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废气生物除臭填料的特点与依据(上)

日期:2019-11-14 10:47浏览次数:10

       【摘要】介绍了去除挥发性有机污染物及恶臭物质的生物反应器中常用填料的种类和性质,比较了它们的特点和适用条件,阐述了实际应用中填料的含水率、pH和压力损失等的控制方法。
       对于大流量、低浓度的挥发性有机污染物及恶臭物质,生物处理方法具有投资少、运行费用低、不产生二次污染等特点。生物滤池、生物洗涤塔和生物滴滤池是3种主要的废气生物处理技术。早期的生物处理方法主要用于减少恶臭气味。近几十年,其应用范围已扩展到去除易被生物降解的挥发性有机污染物方面。据报道,1987年日本城市污水厂治理恶臭物质的脱臭装置约有166座。至2000年,超过7500座废气生物处理系统和相关设施在欧洲建立,最大处理规模超过200000m3/h。其中,荷兰城市污水处理厂80%的臭味气体处理设施采用生物技术。
       处理挥发性有机污染物及恶臭物质的生物反应器中一般都装有一定厚度的填料作为微生物的载体,使微生物形成的生物膜能够附着在填料颗粒上,而且还能向微生物提供必须的营养。生物填料的材质、比表面积的大小、布气性能、强度和密度等因素直接影响废气的处理效率和生物反应器的运行可靠性。为了提高废气处理能力和设备运行稳定性,20世纪70年代以来,国内外学者在填料的选择和改进方面进行了大量的研究。
       本文介绍了常用填料的种类和特性,阐述了在实际操作中选择理想填料应考虑的因素,并就生物填料的研究进展、存在问题和发展方向进行了探讨。
       1 常用填料的种类和特点
       填料的种类有很多,根据其组成可分为活性填料、惰性填料和混合填料。
       1.1 活性填料
       活性填料通常为天然有机填料,如堆肥、泥煤块、有浸透性的土壤、树皮、木片、麦壳等。其中土壤、麦壳等因粒径小、易腐烂、易板结、压力损失大等原因,目前很少使用。而堆肥、泥煤块、树皮、木片等因其良好的物理化学性能和低廉价格而沿用至今。
       活性填料的吸附能力和持水能力强,良好的表面性质能够为微生物提供理想的生长环境。通常,活性填料自身带有大量的、多种多样的活性微生物,并且含有丰富的有机营养物质,用作填料时无需接种菌种,使反应器可以立即工作。填料内的有机物质还可以在生物反应器运行期间给微生物提供必需的碳源。活性填料通常用于生物滤池。
       活性填料的缺点是易腐烂、易变形、机械性能差,长期使用会发生填料层压缩现象,引起压力损失升高、能耗增加。多数活性有机填料是疏水性物质,干燥后很难再润湿。当不能及时补充水分、养分时,填料层因干燥也会产生裂缝,影响气体在反应器内的均匀分布。一些活性有机填料的自身降解产物会改变填料的pH,使反应器的去除效果降低。与惰性填料相比,活性有机填料的使用期限短。
       1.2 惰性填料
       根据材料的来源,惰性填料包括珍珠岩、火山岩、煤粒等天然材料,以及活性炭、陶粒、聚氨酯、聚乙烯、不锈钢环等合成材料。
       惰性填料具有耐化学腐蚀、机械强度高、长时间使用不分解、不变形、结构疏松不易堵塞反应器、气体压力损失低、使用时间长等优点。有些惰性填料如二氧化硅,其表面对蛋白质、氨基酸有亲和力,易于吸收和保存微生物所需的有机养分。用搀有黏结剂的剩余污泥制成的陶粒填料与装有混合肥的土壤、珍珠岩等填料相比,装有陶粒的生物滤池处理甲苯能力更高。
       但是惰性填料一般不带有活性微生物,用做填料时,需要预先在填料上接种菌种。此外惰性填料本身不含有营养物质,需要及时添加氮、磷、钾等营养物质以维持微生物的生长繁殖。添加方式主要有两种:一种是预先将氮、磷、钾按一定的比例(分别占干填料质量的0.4%,0.15%,0.15%)与填料混合均匀,再装入反应器中;另一种是将营养物质配制成溶液,定期喷淋填料,可同时补充养分和水分。惰性填料主要用于生物滴滤池。
       1.3 组合填料
       由于活性填料和惰性填料各有优缺点,因此,20世纪90年代中期又发展了组合填料,即将小颗粒的活性材料如堆肥与珍珠岩、火山岩、活性炭、聚合物等惰性材料按一定比例组合。
       组合填料兼具活性填料和惰性填料两方面的优点,一方面,由于填料中有惰性材料,提高了填料的机械性能,减少了反应器的压力损失,使用寿命长;另一方面,由于活性填料带有大量多种活性微生物,无需接种菌种,并且填料内的有机物质可以使微生物快速生长繁殖。活性-惰性组合填料既可用于生物滤池又可用于生物滴滤池。但是,使用组合填料需分层装填,活性填料部分易腐烂,填料更换繁琐,微生物驯化期长,反应器启动慢,并且组合填料的成本较高。
       2 选择理想填料应考虑的因素
       2.1 填料的表面性质

       用于废气生物处理的填料应具有较大的比表面积,便于污染物与微生物接触,应具备一定的孔隙率,利于布气和减小阻力;应具有一定的结构强度和防腐蚀能力;应具有易于获得且使用寿命长等性质。
       填料的表面性质可以用比表面积、粒径、孔隙率描述。将填料颗粒视为球形时,比表面积、粒径、孔隙率之间的关系见式(1)。
填料表面性质关系式
       式中: as为比表面积,m2/m3;a为颗粒的表面积,m2;V为颗粒的体积,m3;ε为孔隙率,%;dp为颗粒直径,m。
       由式(1)可见,大粒径、大孔隙率的颗粒比表面积小。常用填料的性质见表1。
       研究发现填料的粒径和比表面积是影响反应器去除能力的主要因素。在相同条件下,反应器的最大去除能力随填料粒径增大而减小,随填料比表面积增大而提高。大量报道显示,活性填料中,堆肥和泥煤的比表面积通常为20~180m2/m3和40~85m2/m3;在惰性填料中,因合成过程中易于控制粒径和孔径大小,合成材料往往具有较大的比表面积。
       微生物在填料表面的附着、生长状况以及填料的持水能力与填料的表面结构、孔隙率、粒径密切相关。表面粗糙、多孔以及亲水的填料更适合微生物的附着和生长繁殖。表面光滑的填料,在喷淋时,其表面生长的微生物易被喷淋液带走。
       填料的高孔隙率可以使反应器内的气流分布均匀,还可以给微生物的氧化降解提供充足的氧气。填料颗粒大小一般以既能提供合理的吸附表面,又具有满意的滞流性为宜。颗粒太大,总吸附表面小;颗粒过小,气流通过滤池时为克服阻力需要消耗过多能量。通常,填料的孔隙率为40%~80%,颗粒直径为1~20mm较适宜。
表1常用填料的性质
填料分类 填料种类 容积密度(kg·m3 比表面积 孔隙率(%) 成分及其他性质
活性填料 堆肥 300-500 未提及 77 N,P,K质量分数分别为1.0%,1.0%,0.4%;粒径<6.3 mm
堆肥材料 270 380 未提及 m(C):m(N)=15.2
泥煤 680 未提及 未提及 粒径680μm
松树皮/木片 180 292m2/m3 未提及 直径5.6-10.0 mm
惰性填料 活性炭 480 未提及 未提及 未提及
煤粒 未提及 0.66 m2/g 未提及 孔径20.34μm,粒径2.1 cm
火山岩 920 3.47 m2/g 未提及 孔径11.65 nm
分子筛 650 770-900m2/g 50 粒径1.9-2.0mm
陶粒 650 未提及 75.54 粒径14.26μm
不锈钢环 350 600 m2/m3 47 未提及
聚氨酯泡沫 20~35 600 m2/m3 97 2cmx2cmx2cm
聚乙烯酯 920 705 m2/m3 未提及 未提及
合成材料 460 6000 m2/m3 未提及 粒径4.0-6.0 mm
组合填料 堆肥材料/珍珠岩 121 未提及 未提及 未提及
堆肥材料/贝壳 388 未提及 75 有机碳、总氮、P2O5质量分数分别为20%,1.7%,2.5%
堆肥材料/石棉/活性炭 530 未提及 78.5 未提及
聚乙烯/泥煤/活性炭 90 未提及 96 未提及
 
       2.2 填料的含水率及保湿方法
       填料保持适宜的湿度有利于维持微生物的活性,保证了生物反应器的正常运行。有些填料是疏水性的如泥炭、堆肥等,相对于亲水性的材料聚氨酯、聚乙烯等,疏水性材料一旦发生干燥,再次润湿比较困难。有些堆肥开始运行时是亲水性的,一旦干燥后就变成疏水性的。通常活性有机填料须维持较高的含水率,堆肥为40%~70%、泥炭为60%~90%、松树皮/木片为70%;惰性填料的含水率可以略低,火山岩、活性炭为30%~40%,合成材料为40%~50%,聚氨酯为65%;活性-惰性组合填料的含水率控制在前两者之间,如堆肥-惰性组合填料为40%~65%。
       保持填料湿度的方法包括预湿气体和定期喷淋填料两种。在生物反应器内流动的气体会带走填料上的水分,反应器出口气体的相对湿度与填料的含水率密切相关,一般,进出口气体相对湿度减少1%,则填料的含水率减少10%。与测定填料的含水率相比,气体相对湿度的监测较为容易,因此,通常用生物反应器进出口气体的相对湿度反映填料的含水率。当反应器进口处气体的相对湿度为98.5%、出口处的相对湿度为99.5%时,水分被气体带走,反应器正逐渐减少水分;当反应器内的水分减少速度低于50g/(m3·h)时,可手动补加水分;在50~180g/(m3·h)时,反应器应安装喷淋设备,定期补充水;180~400g/(m3·h)时;应设自动监控系统;反应器含水率低时能够自动及时补加水;大于400g/(m3·h)时,填料的保水性很差,应慎重选择。
       (待续)

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