膜接觸-吸收法去除市政污水廠惡臭氣體研究

郭學彬 趙珊 常江 王佳偉 彭浩

關鍵詞：惡臭氣體；硫化氫；聚四氟乙烯膜；膜接觸吸收

前言

截至2020年底，全國鎮級及以上的污水處理廠共15700座，處理能力為25777x104m3·d-1，污水平均處理率為84. 52%[1]。在污水處理過程中會產生硫化氫、氨氣、硫醇硫醚和揮發性有機物等惡臭氣體容易在空氣中逸散，不僅給周邊空氣環境造成污染，還對職工身體健康造成一定的危害，如何處理市政污水廠惡臭氣體問題愈發成為人們所關注的焦點。

市政污水處理廠惡臭氣體處理工藝主要有物理法、化學法和生物法等。這些方法對惡臭氣體治理效果較好，但也具有一定的局限性，如物理吸附法后期運行費用較高、化學法液泛現象、生物法菌種冬天活性降低等。為有效解決上述問題，將化學吸收的高效選擇性和膜分離技術的結構緊湊性相結合，采用新型膜接觸吸收法開展惡臭氣體的脫除研究。該法原理是以中空纖維膜組件為膜接觸器，氣體經過中空纖維膜絲，吸收液經過中空纖維膜的殼程，其傳質過程主要為氣體在膜絲內由氣相擴散到氣膜界面處，再以分子擴散的方式通過膜孔道擴散到氣液兩相界面，在界面上氣體分子溶人液相，再從液相界面以分子擴散方式通過液膜進入液相主體被吸收。氣液兩相可靈活獨立控制，可避免霧沫夾帶、液泛等問題。

目前，關于膜吸收法所研究的多為對單一酸性氣體的脫除，而脫除污水處理廠實際惡臭氣體（混合氣體）的研究鮮有報道。因此，研究以污水處理廠實際惡臭氣體為研究對象，主要以硫化氫、氨氣、VOC和臭氣濃度為典型特征污染物，分別考察了氣相流量，液相流量和長時間運行穩定性等條件對惡臭氣體脫除效果的影響。

1材料與方法

1.1實驗材料

臭氣源為消化污泥和初沉水混合攪拌所釋放的臭氣，硫化氫含量為28～64mg·m-3，氨氣含量為14～35mg·m-3，VOC含量為70～100mg·m-3，臭氣濃度（無量綱）為600～2000。采用10%的氫氧化鈉和10%的次氯酸鈉溶液混合液作為吸收液，pH控制在8～10，0RP值控制在400～600mV。聚四氟乙烯（PTFE）中空纖維柱式膜組件，具體參數為膜絲內徑0.4mm，膜絲外徑0.9mm，膜平均孔徑0.2um，有效工作長度500mm，膜組件外徑35mm，膜面積為0.35m2。

1.2實驗裝置

膜接觸吸收法的實驗裝置如圖1所示，該裝置主要由臭氣發生箱、風機、除塵裝置、除濕裝置、膜接觸器和吸收液槽等部分組成。實驗過程為臭氣源產生的臭氣經風機、除塵和除濕裝置，進入到膜接觸器的膜絲內，蠕動泵將吸收液泵人到膜接觸器殼程內，采用氣液錯流接觸方式，調節氣相和液相流量，使液相出口剛好不冒泡；待流量計和壓力表示數穩定后，記錄氣相和液相的流量和壓力等，并對膜接觸器進氣和出氣的相關指標進行檢測，尾氣通入到尾氣吸收液槽中，避免污染空氣。

1.3分析方法

在實驗裝置穩定運行時，對膜裝置進、出口進行氣體采樣檢測，每個樣品檢測3次，取平均數記錄數據。惡臭氣體檢測指標為硫化氫、氨氣、VOC和臭氣濃度，檢測方法為硫化氫一《居住區大氣中硫化氫衛生檢測標準方法亞甲藍分光光度法：GB11742-1989》；氨氣一《環境空氣和廢氣氨的測定納氏試劑分光光度法：HJ533-2009》；VOC-便攜式揮發性有機氣體分析儀（氣相色譜儀），譜育EXPEC3100；臭氣濃度一惡臭氣體在線監測系統；英國科爾康AMG-2000。

通常用去除率和傳質系數作為膜接觸器對惡臭氣體去除效果評價的2個重要指標，分別根據式（1）和式（2）進行計算。

2結果與討論

2.1氣體流量對脫臭效果的影響

在吸收液流量0.2L·min－1，氣相壓力7.5kPa，液相壓力40kPa，溫度為25.0℃的操作條件下，考察了氣體流量對惡臭氣體去除效率的影響，如圖2所示。由圖2可知，隨著氣體流量的增加，惡臭氣體去除效率整體呈下降趨勢，當氣體流量從0.2L·min-1增加到3L·min-1時，硫化氫去除率由98.97%下降到95.34%，氨氣去除率由34.90%下降到21.89%，VOC去除率由58.37%下降到54.22%，臭氣濃度去除率由86.38%下降到78.06%。這是因為在吸收液的濃度和流量一定時，增加氣體流量使得氣體在膜接觸器內與吸收液接觸和反應的時間減少，氣體未被吸收液充分吸收就被排出，導致整體去除效率降低。硫化氫為酸性氣體，在與堿性吸收液接觸時可被快速吸收，故其去除率較高；而氨氣溶于水后變為氨水呈弱堿性，在堿性吸收液中會抑制其反應的進行，導致吸收效果不佳，去除效率較低。因吸收液中次氯酸鈉具有較強的氧化性，惡臭組分通過膜孔擴散到膜表面與吸收液相接觸，組分被吸收液吸收并被次氯酸鈉氧化，同時氫氧化鈉溶液能夠中和惡臭組分，從而可大大降低VOC含量和臭氣濃度。

隨著氣體流量增加，硫化氫傳質系數由4.36×10-sm．s-1升高到43.8×10-5m．S-1，氨氣傳質系數由0.41×10-5m．s-1上升到3.53×10-5 m·S-1，硫化氫傳質系數遠大于氨氣，且增長速度也較大。這是由于氣體流量增加，氣壓會隨之相應增加，膜內壁面的氣體邊界層變薄，氣相傳質阻力減小，從而增大了氣相傳質效率，總傳質系數增加。同時硫化氫與吸收液反應迅速，且吸收液儲量大，氣體流量增大時被吸收的越多，傳質系數大大增加；而氨氣流量增加，溶于水的速度加快，在堿性吸收液中很快達到飽和狀態，傳質系數增加不明顯。綜合考慮氣體去除率和傳質效率，氣體流量為1L．min-1時較為合適。

2.2液體流量對脫臭效果的影響

在氣體流量為1L·min-1，氣相壓力為7.5kPa，液相壓力為40kPa，溫度為25.0℃的操作條件下，考察了液體流量對惡臭氣體去除效率的影響，結果如圖3所示。由圖3可知，液體流量增加，惡臭氣體的去除效率和傳質系數均呈上升趨勢，當液體流量從0.2L·min增加到1.2L．min時，硫化氫去除率從96.59%上升到97.91%，傳質系數32.18x10m·s-1上升到36.82×10-5m·s-1，氨氣去除率從40.41%上升到47.43%，傳質系數4.93x10-5m·S-1上升到6.12×10-5m·S-1，VOC去除率從51.78m上升到58.19%，臭氣濃度去除率從81.05%上升到85.96%。當液體流量大于0.6L·min-1時，氣體的去除率和傳質效率趨于平緩，基本保持不變。這是因為液體流量增加，單位時間內吸收液循環次數增加，吸收液能夠保持較高濃度，具有更佳的吸收和氧化條件，瞬時反應速率提高，使得去除效率增大；同時，隨著液體流量增加，氣液接觸面處吸收液會迅速將氣體帶走并吸收，增大了氣液之間的濃度梯度，有利于氣體向液相擴散傳質，傳質阻力降低，氣體傳質效率增大。當液體流量增加到一定程度時，單位時間內氣體和吸收液反應速率相對穩定，傳質吸收效率增加不明顯。綜合考慮氣體去除率和傳質效率，液體流量為0.6L·min-1時較為合適。

2.3長時間運行對脫臭效果的影響以氣體流量為1L·min-1，吸收液流量為0.6L·min-1，氣相壓力為7.5kPa，液相壓力為40kPa，溫度為25.0℃，連續12d運行操作條件下，分別考察了運行日寸間對硫化氫、氨氣、VOC和臭氣濃度的去除效果，結果如圖4所示。由圖4可知，在長時間運行過程中，吸收液對惡臭氣體的去除效果和傳質效率相對穩定，并沒有出現隨著運行時間加長，氣體去除效率有明顯下降的趨勢。硫化氫和氨氣的平均去除率分別為96.99%和42.91%，平均傳質系數分別為33.41×10-5m·S-1和5.34×10-5m·s-1，VOC和臭氣濃度平均去除率分別為55.24%和82.04%。表明運行穩定性較好，對氣體去除效率及傳質系數都保持了較高的水平。

綜上所述，膜接觸吸收法在氣體去除方面具有較大的優勢，與傳統化學吸收法相比，從技術層面上，氣體在膜組件內與吸收液接觸時間約為0.28s，在膜內平均氣速為1.8m·s-1；傳統化學洗滌塔的氣液接觸時間一般為1.2s，氣速約為2m·s-1，理論上膜接觸吸收法比化學吸收塔法單位時間內處理的氣量要大3倍，另外膜接觸吸收法液氣比約為化學吸收塔液氣比的100倍。根據雙膜理論，在化學吸收過程中，液氣比增大，氣體污染物與液體組分進行的選擇性化學反應會加快，氣體污染物溶解到液相中的量會增多，從而對氣體污染物的去除率和傳質效率更高。膜組件可模塊化，采用多級聯用工藝，增加膜組件，可滿足對惡臭氣體處理更高的標準要求。

3結論

以堿液為吸收液，氣體流量增加，惡臭氣體去除效率降低，總傳質效率增加；液體流量增加，惡臭氣體去除效率及總傳質效率均增加，當氣體流量為1L·min-1，液體流量為0.6L·min時，對氣體的綜合處理效果最佳。在長時間運行過程中，該法對惡臭氣體處理效果較好且相對穩定，H2S、NH3、VOC和臭氣濃度的平均去除率分別為96.99%、42.91%、55.24%和82.04%；H2S傳質效率處于較高水平。膜接觸吸收法的氣體在膜內與吸收液接觸時間約為0.28s，平均氣速為1.8m·s-1。膜接觸吸收法氣液傳質效率高，對氣體污染物處理效果好，預期具有廣闊的發展應用前景。