專利名稱：一種處理揮發性有機廢氣的生物滴濾床的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種處理揮發性有機廢氣的生物滴濾床，屬于揮發性有機廢 氣的處理領域。
技術背景揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)是一大類氣態 有機污染物，主要是指在常溫下飽和蒸氣壓約大于70Pa，常壓下沸點小于 26(TC的有機化合物。VOCs種類繁多，分布廣，毒性大。VOCs廢氣來源廣 泛，'部分來自于大型固定源(如石油化工、廢水處理設施、制藥等，閥門、 泵處的泄漏，低沸點有機化合物的貯存、運輸等；大量來自交通工具、電鍍、 噴漆以及有機溶劑使用等所排放的廢氣，具有污染面廣，氣量大，濃度低等 特點。在強烈紫外線作用下，VOCs與氮氧化物、碳氫化合物等發生光化學反 應，生成光化學煙霧；吸收地面輻射的紅外線引起溫室效應；鹵烴類VOCs 還可破壞臭氧層形成臭氧空洞；此外有些VOCs還具有三致性(致癌、致畸 變、致突變、毒性、惡臭味。VOCs廢氣污染日益廣泛，日趨嚴重。它不僅嚴 重危害著人類的生存環境，而且也無時無刻不在侵害著人類的身體健康。生物法是近20年來興起的一種處理方法，針對于這類既無回收價值又嚴 重污染環境的工業低濃度VOCs廢氣的凈化處理，主要通過微生物的代謝活 動，將廢氣中的VOCs轉化為簡單的無機物(co2，水等及細胞組成物質的過 程。生物法可以分為生物洗滌法、生物過濾法以及生物滴濾法。生物滴濾法 改進了傳統生物過濾法在運行中遇到的一些問題，如填料降解需要更新、酸 化導致pH值降低、廢氣濕度低使得填料干化等，成為近年來研究最為活躍的 一種VOCs凈化方法。生物滴濾法普遍采用的設備為立式圓柱形生物滴濾塔，滴濾塔內具有一 定高度的多孔填料床層，營養液從滴濾塔填料的頂部噴淋下來，并逐步地流 過滴濾塔的填料，需凈化廢氣由滴濾塔底部或頂部進入，在多孔的填料床內 液相和氣相可以以逆流或順流接觸的方式流動，凈化后的廢氣由塔頂或塔底 排出。填料上附著生長的生物以VOCs作為碳源，以營養液作為氮源進行自 身生長繁殖。填料是微生物生存和生長的介質，它決定了微生物掛膜的難易 程度和生物膜性能的好壞。填料的比表面積、空隙率與單位體積床層的生物 量有關，還直接影響著整個床層的壓降及是否容易堵塞等問題。更重要的一 點是，氣態污染物降解要經歷一個氣相到液相或生物相的傳遞過程，而填料 的比表面積決定了氣相和液相或生物相的界面面積，因而對傳遞過程有很大 影響。國內昆明理工大學的魏在山等采用不同的填料進行研究，結果表明七種 填料的凈化性能順序為海藻石〉輕質陶塊〉陶粒〉瓷環〉不銹鋼環〉煤渣 〉塑料環。同濟大學的羌寧、季學李等通過動態條件掛膜和靜態降解曲線比 較對絲網、纖維黏附活性炭、聚乙烯多面小球、爐渣等介質作為氣態生物滴 濾池生物載體材料的性能進行了研究，結果表明絲網和具有絲網結構的纖 維黏附活性炭掛膜量大，降解能力強，多面小球的降解性能次之，爐渣最差。 西安建筑科技大學的汪鳳誕等以兩種不同的陶粒作為生物滴濾床填料凈化較 低濃度的二甲苯廢氣取得了很好的凈化效果，說明陶粒是生物法處理二甲苯廢棄的理想填料。國外的Sorial通過實驗用滴濾塔測試了兩種人工合成的填料 性能， 一種是MonoHthic Channelized Medium (MCM)，另一種是Pelletized Ceramic Medium (PCM)，最后得出PCM更適合作為填料的結論。由上可知，目前國內外關于填料的研究集中在填料的優選、性能實驗研 究上，生物滴濾塔內填料的裝填方式以及填料大小的極配未見報道。近年來 公開了一些有關生物滴濾塔的專利，但生物滴濾塔內填料的裝填大多數采用 單一填料塔內均勻裝填的方式，專利200510095104.6公開的一種用于去除空 氣中惡臭污染物的生物滴濾塔中，采用了兩種規格填料填充滴濾塔，從底部 至頂部裝填的顆粒填料從大到小分布，在一定程度上解決了濾塔底部過大負 荷、生物膜量積累過多的問題。但是，由于氣體由濾塔底部進入，營養液由 頂部加入，會存在底部碳源充足，頂部氮源充足的問題，從而導致頂部阻力 遠高于底部阻力，影響氣流在濾塔內的分布，不利于凈化后氣體的排出。對于圓柱形濾塔而言，氣流分布在進口區域是均勻分布的，隨著沿軸線 方向的運動，氣體流速會呈現中心區域高，四周近壁環形區域低的拋物線不 均勻分布現象，中心軸線上的流速最大(如圖l、圖2所示)。這種氣體橫截 面上流速分布不均勻的問題會導致營養液形成壁流、股流，從而導致濾塔內 氣液分布、濕度和生物量分布不均，有效降解空間減少，影響了其去除效果，
產生了壓降高、易堵塞的問題，這些問題的存在增大了設備體積和投資費用， 給操作管理帶來不便，極大的限制了生物滴濾塔在工業實際中的進一步應用。 發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種處理揮發性有機廢氣的生物滴濾 床，該裝置采用輕質膨脹陶土顆粒為填料，并進行進氣橫截面上填料大小的 極配，能夠在一定程度上解決氣體橫截面上氣體分布不均勻的問題，提高了 有效降解空間，具有壓降低、生物量分布均勻的特點。一種處理揮發性有機廢氣的生物滴濾床，包括進氣管l、生物滴濾塔22、 營養液自動定量供給裝置17、營養液噴淋管18、營養液滴加分布裝置19、 U 型液封管3、反沖洗進氣管6、反沖洗進液管7、反沖洗液排出管8以及排氣 管9;生物滴濾塔22內部裝填可以附著生物膜的多孔填料4，進氣管1位于 生物滴濾塔22的底部，排氣管9位于生物滴濾塔22的頂部一側，營養液噴 淋管18和營養液滴加分布裝置19位于生物滴濾塔22的頂部，U型液封管3 位于生物滴濾塔22的底部，營養液自動定量供給裝置17由儲液箱5、水泵 13、定容器16和電磁閥15依次連接組成，通過儲液箱5與U型液封管3相 連，通過電磁閥15與營養液噴淋管18相連；其特征在于生物滴濾塔22填 料層為同心圓柱形套筒式結構，從中心到邊緣所裝填的填料4的粒徑由小到 大分布，中心區域裝填小粒徑填料4，四周近壁環形區域裝填大粒徑填料4。 氣體流速"為中心軸線最大流速"_二分之一 (""T^)處為塔內中心區域的最 大范圍，根據流體力學公式計算得出中心區域的半徑范圍0^^0.707r。。所述填料4為輕質膨脹陶土顆粒。所述反沖洗進氣管6位于反沖洗進液管7的下方，管上均勻開孔，反沖 洗進氣管6開孔率高于反沖洗進液管7。 本發明具有以下有益效果(l)對于圓柱形濾塔而言，氣流分布在進口區域是均勻分布的，隨著沿軸 線方向的運動，氣體流速會呈現中心區域高，近壁邊緣區域低的拋物線不均 勻分布現象。在填料的裝填方式上采取大小極配，中心區域裝填小粒徑填料， 四周近壁環形區域裝填大粒徑填料后，中心區域的流體阻力大于近壁環形區 域，從而在一定程度上使進氣橫截面上氣流分布均勻，避免營養液壁流、股
流的問題，使濾塔內生物量的分布比較均勻，從而充分利用了生物滴濾器的 有效空間。(2) 選用輕質膨脹陶土顆粒作為填料，孔隙率高，在具有一定機械強度和 持水性的同時，也有很好的持水性，可以減少營養液的加入，降低成本。同 時具有懸浮性，有利于反沖洗，可以附著較多的生物膜的生長，價格低廉。(3) 反沖洗時間是生物滴濾塔的重要的操作指標之一，由反沖洗方式決定。 本發明中濾塔設有氣水反沖洗系統，反沖洗進氣管位于反沖洗進液管的下方， 排水方式為完全混合式，將填料上的污物剝落下來的速度遠大于單獨用水反 沖洗時的速度。同時通過反沖洗進氣管與反沖洗進液管開孔率的高低，可以 有效調節氣反沖洗與水反沖洗的強度及速度，達到最佳的去除污物的速率常 數和反沖洗時間，降低能耗。
圖1為進氣截面中心區域與四周近壁環形區域示意圖。圖中陰影區域為中心區域，空白區域為四周近壁環形區域。 r一中心區域半徑；"。一濾塔半徑圖2為塔內氣體流速分布示意圖。圖中"一氣體流速；"，一中心軸線最大流速圖3為本發明處理揮發性有機廢氣的生物滴濾床結構示意圖。 圖中1—進氣管；2—取樣口； 3—U型液封管；4一填料；5—儲液箱； 6—反沖洗進氣管；7—反沖洗進液管；8—閥門；9一排氣管；IO—反沖洗液 排出管；ll一營養液；12—反沖洗緩沖區；13—水泵；14一進液管；15—電 磁閥；16—定容器；17—營養液自動定量供給系統；18—營養液噴淋管；19 一布水器；20—微電腦時間控制器；21—回流管；22—生物滴濾塔 圖4為生物滴濾床連續運行處理揮發性有機廢氣的情況。 圖5為各段填料層單位質量填料附著生長的生物量分布情況。圖中按照從上到下的順序將填料層分為一、二、三、四段，各段中心 區域和近壁環形區域分別用一內、 一外、二內、二外、三內、三外、四內、 四外表示
具體實施例方式
圖3所示處理揮發性有機廢氣的生物滴濾床，由進氣管l、生物滴濾塔22、營養液自動定量供給裝置17、營養液噴淋管18、布水器19、 U型液封管 3以及排氣管9組成。該生物滴濾床整體外觀為立式圓柱狀塔形，進氣管l位 于生物滴濾塔22底部一側，排氣管9位于生物滴濾塔22頂部一惻，在進氣 管l、生物滴濾塔22—側、排氣管9上分別設置有取樣口2，起到的作用是 可以及時準確地測定該生物滴濾裝置的處理性能、壓降以及反應器前后溫、 濕度變化，從而有利于控制該生物滴濾裝置的運行。在生物滴濾塔22內部裝 填有可以附著生長生物膜的多孔填料4，位于生物滴濾塔22上部的營養液噴 淋管18和布水器19，既可以更加有效的均勻布液，還可以用來解決防止氣體 從頂部短路這一問題，保證裝置的密閉性。生物滴濾塔22底部與U型液封管 3相連接，U型液封管3—端浸入到儲液箱5中，儲液箱5、水泵13、定容器 16和電磁閥15依次相連接，組成了營養液自動定量供給裝置17，儲液箱12 與水泵13進口相連，水泵13出口通過進液管14與定容器16上部相連，定 容器16底部與電磁閥15相連，電磁閥與位于生物滴濾塔22頂部的營養液噴 淋管18相連，設有微電腦時間控制器20進行水泵13和電磁閥15的控制， 定容器16側面設有營養液回流管21與儲液箱5相通，操作管理方便，較好 地控制了反應器主體內的溫、濕度和生物膜的積累，保證了反應器長期運行 處理性能的穩定性。揮發性有機廢氣依次通過進氣管1、由底部一側進入生物滴濾塔22中， 在生物滴濾塔22中裝填有可附著具有降解能力的生物的多孔填料4，營養液 11提供了這種具有降解能力的微生物生長所需的氮源，營養液11通過由儲液 箱12、水泵13、定容器1 6和電磁閥15依次連接組成的營養液自動定量供給 裝置n，自動定時定量地流經營養液噴淋管18、布水器19，最終進入到生物 滴濾塔22中。水泵13與電磁閥15的開啟與關閉通過微電腦時間控制器20 自動控制，水泵13開啟后營養液11通過進液管14由上部進入定容器16中， 當回流管21中有營養液11流出時，水泵13自動關閉，然后電磁閥15自動 開啟，具有一定體積的營養液11便通過營養液噴淋管18、布水器19均勻地 滴加到了生物滴濾塔22中，電磁閥15自動關閉。營養液自上而下均勻地滴 入到生物滴濾塔22中，與自下而上進入到生物滴濾塔22中的揮發性有機廢 氣逆流接觸，附著在多孔填料4上具有降解能力的微生物以營養液11和揮發
性有機廢氣作為自身生長繁殖所需要的基質，于是，廢氣中的污染物得到了 降解，由排氣管9排出。處理某揮發性有機廢氣，其中甲苯濃度為1005—1466mg/m3，在該生物滴 濾床內的停留時間為86.4s。溫度隨環境溫度變化而變化，變化范圍為 17—28°C，進口濃度在一定范圍內波動。生物滴濾塔由有機玻璃管制成，填 料層分為四段，分別設與濾塔同心的筒體作為中心區域，中心區域半徑為濾 塔半徑的0.707倍，中心區域裝填直徑為(D8-9mm的輕質膨脹陶土顆粒，四周 近壁環形區域裝填直徑為05-6mm的輕質膨脹陶土顆粒。采用從市場購買的種植花草的輕質膨脹陶土顆粒作為填料，價格低廉。 該填料表面粗糙，微孔結構豐富、比重小、利于微生物生長繁殖、價格便宜， 具有高度保濕性。填料外觀為球形，紅褐色。分為8-9mm和05-6mm兩種。 空隙率為72%和80%;堆積密度分別為0.36 kg/m3和0.46 kg/m3;比表面積分 別為257 m2/ m3和221 m2/ m3;持水率均在30.8°/。左右。填料表面附著的生物膜菌源為惡臭假單胞菌。將制備菌懸液滴入到填料4 中，幵始接種微生物，定時向生物滴濾塔22中滴入營養液，同時向生物滴濾 塔22中通入廢氣。菌懸液中的細菌附著在填料表面開始生長繁殖，并逐漸形 成生物膜，通過定期從取樣口2取樣進行甲苯濃度分析測試，以去除效率來 反映系統的凈化能力。圖4所示為生物滴濾床連續運行處理揮發性有機廢氣的情況。細菌加入 初期，整個系統處于掛膜啟動階段，隨著微生物的不斷繁殖生長，填料表面 逐漸出現乳白色生物膜，顏色逐漸加深，呈淡黃色，如圖四所示，該生物滴 濾床的去除效率由啟動第1天的21%逐漸增加，在第七天達到84%,并繼續 增加達到穩定，去除效率維持在91%以上，掛膜啟動完成，掛膜啟動時間較 快，在以后一個多月的連續運行中，裝置處理性能較為穩定，連續運行處理 揮發性有機廢氣，其平均去除效率為94%，單位體積填料最大去除負荷能力 為115.7g/m、h，出口氣體檢測到的甲苯濃度均低于《大氣污染物綜合排放標 準》(GB 16297-1996)中規定的最高排放濃度。圖5所示為各段填料層單位質量填料附著生長的生物量分布情況。生物 量分布的不均勻會導致處理裝置有效降解空間的降低，從而導致設備體積的 龐大，增加投資運行成本。在生物滴濾床運行第二十天測定了各段填料層中
心區域與四周近壁環形區域單位質量填料附著生長的生物膜量。由圖五可以 看到，各段填料層中生物膜分布較為均勻，沒有出現較為大的差距。表明， 在填料的裝填方式上采取大小極配，可在一定程度上使進氣橫截面上氣流分 布均勻，避免營養液壁流、股流的問題，使處理設備內生物量的分布比較均 勻，從而充分利用了處理設備的有效空間。.為了避免出現堵塞時影響濾塔處理性能，設有氣水反沖洗系統，反沖洗 進氣管與反沖洗進液管位于生物滴濾塔底部，且反沖洗進氣管位于反沖洗進 液管的下方，并均勻開孔，通過反沖洗進氣管與反沖洗進液管開孔率的高低， 反沖洗進氣管的開孔率為反沖洗進液管的1.5倍，達到了最佳的去除污物的速 率常數，有效地調節了氣反沖洗與水反沖洗的強度及速度，反沖洗時間僅需5min，降低了能耗。本發明不局限于上述具體實施方式
，只要生物滴濾塔內進氣橫截面上進 行填料大小的極配，中心區域裝填小粒徑填料，四周近壁環形區域裝填大粒 徑填料，均落在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種處理揮發性有機廢氣的生物滴濾床，包括進氣管(1)、生物滴濾塔(22)、營養液自動定量供給裝置(17)、營養液噴淋管(18)、營養液滴加分布裝置(19)、U型液封管(3)、反沖洗進氣管(6)、反沖洗進液管(7)、反沖洗液排出管(8)以及排氣管(9)；生物滴濾塔(22)內部裝填可以附著生物膜的多孔填料(4)，進氣管(1)位于生物滴濾塔(22)的底部，排氣管(9)位于生物滴濾塔(22)的頂部一側，營養液噴淋管(18)和營養液滴加分布裝置(19)位于生物滴濾塔(22)的頂部，U型液封管(3)位于生物滴濾塔(22)的底部，營養液自動定量供給裝置(17)由儲液箱(5)、水泵(13)、定容器(16)和電磁閥(15)依次連接組成，通過儲液箱(5)與U型液封管(3)相連，通過電磁閥(15)與營養液噴淋管(18)相連；其特征在于生物滴濾塔(22)填料層為同心圓柱形套筒式結構，從中心到邊緣所裝填的填料(4)的粒徑由小到大分布，中心區域裝填小粒徑填料(4)，四周近壁環形區域裝填大粒徑填料(4)。
2. 按照權利要求1所述的一種處理揮發性有機廢氣的生物滴濾床，其 特征在于所述填料(4)為輕質膨脹陶土顆粒。
3. 按照權利要求l所述的一種處理揮發性有機廢氣的生物滴濾床，其 特征在于反沖洗進氣管(6)位于反沖洗進液管(7)的下方，管上均勻 開孔，反沖洗進氣管(6)開孔率高于反沖洗進液管(7)。
全文摘要
一種處理揮發性有機廢氣的生物滴濾床，屬于揮發性有機廢氣的處理領域。現有滴濾床內存在氣流分布、生物量分布不均勻，中心氣速高，壓降高、易堵塞的問題。技術方案揮發性有機廢氣通過進氣管(1)進入生物滴濾塔(22)，降解凈化后由排氣管(9)排出；營養液(11)定時定量地由營養液噴淋管(18)和滴加分布裝置(19)進入到生物滴濾塔(22)中；其特征在于采用不同粒徑的輕質廉價填料(4)，濾塔為同心圓柱形套筒式結構，從中心到邊緣所裝填的填料(4)的粒徑由小到大分布，中心區域裝填小粒徑填料(4)，四周近壁環形區域裝填大粒徑填料(4)。本發明使濾塔內生物量的分布比較均勻，從而充分利用了生物滴濾器的有效空間。
文檔編號B01D53/84GK101125280SQ20071011894
公開日2008年2月20日 申請日期2007年6月15日 優先權日2007年6月15日
發明者京 張, 張書景, 堅 李, 李依麗, 梁文俊, 章小軍, 金毓峑 申請人:北京工業大學