CN101249382B - 一种废气表面生物过滤净化方法 - Google Patents
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Abstract
一种废气表面生物过滤净化方法，其方法步骤为：(1)设置生物过滤介质层：采用0.02～0.2m的薄层多孔合成填料作为生物过滤介质层，供细菌或真菌等微生物附着生长在其上，其中过滤介质是孔隙率为90％～98％、孔径为1～10mm、开孔率在95％以上、拉伸强度大于5000Pa、抗压强度大于1000Pa、堆积密度为20～600kg/m3、比表面积为100～1000m2/m3的材料；(2)废气过滤：将所需净化的废气以0.005～0.05m/s的较低流速穿过生物过滤介质层，停留时间为1～20s。其装置包括废气增湿单元、生物过滤介质层、营养液提供单元、废液处理单元、营养液喷淋头以及控制单元。本发明具有布气均匀、压降较小、床层高度小、容积负荷高、处理量大、运行费用较低、长期运行性能稳定等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到大气污染控制的生物过滤技术领域，特指一种废气表面生物过滤净化方法及装置，特别适用于去除含有亲水性易生物降解污染物的废气。
背景技术
目前，臭气和挥发性有机废气严重污染了大气环境，破坏森林和生态系统，损害人体健康，已引起了人们的广泛关注。近年来，控制大气污染的生物过滤技术以其经济有效、环境友好、适用范围广、运行成本低等优点，正越来越多地应用于净化臭气和有机废气。
1957年，专利US2793096以土壤床生物过滤的概念获得了授权。最早的气相生物过滤系统只是在敞开坑内的布气管上覆盖了疏松多孔的土壤，后来发展到采用各种自然材料作为滤料，如泥炭、堆肥、木片、树皮等。但是这些材料在使用过程中往往因分解或破碎而结构不稳定，引起气流分布不均、局部厌氧、填料被压实、压降升高等问题。因此，采用自然填料为滤料的生物滤床往往存在占地面积大、过程难以控制、需要定期更换填料、容积负荷率低、滤床易堵塞和性能不稳定等缺点。
改进的生物滴滤技术(如CN1752031A和CN1557741)可以采用无机填料或合成材料作为滤料，并定时补充微生物所需的水分和营养物质。它大大延长了填料的使用寿命，且工况易调节，但是仍然存在填料的空隙率较小、滤层高度较大、气体停留时间较长、布气不匀、压降较大等问题。
根据物质传递和生物降解原理，理想的生物过滤填料应具有较大的空隙率和接触比表面积，一定的物理强度和耐腐蚀性能，较低的填充密度和气流压力损失。近年来，合成材料作为滤床填料受到了高度重视。革新的转鼓生物过滤技术(US6171853B1)采用高孔隙率的合成聚氨酯泡沫作为滤料，滤层厚度得以大大缩小，仅为10～20cm，因此缩短了气体停留时间，提高了容积负荷。转鼓生物过滤系统在气体停留时间为30s、乙醚负荷为2.0kg COD/m3/天时的平均去除效率在99％以上(Yang CP，Suidan MT，Zhu XQ，et al.Comparison of single-layer and multi-layer rotating drum biofilters for VOC removal.Environ Progress，2003，22(2)：87-94)。但是它也存在建造运行费用较高、不适于处理大气 量的废气处理等缺点。
综上所述，现有的各类生物过滤技术均存在滤层高度过大、停留时间长、容积负荷低、长期运行性能不稳定或处理量相对较小等缺点，严重限制了气相生物过滤技术的工业实际应用。
发明内容
本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种布气均匀、压降较小、床层高度小、容积负荷高、处理量大、建造和运行费用较低且长期运行性能稳定的废气表面生物过滤净化方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种废气表面生物过滤净化方法，其特征在于步骤为：(1)设置生物过滤介质层：采用0.02～0.2m的薄层多孔合成填料作为生物过滤介质层，供细菌或真菌等微生物附着生长在其上，其中过滤介质是孔隙率为90％～98％、孔径为1～10mm、开孔率在95％以上、拉伸强度大于5000Pa、抗压强度大于1000Pa、堆积密度为20～600kg/m3、比表面积为100～1000m2/m3的材料；(2)废气过滤：将所需净化的废气以0.005～0.05m/s的较低流速穿过生物过滤介质层，停留时间为1～20s。
在步骤(1)中，将营养液从生物过滤介质层的上方喷淋而下，提供微生物生长的营养元素和生存环境。
在步骤(1)中，将生物过滤介质层底部流出的废液收集、处理并再生循环使用。
在步骤(2)中，所述废气通气量控制为1～10×104m3/m3介质/天、空床流速控制为0.005～0.05m/s、压降控制为0～50Pa。
在步骤(1)中，生物过滤介质层的温度控制为20～35℃、pH值控制为5～8、补充的营养液量控制为0.2～2m3/m3介质/天。
一种废气表面生物过滤净化装置，其特征在于：它包括废气增湿单元、生物过滤介质层、营养液提供单元、废液处理单元、营养液喷淋头以及控制单元，废气增湿单元通过管路与生物过滤介质层相连，营养液提供单元通过管路与位于生物过滤介质层上方的营养液喷淋头相连，所述生物过滤介质层的底部与废液处理单元相连，营养液提供单元与控制单元相连。
所述生物过滤介质层的过滤介质采用孔隙率为90％～98％、孔径为1～10mm、开孔率在95％以上、拉伸强度大于5000Pa、抗压强度大于1000Pa、堆积密度为20～600kg/m3、比表面积为100～1000m2/m3的材料。
所述生物过滤介质层为一层或一层以上，所述多层生物过滤介质层采用并联或串联连接。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：本发明废气表面生物过滤净化方法及装置，采用薄层多孔合成填料作为生物过滤介质，具有孔隙率大、布气均匀、压降较小等优点；且本发明的滤层高度小，废气停留时间短，反应器的容积负荷率高，压降小、处理量大，且不产生二次污染，是一种比较理想的大气污染生物控制技术。
附图说明
图1是本发明废气表面生物过滤净化方法采用单级生物过滤介质层的原理示意图；
图2是本发明废气表面生物过滤净化方法采用多级生物过滤介质层的原理示意图。
图例说明
1、废气增湿单元 2、生物过滤介质层
3、营养液提供单元 4、废液处理单元
5、营养液喷淋头 6、控制单元
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种废气表面生物过滤净化方法，其特征在于步骤为：(1)设置生物过滤介质层：采用0.02～0.2m的薄层多孔合成填料作为生物过滤介质层，用来供细菌或真菌等微生物附着并生长在其上，其中过滤介质是孔隙率为90％～98％、孔径为1～10mm、开孔率在95％以上、拉伸强度大于5000Pa、抗压强度大于1000Pa、堆积密度为20～600kg/m3、比表面积为100～1000m2/m3的材料；该材料为高孔隙率开孔或网状结构，例如可以采用合成的有机或无机材料，如聚氨酯海绵或多孔陶瓷等。(2)废气过滤：将所需净化的废气以0.005～0.05m/s的较低流速穿过生物过滤介质层，停留时间为1～20s。在具体实施例中，在步骤(1)中，将营养液从生物过滤介质层的上方喷淋而下，提供微生物生长所需的营养元素和生存环境。同时，可将生物过滤介质层底部流出的废液收集、处理并再生循环使用。因此，也可将营养液提供单元3和废液处理单元4合并成为一个营养液再生补充单元。在通入废气端，可采用废气增湿单元1，其用来控制进入滤层内废气的湿度，当废气湿度较高时可以省略，并适当增加营养液的量。在较佳实施例中，废气通气量控制为1～10×104m3/m3介质/天、空床流速控制为0.005～0.05m/s、压降控制为0～50Pa、生物过滤介质层的温度控制为20～35℃、pH值控制为5～8、补充的营养液量控制为0.2～2m3/m3介质/天。
参见图1和图2所示，本发明的一种废气表面生物过滤净化装置，它包括废气增湿单元1、生物过滤介质层2、营养液提供单元3、废液处理单元4、营养液喷淋头5以及控制单元6，废气增湿单元1通过管路与生物过滤介质层2相连，营养液提供单元3通过管路与位于生物过滤介质层2上方的营养液喷淋头5相连，生物过滤介质层2的底部与废液处理单元4相连，营养液提供单元3与控制单元6相连。生物过滤介质层2的过滤介质采用孔隙率为90％～98％、孔径为1～10mm、开孔率在95％以上、拉伸强度大于5000Pa、抗压强度大于1000Pa、堆积密度为20～600kg/m3、比表面积为100～1000m2/m3 的材料。生物过滤介质层2为一层或一层以上，多层生物过滤介质层2采用并联或串联连接。
图1为单级工艺流程图，包括气体通路和营养液循环两个部分。废气经过湿度控制单元1，进入多孔合成生物过滤介质层2被净化后排出。营养液从营养液供给单元3泵入并均布在生物过滤介质层2上，提供微生物生命代谢所需的其它营养物质。产生的废液收集进入废液处理单元4进行处理和再生。
图2为并联的两级工艺流程，适用于处理工业上大气量多种污染物的混合废气或单级工艺不能有效处理的废气。四组多孔合成生物过滤介质层2组合成为并联两级的表面生物过滤工艺。对于成分复杂的废气，第一级降解亲水性易生物降解的污染物，第二级进一步降解其它未被降解的污染物，并通过调节投加的微生物菌种、营养液的成分和用量、运行参数等方法提高处理效率。它也包含气体通路和营养液循环两个部分，废气经过湿度控制单元1后，分成两部分分别进入左右两个支路；每个支路中第一个表面生物过滤单元的出气进入第二个表面生物过滤单元，第二个反应器的出气中污染物的浓度很低。营养液供给单元3和废液处理单元4同时为四个表面生物过滤单元工作。并联工艺可以解决大气量或者不同性质的废气处理问题。
实施例1：参见图1所示，采用单级工艺流程处理浓度为2000mg/m3的乙醚废气。采用孔隙率为90％，孔径为20目(约1毫米)的长方体聚氨酯海绵作为生物过滤介质层2的滤料，具体尺寸是高为20cm，宽为10cm，厚为5cm，体积为1L。废气经过废气增湿单元1后，横向垂直穿过生物过滤介质层2，流量约为10m3/天，空床气速为0.5cm/s，空床停留时间为10s。每天补充含有氮、磷等营养元素和缓冲剂的营养液的量为1L，控制单元6经营养液提供单元3通过营养液喷淋头5定时从填料上方均匀喷淋在整块生物过滤介质层2上。反应器内温度维持恒温25℃，营养液的pH值在7左右。
取污水处理厂的活性污泥作为接种微生物。采用活性污泥挂膜法进行动态驯化挂膜。 一个星期后，能明显看到滤料上生长有少量的生物膜，颜色逐渐变深，出气浓度稳定在20mg/m3以下，挂膜成功。连续运行一个月，乙醚的去除效率始终稳定在95％以上，滤料内的生物膜量增多，颜色变成深褐色。排放废液的pH值在5～7之间，反应器内压降升高了20Pa左右。
实施例2：参见图2所示，采用串联两级工艺流程处理浓度为含2000mg/m3H2S和500mg/m3甲苯的混合废气。每级生物过滤介质层2均采用滤料的孔隙率为90％，孔径为20目(约1毫米)的长方体聚氨酯海绵，高为20cm，宽为10cm，厚为5cm，体积为1L(同实施例1)。废气纵向垂直穿过第一级生物过滤介质层2的滤层，第一级的出气再流经第二级生物过滤介质层2，测量每级出气中的H2S和甲苯浓度。废气流量约为1m3/天，空床气速为0.5cm/s，空床停留时间为10s。每级每天各补充含有氮、磷等营养元素和缓冲剂的营养液的量为1.5L，控制单元6经营养液提供单元3通过营养液喷淋头5定时从填料上方均匀喷淋在整块生物过滤介质层2上。反应器内温度维持恒温25℃，营养液的pH值在7左右。
取污水处理厂的活性污泥作为接种微生物。采用活性污泥挂膜法进行动态驯化挂膜。一个星期后，第一级表面生物过滤单元出口的废气中H2S浓度为53mg/m3，甲苯浓度为146mg/m3；第二级出口的废气中基本检测不到H2S，甲苯浓度为22mg/m3。连续运行一个月，H2S的去除效率始终稳定在99％以上，甲苯的去除效率在97％左右。排放废液的pH值在3～6.5之间。第一级表面生物过滤单元滤料内的生物膜量明显多于第二级，颜色较深。菌落分析表明，第一级表面生物过滤单元中硫杆菌为优势菌种，第二级则是芽孢杆菌为优势菌种。
同时参见表1可知，与现有技术中的各种过滤方法相比，本发明的优点就是：布气均匀、压降较小、床层高度小、容积负荷高、处理量大、建造和运行费用较低、长期运行性能稳定。
表1
| 传统生物过滤 | 生物滴滤 | 转鼓生物过滤 | 本发明的表面生 物过滤 | |
| 床层高度(m) | 1～2 | 0.8～1.5 | 0.15～0.40 | 0.02～0.20 |
| 床层初始空隙率 | 20％ | 50％ | ＞90％ | ＞90％ |
| 填料 | 堆肥、砂砾等 | 堆肥、砂砾 和合成材料等 | 聚氨酯泡沫 | 合成多孔材料 |
| 填料使用寿命(年) | 1～4 | 2～6 | ＞5 | ＞5 |
| 废气停留时间(s) | 60～300 | 30～120 | 15～60 | 1～20 |
| 容积负荷(m3/m3/d) | 1,000 | 5,000 | 10,000 | 20,000 |
| 处理能力 | 较小 | 较大 | 较小 | 大 |
| 补充的液体及用量 | 水，较少 | 营养液，较多 | 营养液，多 | 营养液，较多 |
| 过程的可控制性 | 难 | 较容易 | 容易 | 容易 |
| 运行稳定性 | 不稳定 | 较稳定 | 稳定 | 稳定 |
| 适用范围 | 较窄 | 广泛 | 广泛 | 较广 |
| 去除效率 | 一般 | 较高 | 高 | 较高 |
| 装置建造费用 | 低 | 较高 | 高 | 较低 |
| 装置占地面积 | 极大 | 较小 | 小 | 非常小 |
| 装置运行维护费用 | 低 | 一般 | 较高 | 较低 |
Claims (5)
1.一种废气表面生物过滤净化方法，其特征在于步骤为：
(1)、设置生物过滤介质层：采用0.02～0.2m的薄层多孔合成填料作为生物过滤介质层，用来供细菌或真菌微生物附着并生长在其上，其中过滤介质是孔隙率为90％、孔径为20目的聚氨酯海绵；
(2)、废气过滤：将所需净化的废气以0.005～0.05m/s的较低流速穿过生物过滤介质层，停留时间为1～20s。
2.根据权利要求1所述的废气表面生物过滤净化方法，其特征在于：在步骤(1)中，将营养液从生物过滤介质层的上方喷淋而下，提供微生物生长的营养元素和生存环境。
3.根据权利要求2所述的废气表面生物过滤净化方法，其特征在于：在步骤(1)中，将生物过滤介质层底部流出的废液收集、处理并再生循环使用。
4.根据权利要求1或2或3所述的废气表面生物过滤净化方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述废气通气量控制为1～10×104m3/m3介质/天、空床流速控制为0.005～0.05m/s、压降控制为0～50Pa。
5.根据权利要求2或3所述的废气表面生物过滤净化方法，其特征在于：在步骤(1)中，生物过滤介质层的温度控制为20～35℃、pH值控制为5～8、补充的营养液量控制为0.2～2m3/m3介质/天。
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| 吴丹.生物过滤法处理VOCs与NH_3混合气的性能研究.中国博士学位论文全文数据库工程科技第Ⅰ辑 大连理工大学博士学位论文 2.2008,(2),第38-39页. * |
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