化工裝置揮發(fā)性有機物的處理探究
崔留印
( 河南龍宇煤化工有限公司河南永城476600)
摘要生物法處理揮發(fā)性有機廢氣是近年來逐步發(fā)展起來的一項廢氣治理新技術(shù)，具有效率高、投資及運行費用低、無二次污染、安全性好等優(yōu)點。概述了生物法處理有機廢氣的3 種反應器( 生物過濾池、生物滴濾塔和生物洗滌器) 的工作原理、流程、應用情況及優(yōu)缺點，并結(jié)合吸附法進行分析對比。
0 前言
揮發(fā)性有機污染物( VOCs) 被視為繼粉塵之后的第2 類量大、面廣的大氣污染物［1］。在眾多的VOCs 排放源中，以煉油和化工行業(yè)的污水處理廠最為典型，按其組成和特性大致可分為6 類，即碳氫化合物、脂肪族氧化物、含氮有機物、有機鹵化物、有機硫化物和含氯有機化合物，具體如表1所示。VOCs 來源廣泛，主要有: ①固定源，如石油化工、制藥、涂料等行業(yè)排放的廢氣; ②移動源，如汽車等交通工具排放的尾氣; ③家庭排放的油煙。
1 VOCs 處理技術(shù)
VOCs 的處理技術(shù)主要分為兩大類［1］: ①在生產(chǎn)環(huán)節(jié)防止或減少VOCs 排放的控制措施，如更換有毒易揮發(fā)原料、改進生產(chǎn)工藝技術(shù)、更新設備等，從而消除VOCs 排放; ②以末端治理為主的控制性措施。雖然第1 類方法是治理有機廢氣污染的最佳方法，但由于目前生產(chǎn)技術(shù)水平的限制，不可避免會向環(huán)境中排放和泄漏不同濃度的有機廢氣，故比較現(xiàn)實有效的是采用第2 類方法治理VOCs 的污染。對于末端控制技術(shù)，目前國內(nèi)外常見的有燃燒處理技術(shù)、吸附技術(shù)、吸收技術(shù)、冷凝技術(shù)、膜分離技術(shù)及生物處理技術(shù)等。燃燒處理是VOCs 處理中較為常用的技術(shù)，適合于處理量小、污染物濃度高的氣體，但其負荷有限，會造成二次污染且不能實現(xiàn)溶劑回收，將逐步被淘汰。冷凝法、吸收法、吸附法和膜分離法屬回收技術(shù)，不僅符合環(huán)保要求，且能帶來經(jīng)濟效益。冷凝法需低溫且只適用于高濃度VOCs 處理，存在設備投資和操作運行費用高、處理溶劑不完全、回收率較低等缺點，故很少單獨使用，其常與壓縮、吸附、吸收等過程聯(lián)合應用。吸收法對吸收劑和吸收設備的要求較高，吸收劑需定期更換，工藝過程較復雜，操作費用較高，且吸收劑的回收或進一步處理也成為環(huán)保治理的棘手問題。膜分離法［2］具有流程簡單、VOCs 回收率高、能耗低、無二次污染等優(yōu)點，但其投資費用較高，一般作為高濃度有機廢氣的預處理單元。吸附法具有設備簡單、易于操作、安全環(huán)保等優(yōu)點，是目前主要的VOCs 處理方法之一。生物法是新興的VOCs 處理技術(shù)，與傳統(tǒng)工藝相比，具有投資少、運行費用低、操作簡單等特點，是最有希望替代燃燒法和吸附法處理VOCs 的新型技術(shù)。
2 吸附法控制VOCs 污染
吸附工藝一般采用活性炭作為吸附劑［3］。研究表明，活性炭吸附VOCs 性能最佳，原因在于其他吸附劑( 如硅膠、金屬氧化物等) 具有極性，在水蒸氣共存的條件下，水分子與吸附劑極性分子相結(jié)合，從而降低了吸附劑的吸附性能; 而活性炭分子不易與極性分子結(jié)合，從而提高了VOCs的吸附能力。但也有部分VOCs( 如丙烯酸、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、2 － 乙基己醇、丙酸、苯酚、丁酸、戊酸、甲基丙烯酸甲酯、丁二胺、二乙酸三胺、丙烯酸異丁酯、丙烯酸二乙基酯、二異氰酸甲苯酯、三亞乙基四胺、乙酸二甲酯等) 被活性炭吸附后難以再從活性炭中除去，需采用生物法處理控制。VOCs 控制吸附工藝流程見圖1。
含VOCs 的混合氣體先去除顆粒狀污染物，再經(jīng)調(diào)整壓力后進入吸附塔1 的吸附床進行吸附、凈化，凈化后的氣體排入大氣。當吸附塔1 內(nèi)的活性炭吸附飽和后，通過閥門切換至吸附塔2進行吸附; 同時向吸附塔1 通入蒸汽進行脫附，解吸出的蒸汽( 空氣) 混合物冷凝后由濃縮器、分離器進行分離，脫附后的活性炭用熱空氣干燥后循環(huán)使用，一般可重復使用5 年。該法適用于處理中、低濃度的VOCs 尾氣，吸附效果取決于吸附劑性質(zhì)和VOCs 種類、濃度、性質(zhì)及吸附系統(tǒng)的壓力、溫度、濕度等因素，一般不飽和化合物比飽和化合物吸附更完全，環(huán)狀化合物比直鏈化合物更易被吸附。
3 生物法控制VOCs 污染
3． 1 生物法控制VOCs 的原理
VOCs 生物凈化過程的實質(zhì)是在適宜的環(huán)境條件下，附著在濾料介質(zhì)中的微生物利用廢氣中的有機成分作為碳源和能源，維持其生命活動，并將有機物同化為CO2，H2O 和細胞質(zhì)的過程，主要包括VOCs 從氣相傳遞至液相、VOCs 從液相擴散至生物膜表面、VOCs 在生物膜內(nèi)部擴散、生物膜內(nèi)的降解反應和代謝產(chǎn)物排出生物膜5 個步驟［1］，即吸收傳質(zhì)過程與生物氧化過程相結(jié)合，前者取決于氣液間的傳遞速率，后者取決于生物的降解能力。該方法對水溶性好、生物降解能力強的VOCs 具有較好的處理效果。
3． 2 生物法處理VOCs 工藝
在廢氣生物處理過程中，根據(jù)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)情況和微生物的存在形式，可將生物處理工藝分成懸浮生長系統(tǒng)和附著生長系統(tǒng)［2］。懸浮生長系統(tǒng)即微生物及其營養(yǎng)物存在于液體中，氣相中的有機物通過與懸浮液接觸后轉(zhuǎn)移至液相，從而被微生物降解，其典型的形式有鼓泡塔、噴淋塔及穿孔塔; 而附著生長系統(tǒng)中的微生物附著生長于固體介質(zhì)表面，廢氣通過由濾料介質(zhì)構(gòu)成的固定床層時，被吸附、吸收，最終被微生物降解，其典型的形式有土壤、堆肥、填料等材料構(gòu)成的生物過濾塔; 生物滴濾塔同時具有懸浮生長系統(tǒng)和附著生長系統(tǒng)的特性。20 世紀末，德國應用生物法處理VOCs 廢氣取得了成功，目前生物凈化法在歐美發(fā)達國家已有很大規(guī)模的工業(yè)應用。
3． 2． 1 生物洗滌塔
生物洗滌裝置由吸收室和再生池構(gòu)成，其工藝流程見圖2。
生物懸浮液在吸收室( 洗滌塔) 將廢氣中的污染物和氧轉(zhuǎn)入液相。如果污染物的'濃度較低、水溶性較高，就被帶入再生池( 活性污泥池) 。在活性污泥池中，污染物經(jīng)微生物的新陳代謝作用，最終被降解脫除。生物洗滌法中的液相( 帶有懸浮微生物) 是流動的，在吸收室和再生池內(nèi)連續(xù)循環(huán)。洗滌塔中氣液相的接觸方法除液相噴淋外，還可采用氣相鼓泡，如果氣相阻力較大，則采用噴淋法，反之采用鼓泡法。德國開發(fā)的二級洗滌脫臭裝置可將臭氣質(zhì)量濃度由2 100 mg /L 降至50 mg /L［4］。
3． 2． 2 生物過濾塔
生物過濾塔降解VOCs 工藝流程和生物降解模型分別見圖3 和圖4。
生物過濾塔是通過附著在填料床上微生物的新陳代謝作用，在過濾塔內(nèi)分成氣、液( 固) 兩相，即含有VOCs 的氣相主體與由水、含水微生物膜及含生物膜的濾料介質(zhì)組成的液( 固) 相。VOCs通過擴散效應、平流效應及氣相、液( 固) 相的傳遞而被吸附至液( 固) 相中，然后傳遞至液( 固) 相的VOCs 通過微生物降解成CO2，H2O，NO －3和SO2 －4等無害物質(zhì)，生成的無害氣體通過三相之間的傳遞［5］進入氣相主體外排，從而完成VOCs 的降解過程。VOCs 在生物過濾塔中的降解可視為傳質(zhì)和生化反應的聯(lián)合過程，因此只要建立起氣相主體在濾料介質(zhì)中的傳質(zhì)模型和生物降解模型，即可建立其降解的整體模型。本模型將生物過濾塔的傳質(zhì)和生物降解過程作為兩相處理，即氣相主體和液/固相主體，有效分離了VOCs 在過濾塔中的吸附效應和生物降解效應。在生物過濾塔啟動階段( 干態(tài)) ，濾料的吸附效應起主要作用; 吸附飽和并接種微生物后，生物降解則起著主導作用。任何能夠吸附氣體化合物并支持微生物生長的多孔材料都可作為生物過濾塔的填充材料。最初，生物過濾塔主要用于去除氣體中的臭氣及無機物質(zhì)( 如NH3，H2S 等) ，而后逐步擴展至對VOCs 的去除。試驗證明，采用經(jīng)馴化并篩選后的真菌降解流量為43 L /h、含苯乙烯質(zhì)量濃度為800 mg /m3 的氣體，處理效率高達99%［1］。
生物過濾塔的去除效率取決于微生物的活性，且受到水分含量、溫度、pH、VOCs 進料速度及種類等多種因素的影響。
3． 2． 3 生物滴濾塔
生物滴濾塔工藝流程見圖5。
VOCs 氣體由生物滴濾塔塔底進入，在流動過程中與已接種掛膜的生物濾料接觸而被凈化，凈化后的氣體由塔頂排出。生物滴濾塔集廢氣的吸收與液相再生于一體，塔內(nèi)提供了附著微生物生長、有機物降解的條件。啟動初期，循環(huán)液( 其中接種了被有機物馴化的微生物菌種) 從塔頂噴淋而下，與進入塔內(nèi)的VOCs 氣體異向流動，微生物利用溶解于液相中的有機物質(zhì)進行新陳代謝，并附著于填料表面，形成微生物膜，完成生物掛膜過程; 氣相主體的有機物和氧氣經(jīng)傳輸進入微生物膜，被微生物利用，代謝產(chǎn)物再經(jīng)擴散作用進入氣相主體后外排。生物滴濾塔通常由不含生物質(zhì)的惰性填料床組成，其頂部設有噴淋裝置，用以控制濾床的溫度，且能在噴淋液中加入營養(yǎng)液和緩沖物質(zhì)，以創(chuàng)造適宜微生物生長、繁殖的環(huán)境。與生物過濾塔相比，生物滴濾塔具有更低的壓降和更有效的營養(yǎng)控制方式。
4 國內(nèi)、外生物處理VOCs 應用及展望
利用生物法處理空氣中的污染物可追溯到20 世紀50 年代中期，其最先用于處理空氣中低濃度的臭味物質(zhì)［6］，如堆肥場和動物脂肪加工廠的生物處理。第1 個利用微生物處理廢氣的專利于1957 年在美國出現(xiàn)，但直至1970 年才引起各國重視; 到1980 年，德國、日本、荷蘭等國家已有相當數(shù)量的各類生物處理廢氣裝置投入運行，對混合廢氣的去除率一般在95% 以上; 目前，歐美等發(fā)達國家已成功將其應用于化工、輕工等行業(yè)。隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展，各類有機溶劑的應用越來越廣，尤其是近年來，大量化工裝置揮發(fā)性有機物的處理探究大型煤化工項目的建成投產(chǎn)，有機廢氣的排放量也隨之逐年增加，由于其對環(huán)境和人類造成的危害，人們對VOCs 治理的關注度越來越高，對VOCs 治理成效的要求也會越來越嚴格。而利用生物法，可通過選擇合適的支撐材料來改善氣流條件、強化傳質(zhì)能力，通過選擇比表面大的濾料和細胞化固定技術(shù)以增加單位濾塔體積的負荷處理能力，通過控制適當?shù)奈⑸锷L環(huán)境參數(shù)來提高污染物的轉(zhuǎn)化率。隨著人們對生物法凈化廢氣工藝的認識日益加深以及對各類氣態(tài)污染物凈化要求的不斷提高，必將推動該技術(shù)的廣泛應用，進而有效解決
VOCs 引起的污染。河南龍宇煤化工有限公司現(xiàn)有除臭裝置采用吸收法處理，對硫化氫、氨等惡臭無機廢氣處理效果較好，但VOCs 的處理效果不佳，排放氣中仍有異味，對周圍環(huán)境仍有影響; 噴淋吸收液需頻繁更換，否則吸收液中COD 含量、鹽度上升過快，廢氣無法達標排放; 另外，隨著二期乙酸和乙二醇裝置的開車生產(chǎn)，勢必產(chǎn)生更多成分、更復雜的VOCs廢氣，目前的除臭裝置顯然無法滿足要求，而采用生物法能較好地解決此問題。
參考文獻
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（化肥工業(yè)）
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