08席劲瑛 VOC生物处理技术现状与发展趋势

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,席劲瑛 胡洪营,清华大学环境科学与工程系,北京会议中心 2021年8月6日,工业VOC气体生物处理技术现状与开展趋势,主要内容,VOC生物处理技术概述,生物过滤技术研究进展与工程实例,本课题组近期研究成果介绍,VOC生物处理技术概述,VOC气体污染控制途径,“源控制,通过改进生产工艺和实施清洁生产，减少VOC产生,稀释与扩散,利用一定的气候条件将产生的VOC排放到大气中，使之不产生直接危害,“汇控制VOC处理技术,回收或去除产生的VOC,VOC处理技术分类,不同VOC处理技术的适用范围,来源： Noel de Nevers, ?Air pollution control engineering?,1,10,100,100,0,1000,10000,100000,1000000,生物过滤,生物滴滤,生物洗涤,焚烧,冷凝,吸收,再生吸附,非再生吸附,低温冷凝,浓度（g/m,3,）,流量,（m,3,/h）,VOC生物处理技术原理与特点,原理,利用微生物的代谢作用，将VOC转化成为CO,2,，H,2,O，SO,4,2-,，NO,3,-,等无机物，同时产生菌体,生物处理技术特点,工艺设备简单,运行费用低,二次污染小,适于处理低浓度、易生物降解VOC气体,生物处理技术的适用范围,可处理的,VOC或恶臭物质,苯系物：如苯、甲苯、乙苯 、二甲苯,醇类：如乙醇、甲硫醇 醚类：如甲硫醚,胺类：如三甲胺、乙胺 醛类：如甲醛,酮类：如丙酮 酯类：如乙酸乙酯,其他：硫化氢、氨,适用的行业,污染物处理：污水处理、垃圾填埋、堆肥,溶剂使用：塑料制品、油漆制造、印刷,化工产品制造：炼油、炼焦、合成制药、合成橡胶,农业、食品工业：畜牧养殖、肉类加工,生物法的分类与主要形式,微生物附着生长系统,生物过滤塔biofilter,生物滴滤塔trickling biofilter,膜生物反响器membrane bioreactor,微生物悬浮生长系统,生物洗涤塔bioscrubber,活性污泥反响器,生物过滤工艺,土壤或堆肥,恶臭气体,喷淋液,水，营养盐,出气,活性填料,进气,喷淋液,填料比外表积大，适用于处理不易溶解的恶臭和VOC污染物，亨利系数小于10Johan W. wan Groenestijn and Paul G.M. Hesselink, 1993),生物滴滤塔,惰性填料,表面附有生物膜,处理后气体,进气,优点：pH，营养盐易控制,适用于处理较易溶解的恶臭和VOC污染物，亨利系数小于1Johan W. wan Groenestijn and Paul G.M. Hesselink, 1993),膜生物反响器,来源：,Joanna E. Brugess et. al, 2001,优点：,pH,，温度，营养盐易控制，通过选用不同膜材料来选择性地去除污染物,适用于处理易溶解的恶臭和,VOC,污染物,处理后气体,惰性填料,进气,优点：pH，温度，营养盐易控制,适用于处理易溶解的恶臭和VOC污染物，亨利系数小于Johan W. wan Groenestijn and Paul G.M. Hesselink, 1993),生物洗涤塔,活性污泥法,优点：,pH,，温度，营养盐易控制，可利用已有的活性污泥处理装置,适用于处理易溶解的恶臭和,VOC,污染物,来源：,Joanna E. Brugess et. al, 2001,主要VOC生物处理工艺的比较,生物过滤塔,生物滴滤塔,生物洗涤塔,基本,结构,流动相,气体,气体和液体,气体和液体,填料,活性,惰性,无,生物相,附着型,附着型&悬浮型,悬浮型,设备,特点,传质面积,大,小,小,后处理,不需,需处理废水,需处理剩余污泥,菌种流失,不易流失,易随流动相流失,易随流动相流失,反应条件,不易控制,易于控制,易于控制,运行费用,低,较高,高,适宜,VOC,特点,气量,大,大,小,浓度,低,低,高,其他,适应性强,有机负荷较高,降解过程产酸,易溶，气相传质速率,大于生化反应速率,生物过滤法成为VOC控制的常用工艺,生物过滤技术的研究进展,生物过滤技术的开展历史,1923年，Bach提出H2S生物处理的概念。50年代，美国加州和西德地区建成了一些土壤过滤床。,6070年代，在欧洲，尤其德国和荷兰，生物滤塔被应用于堆肥，食品加工，畜禽养殖过程产生的恶臭气处理。,80年代后，应用领域扩展到控制工业VOC和其它有毒废气，如化工厂和印刷车间排放的气体等。,进入21世纪，有关的根底和应用研究依然活泼。,我国从20世纪90年代中后期开始，开展了废气生物处理技术的研究。,生物过滤塔工艺流程,传质过程,生物降解过程,生物过滤工艺性能,气体,VOC组分,进口浓度,(mgm,-3,),去除速率,(g-Cm,-3,h,-1,),去除率(%),资料来源,单一,组分,甲苯,3755000,2590,9099,Woertz et al., 2001,甲苯,400700,110,99,van Groenestijn et al.,2001,甲苯,02000,44,95,李国文等，2001,正己烷,360720,17,99,Arriaga et al, 2005,苯乙烯,800900,50-92,8595,He et al., 1996,甲醇,1100,38,7690,McGrath et al.,1999,混合,组分,乙酸乙酯,甲醇,丙酮,甲苯,二氯甲烷,200,200,200,200,200,11,7,6,7,1,99,72,50,42,32,Aitor et al., 2001,苯,甲苯,乙苯,二甲苯,700,1200,1900,950,15,26,40,20,99,98,95,95,Abumaizar et al., 1998,填料层压降,压降是影响运行费用的重要因素,与空塔气速、填料层空结构有关，可用欧根Ergun方程表示：,其中，P/l为填料层压降，Pam-1；u为空塔气速，mh-1；为空隙率，无量纲；de为填料层当量直径，m；为流体的粘度，Pah，为气体的密度，gm-3,一般生物过滤塔填料层压降为几百到几千帕每米,生物过滤工艺性能的影响因素,VOC种类,VOC的水溶性和生物降解性等,填料和菌种,填料比外表积、阻力等；菌种降解能力、有效含量等,操作运行条件,包括环境条件、气体输送条件和喷淋条件等,VOC的溶解性和生物降解性,VOC,亨利系数,正己烷,58.578.6,1,3-丁二烯,2.933.09,苯,0.210.23,甲苯,0.260.28,1,2-二氯乙烷,0.044,氯苯,0.120.16,VOC,动力学模型,降解速率常数,甲苯,Monod模型,max,=0.65 h,-1,K,s,=2.6 mgL,-1,甲苯,Monod模型,max,=0.062 h,-1,K,s,=25.94 mgL,-1,苯,一级反应,k,1,=0.059 Lmg,-1,h,-1,邻二甲苯,一级反应,k,1,=0.0045 Lmg,-1,h,-1,氯苯,一级反应,k,1,=0.0034 Lmg,-1,h,-1,典型VOC的亨利系数25,典型VOC的生物降解常数25,理想的填料应具备的性能,易于微生物生长附着,具有较大的比外表积、空隙率和均匀的孔隙结构,较小的床层压降,一定的强度与化学稳定性,廉价、易得,常见生物过滤填料,真菌类生物过滤塔的去除性能,真菌种类,污染物,进口负荷,gm,-3,h,-1,去除能力,gm,-3,h,-1,空塔停留时间s,运行,天数d,文献,Fusarium solani,腐皮镰霉,正己烷,148-172,130,60,100,Sonia A, et al. 2005,Exophiala oligosperma,黑酵母,甲苯,100,77,80,150,Estvez E, et al.2005,Paecilomyces variotii,宛氏拟青霉,甲苯,270-330,245,90,76,Aitor A, et al. 2005,Exophiala,lecanii-corni,外瓶霉属,甲苯,22.8-318,270,60,175,Woertz JR, et al. 2001,Exophiala jeanselmei,甄氏外瓶霉,苯乙烯,82,79,30,25,Cox HHJ, et al. 1996,普通细菌类生物过滤塔对VOC的去除能力10-40g/m3h-1 Weber，1995,操作运行条件和填料层微环境,操作运行条件,环境条件：,温度、湿度等条件,气体输送条件：,进气温度、湿度、VOC浓度、空塔气速、空塔停留时间和VOC负荷等,喷淋条件：,喷淋液温度、组成、喷淋量、时间和喷淋方式等,操作条件改变填料层微环境,温度：,适宜温度为2040,填料层含水率：,一般40-80,填料层pH值：,一般pH值范围为68,氮磷营养盐含量,生物过滤塔运行性能模拟,“扩散-生物降解模型,早期多为稳态模型和不考虑微生物增殖的模型,可用于分析和预测生物过滤塔运行性能变化包括去除性能和压降,气相,生物膜,填料骨架,液膜,z,生物过滤技术工程实例1,韩国某制药厂废气处理装置，处理规模34,800 m,3,/h,来源：Prof,Sangjin Park, , Odor & VOCs Research Institute of Woosong University,Time-course removal and inlet and outlet concentration of Kavotec biofilter,实例1处理效果,来源：Hebi Li et al, Department of Civil and Environmental Engineering，Michigan Technological University,生物过滤技术工程实例2,美国Iowa某污水处理厂废气处理装置，处理规模240000,m,3,/h,来源：Hebi Li et al, Department of Civil and Environmental Engineering，Michigan Technological University,实例2处理效果,(Air residence time 6.5 sec),生物过滤技术工程实例3,美国某纤维海绵生产厂废气处理装置，处理规模510,00 m,3,/h,来源：,N.J.R. Kraakman et al.,，,2000,年,实例3处理效果CS2,近年来新的研究热点,生物过滤塔的堵塞机理和控制,生物过滤与其它物理、化学方法组合的联合处理技术开发,生物过滤工艺中微生物群落结构和功能研究,生物过滤一体化、模块化装置研制开发,本课题组近期研究成果介绍,生物过滤单元,降低生物系统的负荷,紫外单元,高浓度物质,提高可生化性,难降解物质,紫外(UV)-生物过滤(BF)联合工艺研究,国家自然科学基金资助工程编号50708049,UV-BF联合工艺氯苯去除性能优于单一BF工艺的去除性能,UV-BF联合工艺与单一BF工艺性能比较,UV单元促进了BF单元的氯苯去除性能,联合工艺组合优势促进生物过滤性能,联合工艺的组合优势降低紫外光降解产物毒性,BF单元能有效降低UV单元尾气的生物毒性,城市污水厂恶臭生物处理技术研究,生物除臭示范工程，规模4000m,3,/h。国家863课题资助,谢谢大家,请批评指正,