微等離子-生物耦合工藝處理揮發(fā)性有機(jī)物

安少鋒 王曉磊 押玉榮

摘 ?????要：采用微等離子-生物耦合工藝處理揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），考察臭氧濃度對生物塔的運(yùn)行效果及尾氣中其它污染物的排放情況。研究結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)入生物塔內(nèi)的臭氧濃度在0.01～0.03 mg/L時(shí)，為保證出氣濃度低于60 mg/m3，進(jìn)氣濃度最高達(dá)685 mg/m3;當(dāng)臭氧濃度在0.001 2～0.001 4 mg/L，系統(tǒng)進(jìn)氣濃度可達(dá)1 100 mg/m3，耦合工藝中生物塔的較單純生物塔處理負(fù)荷提高約16%。穩(wěn)定運(yùn)行期間，出氣中氮氧化物和一氧化碳均低于100 mg/m3，TOC長期維持在15 mg/m3以下。說明該耦合工藝中微量臭氧能夠加強(qiáng)生物塔內(nèi)微生物的活性，提高系統(tǒng)處理能力，且不產(chǎn)生二次污染物。

關(guān) ?鍵 ?詞：揮發(fā)性有機(jī)物;耦合工藝;臭氧濃度;二次污染

中圖分類號：X512 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）03-0543-04

Abstract： The coupling system of microplasma and bio-trickling filter was used to remove the volatile organic compounds（VOCs）. The effect of ozone concentration on the operation of biological tower and the emission of other pollutants in the exhaust gas was investigated. The results showed that when ozone concentration was 0.01～0.03 mg/L， to ensure the outlet concentration less than 60 mg/m3， the inlet concentration was up to 685 mg/m3. When ozone concentration was 0.001 2～0.001 4 mg/L， the inlet concentration can be up to 1 100 mg/m3. The load of biological tower was increased by about 16% compared with the pure biological tower. In the coupling process， nitrogen oxides and carbon monoxide in outgassing were all below 100 mg/m3，TOC was below 15 mg/m3. The micro ozone in the coupling process can enhance the activity of microorganisms in the bioreactor， improve the treatment capacity of the system， and do not produce secondary pollutants.

Key words： Volatile organic compounds; Coupling technology ; Ozone concentration; Secondary pollution

揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）按照世界衛(wèi)生組織的定義，沸點(diǎn)在50～250℃的化合物，室溫下飽和蒸氣壓超過133.32 Pa，在常溫下以蒸氣形式存在于空氣中的一類有機(jī)物為揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）。按其化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，可以進(jìn)一步分為八類：烷類、芳烴類、烯類、鹵烴類、酯類、醛類、酮類和其他，是大氣污染的重要組成部分，對環(huán)境和人體具有較大危害[1-3]，將等離子體與生物技術(shù)耦合是目前VOCs處理的重要研究方向[4-7]，但目前大多在實(shí)驗(yàn)室研究階段，而且沒有深入分析耦合工藝對VOCs處理效果的影響，比如等離子體過程中產(chǎn)生的臭氧濃度對生物過濾過程的影響[8]。臭氧是一種氧化性極強(qiáng)的氧化劑，在水處理中通常作為消毒劑來使用，它可能會(huì)對生物過濾工藝中的微生物產(chǎn)生影響[4]。難降解的VOCs因其中含有雜原子N、鹵素、S、P等，采用目前的單一的方式處理時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生毒性更高、危害更大的二次污染。同時(shí)氮氧化物、一氧化碳等物質(zhì)是酸雨和共化學(xué)煙霧形成的主要原因之一[9，10]，國內(nèi)對該類物質(zhì)的排放日益嚴(yán)格，而關(guān)于該耦合工藝對該類物質(zhì)的處理效果報(bào)道較少。這是工程實(shí)踐必須先期解決得問題，本研究通過中試規(guī)模的反應(yīng)設(shè)備開展微等離子-生物耦合工藝研究，重點(diǎn)考察耦合工藝中臭氧濃度對系統(tǒng)VOCs去除的影響及出氣中氮氧化物和一氧化碳的濃度，旨在為工程推廣提供參考。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。廢氣系統(tǒng)主要有過濾器和儲(chǔ)液罐組成。過濾器由泡沫鎳，開孔率97%，目數(shù)：100目/英寸，具有良好的強(qiáng)度、韌性及耐腐蝕性能。可有效阻擋空氣中的灰塵和大顆粒物質(zhì)，保證等離子系統(tǒng)中電極不受損壞。儲(chǔ)液罐由不銹鋼制成，主要用于儲(chǔ)存VOC氣體原料，通過空氣吹脫，促進(jìn)VOC氣體的揮發(fā)，調(diào)整不同的通氣強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)濃度的變化。介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體（CP-8000P，南京蘇曼電子有限公司），電源功率：2 000 W;輸入電壓：AC380V（±10%）;中心頻率：5～10 kHz;輸出電壓：30 kV;脈沖占空比：30%～50%。臭氧催化尾破裝置（WP-1KG，北京中瑞中天科技有限公司），尾破催化劑為柱狀，顆粒大小φ（1～2）×（5～10）mm。生物過濾塔采用碳鋼制成，設(shè)計(jì)處理量1 000 m3/h。在生物過濾塔處理VOCs過程中，填料中的營養(yǎng)是微生物生長、代謝和保持良好活性的重要條件。營養(yǎng)物質(zhì)主要包括氮和無機(jī)鹽，無機(jī)鹽一般有磷酸鹽、硫酸鹽和含有鉀、鈣、鐵、錳等金屬元素或微量元素。營養(yǎng)液噴淋量見表1，噴淋量為9 L/ m2·min，采用間歇噴淋，6 h1次，每次1 min。

1.2 ?試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)通過對甲苯溶液鼓泡曝氣生成甲苯氣體，進(jìn)入介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體，在外加電場作用下，介質(zhì)產(chǎn)生大量攜能電子轟擊污染物分子，處理后的氣體分兩部分，一部分經(jīng)臭氧催化尾破裝置后進(jìn)入生物塔，一部分直接進(jìn)入生物塔，通過調(diào)節(jié)兩部分氣體的流量比例，控制進(jìn)入生物塔中氣體的臭氧含量。試驗(yàn)中，進(jìn)氣量固定在1 000 m3/h。

1.3 ?檢測項(xiàng)目及方法

實(shí)驗(yàn)中的甲苯濃度利用SP-2100A（TCD檢測器）進(jìn)行色譜分析。色譜的操作條件：H2作載氣，流速為30 mL/min;柱箱溫度為363 K，進(jìn)樣器的溫度為383 K，進(jìn)樣體積為0.5 mL;檢測器的溫度為383 K，橋電流120 mA。實(shí)驗(yàn)采用CBT15437-1995國家標(biāo)準(zhǔn)靛藍(lán)二磺酸鈉分光光度法進(jìn)行臭氧的測定，其原理為：在磷酸鹽緩沖溶液存在下，空氣中的臭氧可以與靛藍(lán)二磺酸鈉1：1發(fā)生反應(yīng)，生成靛紅二磺酸鈉。在610 nm處測定反應(yīng)后溶液的吸光度，根據(jù)吸光度的大小確定臭氧的濃度。氮氧化物采用鹽酸萘乙二胺分光廣度法。CO測定采用非色散紅外吸收法，參照《HJ/T 44-1999》。TOC檢測參照文獻(xiàn)[11]。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?高臭氧濃度下耦合試驗(yàn)效果

試驗(yàn)過程中等離子出氣直接進(jìn)入生物塔，經(jīng)檢測臭氧含量濃度為0.01～0.03 mg/L，進(jìn)氣濃度變化后，穩(wěn)定運(yùn)行1～2 d后檢測，期間變化趨勢如圖2所示。

由圖2可知，進(jìn)氣VOC濃度在100～1 100 mg/m3之間，微等離子體對VOC去除率隨著進(jìn)氣濃度升高由88.7%降至53.0%，其中當(dāng)進(jìn)氣濃度為685 mg/m3時(shí)，等離子出口氣體濃度為185 mg/m3，生物塔出氣濃度為58.5 mg/m3，之后提高進(jìn)氣濃度，生物塔出氣濃度超過60 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。為保證尾氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，生物塔進(jìn)氣負(fù)荷不能高于38.5 g/m3·h，而在課題組之前的試驗(yàn)中，單純采用生物塔，進(jìn)氣負(fù)荷可維持在50 g/m3·h左右，因此當(dāng)進(jìn)氣中臭氧濃度在0.01～0.03 mg/L之間時(shí)，生物塔負(fù)荷降低了23%，這主要是因?yàn)槌粞跻种粕锪康脑鲩L[12]，對微生物活性產(chǎn)生破壞。

2.2 ?低臭氧濃度下耦合試驗(yàn)效果

試驗(yàn)過程中等離子出氣經(jīng)臭氧尾破裝置后進(jìn)入生物塔，經(jīng)檢測臭氧含量濃度為0.001 2～0.001 4 mg/L，進(jìn)氣濃度變化后，穩(wěn)定運(yùn)行1～2 d后檢測，期間變化趨勢如下圖3所示。

由圖3可知，進(jìn)氣VOC濃度由110 mg/m3逐步升高至550 mg/ m3左右時(shí)，等離子對VOC的去除率維持在80%以上，進(jìn)入生物塔的VOC負(fù)荷最高為21 g/（m3·h），生物塔的去除率維持在76%以上，最高時(shí)耦合試驗(yàn)裝置對VOC的去除率接近100%，出氣VOC濃度在25 mg/m3以下。當(dāng)進(jìn)氣VOC濃度升高至1 100 mg/m3時(shí)，微等離子對VOC去除率保持在65%以上，經(jīng)生物塔后濃度基本維持在60 mg/m3以下，繼續(xù)提高進(jìn)氣濃度后，微等離子體和生物塔去除率均呈下降趨勢，出氣濃度高于100 mg/ m3。

結(jié)合數(shù)據(jù)可知，微等離子-生物耦合試驗(yàn)匯總，當(dāng)生物塔進(jìn)氣負(fù)荷低于58 g/（m3·h）時(shí)，可保證出氣濃度低于60 mg/ m3，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，而單純采用生物塔，進(jìn)氣負(fù)荷超過50 g/（m3·h）時(shí)，出氣濃度將難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，因此采用耦合裝置生物塔進(jìn)氣負(fù)荷可提高16%[13]。主要原因在于VOC經(jīng)過等離子體后，將部分有毒、難降解物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易生物降解物質(zhì)，為生物塔的運(yùn)行提供了更適宜的微生物生存條件，同時(shí)微量臭氧可有效減緩疏水性的增加和生物膜表面電負(fù)性的降低，促進(jìn)微生物代謝活性的提高[14]。

2.3 ?其它污染物變化情況

氮氧化物、一氧化碳等物質(zhì)是酸雨和共化學(xué)煙霧形成的主要原因之一，國內(nèi)對該類物質(zhì)的排放日益嚴(yán)格，本研究在試驗(yàn)運(yùn)行穩(wěn)定期間，檢測尾氣中該類物質(zhì)的濃度，進(jìn)一步驗(yàn)證該工藝的推廣價(jià)值。通過連續(xù)20 d的數(shù)據(jù)檢測，尾氣中物質(zhì)濃度變化如圖4所示。

由圖可知，尾氣中氮氧化物濃度維持在46.8～77.4 mg/m3，平均濃度為63.7 mg/m3，一氧化碳濃度維持在32.1～67.1 mg/m3，平均濃度為49.9 mg/m3，均低于100 mg/m3的規(guī)定值，說明經(jīng)過生物過濾塔后，生物膜能夠有效去除該類污染物質(zhì)。尾氣中TOC較為穩(wěn)定，均低于 20 mg/m3，長期維持在15 mg/m3以下。

3 ?結(jié) 論

（1）微等離子-生物耦合工藝中增加臭氧尾破裝置，進(jìn)氣濃度最高達(dá)1 100 mg/m3，出氣濃度60 mg/m3以下，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）耦合工藝中微量臭氧有利于生物塔的運(yùn)行，生物塔處理能力較單純工藝提高16%左右。

（3）耦合工藝能夠保證出氣中氮氧化物、一氧化碳等污染物濃度維持在較低水平，不造成二次污染。

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