生活垃圾VOCs生物洗涤净化技术研究

冯冰杰，王志强，赵 忠，孙天雨，张长平

（河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401）

生活垃圾VOCs生物洗涤净化技术研究

冯冰杰，王志强，赵 忠，孙天雨，张长平

（河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401）

本研究采用立体传质技术代替生物洗涤塔中的传统粒状填料，提高生物洗涤技术对生活垃圾VOCs的净化处理效果．通过试验分别研究了三维立体传质方法和传统填料塔方法对生活垃圾VOCs进行净化处理效果，并考察了气液比、停留时间及微生物的浓度 (MLVSS)对生活垃圾VOCs净化效果的影响．结果表明，在相同的操作条件下，立体传质塔对生活垃圾VOCs的去除效果优于传统填料塔对生活垃圾VOCs的去除效果．

生物洗涤塔；VOCs；气液比；停留时间；MLVSS；立体传质塔

城市生活垃圾在收集、转运、存放的过程中产生大量恶臭气体，严重困扰了人们的生活．恶臭气体主要组分为三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯等多种挥发性有机气体（Volatile Organic Compounds，简称VOCs）以及氨、硫化氢等[1]，它不仅使大量传播疾病的细菌滋生繁衍，而且直接通过嗅觉系统对呼吸系统、神经系统、循环系统、内分泌系统产生强烈的刺激作用[2]．

生活垃圾VOCs主要处理方法包括燃烧法、氧化法、吸收法、吸附法、中和法及生物法等[3]．生物法主要有3种[4]：生物过滤法，生物滴滤法，生物洗涤法．生物法处理VOCs的研究最早由美国开始，自20世纪70年代在国外大规模兴起，我国相关的研究则始于20世纪90年代初[5]．2003年，李国文[6]等采用生物洗涤法对氯苯废气的降解性能进行了研究，探讨了洗涤塔中氯苯废气的生物降解性能．2004年，刘玉红[3]等采用生物洗涤法对含苯酚废气进行实验处理研究，考察了进口气体质量浓度对含苯酚废气净化效果的影响．2011年，齐国庆[7]等用生物洗涤法对炼油污水厂产生的恶臭气体进行了预处理的中试研究．本研究采用立体传质塔和传统填料塔对生活垃圾VOCs进行处理，比较了两者对生活垃圾VOCs的净化效果．

生物法净化VOCs主要利用微生物的代谢活动，将VOCs降解或转化为结构简单的小分子物质（CO2、水等），具有能耗较低、反应条件简单和无二次污染等优点[6]．传统填料塔对于易溶的气体净化效果较好，对难溶的气体净化效果较差[8]．本研究考察了立体传质塔对生活垃圾VOCs的处理效果，并与传统填料塔对生活垃圾VOCs的处理效果进行比较分析．

1 工艺试验装置、流程与操作方法

1.1 工艺流程及试验装置

生物洗涤塔由一个装有填料的洗涤器，一个具有活性污泥的生物反应器和一个调节污泥浓度的沉淀池3部分组成，其流程见图1．生物洗涤器由一个洗涤器和生物降解反应器组成，出水需设沉淀池．生活垃圾VOCs从下而上进入洗涤器，在填料层与生化反应器过来的泥水混合物进行传质吸附、吸收，部分有机物在此被降解，液相中的大部分有机物进入生化反应器，通过悬浮污泥的代谢作用被降解掉，生化反应器出水进入沉淀池进行泥水分离，上清液排出，污泥回流[9]．洗涤器分别采用传统填料塔和立体传质塔，传统填料塔填料采用规格为16mm×16mm×8.9mm的塑料阶梯环；立体传质塔内置直径190mm的三维立体塔板，塔板间距200mm，在塔板上气相与液相接触进行传质吸收作用[10]，塔板原理如图2所示．

图1 生物洗涤系统流程示意图Fig.1 Schematic diagram of biological washing system

图2 立体传质塔板示意图Fig.2 Three-dimensional mass transfer tray diagram

试验装置由内径200mm，高度1 750mm的有机玻璃塔组成，塔内有高度1 000mm的填料层，装填料时做填料塔，装塔板时做立体传质塔．生化反应器为500mm×500mm×500mm的PVC材质的生物反应池．沉淀池为内径400mm，高度约700mm的有机玻璃竖流式沉淀池．

1.2 试验方法

废气源：从河北工业大学教师公寓生活小区收集生活垃圾，其产生VOCs用于实验．

测定指标与方法：试验过程中需要测定反应器内的pH值、微生物浓度（MLVSS）、VOCs的浓度等．其中pH值采用玻璃电极法测定，MLVSS采用烘干称量法测定．三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫浓度采用气相色谱法测定[11]；苯乙烯浓度采用固体吸附/热脱附-气相色谱法测定[12]；二硫化碳采用二乙胺风光光度法测定[13]，吸光值采用TU-1901双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）测定．

2 结果与讨论

试验考察了立体传质塔与生物洗涤塔中气液比、气体在洗涤器内的停留时间、微生物浓度（MLVSS）分别对VOCs去除率的影响．试验过程中系统的温度保持在20～30℃，pH值保持在6.5～7.5之间．

2.1 气液比对VOCs去除率的影响

气液比是影响洗涤塔净化性能的重要影响因素，数值上等于单位时间内生活垃圾VOCs气体流量和洗涤塔内吸收液的喷淋量的比值，气液比是指1m3的吸收液吸收生活垃圾VOCs气体的体积．气液比体现了吸收过程中推动力和吸收速率的大小．

运行过程中，VOCs首先要溶解于吸收液才能被微生物降解，因此吸收液量越大，生活垃圾VOCs的吸收净化效果越好．为了考察不同气液比对生活垃圾VOCs的净化效果，通过调节风量和进液量来实现气液比的变化．在试验过程中保证立体传质塔和传统填料塔的操作条件一样，停留时间设置为12 s、微生物浓度设置为2 500mg/L．

实验结果如图3和图4所示，图3为传统填料塔中气液比与去除率的关系曲线，图4为立体传质塔中气液比与去除率的关系曲线．结果表明，随着洗涤液量增加，VOCs被传质吸收的量也大大增加．因为进气量是不变的，当气相中的VOCs进入液相后被带走进入生化池进行降解反应，随着洗涤液量的增加，VOCs的生化去除量也随之增加．洗涤液流量增加（气液比（Q/L）减小）时，VOCs从气相传质到液相的推动力加强，但是当洗涤液流量过大时运行费用和建设成本也会大大增加，所以气液比10～12m3/m3为最佳值．气液比在10～12m3/m3时，传统填料塔中VOCs的去除率达到75%左右，立体传质塔中VOCs的去除率达到80%左右．可见，立体传质塔对于VOCs的去除效果优于传统填料塔．

图3 传统填料塔中气液比对VOCs的去除率影响Fig.3 Effect of gas-liquid ratio on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

图4 立体传质塔中气液比对VOCs的去除率影响Fig.4 Effect of gas-liquid ratio on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

2.2 停留时间对VOCs去除率的影响

停留时间对VOCs的去除有很大的影响，当停留时间较大时说明气体与洗涤液的接触时间越长，传质效果也就越好，气体中的 VOCs也就能被充分转移到洗涤液中，处理效率也就越好；反之，当停留时间较小时，VOCs并没有与洗涤液更好地接触就排放出去，使得去除效率并不好，所以停留时间越大越好．实验过程中为了考察不同停留时间对生活垃圾VOCs的净化效果，通过调节处理气量得到不同梯度的停留时间．在试验过程中为了保证立体传质塔和传统填料塔的操作条件一样，气液比设置为12m3/m3、微生物浓度设置为2500mg/L．

实验结果如图5和图6所示，图5为传统填料塔中停留时间与去除率的关系曲线，图6为立体传质塔中停留时间与去除率的关系曲线．随着停留时间增加，VOCs的去除率随之增加，当停留时间大于15 s时，VOCs的净化效率随停留时间的增长而增长缓慢．VOCs在填料上与洗涤液接触，从气相转移到液相，随着停留时间的增加，洗涤液吸收VOCs的量也随着增加．随着时间增加，洗涤液对VOCs会吸收饱和以至于不再吸收．另外，处理一定量的VOCs废气时，停留时间越大要求的洗涤塔体积就会越大，这样会增加设备的制作成本．当停留时间在20～25 s时去除率增加不明显，所以停留时间20～25 s为最佳值．停留时间在20～25 s时，传统填料塔中VOCs的去除率达到75%左右，立体传质塔中VOCs的去除率达到85%左右．可见，立体传质塔对于VOCs的去除效果优于传统填料塔．

图5 传统填料塔中停留时间对VOCs的去除率影响Fig.5 Effect of retention time on the removal rate of VOCs in traditional packed tower

图6 立体传质塔中停留时间对VOCs的去除率影响Fig.6 Effect of retention time on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

2.3 微生物浓度对VOCs去除率的影响

生物洗涤液中的微生物在与气相中的VOCs分子接触时通过分子力、静电力、离子交换、络合、螯合等作用将其吸附在微生物表面[13]，MLVSS越大活性污泥中的微生物数量越多，对VOCs浓集效果越明显．因此微生物浓度越大，生活垃圾VOCs的吸收净化效果越好．为了考察不同微生物浓度对生活垃圾VOCs的净化效果，通过沉淀池排出剩余污泥或将剩余污泥回流至生物反应器来实现生化反应器中的微生物浓度呈阶梯型变化．在试验过程中设定立体传质塔和传统填料塔的操作条件一样，气液比设置为12m3/m3、停留时间设置为12 s．

图7 传统填料塔中微生物浓度对VOCs的去除率影响Fig.7 Effect of MLVSS on the removal rate of VOCs in traditional packed tower

图8 立体传质塔中微生物浓度对VOCs的去除率影响Fig.8 Effect of MLVSS on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

实验结果如图7和图8所示，图7为传统填料塔中微生物浓度（MLVSS）与去除率的关系曲线，图8为立体传质塔中微生物浓度（MLVSS）与去除率的关系曲线．随着微生物浓度（MLVSS）增加，对于VOCs的去除率逐渐增加，当微生物浓度大于2 000mg/L时，VOCs净化效率随停留时间的增长而增加缓慢．随着微生物浓度增加，能够通过分子力、静电力、离子交换、络合、螯合、微沉淀等物理、化学过程累积或浓集的VOCs越多，进而VOCs净化净化效率就会增加．然而当微生物浓度过大时会使得微生物附着在填料层越来越多以至于造成填料层堵塞，增加填料层压降，意味着能耗增加，因此微生物浓度（MLVSS）2 000～2 500 mg/L为最佳值．此时，传统填料塔中VOCs的去除率达到75%左右，立体传质塔中VOCs的去除率达到85%左右．可见，立体传质塔对于VOCs的去除效果优于传统填料塔．

3 结论

1）通过研究气液比、停留时间、微生物浓度等因素对VOCs去除效率的影响，得知：随着气液比的增加，VOCs去除效率降低；随着停留时间增加，VOCs去除效率明显升高；随着微生物浓度增加，VOCs去除效率明显升高．在保证VOCs净化效果达到国家标准的同时，要考虑工程设备的建设、运行成本，因此要选择这些影响因素的最佳值即气液比为10～12m3/m3、停留时间为20～25 s、微生物浓度（MLVSS）为2 000 ～2 500mg/L，为工程建设提供参考．

2）通过对传统填料塔和立体传质塔净化生活垃圾VOCs的试验，得知立体传质塔对于VOCs的去除效果优于传统填料塔，为进一步的试验研究以及设计优化提供了依据和参考．

[1]GB 14554-1993，恶臭污染物排放标准 [S]．

[2]赵鹏，栾金义，王京刚，等．恶臭气体生物处理技术研究进展 [J]．化工环保，2005，25（1）：29-32．

[3]刘玉红，羌宁，都基峻，等．生物洗涤法治理含苯酚废气研究 [J]．环境科学研究，2004，17（4）：51-53．

[4]徐磊，黄学敏，曹晓强．生物法在处理有机废气中的研究现状及展望 [J]．山西建筑，2007，33（11）：364-365．

[5]陈飞，袁月祥，齐云，等．生物脱臭技术研究进展与展望 [J]．四川环境，2004，23（2）：6-10．

[6]李国文，胡洪营，郝吉明，等．生物洗涤塔降解氯苯废气性能研究 [J]．化学工程，2003，31（5）：50-53+4-5．

[7]齐国庆，刘发强，刘光利．生物洗涤预处理炼油污水厂恶臭气体中试研究 [J]．昆明理工大学学报（自然科学版），2011，36（4）：61-64．

[8]杨义飞，姜安玺，谢冰．生物脱臭技术研究进展 [J]．环境保护科学，2001，27（3）：3-6．

[9]李续融．生物洗涤塔净化甲醛废气的试验研究 [D]．青岛：青岛理工大学，2011．

[10]杜佩衡，杜剑婷，王荣良．垂直筛板塔流体力学与传质研究状况 [J]．化学工程，2003，31（4）：22-26．

[11]王春艳，张勇，韩建荣，等．二乙胺分光光度法测定环境空气中二硫化碳影响因素的分析 [J]．仪器仪表与分析监测，2009（1）：44-46．

[12]HJ583-2010，环境空气苯系物的测定固体吸附/热脱附-气相色谱法 [S]．

[13]卞成萍，于兴龙．气相色谱法测定天然气中微量硫化氢、羰基硫、甲硫醇、甲硫醚和二甲基二硫含量 [J]．科技创新导报，2009，22：7．

[责任编辑 田 丰]

Study on the VOCs of domestic garbage by biological washing technology

FENG Bingjie，WANG Zhiqiang，ZHAO Zhong，SUN Tianyu，ZHANG Changping

(School of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

In this study,the three-dimensional mass transfer technology was used instead of the traditional granular packing in biological scrubber to improve the effect of biological cleaning technology on the purification of domestic waste VOCs.The effects of three-dimensional mass transfer and conventional packed tower on the purification of domestic waste VOCs were studied by experimental study,and investigated the effect of gas-liquid ratio,residence time and microorganism concentration (MLVSS)on the purification of domestic waste VOCs.Results show that under the same operating conditions,the three-dimensional mass transfer tower for domestic waste VOCs removal efficiency is higher than conventional packed tower for domestic waste VOCs removal effect.

bioscrubber;malodorous gases;gas liquid ratio;residence time;MLVSS;CTST

X701

A

1007-2373(2016)05-0095-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.05.015

2016-09-12

河北省高等学校科学技术研究项目（ZD2015011）

冯冰杰（1990-），男（汉族），硕士生．通讯作者：王志强（1967-），男（汉族），副教授，wzq.fy@hebut.edu.cn．