生活垃圾VOCs生物洗滌凈化技術研究

馮冰杰，王志強，趙 忠，孫天雨，張長平

（河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401）

生活垃圾VOCs生物洗滌凈化技術研究

馮冰杰，王志強，趙 忠，孫天雨，張長平

（河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401）

本研究采用立體傳質技術代替生物洗滌塔中的傳統粒狀填料，提高生物洗滌技術對生活垃圾VOCs的凈化處理效果．通過試驗分別研究了三維立體傳質方法和傳統填料塔方法對生活垃圾VOCs進行凈化處理效果，并考察了氣液比、停留時間及微生物的濃度 (MLVSS)對生活垃圾VOCs凈化效果的影響．結果表明，在相同的操作條件下，立體傳質塔對生活垃圾VOCs的去除效果優于傳統填料塔對生活垃圾VOCs的去除效果．

生物洗滌塔；VOCs；氣液比；停留時間；MLVSS；立體傳質塔

城市生活垃圾在收集、轉運、存放的過程中產生大量惡臭氣體，嚴重困擾了人們的生活．惡臭氣體主要組分為三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯等多種揮發性有機氣體（Volatile Organic Compounds，簡稱VOCs）以及氨、硫化氫等[1]，它不僅使大量傳播疾病的細菌滋生繁衍，而且直接通過嗅覺系統對呼吸系統、神經系統、循環系統、內分泌系統產生強烈的刺激作用[2]．

生活垃圾VOCs主要處理方法包括燃燒法、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種[4]：生物過濾法，生物滴濾法，生物洗滌法．生物法處理VOCs的研究最早由美國開始，自20世紀70年代在國外大規模興起，我國相關的研究則始于20世紀90年代初[5]．2003年，李國文[6]等采用生物洗滌法對氯苯廢氣的降解性能進行了研究，探討了洗滌塔中氯苯廢氣的生物降解性能．2004年，劉玉紅[3]等采用生物洗滌法對含苯酚廢氣進行實驗處理研究，考察了進口氣體質量濃度對含苯酚廢氣凈化效果的影響．2011年，齊國慶[7]等用生物洗滌法對煉油污水廠產生的惡臭氣體進行了預處理的中試研究．本研究采用立體傳質塔和傳統填料塔對生活垃圾VOCs進行處理，比較了兩者對生活垃圾VOCs的凈化效果．

生物法凈化VOCs主要利用微生物的代謝活動，將VOCs降解或轉化為結構簡單的小分子物質（CO2、水等），具有能耗較低、反應條件簡單和無二次污染等優點[6]．傳統填料塔對于易溶的氣體凈化效果較好，對難溶的氣體凈化效果較差[8]．本研究考察了立體傳質塔對生活垃圾VOCs的處理效果，并與傳統填料塔對生活垃圾VOCs的處理效果進行比較分析．

1 工藝試驗裝置、流程與操作方法

1.1 工藝流程及試驗裝置

生物洗滌塔由一個裝有填料的洗滌器，一個具有活性污泥的生物反應器和一個調節污泥濃度的沉淀池3部分組成，其流程見圖1．生物洗滌器由一個洗滌器和生物降解反應器組成，出水需設沉淀池．生活垃圾VOCs從下而上進入洗滌器，在填料層與生化反應器過來的泥水混合物進行傳質吸附、吸收，部分有機物在此被降解，液相中的大部分有機物進入生化反應器，通過懸浮污泥的代謝作用被降解掉，生化反應器出水進入沉淀池進行泥水分離，上清液排出，污泥回流[9]．洗滌器分別采用傳統填料塔和立體傳質塔，傳統填料塔填料采用規格為16mm×16mm×8.9mm的塑料階梯環；立體傳質塔內置直徑190mm的三維立體塔板，塔板間距200mm，在塔板上氣相與液相接觸進行傳質吸收作用[10]，塔板原理如圖2所示．

圖1 生物洗滌系統流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of biological washing system

圖2 立體傳質塔板示意圖Fig.2 Three-dimensional mass transfer tray diagram

試驗裝置由內徑200mm，高度1 750mm的有機玻璃塔組成，塔內有高度1 000mm的填料層，裝填料時做填料塔，裝塔板時做立體傳質塔．生化反應器為500mm×500mm×500mm的PVC材質的生物反應池．沉淀池為內徑400mm，高度約700mm的有機玻璃豎流式沉淀池．

1.2 試驗方法

廢氣源：從河北工業大學教師公寓生活小區收集生活垃圾，其產生VOCs用于實驗．

測定指標與方法：試驗過程中需要測定反應器內的pH值、微生物濃度（MLVSS）、VOCs的濃度等．其中pH值采用玻璃電極法測定，MLVSS采用烘干稱量法測定．三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫濃度采用氣相色譜法測定[11]；苯乙烯濃度采用固體吸附/熱脫附-氣相色譜法測定[12]；二硫化碳采用二乙胺風光光度法測定[13]，吸光值采用TU-1901雙光束紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）測定．

2 結果與討論

試驗考察了立體傳質塔與生物洗滌塔中氣液比、氣體在洗滌器內的停留時間、微生物濃度（MLVSS）分別對VOCs去除率的影響．試驗過程中系統的溫度保持在20～30℃，pH值保持在6.5～7.5之間．

2.1 氣液比對VOCs去除率的影響

氣液比是影響洗滌塔凈化性能的重要影響因素，數值上等于單位時間內生活垃圾VOCs氣體流量和洗滌塔內吸收液的噴淋量的比值，氣液比是指1m3的吸收液吸收生活垃圾VOCs氣體的體積．氣液比體現了吸收過程中推動力和吸收速率的大?。?/p>

運行過程中，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的吸收凈化效果越好．為了考察不同氣液比對生活垃圾VOCs的凈化效果，通過調節風量和進液量來實現氣液比的變化．在試驗過程中保證立體傳質塔和傳統填料塔的操作條件一樣，停留時間設置為12 s、微生物濃度設置為2 500mg/L．

實驗結果如圖3和圖4所示，圖3為傳統填料塔中氣液比與去除率的關系曲線，圖4為立體傳質塔中氣液比與去除率的關系曲線．結果表明，隨著洗滌液量增加，VOCs被傳質吸收的量也大大增加．因為進氣量是不變的，當氣相中的VOCs進入液相后被帶走進入生化池進行降解反應，隨著洗滌液量的增加，VOCs的生化去除量也隨之增加．洗滌液流量增加（氣液比（Q/L）減?。r，VOCs從氣相傳質到液相的推動力加強，但是當洗滌液流量過大時運行費用和建設成本也會大大增加，所以氣液比10～12m3/m3為最佳值．氣液比在10～12m3/m3時，傳統填料塔中VOCs的去除率達到75%左右，立體傳質塔中VOCs的去除率達到80%左右．可見，立體傳質塔對于VOCs的去除效果優于傳統填料塔．

圖3 傳統填料塔中氣液比對VOCs的去除率影響Fig.3 Effect of gas-liquid ratio on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

圖4 立體傳質塔中氣液比對VOCs的去除率影響Fig.4 Effect of gas-liquid ratio on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

2.2 停留時間對VOCs去除率的影響

停留時間對VOCs的去除有很大的影響，當停留時間較大時說明氣體與洗滌液的接觸時間越長，傳質效果也就越好，氣體中的 VOCs也就能被充分轉移到洗滌液中，處理效率也就越好；反之，當停留時間較小時，VOCs并沒有與洗滌液更好地接觸就排放出去，使得去除效率并不好，所以停留時間越大越好．實驗過程中為了考察不同停留時間對生活垃圾VOCs的凈化效果，通過調節處理氣量得到不同梯度的停留時間．在試驗過程中為了保證立體傳質塔和傳統填料塔的操作條件一樣，氣液比設置為12m3/m3、微生物濃度設置為2500mg/L．

實驗結果如圖5和圖6所示，圖5為傳統填料塔中停留時間與去除率的關系曲線，圖6為立體傳質塔中停留時間與去除率的關系曲線．隨著停留時間增加，VOCs的去除率隨之增加，當停留時間大于15 s時，VOCs的凈化效率隨停留時間的增長而增長緩慢．VOCs在填料上與洗滌液接觸，從氣相轉移到液相，隨著停留時間的增加，洗滌液吸收VOCs的量也隨著增加．隨著時間增加，洗滌液對VOCs會吸收飽和以至于不再吸收．另外，處理一定量的VOCs廢氣時，停留時間越大要求的洗滌塔體積就會越大，這樣會增加設備的制作成本．當停留時間在20～25 s時去除率增加不明顯，所以停留時間20～25 s為最佳值．停留時間在20～25 s時，傳統填料塔中VOCs的去除率達到75%左右，立體傳質塔中VOCs的去除率達到85%左右．可見，立體傳質塔對于VOCs的去除效果優于傳統填料塔．

圖5 傳統填料塔中停留時間對VOCs的去除率影響Fig.5 Effect of retention time on the removal rate of VOCs in traditional packed tower

圖6 立體傳質塔中停留時間對VOCs的去除率影響Fig.6 Effect of retention time on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

2.3 微生物濃度對VOCs去除率的影響

生物洗滌液中的微生物在與氣相中的VOCs分子接觸時通過分子力、靜電力、離子交換、絡合、螯合等作用將其吸附在微生物表面[13]，MLVSS越大活性污泥中的微生物數量越多，對VOCs濃集效果越明顯．因此微生物濃度越大，生活垃圾VOCs的吸收凈化效果越好．為了考察不同微生物濃度對生活垃圾VOCs的凈化效果，通過沉淀池排出剩余污泥或將剩余污泥回流至生物反應器來實現生化反應器中的微生物濃度呈階梯型變化．在試驗過程中設定立體傳質塔和傳統填料塔的操作條件一樣，氣液比設置為12m3/m3、停留時間設置為12 s．

圖7 傳統填料塔中微生物濃度對VOCs的去除率影響Fig.7 Effect of MLVSS on the removal rate of VOCs in traditional packed tower

圖8 立體傳質塔中微生物濃度對VOCs的去除率影響Fig.8 Effect of MLVSS on the removal rate of VOCs in three-dimensional mass transfer tower

實驗結果如圖7和圖8所示，圖7為傳統填料塔中微生物濃度（MLVSS）與去除率的關系曲線，圖8為立體傳質塔中微生物濃度（MLVSS）與去除率的關系曲線．隨著微生物濃度（MLVSS）增加，對于VOCs的去除率逐漸增加，當微生物濃度大于2 000mg/L時，VOCs凈化效率隨停留時間的增長而增加緩慢．隨著微生物濃度增加，能夠通過分子力、靜電力、離子交換、絡合、螯合、微沉淀等物理、化學過程累積或濃集的VOCs越多，進而VOCs凈化凈化效率就會增加．然而當微生物濃度過大時會使得微生物附著在填料層越來越多以至于造成填料層堵塞，增加填料層壓降，意味著能耗增加，因此微生物濃度（MLVSS）2 000～2 500 mg/L為最佳值．此時，傳統填料塔中VOCs的去除率達到75%左右，立體傳質塔中VOCs的去除率達到85%左右．可見，立體傳質塔對于VOCs的去除效果優于傳統填料塔．

3 結論

1）通過研究氣液比、停留時間、微生物濃度等因素對VOCs去除效率的影響，得知：隨著氣液比的增加，VOCs去除效率降低；隨著停留時間增加，VOCs去除效率明顯升高；隨著微生物濃度增加，VOCs去除效率明顯升高．在保證VOCs凈化效果達到國家標準的同時，要考慮工程設備的建設、運行成本，因此要選擇這些影響因素的最佳值即氣液比為10～12m3/m3、停留時間為20～25 s、微生物濃度（MLVSS）為2 000 ～2 500mg/L，為工程建設提供參考．

2）通過對傳統填料塔和立體傳質塔凈化生活垃圾VOCs的試驗，得知立體傳質塔對于VOCs的去除效果優于傳統填料塔，為進一步的試驗研究以及設計優化提供了依據和參考．

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[2]趙鵬，欒金義，王京剛，等．惡臭氣體生物處理技術研究進展 [J]．化工環保，2005，25（1）：29-32．

[3]劉玉紅，羌寧，都基峻，等．生物洗滌法治理含苯酚廢氣研究 [J]．環境科學研究，2004，17（4）：51-53．

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[5]陳飛，袁月祥，齊云，等．生物脫臭技術研究進展與展望 [J]．四川環境，2004，23（2）：6-10．

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[12]HJ583-2010，環境空氣苯系物的測定固體吸附/熱脫附-氣相色譜法 [S]．

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[責任編輯 田 豐]

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

河北省高等學校科學技術研究項目（ZD2015011）

馮冰杰（1990-），男（漢族），碩士生．通訊作者：王志強（1967-），男（漢族），副教授，wzq.fy@hebut.edu.cn．