生物法處理VOCs廢氣的實驗對工程應用的指導作用

崔一凡，孫明輝，盧振琦，張維華，蔡海燕

（江蘇航天惠利特環保科技有限公司南京分公司，南京 210000）

揮發性有機化合物（VOCs）對環境以及人類健康的危害已逐漸受到人們的重視，“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中提出加快揮發性有機物排放的綜合整治，揮發性有機物總量下降10%以上的目標。目前生物法在工業企業的污水站廢氣處理中得到了越來越廣泛的應用[1-3]，關于生物法處理VOCs的試驗研究主要涉及進氣濃度、氣體停留時間、溫度、填料類型等方面[4-6]。在實際工程應用中，各工業企業廢氣中的污染物組分多樣，進氣濃度也存在差異，在難以具備實驗條件的情況下，為了進行生物法處理有機廢氣的初步設計，包括對填料類型、空塔停留時間等的設計，可在已有實驗數據的基礎上進行分析與推測。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗設備

實驗設備主要包括VOCs氣源發生系統和生物過濾塔、生物滴濾塔，其組成見圖1。其中電子流量計量程為0～200 L/ min；生物過濾塔和滴濾塔為有機玻璃材質，內壁凈尺寸為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，規格為DN15；生物過濾塔每日添加一次營養液，生物滴濾塔連續噴淋，蠕動泵運行流量約為16 mL/ min。

圖1 生物法凈化VOCs氣體實驗流程圖

1.2 VOCs氣源

有機廢氣氣源是通過氮氣瓶釋放的氮氣促進鼓泡瓶中的有機溶液揮發產生的氣體與風機引入的空氣混合而成（空氣中的氧氣可為生物反應器中的微生物提供好氧環境），混合氣體在緩沖罐里充分混合均勻。VOCs的濃度可通過氮氣瓶產生的氮氣量進行控制，進入生物反應器的廢氣流量可通過手動球閥控制，一定的廢氣流量對應一定的氣體停留時間。

1.3 試劑

營養液含有以下分析純試劑：NH4Cl；K2HPO4；MgSO4·7H2O；CaCl2；MnSO4·H2O；FeSO4·7H2O；ZnSO4·7H2O等；氮源和磷源投加量依據碳、氮、磷質量比為100：5：1進行投加。

1.4 測試方法

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定（FID檢測器）。

2 結果與討論

生物滴濾塔和生物過濾塔在一定時間內依次處理了甲苯、乙酸乙酯、乙醇、二氯甲烷氣體，運行時間依次為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運行，同一時間的進氣條件、氣體停留時間、環境溫度均相同。

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的區間變化，處理效果如圖2所示。在停留時間為20 s的條件下，用生物滴濾塔和生物過濾塔處理乙醇氣體，乙醇入口濃度在250～950 mg/ m3的區間變化，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，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，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于生物滴濾塔，且生物過濾塔的抗沖擊負荷能力更強，相似的結論也可從圖3中得出，這與李國文等人[7]的研究結果相符。

仔細觀察圖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，對于水溶性較差的VOCs，在較高濃度的進氣條件下，生物過濾塔的性能明顯優于生物滴濾塔。而這種差異性在較低濃度進氣條件下，對于水溶性較好或較差的VOCs來說，都不是很明顯。

圖2 T=60s時生物滴濾塔和生物過濾塔對甲苯的處理效果

圖3 T=20s時生物滴濾塔和生物過濾塔對乙醇的處理效果

2.2 VOCs處理效果與其可生化性指標的關系

圖4反映的是生物過濾塔對甲苯、乙酸乙酯、乙醇的處理效果情況。其中乙酸乙酯的實驗數據基于氣體停留時間為20 s，甲苯的實驗數據基于氣體停留時間為30 s。觀察圖4可知，在各介質入口濃度約100～850 mg/m3的范圍內，生物過濾塔對VOCs的處理效果由優到劣依次為乙醇、乙酸乙酯、甲苯。

圖4 生物過濾塔對乙醇、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天的實驗周期內，進氣濃度為0～100 mg/m3的二氯甲烷在停留時間為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，反映出這四種物質的可生化性依次降低。這種排序關系與上述VOCs的處理效果排序一致，即某種有機物的BOD5/COD值越高，生物法對其處理效果越好。在缺乏實驗數據的情況下，可根據上述規律推測某種VOCs廢氣的生物法處理效果。

2.3 工程應用中停留時間的選取和處理工藝的選擇

在實際工程應用過程中，VOCs廢氣組分往往不會是單一組分，我們可根據主要污染物組分的親水性來選擇處理工藝或設計氣體停留時間。

由圖3可知，對于親水性好的乙醇，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，導致裝置造價更高、風機電耗更大，故對于親水性較好的VOCs，優先選擇生物滴濾工藝進行處理。如果污染物組分中親水性和疏水性物質占比均不低，可考慮采用生物滴濾和過濾的組合工藝。

由圖4可知，對于乙酸乙酯和乙醇這類親水性較好的物質，氣體停留時間為20 s時，入口VOCs濃度小于800 mg/m3，出口濃度可達60 mg/m3以下，基本可滿足各種國標、地標、行標對非甲烷總烴的排放濃度要求。對于相同進氣濃度區間的甲苯，氣體停留時間為30 s時，出口濃度明顯高于乙酸乙酯和乙醇，故當使用生物法處理甲苯這樣的疏水性物質時，需延長停留時間，并結合入口濃度進行考慮。

上述結論還需結合工程經驗進行綜合判斷。生物法處理VOCs的工藝也常常和吸收、吸附等工藝結合使用。

3 結論

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

（2）對于水溶性較差的VOCs，在較高濃度的進氣條件下，生物過濾塔的性能明顯優于生物滴濾塔。而這種差異性在較低濃度進氣條件下，對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進行預判，VOCs的BOD5/COD值越高，生物法對其處理效果越好。

（4）設計氣體停留時間時，同等情況下，疏水性VOCs的停留時間要比親水性VOCs長。

（5）生物法處理VOCs的實際工程應用中，可根據進氣組分和進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。