1、席劲瑛席劲瑛 胡洪营胡洪营清华大学环境科学与工程系清华大学环境科学与工程系北京会议中心 2009年8月6日工业VOC气体生物处理技术现状与发展趋势主要内容nVOC生物处理技术概述n生物过滤技术研究进展与工程实例n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n“源”控制 通过改进生产工艺和实施清洁生产，减少VOC产生n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n“汇”控制（VOC处理技术） 回收或去除产生的VOCVOC处理技术分类控制技术物理法冷凝吸收吸附膜分离化学法焚烧催化氧化光降解生物法生物过滤生物滴滤生物洗涤不同VOC处理技术的适用
2、范围来源： 1 110101001001001000 010001000100001000010000010000010000001000000生物过滤生物过滤生物滴滤生物滴滤生物洗涤生物洗涤焚烧焚烧冷凝冷凝吸收吸收再生再生吸附吸附非再生吸附非再生吸附低温冷凝低温冷凝浓度（浓度（g/m3）流量流量（m3/h）VOC生物处理技术原理与特点n原理 利用微生物的代谢作用，将VOC转化成为CO2，H2O，SO42-，NO3-等无机物，同时产生菌体n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n可处理的VOC或恶臭物质 苯系物：如苯、
3、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n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n微生物附着生长系统 生物过滤塔（biofilter） 生物滴滤塔（trickling biofilter） 膜生物反应器（membrane bioreactor）n微生物悬浮生长系统 生物洗涤塔（bioscrubber） 活性污泥反应器生物过滤工艺 土壤或堆肥恶臭
4、气体喷淋液水，营养盐出气活性填料进气喷淋液 填料比表面积大，适用于处理不易溶解的恶臭和VOC污染物，亨利系数小于10（Johan 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1（Johan W. wan Groenestijn and Paul G.M. Hesselink, 1993)膜生物反应器来源： 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
5、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0.01（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： 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
6、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生物过滤法成为VOCVOC控制的常用工艺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发展历史n1923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。n6070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。n80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。n进入21世纪，有关的基础和应用研究依然活跃。n我国从
7、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 水泵 VOCs 气体 填料填料 处理后气体 间歇喷淋 渗出液 加湿（可省去） 风机 气体输送装置气体输送装置 喷淋装置喷淋装置 过滤塔主体过滤塔主体 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-3h-1)去除率(%)资料来源单一组分甲苯375500025909099Woertz et al., 2001甲苯40070011099van Groenestijn et al.,2001甲苯020004495李国文等，2001正己烷3607201799Arriaga et
8、 al, 2005苯乙烯80090050-928595He et al., 1996甲醇1100387690McGrath et al.,1999混合组分乙酸乙酯甲醇丙酮甲苯二氯甲烷2002002002002001176719972504232Aitor et al., 2001苯甲苯乙苯二甲苯700120019009501526402099989595Abumaizar et al., 1998填料层压降n压降是影响运行费用的重要因素n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
9、量直径，m；为流体的粘度，Pah，为气体的密度，gm-3n一般生物过滤塔填料层压降为几百到几千帕每米2211210951. 872.66ududlPee生物过滤工艺性能的影响因素nVOC种类 VOC的水溶性和生物降解性等n填料和菌种 填料比表面积、阻力等；菌种降解能力、有效含量等n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58.578.61,3-丁二烯2.933.09苯0.210.23甲苯0.260.281,2-二氯乙烷0.044氯苯0.120.16VOC动力学模型降解速率常数甲苯Monod模型max=0.65 h-1, Ks=2.6 m
10、gL-1甲苯Monod模型max=0.062 h-1,Ks=25.94 mgL-1苯一级反应k1=0.059 Lmg-1h-1邻二甲苯 一级反应k1=0.0045 Lmg-1h-1氯苯一级反应k1=0.0034 Lmg-1h-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n易于微生物生长附着n具有较大的比表面积、空隙率和均匀的孔隙结构n较小的床层压降n一定的强度与化学稳定性n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真菌种类污染物污染物进口负荷进口负荷g gm m-3-3h h-1-1去除能力去除能力g gm m-3-3h h-1-1
11、空塔停留空塔停留时间时间s s运行运行天数天数d d文献文献Fusarium solani腐皮镰霉 正己烷148-172148-1721301306060100100Sonia A, et al. 2005Exophiala oligosperma黑酵母甲苯10010077778080150150Estvez E, et al.2005Paecilomyces variotii宛氏拟青霉 甲苯270-330270-33024524590907676Aitor A, et al. 2005Exophialalecanii-corni外瓶霉属 甲苯22.8-31822.8-318270270606
12、0175175Woertz JR, et al. 2001Exophiala jeanselmei 甄氏外瓶霉 苯乙烯8282797930302525Cox 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n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n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
13、氮磷营养盐含量生物过滤塔运行性能模拟n“扩散-生物降解”模型n早期多为稳态模型和不考虑微生物增殖的模型n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）气相气相生物膜生物膜填料骨架填料骨架液膜液膜fLLgSfSz生物过滤技术工程实例1n韩国某制药厂废气处理装置，处理规模34800 m3/h来源：Prof Sangjin Park, Ph.D, Odor & VOCs Research Institute of Woosong UniversityTime-course removal and inlet and outlet concentration of Kavotec bio
14、filter 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2n美国Iowa某污水处理厂废气处理装置，处理规模240000m3/h来源：Hebi Li et al, Department of Civil and Environmental Engineering，Michigan Technological University(Air residence time 6.5 sec)0.00.51.01.
15、52.02.53.03/7/003/8/003/9/00 3/10/00 3/11/00 3/12/00 3/13/00 3/14/00 3/15/00Effluent H2S Concentration (ppmv)050100150200250300Influent H2S Concentration (ppmv)Model OutputMeasured EffluentMeasured Influent生物过滤技术工程实例3n美国某纤维海绵生产厂废气处理装置，处理规模51000 m3/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
16、点n生物过滤塔的堵塞机理和控制n生物过滤与其它物理、化学方法组合的联合处理技术开发n生物过滤工艺中微生物群落结构和功能研究n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n国家自然科学基金资助（项目编号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n生物除臭示范工程，规模4000m3/h。国家863课题资助谢谢大家请批评指正
