時(shí)運(yùn)行費(fèi)用和建設(shè)成本也會大大增加，所以氣液比10～12m3/m3為最佳值．氣液比在10～12m3/m3時(shí)，傳統(tǒng)填料塔中VOCs的去除率達(dá)到75%左右，立體傳質(zhì)塔中VOCs的去除率達(dá)到80%左右．可見，立體傳質(zhì)塔對于VOCs的去除效果優(yōu)于傳統(tǒng)填料塔．

圖3 傳統(tǒng)填料塔中氣液比對VOCs的去除率影響Fig.3 Effect of gas-liquid ratio on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

圖4 立體傳質(zhì)塔中氣液比對VOCs的去除率影響Fig.4 Effect of gas-liquid ratio on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

2.2 停留時(shí)間對VOCs去除率的影響

停留時(shí)間對VOCs的去除有很大的影響，當(dāng)停留時(shí)間較大時(shí)說明氣體與洗滌液的接觸時(shí)間越長，傳質(zhì)效果也就越好，氣體中的 VOCs也就能被充分轉(zhuǎn)移到洗滌液中，處理效率也就越好；反之，當(dāng)停留時(shí)間較小時(shí)，VOCs并沒有與洗滌液更好地接觸就排放出去，使得去除效率并不好，所以停留時(shí)間越大越好．實(shí)驗(yàn)過程中為了考察不同停留時(shí)間對生活垃圾VOCs的凈化效果，通過調(diào)節(jié)處理氣量得到不同梯度的停留時(shí)間．在試驗(yàn)過程中為了保證立體傳質(zhì)塔和傳統(tǒng)填料塔的操作條件一樣，氣液比設(shè)置為12m3/m3、微生物濃度設(shè)置為2500mg/L．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示，圖5為傳統(tǒng)填料塔中停留時(shí)間與去除率的關(guān)系曲線，圖6為立體傳質(zhì)塔中停留時(shí)間與去除率的關(guān)系曲線．隨著停留時(shí)間增加，VOCs的去除率隨之增加，當(dāng)停留時(shí)間大于15 s時(shí)，VOCs的凈化效率隨停留時(shí)間的增長而增長緩慢．VOCs在填料上與洗滌液接觸，從氣相轉(zhuǎn)移到液相，隨著停留時(shí)間的增加，洗滌液吸收VOCs的量也隨著增加．隨著時(shí)間增加，洗滌液對VOCs會吸收飽和以至于不再吸收．另外，處理一定量的VOCs廢氣時(shí)，停留時(shí)間越大要求的洗滌塔體積就會越大，這樣會增加設(shè)備的制作成本．當(dāng)停留時(shí)間在20～25 s時(shí)去除率增加不明顯，所以停留時(shí)間20～25 s為最佳值．停留時(shí)間在20～25 s時(shí)，傳統(tǒng)填料塔中VOCs的去除率達(dá)到75%左右，立體傳質(zhì)塔中VOCs的去除率達(dá)到85%左右．可見，立體傳質(zhì)塔對于VOCs的去除效果優(yōu)于傳統(tǒng)填料塔．

圖5 傳統(tǒng)填料塔中停留時(shí)間對VOCs的去除率影響Fig.5 Effect of retention time on the removal rate of VOCs in traditional packed tower

圖6 立體傳質(zhì)塔中停留時(shí)間對VOCs的去除率影響Fig.6 Effect of retention time on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

2.3 微生物濃度對VOCs去除率的影響

生物洗滌液中的微生物在與氣相中的VOCs分子接觸時(shí)通過分子力、靜電力、離子交換、絡(luò)合、螯合等作用將其吸附在微生物表面[13]，MLVSS越大活性污泥中的微生物數(shù)量越多，對VOCs濃集效果越明顯．因此微生物濃度越大，生活垃圾VOCs的吸收凈化效果越好．為了考察不同微生物濃度對生活垃圾VOCs的凈化效果，通過沉淀池排出剩余污泥或?qū)⑹Ｓ辔勰嗷亓髦辽锓磻?yīng)器來實(shí)現(xiàn)生化反應(yīng)器中的微生物濃度呈階梯型變化．在試驗(yàn)過程中設(shè)定立體傳質(zhì)塔和傳統(tǒng)填料塔的操作條件一樣，氣液比設(shè)置為12m3/m3、停留時(shí)間設(shè)置為12 s．

圖7 傳統(tǒng)填料塔中微生物濃度對VOCs的去除率影響Fig.7 Effect of MLVSS on the removal rate of VOCs in traditional packed tower

圖8 立體傳質(zhì)塔中微生物濃度對VOCs的去除率影響Fig.8 Effect of MLVSS on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示，圖7為傳統(tǒng)填料塔中微生物濃度（MLVSS）與去除率的關(guān)系曲線，圖8為立體傳質(zhì)塔中微生物濃度（MLVSS）與去除率的關(guān)系曲線．隨著微生物濃度（MLVSS）增加，對于VOCs的去除率逐漸增加，當(dāng)微生物濃度大于2 000mg/L時(shí)，VOCs凈化效率隨停留時(shí)間的增長而增加緩慢．隨著微生物濃度增加，能夠通過分子力、靜電力、離子交換、絡(luò)合、螯合、微沉淀等物理、化學(xué)過程累積或濃集的VOCs越多，進(jìn)而VOCs凈化凈化效率就會增加．然而當(dāng)微生物濃度過大時(shí)會使得微生物附著在填料層越來越多以至于造成填料層堵塞，增加填料層壓降，意味著能耗增加，因此微生物濃度（MLVSS）2 000～2 500 mg/L為最佳值．此時(shí)，傳統(tǒng)填料塔中VOCs的去除率達(dá)到75%左右，立體傳質(zhì)塔中VOCs的去除率達(dá)到85%左右．可見，立體傳質(zhì)塔對于VOCs的去除效果優(yōu)于傳統(tǒng)填料塔．

3 結(jié)論

1）通過研究氣液比、停留時(shí)間、微生物濃度等因素對VOCs去除效率的影響，得知：隨著氣液比的增加，VOCs去除效率降低；隨著停留時(shí)間增加，VOCs去除效率明顯升高；隨著微生物濃度增加，VOCs去除效率明顯升高．在保證VOCs凈化效果達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，要考慮工程設(shè)備的建設(shè)、運(yùn)行成本，因此要選擇這些影響因素的最佳值即氣液比為10～12m3/m3、停留時(shí)間為20～25 s、微生物濃度（MLVSS）為2 000 ～2 500mg/L，為工程建設(shè)提供參考．

2）通過對傳統(tǒng)填料塔和立體傳質(zhì)塔凈化生活垃圾VOCs的試驗(yàn)，得知立體傳質(zhì)塔對于VOCs的去除效果優(yōu)于傳統(tǒng)填料塔，為進(jìn)一步的試驗(yàn)研究以及設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)和參考．

[1]GB 14554-1993，惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn) [S]．

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[11]王春艷，張勇，韓建榮，等．二乙胺分光光度法測定環(huán)境空氣中二硫化碳影響因素的分析 [J]．儀器儀表與分析監(jiān)測，2009（1）：44-46．

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[13]卞成萍，于興龍．氣相色譜法測定天然氣中微量硫化氫、羰基硫、甲硫醇、甲硫醚和二甲基二硫含量 [J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009，22：7．

[責(zé)任編輯 田 豐]

Study on the VOCs of domestic garbage by biological washing technology

FENG Bingjie，WANG Zhiqiang，ZHAO Zhong，SUN Tianyu，ZHANG Changping

(School of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

In this study,the three-dimensional mass transfer technology was used instead of the traditional granular packing in biological scrubber to improve the effect of biological cleaning technology on the purification of domestic waste VOCs.The effects of three-dimensional mass transfer and conventional packed tower on the purification of domestic waste VOCs were studied by experimental study,and investigated the effect of gas-liquid ratio,residence time and microorganism concentration (MLVSS)on the purification of domestic waste VOCs.Results show that under the same operating conditions,the three-dimensional mass transfer tower for domestic waste VOCs removal efficiency is higher than conventional packed tower for domestic waste VOCs removal effect.

bioscrubber;malodorous gases;gas liquid ratio;residence time;MLVSS;CTST

X701

A

1007-2373(2016)05-0095-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.05.015

2016-09-12

河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（ZD2015011）

馮冰杰（1990-），男（漢族），碩士生．通訊作者：王志強(qiáng)（1967-），男（漢族），副教授，wzq.fy@hebut.edu.cn．