08席勁瑛 VOC生物處理技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、席勁瑛 胡洪營清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系北京會議中心 2021年8月6日工業(yè)VOC氣體生物處理技術(shù)現(xiàn)狀與開展趨勢主要內(nèi)容VOC生物處理技術(shù)概述生物過濾技術(shù)研究進展與工程實例本課題組近期研究成果介紹VOC生物處理技術(shù)概述VOC氣體污染控制途徑“源控制通過改進生產(chǎn)工藝和實施清潔生產(chǎn)，減少VOC產(chǎn)生稀釋與擴散利用一定的氣候條件將產(chǎn)生的VOC排放到大氣中，使之不產(chǎn)生直接危害“匯控制VOC處理技術(shù)回收或去除產(chǎn)生的VOCVOC處理技術(shù)分類不同VOC處理技術(shù)的適用范圍來源： Noel de Nevers, ?Air pollution control engineering?11010010001000100

2、001000001000000生物過濾生物滴濾生物洗滌焚燒冷凝吸收再生吸附非再生吸附低溫冷凝濃度（g/m3）流量（m3/h）VOC生物處理技術(shù)原理與特點原理利用微生物的代謝作用，將VOC轉(zhuǎn)化成為CO2，H2O，SO42-，NO3-等無機物，同時產(chǎn)生菌體生物處理技術(shù)特點工藝設(shè)備簡單運行費用低二次污染小適于處理低濃度、易生物降解VOC氣體生物處理技術(shù)的適用范圍可處理的VOC或惡臭物質(zhì)苯系物：如苯、甲苯、乙苯 、二甲苯醇類：如乙醇、甲硫醇 醚類：如甲硫醚胺類：如三甲胺、乙胺 醛類：如甲醛酮類：如丙酮 酯類：如乙酸乙酯其他：硫化氫、氨適用的行業(yè)污染物處理：污水處理、垃圾填埋、堆肥溶劑使用：塑料制品、油

3、漆制造、印刷化工產(chǎn)品制造：煉油、煉焦、合成制藥、合成橡膠農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)：畜牧養(yǎng)殖、肉類加工生物法的分類與主要形式微生物附著生長系統(tǒng)生物過濾塔biofilter生物滴濾塔trickling biofilter膜生物反響器membrane bioreactor微生物懸浮生長系統(tǒng)生物洗滌塔bioscrubber活性污泥反響器生物過濾工藝 土壤或堆肥惡臭氣體噴淋液水，營養(yǎng)鹽出氣活性填料進氣噴淋液 填料比外表積大，適用于處理不易溶解的惡臭和VOC污染物，亨利系數(shù)小于10Johan W. wan Groenestijn and Paul G.M. Hesselink, 1993)生物滴濾塔惰性填料表面附有

4、生物膜處理后氣體進氣 優(yōu)點：pH，營養(yǎng)鹽易控制適用于處理較易溶解的惡臭和VOC污染物，亨利系數(shù)小于1Johan W. wan Groenestijn and Paul G.M. Hesselink, 1993)膜生物反響器來源： Joanna E. Brugess et. al, 2001 優(yōu)點：pH，溫度，營養(yǎng)鹽易控制，通過選用不同膜材料來選擇性地去除污染物 適用于處理易溶解的惡臭和VOC污染物處理后氣體惰性填料進氣 優(yōu)點：pH，溫度，營養(yǎng)鹽易控制 適用于處理易溶解的惡臭和VOC污染物，亨利系數(shù)小于Johan W. wan Groenestijn and Paul G.M. Hesselin

5、k, 1993)生物洗滌塔活性污泥法 優(yōu)點：pH，溫度，營養(yǎng)鹽易控制，可利用已有的活性污泥處理裝置 適用于處理易溶解的惡臭和VOC污染物來源： Joanna E. Brugess et. al, 2001主要VOC生物處理工藝的比較生物過濾塔生物滴濾塔生物洗滌塔基本結(jié)構(gòu)流動相氣體氣體和液體氣體和液體填料活性惰性無生物相附著型附著型&懸浮型懸浮型設(shè)備特點傳質(zhì)面積大小小后處理不需需處理廢水需處理剩余污泥菌種流失不易流失易隨流動相流失易隨流動相流失反應(yīng)條件不易控制易于控制易于控制運行費用低較高高適宜VOC特點氣量大大小濃度低低高其他適應(yīng)性強有機負荷較高,降解過程產(chǎn)酸易溶，氣相傳質(zhì)速率大于生化反應(yīng)速率

6、生物過濾法成為VOC控制的常用工藝生物過濾技術(shù)的研究進展生物過濾技術(shù)的開展歷史1923年，Bach提出H2S生物處理的概念。50年代，美國加州和西德地區(qū)建成了一些土壤過濾床。6070年代，在歐洲，尤其德國和荷蘭，生物濾塔被應(yīng)用于堆肥，食品加工，畜禽養(yǎng)殖過程產(chǎn)生的惡臭氣處理。80年代后，應(yīng)用領(lǐng)域擴展到控制工業(yè)VOC和其它有毒廢氣，如化工廠和印刷車間排放的氣體等。進入21世紀，有關(guān)的根底和應(yīng)用研究依然活潑。我國從20世紀90年代中后期開始，開展了廢氣生物處理技術(shù)的研究。 生物過濾塔工藝流程傳質(zhì)過程 生物降解過程生物過濾工藝性能氣體VOC組分進口濃度(mgm-3)去除速率(g-Cm-3h-1)去除率

7、(%)資料來源單一組分甲苯375500025909099Woertz et al., 2001甲苯40070011099van Groenestijn et al.,2001甲苯020004495李國文等，2001正己烷3607201799Arriaga et al, 2005苯乙烯80090050-928595He et al., 1996甲醇1100387690McGrath et al.,1999混合組分乙酸乙酯甲醇丙酮甲苯二氯甲烷2002002002002001176719972504232Aitor et al., 2001苯甲苯乙苯二甲苯7001200190095015264020

8、99989595Abumaizar et al., 1998填料層壓降壓降是影響運行費用的重要因素與空塔氣速、填料層空結(jié)構(gòu)有關(guān)，可用歐根Ergun方程表示： 其中，P/l為填料層壓降，Pam-1；u為空塔氣速，mh-1；為空隙率，無量綱；de為填料層當量直徑，m；為流體的粘度，Pah，為氣體的密度，gm-3一般生物過濾塔填料層壓降為幾百到幾千帕每米生物過濾工藝性能的影響因素VOC種類VOC的水溶性和生物降解性等填料和菌種 填料比外表積、阻力等；菌種降解能力、有效含量等操作運行條件包括環(huán)境條件、氣體輸送條件和噴淋條件等VOC的溶解性和生物降解性VOC亨利系數(shù)正己烷58.578.61,3-丁二烯2

9、.933.09苯0.210.23甲苯0.260.281,2-二氯乙烷0.044氯苯0.120.16VOC動力學(xué)模型降解速率常數(shù)甲苯Monod模型max=0.65 h-1, Ks=2.6 mgL-1甲苯Monod模型max=0.062 h-1,Ks=25.94 mgL-1苯一級反應(yīng)k1=0.059 Lmg-1h-1鄰二甲苯一級反應(yīng)k1=0.0045 Lmg-1h-1氯苯一級反應(yīng)k1=0.0034 Lmg-1h-1典型VOC的亨利系數(shù)25典型VOC的生物降解常數(shù)25 理想的填料應(yīng)具備的性能易于微生物生長附著具有較大的比外表積、空隙率和均勻的孔隙結(jié)構(gòu)較小的床層壓降一定的強度與化學(xué)穩(wěn)定性廉價、易得 常

10、見生物過濾填料真菌類生物過濾塔的去除性能真菌種類污染物進口負荷gm-3h-1去除能力gm-3h-1空塔停留時間s運行天數(shù)d文獻Fusarium solani腐皮鐮霉 正己onia A, et al. 2005Exophiala oligosperma黑酵母甲苯1007780150Estvez E, et al.2005Paecilomyces variotii宛氏擬青霉 甲苯270-3302459076Aitor A, et al. 2005Exophialalecanii-corni外瓶霉屬 甲苯22.8-31827060175Woertz JR, et a

11、l. 2001Exophiala jeanselmei 甄氏外瓶霉 苯乙烯82793025Cox HHJ, et al. 1996普通細菌類生物過濾塔對VOC的去除能力10-40g/m3h-1 Weber，1995操作運行條件和填料層微環(huán)境操作運行條件環(huán)境條件：溫度、濕度等條件氣體輸送條件：進氣溫度、濕度、VOC濃度、空塔氣速、空塔停留時間和VOC負荷等噴淋條件：噴淋液溫度、組成、噴淋量、時間和噴淋方式等操作條件改變填料層微環(huán)境溫度：適宜溫度為2040填料層含水率：一般40-80填料層pH值：一般pH值范圍為68氮磷營養(yǎng)鹽含量生物過濾塔運行性能模擬“擴散-生物降解模型早期多為穩(wěn)態(tài)模型和不考慮微

12、生物增殖的模型可用于分析和預(yù)測生物過濾塔運行性能變化包括去除性能和壓降氣相生物膜填料骨架液膜z生物過濾技術(shù)工程實例1韓國某制藥廠廢氣處理裝置，處理規(guī)模34800 m3/h來源：Prof Sangjin Park, , Odor & VOCs Research Institute of Woosong UniversityTime-course removal and inlet and outlet concentration of Kavotec biofilter 實例1處理效果來源：Hebi Li et al, Department of Civil and Environmental

13、Engineering，Michigan Technological University生物過濾技術(shù)工程實例2美國Iowa某污水處理廠廢氣處理裝置，處理規(guī)模240000m3/h來源：Hebi Li et al, Department of Civil and Environmental Engineering，Michigan Technological University實例2處理效果(Air residence time 6.5 sec)生物過濾技術(shù)工程實例3美國某纖維海綿生產(chǎn)廠廢氣處理裝置，處理規(guī)模51000 m3/h來源：N.J.R. Kraakman et al.，2000年實例3處理效果CS2近年來新的研究熱點生物過濾塔的堵塞機理和控制生物過濾與其它物理、化學(xué)方法組合的聯(lián)合處理技術(shù)開發(fā)生物過濾工藝中微生物群落結(jié)構(gòu)和功能研究生物過濾一體化、模塊化裝置研制開發(fā)本課題組近期研究成果介紹生物過濾單元降低生物系統(tǒng)的負荷紫外單元高濃度物質(zhì) 提高可生化性難降解物質(zhì)紫外(UV)