一种挥发性有机物处理反应系统及其应用

技术领域

本发明涉及挥发性有机物处理领域，具体涉及一种挥发性有机物处理反应系统及其应用。

背景技术

在塑料、橡胶加工、油漆生产、汽车喷漆和涂料生产等诸多工业领域中，工业品的生产和加工过程产生了大量含有挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)的废气(VOCs废气)。这些废气未经处理排入大气，在一定条件下会形成光化学污染，影响大气质量，影响动植物生长和人类的健康。某些有毒VOCs废气有致残、致畸、致癌作用，对长期暴露其中的人体造成严重伤害。为此，各国颁布了相应的法令，限制该类气体的排放，我国于1997年颁布并实施的《大气污染综合排放标准》，限定33种污染物的排放限值，其中包括苯、甲苯、二甲苯等挥发性有机物。

对VOCs废气的治理，有多种处理技术可供使用。但对于VOC浓度低、风量大的废气，传统工艺存在投资运行费用高、处理效率低和处理后存在二次污染等问题。传统的吸附剂物理吸附工艺产生固废或需要昂贵的再生工艺；催化燃烧、催化氧化等需要额外添加能源等造成浪费，并产生二次污染及造成大量温室气体排放。

近年来，逐渐发展的废气生物处理技术作为一种新型的空气污染控制技术，投资与运行成本相较催化燃烧、催化氧化等工艺都成级数的降低，而且没有二次污染物，无需使用化石能源作为染料，温室气体产生更低，得到日益广泛的应用。传统的生物处理VOCs技术包括，生物涤法、生物滴滤法、生物过滤法。

生物滴滤法VOCs气体由塔底进入，在流动过程中与生物膜接触而被净化，净化后的气体由塔顶排出。循环喷淋液从填料层上方进入滤床，流经生物膜表面后在滤塔底部沉淀，上清液加入N、P、pH调节剂等循环使用，沉淀物排出系统。但是，处理浓度低，处理气体亨利系数小。

生物过滤法净化系统由增湿塔和生物过滤塔组成。挥发性有机气体在增湿塔增湿后进入过滤塔，与已经接种挂膜的生物滤料接触而被降解，最终生成CO

生物洗涤法是利用微生物、营养物和水组成的微生物吸收液处理废气.适合于吸收可溶性气态污染物。生物洗涤法中气、液相接触方法，生物洗涤法的循环洗涤液需采用活性污泥法来再生。然而在通常情况下，循环洗涤液主要是水，因此，该方法只适用于水溶性较好的VOCs，如乙醇、乙醚等亨利系数较小的物质，而对于难溶的VOCs，该方法则不适用。

由此可见，单纯的生物工艺依然存在着处理VOCs浓度较低，受VOCs波动影响较大，且受VOCs中非水溶性的气体波动影响较大，非可水溶性物质在VOCs的比例高低直接影响VOCs的去除效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种针对非水溶性物质具有较高捕捉处理能力的挥发性有机物处理反应系统及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种挥发性有机物处理反应系统，该反应系统包括生物洗涤反应器，该生物洗涤反应器内包括活性污泥与可再生的挥发性有机物吸附剂，该生物洗涤反应器还包括：

气体进口，用于将挥发性有机物导入生物洗涤反应器；

进口喷淋装置，用于抽出生物洗涤反应器内的活性污泥与吸附剂，将挥发性有机物捕捉到生物洗涤反应器下部；通过喷淋的方式捕捉水溶性有机物以及部分非水溶性有机物并在生物洗涤反应器中降解，吸附剂在生物洗涤反应器中得到生物再生；

曝气盘，用于对生物洗涤反应器曝气并提供氧气；

气体出口，用于将曝气处理的气体排出；

所述的气体进口位于生物洗涤反应器的一侧，并与进气管道相连，所述的进口喷淋装置一端与生物洗涤反应器的一侧相连，另一端与进气管道相连；所述的曝气盘位于生物洗涤反应器的底部。

进一步地，该反应系统还包括膜反应器，该膜反应器上还设有：

膜产水喷淋管，用于产生喷淋水，进一步吸收曝气处理的气体中剩余的挥发性有机物；还有一个作用为生物滴滤载体上的生物膜提供相应的养分。

所述的膜反应器与生物洗涤反应器相连，所述的膜产水喷淋管A端与膜反应器相连，B端位于生物洗涤反应器上部。

进一步地，所述膜产水喷淋管的B端下方设有生物滴滤载体，用于生长生物膜，帮助降解挥发性有机物。喷淋水一方面进一步吸收挥发性有机物，通过水溶液的形式降落到生物滴滤载体，并进一步得到降解，同时为生物滴滤载体提供生物生长需要的氮、磷等营养物质。

进一步地，所述的生物滴滤载体上包括固定床生物填料，该填料上附着生物膜；所述的固定床生物填料包括熔岩颗粒、多孔陶粒、矿渣、加气混凝土、活性炭、氧化铝，碳基材料、腐殖树皮、植物根须、枝杈、锯末或泥炭中的一种或几种。

进一步地，所述的吸附剂为无机或有机多孔物质，具体包括活性炭、天然沸石、人工沸石、有机物热解产物、高岭土或活性氧化铝；

进一步地，所述的吸附剂为100-3000目的粉末状，吸附剂的比表面积为200-1500m

进一步地，所述的生物洗涤反应器内还包括洗涤填料；该洗涤填料的材质包括：陶瓷填料、塑料填料或金属填料；填料的种类包括：拉西环、鲍尔环、阶梯环填料、弧鞍填料、矩鞍填料、环矩鞍填料、球形填料、共轭环填料、海尔环填料、纳特环填料、格栅填料或波纹填料一种或多种。膜反应器的膜可以是有机膜或无机膜。

一种如上所述的挥发性有机物处理反应系统的应用，该反应系统应用于挥发性有机物的处理，具体包括以下步骤：

(1)挥发性有机物的吸附捕捉：将挥发性有机物通过进气管道，经气体进口进入生物洗涤反应器；期间，进口喷淋装置将生物洗涤反应器内的活性污泥与吸附剂抽出，并向进气管道喷淋，将挥发性有机物，尤其是非水溶性挥发性有机物，捕捉到生物洗涤反应器中；

此步骤中，重点通过喷淋的方式捕捉水溶性挥发性有机物以及部分非水溶性挥发性有机物并使其在生物洗涤反应器中降解，同时吸附剂在生物洗涤反应器中得到生物再生；

(2)挥发性有机物的生物接触氧化：启动曝气盘，对生物洗涤反应器曝气并提供氧气，对挥发性有机物进行生物接触氧化，经处理后的气体经过生物滴滤载体后，从气体出口排出；

(3)挥发性有机物的再吸收：将生物洗涤反应器中的物料部分通入到膜反应器中，进行膜生物反应后，将干净的喷淋水经过膜产水喷淋管喷淋到生物滴滤载体上，对气体中剩余的挥发性有机物进行再吸收。

本发明是一种针对中低浓度的挥发性有机物处理工艺，改良生物洗涤(Bioscrubber)与生物过滤(Biofilter)，实现对可溶性有机物、非可溶性有机物都具有较高的处理效率。

进一步地，所述的活性污泥的浓度为200-30000mg/L，优选1000-20000mg/L；

所述的吸附剂的浓度为100-30000mg/L，优选300-20000mg/L；

所述的进口喷淋装置(13)的喷淋水气比为0.5-200L/m

所述的膜产水喷淋管(21)的喷淋水气比为0.5-40L/m

所述的生物过滤填料层(15)上的空塔停留时间为1-40s，优选5-25s；

所述的曝气方式包括微孔曝气、粗孔曝气或射流曝气，曝气的氧气流量为10-600m

进一步地，所述的挥发性有机物包括甲苯、乙醇、乙二胺、甲醇、甲醛、苯、二甲苯、乙苯、戊烷、2-甲基己烷、羰基硫、1-丙醇或丙酮中的一种或多种；所述的挥发性有机物浓度<2000mg/m

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用物化吸附方式与生物再生工艺，提高了有机物的捕捉能力，相比传统的生化工艺，大大提高了VOCs的处理负荷，相比传统的燃烧、催化等工艺无二次污染，不需要额外消耗能源，投资与运行成本低一个数量级以上；

(2)本发明可将水溶性好的VOCs通过喷淋生物洗涤到水中，由于喷淋中使用吸附剂与活性污泥，部分水溶性差的VOCs也被吸附剂与活性污泥捕捉到生物反应器中并被吸收降解，而一部分剩余的水溶性差的VOCs通过进口喷淋装置喷淋后，到生物反应器中曝气，被吸附剂与活性污泥吸附并在生物反应器中得到降解，而剩下部分没有及时在生物反应器中处理的水溶性较差的VOCs则在生物滴滤载体中去除，因此，所有VOCs都可以有效去除；

(3)本发明的吸附剂能够有效捕捉水溶性差的VOCs到水中，大大提高此类VOCs的去除效率，吸附剂通过喷淋与进气接触并吸附捕捉VOCs，在生化水处理中得到再生，提高了吸附剂的使用频率，提高了吸附剂的使用效率。

附图说明

图1为实施例中使用的挥发性有机物处理反应系统的示意图；

图中标号所示：生物洗涤反应器1、气体进口11、气体出口12、进口喷淋装置13、曝气盘14、生物滴滤载体15、膜反应器2、膜产水喷淋管21。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种挥发性有机物处理反应系统，如图1，该反应系统包括生物洗涤反应器1，该生物洗涤反应器1内包括活性污泥与可再生的挥发性有机物吸附剂，

该生物洗涤反应器1还包括：气体进口11，用于将挥发性有机物导入生物洗涤反应器1；进口喷淋装置13，用于抽出生物洗涤反应器1内的活性污泥与吸附剂，将挥发性有机物捕捉到生物洗涤反应器1下部；曝气盘14，用于对生物洗涤反应器1曝气并提供氧气；气体出口12，用于将曝气处理的气体排出；气体进口11位于生物洗涤反应器1的一侧，并与进气管道相连，进口喷淋装置13一端与生物洗涤反应器1的一侧相连，另一端与进气管道相连；曝气盘14位于生物洗涤反应器1的下部，气体出口12位于生物洗涤反应器1的顶部。

该反应系统还包括膜反应器2，该膜反应器2上还设有：膜产水喷淋管21，用于产生喷淋水，进一步吸收曝气处理的气体中剩余的挥发性有机物；膜反应器2与生物洗涤反应器1相连，膜产水喷淋管21A端与膜反应器2相连，B端位于生物洗涤反应器1上部。膜产水喷淋管21的B端下方设有生物滴滤载体15，用于帮助膜产水喷淋管21对于挥发性有机物的吸收。生物滴滤载体15上包括固定床生物填料，该填料上附着生物膜；固定床生物填料包括熔岩颗粒、多孔陶粒、矿渣、加气混凝土、活性炭、氧化铝，碳基材料、腐殖树皮、植物根须、枝杈、锯末或泥炭中的一种或几种。

其中，吸附剂为无机或有机多孔物质，具体包括活性炭、天然沸石、人工沸石、有机物热解产物、高岭土或活性氧化铝；吸附剂为100-3000目的粉末状，吸附剂的比表面积为200-1500m

该挥发性有机物处理反应系统应用于挥发性有机物的处理，挥发性有机物包括甲苯、乙醇、乙二胺、甲醇、甲醛、苯、二甲苯、乙苯、戊烷、2-甲基己烷、羰基硫、1-丙醇或丙酮中的一种或多种；挥发性有机物浓度<2000mg/m

(1)挥发性有机物的吸附捕捉：将挥发性有机物通过进气管道，经气体进口11进入生物洗涤反应器1；期间，进口喷淋装置13将生物洗涤反应器1内的活性污泥与吸附剂抽出，并向进气管道喷淋，将挥发性有机物，捕捉到生物洗涤反应器1中；

(2)挥发性有机物的生物接触氧化：启动曝气盘14，对生物洗涤反应器1曝气并提供氧气，对挥发性有机物进行生物接触氧化，经处理后的气体经过生物滴滤载体15后，从气体出口12排出；

(3)挥发性有机物的再吸收：将生物洗涤反应器1中的物料部分通入到膜反应器2中，进行膜生物反应后，将干净的喷淋水经过膜产水喷淋管21喷淋到生物滴滤载体15上，对气体中剩余的挥发性有机物进行再吸收。

其中，活性污泥的浓度为1000-20000mg/L；吸附剂的浓度为300-20000mg/L；进口喷淋装置13的喷淋水气比为0.5-100L/m

实施例1

本实施例处理含甲苯、乙醇、丙酮混合挥发性气体。采用本工艺去除VOCs，其中乙醇、丙酮为易溶于水的VOCs，甲苯为不易溶于水的有机挥发性气体。

进气处采用污泥与吸附剂喷淋，未填充洗涤填料，进口喷淋装置13的污泥喷淋水气比是20L/m

膜反应器2采用浸没式超滤，PVDF中孔纤维，膜产水喷淋管21的清水喷淋水气比为：4L/m

请问，膜反应器2除了将污泥截留，清水放出去喷淋生物滴滤和捕捉VOCs外，在该处也会进一步降解溶解的有机物，也会降解部分的污泥，当污泥积累到一定程度的时候也需要排出部分污泥。

本工艺采用生物过滤与生物洗涤结合，其中生物滴滤载体15上的固定床生物填料采用火山岩作为填料，空塔停留时间为25s；

系统进出处理效果

对比例1

与实施例1相比，进气处不采用污泥与吸附剂喷淋，仅保留生物滴滤。

系统进出处理效果

可以看出，单独使用生物滴滤工艺，由于可溶性易降解VOCs的存在，导致生物更倾向处理易降解VOCs，就会影响如苯类等相对难降解的VOCs的降解。因此，需要更长的停留时间或者需要多级串联的工艺才能达到较好的效果；生物滴滤与生物洗涤结合有利于难溶有机物的去除，使得易溶于水的VOCs通过生物洗涤处理，而不易溶于水的VOCs通过生物滴滤处理，减少了在生物滴滤载体上对有机物的竞争。

而单独使用生物洗涤工艺处理难溶于水的VOCs，由于VOCs无法到达水中，因此无法获得较好的去除率；生物滴滤工艺结合生物洗涤工艺可以结合两者之间的优点，达到较好的综合去除效果；

本发明的生物洗涤结合膜生物反应器，通过膜工艺过滤颗粒物后喷淋到生物滴滤反应器，为生物滴滤载体物质提供了N、P、微量元素等生物生长所需的物质；由于喷淋的水是经过过滤后的水，降低带入颗粒物质导致长时间运行后的载体填料污堵；

在生物洗涤工艺的生物反应器中加入吸附剂，增加了VOCs的吸附，尤其是对于溶解性较差的VOCs，如甲苯、二甲苯等，通过喷淋使得较多的VOCs到达生物洗涤反应器，并在生物洗涤反应器中生物降解，并再生载体，提高了物质的处理负荷。

实施例2

处理含乙二胺、甲醇、甲醛、甲苯混合挥发性气体，其中进气处甲醛浓度：31.1mg/m

进气处采用污泥与吸附剂喷淋，未填充洗涤填料，进口喷淋装置13的污泥喷淋水气比是20L/m

膜反应器2采用浸没式超滤，PVDF中孔纤维，膜产水喷淋管21的清水喷淋水气比为：4L/m

本工艺采用生物过滤与生物洗涤结合，其中生物滴滤载体15上的固定床生物填料采用火山岩作为填料，空塔停留时间为5s；

系统进出处理效果

实施例3——有机肥料生物发酵废气处理

进气处采用污泥与吸附剂喷淋，生物洗涤反应器1放入塑料鲍尔环填料，进口喷淋装置13的污泥喷淋水气比是40L/m

膜生物反应器2采用浸没式超滤，PVDF中孔纤维，膜产水喷淋管21的清水喷淋水气比为：2L/m

本工艺采用生物过滤与生物洗涤结合，其中生物过滤填料层15上的固定床生物填料采用人造氧化铝多孔材料作为填料，空塔停留时间为3s；

系统进出处理效果

对比例3

与实施例3的区别在于，工艺中去掉了吸附剂的使用。

系统进出处理效果

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。