CN106582260A - 一种净化疏水性有机废气的装置及其净化方法 - Google Patents

一种净化疏水性有机废气的装置及其净化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种净化疏水性有机废气的装置及其净化方法，所述装置包括依次连接的废气收集机构；废气热交换机构；废气除尘机构；介质阻挡放电反应器；电源机构；以及生物膜反应器。本发明的装置，以介质阻挡放电作为预处理技术，对疏水性有机废气进行初步分解，同时充分利用泡沫炭作为载体负载金属催化剂，催化分解放电过程中产生的副产物臭氧以生成活性氧物种强化疏水性有机废气的分解，打破污染物的疏水性，有效增加处理有机废气的效率和效果，同时降低臭氧排放。

Description

一种净化疏水性有机废气的装置及其净化方法
技术领域
本发明涉及有机废气污染控制领域，特别涉及一种净化疏水性有机废气的装置及其方法。
背景技术
对于常规的大气污染物如粉尘、二氧化硫和氮氧化物等的控制及去除已满足不了人们对大气环境质量日益增长的要求，尤其是有机废气所导致的环境空气质量恶化已经成为新时期关系民生和影响和谐社会构建的重要环境问题。有机废气主要来源于城市垃圾处理公共设施如固体垃圾处理场、污水处理厂以及堆肥场，除此之外，各种工农业生产过程也会释放出各种有机废气。现有的物理吸附、高级氧化以及生物技术都可以在一定程度上有效处理有机废气，但是单一的技术都存在着不同的缺陷，如吸附技术所用吸附剂的二次处理及二次污染、高级氧化技术的能源消耗高和降解过程中副产物多以及生物技术受到有机废气性质的影响较大等。同物理吸附和高级氧化技术相比，生物技术在处理亲水性有机废气过程中具有能源消耗低和处理效果好的优点，但对于疏水性有机废气的处理效率和效果仍然有待于进一步提升，如生物技术所需要的气体停留时间过长(工业实际除臭通常要求气体停留时间在25s甚至更短的时间内完成)、处理高浓度疏水性污染物的效率和能力较低以及容易受到污染物浓度波动的影响等问题。鉴于有机废气的特性多数为疏水性，因此需要一种经济有效的技术方法提高疏水性有机废气的净化效率。
介质阻挡放电是低温等离子体技术的一种，是近年新发展起来的一种高级氧化技术，被认为是最有应用前景的有机废气净化技术之一。低温等离子体技术具有对底物无选择性、工艺流程简单、设备便于操作等特点，特别是在处理难生物降解和低浓度气态污染物方面具有明显的优势。其原理是利用电极在放电空间内产生的高能电子、·OH、·HO2、·O活性自由基以及氧化性臭氧等，与污染物分子发生一系列化学反应，从而将目标污染物分解。现有的单一低温等离子体处理废气技术多侧重于反应器的结构设计和优化。虽然单一低温等离子设备的设计日趋完善，但是单一等离子体处理气态污染物过程中存在的能源利用率偏低、中间产物降解不彻底和产生大量臭氧副产物容易造成二次污染等缺陷，成为制约包括介质阻挡放电在内的低温等离子体技术在环境污染控制领域广泛应用的瓶颈问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种净化疏水性有机废气的装置，从而克服单一生物技术处理疏水性有机废气的停留时间过长及效率较低的不足，以及单一介质阻挡放电的副产物多和能源利用效率偏低的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种净化疏水性有机废气的装置，包括：废气收集机构，其用于收集疏水性有机废气；废气热交换机构，其与所述废气收集机构连通，用于降低疏水性有机废气的温度；废气除尘机构，其与所述废气热交换机构连通，用于去除疏水性有机废气的粉尘；介质阻挡放电反应器，其设有进气口和出气口，所述进气口与所述废气除尘机构连接，靠近所述进气口处设有气体分布区，靠近所述气体分布区设有放电催化反应区，靠近所述放电催化反应区设有副产物催化分解区，靠近所述副产物催化分解区设有气体收集区，所述出气口设于所述气体收集区处；电源机构，其与所述放电催化反应区连接；以及生物膜反应器，其与所述介质阻挡放电反应器中的出气口连接。
优选地，上述技术方案中，所述气体分布区为梯形渐扩口，窄端处设有所述进气口，宽端处设有布气板。
优选地，上述技术方案中，所述放电催化反应区，所述放电催化反应区内放置有催化剂，所述放电催化反应区包括：高压放电电极，其与所述电源机构连接，所述高压放电电极与所述介质阻挡放电反应器的内壁呈平行设置；阻挡介质，其与所述高压放电电极相邻平行设置；接地端，其平行设于所述阻挡介质的下方，与电源机构中的低压端连接；以及绝缘支撑体，所述绝缘支撑体用于将所述高压放电电极、所述阻挡介质和接地端固定于介质阻挡反应器的内壁上。
优选地，上述技术方案中，所述高压放电电极为板式或线筒式中的一种；所述高压放电电极的数量为1-100个；所述阻挡介质为板或管中的一种，材质为石英或陶瓷。
优选地，上述技术方案中，所述催化剂为负载在绝缘材质上的TiO2、锰氧化物、铁氧化物、镁氧化物或镧氧化物中的一种或者多种。
优选地，上述技术方案中，所述副产物催化分解区设有泡沫炭，所述泡沫炭为掺杂有铁氧化物、锰氧化物、镁氧化物或镧氧化物中一种或几种催化剂的泡沫炭，掺杂的量为泡沫炭质量的2-20％。
优选地，上述技术方案中，所述生物膜反应器包括：生物膜反应器主体，所述生物膜反应器主体内部分成若干层，每层上面装填有多孔填料作为生物膜载体，所述生物膜反应器主体的上部设有布水器，底部设有出液口；以及培养液供应机构，其包括储液罐和输送泵，所述储液罐的进液口与所述生物膜反应器主体的出液口连接，所述储液罐的出液口于输送泵连接，所述输送泵的输出端与所述布水器连接。
优选地，上述技术方案中，所述多孔填料为，以果壳、农业废弃物或林业废弃物中的一种或几种为原料，经高温裂解后制备得到的多孔生物炭，生物炭的粒径在4-10mm；
优选地，上述技术方案中，所述培养液供应机构还包括营养液计量器和自动控制***，所述营养液计量器设于所述布水器与所述输送泵之间，所述自动控制***用于控制营养液供应的量和供给时间。
优选地，上述技术方案中，所述电源机构包括电源以及与其连接的电源控制柜；所述电源为频率为50Hz-5kHz的各种具有正弦波、脉冲波和方波中的一种，调压范围为1-30kV。
优选地，上述技术方案中，所述废气收集机构为收集罩；所述废气热交换结构为夹套式蛇管热交换器组成；所述除尘***包括除尘器和风机，所述除尘器下方设有粉尘收集漏斗，所述风机一端与所述除尘器连接，另一端与所述介质阻挡放电反应器的进气口连接。
一种利用净化疏水性有机废气的装置进行疏水性有机废气净化的方法包括如下步骤：
1)通过废气收集机构将污染源排放的疏水性有机废气收集；并通过废气热交换结构控制废气的温度在20-40℃；
2)降温后的废气进入除尘机构，除去其中的粉尘等颗粒性物质；
3)除尘后的废气进入介质阻挡放电催化反应区，在介质阻挡放电过程中所形成的各种活性物种和催化剂的作用下，废气中的疏水性有机物被初步分解；
4)经过放电催化反应区处理后的废气和生成的副产物臭氧等进入副产物催化分解区，利用载体上负载的专一性催化剂分解臭氧形成强氧化性物种并进一步加强疏水性有机物的降解，同时降低副产物臭氧的排放量。
5)经过介质阻挡放电催化反应和副产物催化分解区的联合处理后，形成的亲水性有机物进入生物膜反应器，并被填料上的生物膜所吸附和吸收，并最终被微生物降解，生成CO2和水。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的处理疏水性有机废气的装置，以介质阻挡放电作为预处理技术，可以对疏水性有机废气进行初步分解，打破污染物的疏水性，可以有效增加生物膜反应器处理有机废气的效率和效果。
(2)介质阻挡放电反应器内放置催化剂，一方面以充分利用放电过程中产生的紫外光激发催化剂降解目标污染物，另一方面利用载体上负载的催化剂催化分解介质阻挡放电过程中形成的臭氧生成具有强氧化性的活性氧物种，强化有机废气的净化效果和提升能源效率的同时，降低副产物臭氧的排放量。
(3)采用多孔生物炭材料做为催化剂的载体和负载生物膜的载体，有助于捕获废气中的污染物和促进微生物膜的快速形成。
附图说明
图1是根据本发明的一种净化疏水性有机废气的装置示意图。
图2是根据本发明的一种净化疏水性有机废气的装置中介质阻挡放电反应器的结构示意图。
图3是根据本发明的介质阻挡放电反应器中副产物催化反应区中使用的泡沫炭的图。
图4是根据本发明的介质阻挡放电反应器中副产物催化反应区中使用的泡沫炭的放大图。
图5是根据本发明生物膜反应器中生物膜载体的松子壳生物炭的图。
图6是根据本发明生物膜反应器中生物膜载体的松子壳生物炭的放大图。
图7是根据本发明生物膜反应器中生物膜载体的核桃壳生物炭的图。
图8是根据本发明生物膜反应器中生物膜载体的核桃壳生物炭的放大图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
如图1至图8所示，根据本发明具体实施方式的一种净化疏水性有机废气的装置，通过废气收集机构将排放的疏水性有机废气进行收集。该废气收集机构为集气罩1。集气罩1通过管道与废气热交换机构2连接。废气热交换结构2为夹套式蛇管热交换器组成。废气热交换结构2设有液体进口3和液体出口4。通过废气热交换机构2控制废气的气体温度在30℃以下。从废气热交换结构2出来的气体进入废气除尘机构，通过废气除尘机构去除废气中的颗粒物等杂质。废气除尘机构包括除尘器5和风机，除尘器5下方设有粉尘收集漏斗6。所分离的粉尘经粉尘收集斗6收集后排放。风机7一端与除尘器5的出气口连接，另一端与所述介质阻挡放电反应器8的进气口连接。介质阻挡放电反应器8与电源9连接，电源9与电源控制柜10连接，其中电源9为频率为50Hz-5kHz的各种具有正弦波、脉冲波和方波中的一种，调压范围为1-30kV。通过介质阻挡放电反应器8将疏水性污染物的疏水特性打破，同时利用介质阻挡放电***内的催化剂对放电过程中产生的副产物进一步分解处理；经过介质阻挡放电***预处理的有机废气最后进入生物膜反应器主体11，在生物膜的作用下，污染物被最终矿化分解。
更为具体的实施方式为，如图1至图5所示。经预处理后的疏水性废气经风机7输送至介质阻挡放电反应器8，介质阻挡放电反应器8为立方箱体结构或圆柱体结构中的一种，介质阻挡放电反应器8从左至右设有气体分布区802，气体分布区802为梯形渐扩口，窄端处设有所述进气口801，宽端处设有布气板803。进气口801通过管道与风机7连通。布气板803固定设于介质阻挡放电反应器的内壁804上。气体经气体分布区802和布气板803的布气作用，进入装有催化剂的放电催化反应区808。放电催化反应区808内设有绝缘支撑体805、高压放电电极806、阻挡介质807和接地端810。
绝缘支撑体805用于将高压放电电极806、阻挡介质807和接地端810固定于介质阻挡反应器的内壁804上。放电催化反应区808内设置有催化剂。放电催化反应区内设有高压放电电极806，高压放电电极806的输入端与电源9的高压输出端相连。在高压电极806和接地端810中间靠近高压电极806放置有阻挡介质。高压电极806和接地端810电极间的距离在3-10mm。通过控制柜10调控高压电源9进而调控加载在介质阻挡放电反应器8内的高压电极806上的电压。有机废气中的污染物在放电区间808内与高压电极806放电过程中产生的各种活性物种及催化剂的作用下分解，生成的产物连同副产物臭氧经过副产物催化区809，副产物在催化剂的作用下，自身分解并生成强氧化性的活性物种继续参与污染物的降解，从而达到同时净化废气和去除污染物的作用。
经介质阻挡放电反应器8预处理后的废气，通过出气口811流出，经流速控制器13的调整后，从生物膜反应器主体11的下部进入。生物膜反应器主体为圆柱状或者立方体中的一种，高径比在5-10，材质为PVC、亚克力和不锈钢金属材质中的一种或者几种。生物膜反应器主体11内部分成若干层，每层上面装填有多孔填料作为生物膜载体14，即生物填料层，生物膜反应器主体内的上部设有布水器12，底部设有出液口。气体从生物膜反应器主体11的下部进气口进入后与生物膜反应器主体内填料层上的生物膜载体充分接触后，净化后的气体从生物膜反应器主体的上部排气口排出。为保证生物膜反应器主体内生物膜的活性，生物膜反应器主体与培养液供应机构连接。
培养液供应机构包括储液罐15、营养液计量器16、输送泵17和自动控制***(图未示)。储液罐15的进液口与生物膜反应器主体11的出液口连接，储液罐15的出液口于输送泵17连接，输送泵17的输出端与布水器12连接。营养液计量器16设于布水器12与输送泵17之间，自动控制***用于控制营养液供应的量和供给时间。即定期通过无机盐营养液输送泵17的输送作用，将储液罐中15的无机盐营养经布水器12均匀喷洒在生物载体14上，保证生物膜在废气处理过程中的湿度和无机盐营养元素的需求。
优选地，所述高压放电电极为板式或线筒式中的一种；放电催化区高压放电电极的安装数量根据箱体的大小和气体处理量可以安装1-100个；所述阻挡介质为板或管中的一种，材质为石英或陶瓷。
优选地，所述催化剂为负载在绝缘材质上的TiO2、锰氧化物、铁氧化物、镁氧化物或镧氧化物中的一种。
优选地，所述副反应催化反应区设有泡沫炭，所述泡沫炭为掺杂有铁氧化物、锰氧化物、镁氧化物或镧氧化物中一种或几种催化剂的泡沫炭，掺杂的量为泡沫炭质量的2-20％。
优选地，所述多孔填料为，以果壳、农业废弃物或林业废弃物中的一种或几种为原料，经高温裂解后制备得到的多孔生物炭，生物炭的粒径在4-10mm；
在一具体实施例中，介质阻挡放电催化反应器壳体形状为长方体，尺寸500mm×300mm×300mm，材质为白色PVC板。内部设置有两个放电区间，其中每个放电区间分别配置高压放电电极一个，由尺寸为100mm×100mm×2mm的不锈钢金属板组成，电极间隙为8mm，单个放电的有效空间为80cm3；所用的绝缘介质为150mm×150mm×3mm的石英玻璃，在石英玻璃的一侧负载有TiO2薄膜作为催化剂；所用的布气板的尺寸为300mm×300mm，上面开有大小为直径10mm的圆孔，材质为白色聚四氟乙烯；副产物催化区所用催化剂为以桉木粉为原材料制备的泡沫炭，泡沫炭中掺杂15％的金属锰氧化物作为催化剂。泡沫炭的大小为10mm×10mm×10mm，并固定在尺寸为300mm×300mm×50mm方格架上形成泡沫炭网。生物膜反应器为立式圆柱状，直径为100mm，高为1000mm，内部分为4层，每层装填有100mm高松子壳和核桃壳混合物(质量比为1:1)作为生物膜的载体。
本发明还提供了一种利用上述净化疏水性有机废气的装置进行疏水性有机废气的净化方法，包括以下步骤：
1)通过废气收集机构将污染源排放的疏水性有机废气收集；并通过废气热交换结构控制废气的温度在20-40℃；
2)降温后的废气进入除尘机构，除去其中的粉尘等颗粒性物质；
3)除尘后的废气进入介质阻挡放电催化反应区，在介质阻挡放电过程中所形成的各种活性物种和催化剂的作用下，废气中的疏水性有机物被初步分解；
4)经过放电催化反应区处理后的废气和生成的副产物臭氧等进入副产物催化分解区，利用载体上负载的专一性催化剂分解臭氧形成强氧化性物种并进一步加强疏水性有机物的降解，同时降低副产物臭氧的排放量。
5)经过介质阻挡放电催化反应和副产物催化分解区的联合处理后，形成的亲水性有机物进入生物膜反应器，并被填料上的生物膜所吸附和吸收，并最终被微生物降解，生成CO2和水。
在一具体实施例中，以疏水性有机物二甲苯为目标污染物。生物膜在40天内可以培养完成，生物量达到0.69g/g填料，远大于常规的陶粒填料的0.20g/g填料。在输入能量密度125J/L时，介质阻挡放电催化反应区和副产物催化分解区对初始浓度1500mg/m3的二甲苯处理效率在60％以上，能源产率可以达到0.1moL/kW h，CO和CO2选择性达到80％以上。经过生物膜反应器的进一步处理后，二甲苯可以实现完全矿化，整个体系无臭氧排放。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种净化疏水性有机废气的装置，其特征在于，包括：
废气收集机构，其用于收集疏水性有机废气；
废气热交换机构，其与所述废气收集机构连通，用于降低疏水性有机废气的温度；
废气除尘机构，其与所述废气热交换机构连通，用于去除疏水性有机废气的粉尘；
介质阻挡放电反应器，其设有进气口和出气口，所述进气口与所述废气除尘机构连接，靠近所述进气口处设有气体分布区，靠近所述气体分布区设有放电催化反应区，靠近所述放电催化反应区设有副产物催化分解区，靠近所述副产物催化分解区设有气体收集区，所述出气口设于所述气体收集区处；
电源机构，其与所述放电催化反应区连接；
生物膜反应器，其与所述介质阻挡放电反应器中的出气口连接。
2.根据权利要求1所述的净化疏水性有机废气的装置，其特征在于，所述气体分布区为梯形渐扩口，窄端处设有所述进气口，宽端处设有布气板。
3.根据权利要求1所述的净化疏水性有机废气的装置，其特征在于，所述放电催化反应区，所述放电催化反应区内放置有催化剂，所述放电催化反应区包括：
高压放电电极，其与所述电源机构连接，所述高压放电电极与所述介质阻挡放电反应器的内壁呈平行设置；
阻挡介质，其与所述高压放电电极相邻平行设置；
接地端，其平行设于所述阻挡介质的下方，与电源机构中的低压端连接；
绝缘支撑体，所述绝缘支撑体用于将所述高压放电电极、所述阻挡介质和接地端固定于介质阻挡反应器的内壁上。
4.根据权利要求3所述的净化疏水性有机废气的装置，其特征在于，所述高压放电电极为板式或线筒式中的一种；所述高压放电电极的数量为1-100个；所述阻挡介质为板或管中的一种，材质为石英或陶瓷。
5.根据权利要求2所述的净化疏水性有机废气的装置，其特征在于，所述催化剂为负载在绝缘材质上的TiO2、锰氧化物、铁氧化物、镁氧化物或镧氧化物中的一种或者几种。
6.根据权利要求1所述的一种净化疏水性有机废气的装置，其特征在于，所述副产物催化分解区设有泡沫炭，所述泡沫炭为掺杂有铁氧化物、锰氧化物、镁氧化物或镧氧化物中一种或几种催化剂的泡沫炭，掺杂的量为泡沫炭质量的2-20％。
7.根据权利要求1所述的净化疏水性有机废气的装置，其特征在于，所述生物膜反应器包括：
生物膜反应器主体，所述生物膜反应器主体内部分成若干层，每层上面装填有多孔填料作为生物膜载体，所述生物膜反应器主体的上部设有布水器和排气口，底部设有出液口和进气口；
培养液供应机构，其包括储液罐和输送泵，所述储液罐的进液口与所述生物膜反应器主体的出液口连接，所述储液罐的出液口与输送泵连接，所述输送泵的输出端与所述布水器连接。
8.根据权利要求7所述的净化疏水性有机废气的装置，其特征在于，所述多孔填料为，以果壳、农业废弃物或林业废弃物中的一种或几种为原料，经高温裂解后制备得到的多孔生物炭，生物炭的粒径在4-10mm；
所述培养液供应机构还包括营养液计量器和自动控制***，所述营养液计量器设于所述布水器与所述输送泵之间，所述自动控制***用于控制营养液供应的量和供给时间。
9.根据权利要求1所述的净化疏水性有机废气的装置，其特征在于，所述废气收集机构为收集罩；所述废气热交换结构为夹套式蛇管热交换器组成；所述除尘***包括除尘器和风机，所述除尘器下方设有粉尘收集漏斗，所述风机一端与所述除尘器连接，另一端与所述介质阻挡放电反应器的进气口连接。
10.一种利用权利要求1所述净化疏水性有机废气的装置进行疏水性有机废气净化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)通过废气收集机构将污染源排放的疏水性有机废气收集；并通过废气热交换结构控制废气的温度在20-40℃；
2)降温后的废气进入除尘机构，除去其中的粉尘等颗粒性物质；
3)除尘后的废气进入介质阻挡放电催化反应区，在介质阻挡放电过程中所形成的各种活性物种和催化剂的作用下，废气中的疏水性有机物被初步分解；
4)经过放电催化反应区处理后的废气和生成的副产物臭氧等进入副产物催化分解区，利用载体上负载的专一性催化剂分解臭氧形成强氧化性物种并进一步加强疏水性有机物的降解，同时降低副产物臭氧的排放量。
5)经过介质阻挡放电催化反应和副产物催化分解区的联合处理后，形成的亲水性有机物进入生物膜反应器，并被填料上的生物膜所吸附和吸收，并最终被微生物降解，生成CO2和水。
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