膜接觸-吸收法去除市政污水廠惡臭氣體研究

郭學(xué)彬 趙珊 常江 王佳偉 彭浩

關(guān)鍵詞：惡臭氣體；硫化氫；聚四氟乙烯膜；膜接觸吸收

前言

截至2020年底，全國鎮(zhèn)級及以上的污水處理廠共15700座，處理能力為25777x104m3·d-1，污水平均處理率為84. 52%[1]。在污水處理過程中會產(chǎn)生硫化氫、氨氣、硫醇硫醚和揮發(fā)性有機物等惡臭氣體容易在空氣中逸散，不僅給周邊空氣環(huán)境造成污染，還對職工身體健康造成一定的危害，如何處理市政污水廠惡臭氣體問題愈發(fā)成為人們所關(guān)注的焦點。

市政污水處理廠惡臭氣體處理工藝主要有物理法、化學(xué)法和生物法等。這些方法對惡臭氣體治理效果較好，但也具有一定的局限性，如物理吸附法后期運行費用較高、化學(xué)法液泛現(xiàn)象、生物法菌種冬天活性降低等。為有效解決上述問題，將化學(xué)吸收的高效選擇性和膜分離技術(shù)的結(jié)構(gòu)緊湊性相結(jié)合，采用新型膜接觸吸收法開展惡臭氣體的脫除研究。該法原理是以中空纖維膜組件為膜接觸器，氣體經(jīng)過中空纖維膜絲，吸收液經(jīng)過中空纖維膜的殼程，其傳質(zhì)過程主要為氣體在膜絲內(nèi)由氣相擴散到氣膜界面處，再以分子擴散的方式通過膜孔道擴散到氣液兩相界面，在界面上氣體分子溶人液相，再從液相界面以分子擴散方式通過液膜進入液相主體被吸收。氣液兩相可靈活獨立控制，可避免霧沫夾帶、液泛等問題。

目前，關(guān)于膜吸收法所研究的多為對單一酸性氣體的脫除，而脫除污水處理廠實際惡臭氣體（混合氣體）的研究鮮有報道。因此，研究以污水處理廠實際惡臭氣體為研究對象，主要以硫化氫、氨氣、VOC和臭氣濃度為典型特征污染物，分別考察了氣相流量，液相流量和長時間運行穩(wěn)定性等條件對惡臭氣體脫除效果的影響。

1材料與方法

1.1實驗材料

臭氣源為消化污泥和初沉水混合攪拌所釋放的臭氣，硫化氫含量為28～64mg·m-3，氨氣含量為14～35mg·m-3，VOC含量為70～100mg·m-3，臭氣濃度（無量綱）為600～2000。采用10%的氫氧化鈉和10%的次氯酸鈉溶液混合液作為吸收液，pH控制在8～10，0RP值控制在400～600mV。聚四氟乙烯（PTFE）中空纖維柱式膜組件，具體參數(shù)為膜絲內(nèi)徑0.4mm，膜絲外徑0.9mm，膜平均孔徑0.2um，有效工作長度500mm，膜組件外徑35mm，膜面積為0.35m2。

1.2實驗裝置

膜接觸吸收法的實驗裝置如圖1所示，該裝置主要由臭氣發(fā)生箱、風(fēng)機、除塵裝置、除濕裝置、膜接觸器和吸收液槽等部分組成。實驗過程為臭氣源產(chǎn)生的臭氣經(jīng)風(fēng)機、除塵和除濕裝置，進入到膜接觸器的膜絲內(nèi)，蠕動泵將吸收液泵人到膜接觸器殼程內(nèi)，采用氣液錯流接觸方式，調(diào)節(jié)氣相和液相流量，使液相出口剛好不冒泡；待流量計和壓力表示數(shù)穩(wěn)定后，記錄氣相和液相的流量和壓力等，并對膜接觸器進氣和出氣的相關(guān)指標(biāo)進行檢測，尾氣通入到尾氣吸收液槽中，避免污染空氣。

1.3分析方法

在實驗裝置穩(wěn)定運行時，對膜裝置進、出口進行氣體采樣檢測，每個樣品檢測3次，取平均數(shù)記錄數(shù)據(jù)。惡臭氣體檢測指標(biāo)為硫化氫、氨氣、VOC和臭氣濃度，檢測方法為硫化氫一《居住區(qū)大氣中硫化氫衛(wèi)生檢測標(biāo)準(zhǔn)方法亞甲藍(lán)分光光度法：GB11742-1989》；氨氣一《環(huán)境空氣和廢氣氨的測定納氏試劑分光光度法：HJ533-2009》；VOC-便攜式揮發(fā)性有機氣體分析儀（氣相色譜儀），譜育EXPEC3100；臭氣濃度一惡臭氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)；英國科爾康A(chǔ)MG-2000。

通常用去除率和傳質(zhì)系數(shù)作為膜接觸器對惡臭氣體去除效果評價的2個重要指標(biāo)，分別根據(jù)式（1）和式（2）進行計算。

2結(jié)果與討論

2.1氣體流量對脫臭效果的影響

在吸收液流量0.2L·min－1，氣相壓力7.5kPa，液相壓力40kPa，溫度為25.0℃的操作條件下，考察了氣體流量對惡臭氣體去除效率的影響，如圖2所示。由圖2可知，隨著氣體流量的增加，惡臭氣體去除效率整體呈下降趨勢，當(dāng)氣體流量從0.2L·min-1增加到3L·min-1時，硫化氫去除率由98.97%下降到95.34%，氨氣去除率由34.90%下降到21.89%，VOC去除率由58.37%下降到54.22%，臭氣濃度去除率由86.38%下降到78.06%。這是因為在吸收液的濃度和流量一定時，增加氣體流量使得氣體在膜接觸器內(nèi)與吸收液接觸和反應(yīng)的時間減少，氣體未被吸收液充分吸收就被排出，導(dǎo)致整體去除效率降低。硫化氫為酸性氣體，在與堿性吸收液接觸時可被快速吸收，故其去除率較高；而氨氣溶于水后變?yōu)榘彼嗜鯄A性，在堿性吸收液中會抑制其反應(yīng)的進行，導(dǎo)致吸收效果不佳，去除效率較低。因吸收液中次氯酸鈉具有較強的氧化性，惡臭組分通過膜孔擴散到膜表面與吸收液相接觸，組分被吸收液吸收并被次氯酸鈉氧化，同時氫氧化鈉溶液能夠中和惡臭組分，從而可大大降低VOC含量和臭氣濃度。

隨著氣體流量增加，硫化氫傳質(zhì)系數(shù)由4.36×10-sm．s-1升高到43.8×10-5m．S-1，氨氣傳質(zhì)系數(shù)由0.41×10-5m．s-1上升到3.53×10-5 m·S-1，硫化氫傳質(zhì)系數(shù)遠(yuǎn)大于氨氣，且增長速度也較大。這是由于氣體流量增加，氣壓會隨之相應(yīng)增加，膜內(nèi)壁面的氣體邊界層變薄，氣相傳質(zhì)阻力減小，從而增大了氣相傳質(zhì)效率，總傳質(zhì)系數(shù)增加。同時硫化氫與吸收液反應(yīng)迅速，且吸收液儲量大，氣體流量增大時被吸收的越多，傳質(zhì)系數(shù)大大增加；而氨氣流量增加，溶于水的速度加快，在堿性吸收液中很快達(dá)到飽和狀態(tài)，傳質(zhì)系數(shù)增加不明顯。綜合考慮氣體去除率和傳質(zhì)效率，氣體流量為1L．min-1時較為合適。

2.2液體流量對脫臭效果的影響

在氣體流量為1L·min-1，氣相壓力為7.5kPa，液相壓力為40kPa，溫度為25.0℃的操作條件下，考察了液體流量對惡臭氣體去除效率的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，液體流量增加，惡臭氣體的去除效率和傳質(zhì)系數(shù)均呈上升趨勢，當(dāng)液體流量從0.2L·min增加到1.2L．min時，硫化氫去除率從96.59%上升到97.91%，傳質(zhì)系數(shù)32.18x10m·s-1上升到36.82×10-5m·s-1，氨氣去除率從40.41%上升到47.43%，傳質(zhì)系數(shù)4.93x10-5m·S-1上升到6.12×10-5m·S-1，VOC去除率從51.78m上升到58.19%，臭氣濃度去除率從81.05%上升到85.96%。當(dāng)液體流量大于0.6L·min-1時，氣體的去除率和傳質(zhì)效率趨于平緩，基本保持不變。這是因為液體流量增加，單位時間內(nèi)吸收液循環(huán)次數(shù)增加，吸收液能夠保持較高濃度，具有更佳的吸收和氧化條件，瞬時反應(yīng)速率提高，使得去除效率增大；同時，隨著液體流量增加，氣液接觸面處吸收液會迅速將氣體帶走并吸收，增大了氣液之間的濃度梯度，有利于氣體向液相擴散傳質(zhì)，傳質(zhì)阻力降低，氣體傳質(zhì)效率增大。當(dāng)液體流量增加到一定程度時，單位時間內(nèi)氣體和吸收液反應(yīng)速率相對穩(wěn)定，傳質(zhì)吸收效率增加不明顯。綜合考慮氣體去除率和傳質(zhì)效率，液體流量為0.6L·min-1時較為合適。

2.3長時間運行對脫臭效果的影響以氣體流量為1L·min-1，吸收液流量為0.6L·min-1，氣相壓力為7.5kPa，液相壓力為40kPa，溫度為25.0℃，連續(xù)12d運行操作條件下，分別考察了運行日寸間對硫化氫、氨氣、VOC和臭氣濃度的去除效果，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在長時間運行過程中，吸收液對惡臭氣體的去除效果和傳質(zhì)效率相對穩(wěn)定，并沒有出現(xiàn)隨著運行時間加長，氣體去除效率有明顯下降的趨勢。硫化氫和氨氣的平均去除率分別為96.99%和42.91%，平均傳質(zhì)系數(shù)分別為33.41×10-5m·S-1和5.34×10-5m·s-1，VOC和臭氣濃度平均去除率分別為55.24%和82.04%。表明運行穩(wěn)定性較好，對氣體去除效率及傳質(zhì)系數(shù)都保持了較高的水平。

綜上所述，膜接觸吸收法在氣體去除方面具有較大的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)化學(xué)吸收法相比，從技術(shù)層面上，氣體在膜組件內(nèi)與吸收液接觸時間約為0.28s，在膜內(nèi)平均氣速為1.8m·s-1；傳統(tǒng)化學(xué)洗滌塔的氣液接觸時間一般為1.2s，氣速約為2m·s-1，理論上膜接觸吸收法比化學(xué)吸收塔法單位時間內(nèi)處理的氣量要大3倍，另外膜接觸吸收法液氣比約為化學(xué)吸收塔液氣比的100倍。根據(jù)雙膜理論，在化學(xué)吸收過程中，液氣比增大，氣體污染物與液體組分進行的選擇性化學(xué)反應(yīng)會加快，氣體污染物溶解到液相中的量會增多，從而對氣體污染物的去除率和傳質(zhì)效率更高。膜組件可模塊化，采用多級聯(lián)用工藝，增加膜組件，可滿足對惡臭氣體處理更高的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3結(jié)論

以堿液為吸收液，氣體流量增加，惡臭氣體去除效率降低，總傳質(zhì)效率增加；液體流量增加，惡臭氣體去除效率及總傳質(zhì)效率均增加，當(dāng)氣體流量為1L·min-1，液體流量為0.6L·min時，對氣體的綜合處理效果最佳。在長時間運行過程中，該法對惡臭氣體處理效果較好且相對穩(wěn)定，H2S、NH3、VOC和臭氣濃度的平均去除率分別為96.99%、42.91%、55.24%和82.04%；H2S傳質(zhì)效率處于較高水平。膜接觸吸收法的氣體在膜內(nèi)與吸收液接觸時間約為0.28s，平均氣速為1.8m·s-1。膜接觸吸收法氣液傳質(zhì)效率高，對氣體污染物處理效果好，預(yù)期具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。