低溫等離子體技術用于餐廚垃圾惡臭氣體治理的中試研究

翁林鋼，張 帥，葉 青，戚科技，施秦峰，舒貝利，馮 超

（浙江大維高新技術股份有限公司，浙江 金華 321031）

0 引言

近年來，我國城市生活垃圾產生量約按5%～10%的增幅逐年增加，據中國國家統計局《中國統計年鑒2019》披露的數據，2018年我國城市生活垃圾清運量為2.28 億t。餐廚垃圾是生活垃圾中有機相的主要來源[1]，目前，我國46 個垃圾分類重點城市中，已相繼開展餐廚垃圾的單獨分類、運輸及無害化處理。餐廚垃圾具有高含水率、高有機質、易腐爛等特點，在收集、轉運及后續處理過程中，有機質快速被微生物降解，通常伴有NH3及VOCs 類等惡臭污染物的產生及散發[2]，其中多數有機物臭閾值極低，易引發惡臭氣體污染，嚴重影響餐廚垃圾處理從業者及周圍居民的身體健康。餐廚垃圾惡臭污染物按組成基本可歸納為5 類，即含氧有機物、烴類及芳香烴、含硫化合物、含氮化合物以及鹵素及衍生物[3]。由于惡臭污染物組分復雜，且不同組分間物化特性差異較大，傳統除臭工藝均采用不同組合處理技術，不僅處理流程冗長，而且還存在凈化效率低、易形成二次污染等缺點[4]。因此，在積極開發綠色工藝技術的基礎上，發展高效率、低成本、無二次污染的新型除臭工藝，具有巨大的工程應用前景，業已成為國內外學者們的研究熱點。

近幾年，低溫等離子體技術憑借效率高、投資低、占地面積少且無二次污染等優點已逐漸被應用于煙氣脫硝[5]、低濃度VOCs 降解[6]等的實驗室研究或示范工程項目。通過采用電暈放電低溫等離子體技術來降解某餐廚垃圾處置中心外排惡臭氣體的中試研究，研究不同放電功率、反應時間等因素對低溫等離子體降解惡臭污染物效率的影響，另外同步考察了商用O3分解催化劑的加入對反應器中O3逃逸濃度以及降解能力的影響。

1 試驗流程及檢測方法

1.1 試驗流程

本試驗裝置安裝于浙江省某餐廚垃圾處置中心惡臭氣體外排煙囪附近，主體設備包括：低溫等離子體反應器、脈沖高頻電源。惡臭氣體來自廠區原有除臭裝置入口煙道，臭氣經煙道進入低溫等離子體區，與等離子體反應后經出口煙道匯集至原除臭裝置出口煙道，最終由原風機系統收集后經煙囪排放。系統流程見圖1。

圖1 除臭系統組成及流程示意

1.2 低溫等離子體反應器

低溫等離子體反應器主體設備包含反應器主體及自主研發的脈沖電源。低溫等離子體反應器本體由進、出口煙道、殼體、放電極系統及接地系統組成，主體尺寸為0.8 m×0.8 m×1.5 m，反應器下部預留0.5 m 空間用于裝填O3分解催化劑。接地極系統為管形接地極，通過框架梁固定在反應器殼體上，并與放電極系統進行絕緣設計。放電極為通過高壓絕緣子瓷套懸掛于殼體內，為提高反應區域的耐腐蝕性，放電極采用不銹鋼材質。

1.3 試驗方法

試驗過程中，通過調節脈沖電源參數，考察注入功率分別為5，10，15，20 kW 時放電參數對惡臭污染物降解的影響。通過調整原有風機頻率，考察停留時間分別為2，1.5，1 s 時污染物降解特性。通過在低溫等離子體區下部添加分解催化劑考察催化劑對O3逃逸濃度及降解效果的影響。

1.4 惡臭氣體檢測

惡臭氣體中試設備分別在低溫等離子體反應器入口煙道、反應器等離子體區出口以及低溫等離子體出口煙道預設3 個氣體取樣點，編號為1#，2# 及3#。根據不同工況分別采取檢測氣體，儲存在相應的氣體收集袋中并依次編號備檢。

O3濃度測定采用便攜式O3濃度分析儀進行現場測定；H2S 及NH3的濃度測定委托第三方檢測機構采用紫外-可見分光光度計法進行實驗室檢測；揮發性有機污染物組分濃度測定委托第三方檢測機構采用氣相色譜/質譜聯用（GC/MS）系統法進行實驗室檢測。

2 結果與討論

2.1 餐廚垃圾惡臭氣體特征污染物篩選

通常認為復合臭氣濃度受污染物質量濃度和閾稀釋倍數2 方面因素影響[7]。因此，本次研究根據分析結果篩選出了物質濃度、閾稀釋倍數分別排在前10 位的污染物物質，詳見表1。

表1 臭氣中質量濃度、閾稀釋倍數分別排在前10 位的污染物質

由表1 可知，硫化氫、乙醛、氨、乙醇、檸檬烯5種物質，不僅質量濃度較高，而且閾稀釋倍數也較大，可以認為這5 種物質對臭氣濃度貢獻值較大；另外，甲硫醇和丙醛雖然質量濃度不高（分別為0.02，0.21 mg/m3），但是閾稀釋倍數較高，因此也歸為臭氣濃度主要貢獻物質。綜上，本次中試研究篩選出7 種主要惡臭氣體特征污染物，分別為硫化氫、乙醛、甲硫醇、丙醛、氨、乙醇及檸檬烯。

2.2 低溫等離子體注入功率對污染物降解率的影響

在測試進氣流量為1 840 m3/h 的條件下，設置低溫等離子體反應器注入功率分別為5，10，15，20 kW，考察污染物降解效果的變化情況，結果見圖2。

圖2 不同注入功率時污染物的降解率

由圖2 可知，隨著反應器注入功率逐漸增加，7種臭氣特征污染物的降解率逐漸提高，注入功率為20 kW 時，各臭氣特征污染物降解率達到58%～90.5%，其中檸檬烯的降解率最高，為90.5%。分析原因，檸檬烯屬于不飽和芳香烴，分子結構中含有碳碳雙鍵及不飽和碳環，因此化學性質十分活潑，易在強氧化氛圍中被氧化并進一步分解。

此外，注入功率在5～15 kW 范圍時，隨著功率的增加，各污染物降解率的增幅較大，而當功率由15 kW 繼續增至20 kW 時，雖然降解率仍呈增加趨勢，但增幅明顯減小。前期階段降解率提升較快是因為隨著注入功率增加，反應器內電場強度得到提高，低溫等離子體內電子數量和電子能量隨之增大，提高了臭氣中污染物分子與高能電子發生碰撞的幾率。同時，隨著注入功率的增加，臭氣中O2及H2O 在放電過程中生成的活性氧原子及羥基自由基數量也逐漸增多，活性氧原子及羥基自由基可參與污染物分子的高級氧化過程，從而提高污染物分子的降解效率。

2.3 反應時間對污染物降解率的影響

注入功率為15 kW 的條件下，設置臭氣在低溫等離子體反應器內的停留時間分別為0.8，1.5，2.8 s，考察污染物降解率的變化，結果見圖3。

圖3 不同反應時間的污染物降解率

由圖3 可知，7 種臭氣特征污染物的降解率隨反應時間的延長不斷升高，降解率與反應時間呈正相關。如檸檬烯在反應時間為0.8，1.5，2.8 s 時，對應降解率分別為67.4%，72.5%，81.7%，增幅分別為5%，9%。分析原因為由于臭氣停留時間延長，一方面增加了污染物分子在放電區與高能粒子產生碰撞而發生分解的概率，另一方面增加了污染物分子與等離子體中活性氧原子及羥基自由基的接觸時間，使污染物分子與強氧化性物質有足夠的反應時間，降解反應進行的更徹底[8-9]。

2.4 功率對低溫等離子體反應器O3 逃逸濃度的影響

測試進氣流量為1 840 m3/h 且不添加O3分解催化劑模塊的條件下，設置低溫等離子體反應器注入功率分別為5，10，15，20 kW，考察尾氣中O3的逃逸濃度，結果見圖4。

圖4 不同注入功率時尾氣中O3 的逃逸質量濃度

由圖4 可知，當注入功率分別為5，10，15，20 kW時，尾氣中O3逃逸質量濃度分別為3.5，11.7，15.2，14.8 mg/m3，O3逃逸濃度隨注入功率增加呈現先增后降的趨勢。分析原因為隨著注入功率的升高，電場內電子能量密度增大，氧原子的生成速率得到提高從而促進O3的生成，但是隨著注入功率進一步增加，放電場內溫度升高，導致O3的生成速率降低同時分解速率升高，因此最終逃逸質量濃度出現下降的趨勢[10-11]。

2.5 分解催化劑對尾氣中O3 逃逸濃度的影響

采用外購O3分解專用催化劑，主要成分為錳基金屬氧化物負載活性炭，活性炭具有豐富的孔結構，能夠提供了較好的吸附功能。分解催化劑對尾氣中O3逃逸濃度的影響見圖5。

圖5 加入O3 催化分解模塊后尾氣中O3 的逃逸質量濃度

由圖5 可知，當反應器底部加裝分解催化劑模塊后，尾氣中O3殘留濃度大幅度降低，注入功率為5，10，15，20 kW 時，尾氣中O3殘留質量濃度分別為0.5，1.6，1.9，1.8 mg/m3，催化分解效率分別為85.7%，86.3%，87.5%以及87.8%，平均催化分解效率為86.8%。分析催化降解的機制為，錳基金屬氧化物中金屬錳具有較多的價態，可在不同價態之間轉換，作為良好的電子接受體。O3在過渡金屬存在下的催化分解反應遵循“氧空位”理論，催化劑表面因晶格缺陷所形成的“氧空位”在催化過程中循環進行“吸氧”及“放氧”，從而將O3快速分解成O2-及O2，然后O2-可進一步參與氧化反應[12-14]。同時，活性炭較大的比表面積可以使催化劑的催化效率保持在較高水平。

3 結論

（1）綜合臭氣中試研究中各污染物排放質量濃度及閾稀釋倍數，篩選出7 種臭氣特征污染物，分別為硫化氫、乙醛、甲硫醇、丙醛、氨、乙醇及檸檬烯。

（2）低溫等離子體反應器注入功率在15～20 kW范圍內時，提高注入功率同樣可以提高污染物的降解率，但降解率的增幅呈先升高后降低趨勢；氣體停留時間在0.8～2.8 s 范圍內時，污染物的降解率與反應時間呈正相關。

（3）裝置尾氣中O3逃逸濃度隨低溫等離子體反應器注入功率的增加呈先增加后降低的趨勢；添加O3催化分解模塊后，尾氣中O3逃逸濃度顯著降低，催化分解模塊對O3的分解率平均可達到86.8%。