生物法處理VOCs廢氣的實(shí)驗(yàn)對(duì)工程應(yīng)用的指導(dǎo)作用

崔一凡，孫明輝，盧振琦，張維華，蔡海燕

（江蘇航天惠利特環(huán)保科技有限公司南京分公司，南京 210000）

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）對(duì)環(huán)境以及人類健康的危害已逐漸受到人們的重視，“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出加快揮發(fā)性有機(jī)物排放的綜合整治，揮發(fā)性有機(jī)物總量下降10%以上的目標(biāo)。目前生物法在工業(yè)企業(yè)的污水站廢氣處理中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]，關(guān)于生物法處理VOCs的試驗(yàn)研究主要涉及進(jìn)氣濃度、氣體停留時(shí)間、溫度、填料類型等方面[4-6]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，各工業(yè)企業(yè)廢氣中的污染物組分多樣，進(jìn)氣濃度也存在差異，在難以具備實(shí)驗(yàn)條件的情況下，為了進(jìn)行生物法處理有機(jī)廢氣的初步設(shè)計(jì)，包括對(duì)填料類型、空塔停留時(shí)間等的設(shè)計(jì)，可在已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析與推測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括VOCs氣源發(fā)生系統(tǒng)和生物過濾塔、生物滴濾塔，其組成見圖1。其中電子流量計(jì)量程為0～200 L/ min；生物過濾塔和滴濾塔為有機(jī)玻璃材質(zhì)，內(nèi)壁凈尺寸為100 mm×100 mm，填料高度為600 mm，生物過濾塔的填料自下而上依次為柱狀活性炭、輕質(zhì)陶瓷顆粒、堆肥，體積比依次為1:3:2，生物滴濾塔填料為聚丙烯鮑爾環(huán)，規(guī)格為DN15；生物過濾塔每日添加一次營(yíng)養(yǎng)液，生物滴濾塔連續(xù)噴淋，蠕動(dòng)泵運(yùn)行流量約為16 mL/ min。

圖1 生物法凈化VOCs氣體實(shí)驗(yàn)流程圖

1.2 VOCs氣源

有機(jī)廢氣氣源是通過氮?dú)馄酷尫诺牡獨(dú)獯龠M(jìn)鼓泡瓶中的有機(jī)溶液揮發(fā)產(chǎn)生的氣體與風(fēng)機(jī)引入的空氣混合而成（空氣中的氧氣可為生物反應(yīng)器中的微生物提供好氧環(huán)境），混合氣體在緩沖罐里充分混合均勻。VOCs的濃度可通過氮?dú)馄慨a(chǎn)生的氮?dú)饬窟M(jìn)行控制，進(jìn)入生物反應(yīng)器的廢氣流量可通過手動(dòng)球閥控制，一定的廢氣流量對(duì)應(yīng)一定的氣體停留時(shí)間。

1.3 試劑

營(yíng)養(yǎng)液含有以下分析純?cè)噭篘H4Cl；K2HPO4；MgSO4·7H2O；CaCl2；MnSO4·H2O；FeSO4·7H2O；ZnSO4·7H2O等；氮源和磷源投加量依據(jù)碳、氮、磷質(zhì)量比為100：5：1進(jìn)行投加。

1.4 測(cè)試方法

氣體中甲苯、乙酸乙酯、乙醇、二氯甲烷的濃度采用氣相色譜法測(cè)定（FID檢測(cè)器）。

2 結(jié)果與討論

生物滴濾塔和生物過濾塔在一定時(shí)間內(nèi)依次處理了甲苯、乙酸乙酯、乙醇、二氯甲烷氣體，運(yùn)行時(shí)間依次為60天（含馴化7天）、20天（含馴化3天）、20天（含馴化3天）、30天。生物滴濾塔和生物過濾塔并聯(lián)運(yùn)行，同一時(shí)間的進(jìn)氣條件、氣體停留時(shí)間、環(huán)境溫度均相同。

2.1 生物滴濾塔與生物過濾塔處理效果的比較

在停留時(shí)間為60 s的條件下，用生物滴濾塔和生物過濾塔處理甲苯氣體，甲苯入口濃度在200～800 mg/m3的區(qū)間變化，處理效果如圖2所示。在停留時(shí)間為20 s的條件下，用生物滴濾塔和生物過濾塔處理乙醇?xì)怏w，乙醇入口濃度在250～950 mg/ m3的區(qū)間變化，處理效果如圖3所示。

由圖2可知甲苯入口濃度小于500 mg/m3時(shí)，生物滴濾塔和生物過濾塔的氣體出口濃度比較接近，均小于40 mg/m3，生物滴濾的出口濃度略大于生物過濾，甲苯入口濃度超過500 mg/m3時(shí)，入口濃度越大，兩種塔的氣體出口濃度增幅越快，且生物滴濾的出口濃度增速比生物過濾快。由此可知，相似入口濃度下，生物過濾塔的處理效果優(yōu)于生物滴濾塔，且生物過濾塔的抗沖擊負(fù)荷能力更強(qiáng)，相似的結(jié)論也可從圖3中得出，這與李國(guó)文等人[7]的研究結(jié)果相符。

仔細(xì)觀察圖2和圖3可知，甲苯和乙醇的入口濃度超過500 mg/m3后，圖2中（甲苯）生物滴濾塔與生物過濾塔在相似入口濃度條件下，出口濃度之間的差值明顯大于圖3中（乙醇）生物滴濾與生物過濾出口濃度之間的差值。甲苯水溶性較差，乙醇與水互溶，對(duì)于水溶性較差的VOCs，在較高濃度的進(jìn)氣條件下，生物過濾塔的性能明顯優(yōu)于生物滴濾塔。而這種差異性在較低濃度進(jìn)氣條件下，對(duì)于水溶性較好或較差的VOCs來說，都不是很明顯。

圖2 T=60s時(shí)生物滴濾塔和生物過濾塔對(duì)甲苯的處理效果

圖3 T=20s時(shí)生物滴濾塔和生物過濾塔對(duì)乙醇的處理效果

2.2 VOCs處理效果與其可生化性指標(biāo)的關(guān)系

圖4反映的是生物過濾塔對(duì)甲苯、乙酸乙酯、乙醇的處理效果情況。其中乙酸乙酯的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于氣體停留時(shí)間為20 s，甲苯的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于氣體停留時(shí)間為30 s。觀察圖4可知，在各介質(zhì)入口濃度約100～850 mg/m3的范圍內(nèi)，生物過濾塔對(duì)VOCs的處理效果由優(yōu)到劣依次為乙醇、乙酸乙酯、甲苯。

圖4 生物過濾塔對(duì)乙醇、乙酸乙酯、甲苯的處理效果

我們嘗試用上述裝置處理二氯甲烷氣體，在30天的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，進(jìn)氣濃度為0～100 mg/m3的二氯甲烷在停留時(shí)間為70 s的條件下去除率不超過20%，處理效果明顯劣于上述三種VOCs。

乙醇、乙酸乙酯、甲苯、二氯甲烷的BOD5/COD值依次為0.6、0.45、0.1、0，反映出這四種物質(zhì)的可生化性依次降低。這種排序關(guān)系與上述VOCs的處理效果排序一致，即某種有機(jī)物的BOD5/COD值越高，生物法對(duì)其處理效果越好。在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，可根據(jù)上述規(guī)律推測(cè)某種VOCs廢氣的生物法處理效果。

2.3 工程應(yīng)用中停留時(shí)間的選取和處理工藝的選擇

在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，VOCs廢氣組分往往不會(huì)是單一組分，我們可根據(jù)主要污染物組分的親水性來選擇處理工藝或設(shè)計(jì)氣體停留時(shí)間。

由圖3可知，對(duì)于親水性好的乙醇，生物過濾和生物滴濾工藝在1 000 mg/m3以下的進(jìn)氣條件下處理效果比較接近。同樣尺寸和同樣填料堆積高度的生物過濾和生物滴濾裝置，生物過濾填料重量更大、壓損更高，導(dǎo)致裝置造價(jià)更高、風(fēng)機(jī)電耗更大，故對(duì)于親水性較好的VOCs，優(yōu)先選擇生物滴濾工藝進(jìn)行處理。如果污染物組分中親水性和疏水性物質(zhì)占比均不低，可考慮采用生物滴濾和過濾的組合工藝。

由圖4可知，對(duì)于乙酸乙酯和乙醇這類親水性較好的物質(zhì)，氣體停留時(shí)間為20 s時(shí)，入口VOCs濃度小于800 mg/m3，出口濃度可達(dá)60 mg/m3以下，基本可滿足各種國(guó)標(biāo)、地標(biāo)、行標(biāo)對(duì)非甲烷總烴的排放濃度要求。對(duì)于相同進(jìn)氣濃度區(qū)間的甲苯，氣體停留時(shí)間為30 s時(shí)，出口濃度明顯高于乙酸乙酯和乙醇，故當(dāng)使用生物法處理甲苯這樣的疏水性物質(zhì)時(shí)，需延長(zhǎng)停留時(shí)間，并結(jié)合入口濃度進(jìn)行考慮。

上述結(jié)論還需結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合判斷。生物法處理VOCs的工藝也常常和吸收、吸附等工藝結(jié)合使用。

3 結(jié)論

（1）在本文涉及的進(jìn)氣濃度范圍內(nèi)，生物過濾塔的處理效果優(yōu)于生物滴濾塔，且生物過濾的抗沖擊負(fù)荷能力更強(qiáng)；

（2）對(duì)于水溶性較差的VOCs，在較高濃度的進(jìn)氣條件下，生物過濾塔的性能明顯優(yōu)于生物滴濾塔。而這種差異性在較低濃度進(jìn)氣條件下，對(duì)于水溶性較好或較差的VOCs來說，并不是很明顯。

（3）VOCs廢氣的生物法處理效果可通過可生化性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)判，VOCs的BOD5/COD值越高，生物法對(duì)其處理效果越好。

（4）設(shè)計(jì)氣體停留時(shí)間時(shí)，同等情況下，疏水性VOCs的停留時(shí)間要比親水性VOCs長(zhǎng)。

（5）生物法處理VOCs的實(shí)際工程應(yīng)用中，可根據(jù)進(jìn)氣組分和進(jìn)氣濃度考慮生物滴濾和過濾的組合工藝，也可考慮生物法和吸附、吸收等其他工藝的組合。