CN113398736A - 一种紫外光催化氧化耦合双层生物滴滤塔废气处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外光催化氧化耦合双层生物滴滤塔废气处理装置。其包括紫外光催化氧化设备和双层生物滴滤设备；紫外光催化氧化设备内设置UV灯管和MnOx/SiC复合光催化剂；双层生物滴滤设备包括双层生物滴滤塔；生物滴滤塔内上下间隔设置聚氨酯生物流床和聚氨酯生物底床；在上层聚氨酯生物流床的上方、以及下层的聚氨酯生物底床的上方分别设置雾化喷头，雾化喷头和营养液储存槽相连；本发明基于MnOx/SiC复合光催化剂在光照条件下具有的氧化还原能力，通过光催化氧化净化废气中污染物；同时光催化氧化产生的微量臭氧进入双层生物滴滤设备，能进一步提高微生物净化废气效率，本发明适用于低流量高浓度的废气处理。
Description
技术领域
本发明涉及废气处理技术领域，尤其涉及一种紫外光催化氧化耦合双层生物滴滤塔废气处理装置。
背景技术
大气污染已经是人类的梦魇，而其中的污染物分为颗粒物和气态物，气态物又分为无机污染物和有机污染物。其中有机污染物占绝大多数，大多是挥发性有机化合物，简称VOCs。因此VOCs净化处理在世界范围内已是一个热点。
目前VOCs的主要处理方法可分为物理法、化学法和生物法。生物法是一种可替代传统物理化学方法处理 VOCs 的低污染技术，其主要通过微生物作用对有机废气氧化分解，从而将VOCs中有机污染物转化成为CO2、H2O等无毒无害物质或者转化为细胞质等自身生长必须的物质成分。
光催化氧化技术作为一种短时、高效的废气预处理技术，在工程上得到广泛的应用，光降解氧化法作为一项高级氧化技术正日益在难溶难生物降解废气治理中得到重视。在光催化氧化的过程中会产生臭氧，控制臭氧的产生浓度能够进一步促进生物滴虑降解有机气体的效率。微量臭氧可使生物滴滤塔的甲苯去除率长期保持在85%以上，并且臭氧可通过调控生物膜表面疏水性及Zeta电位来调控生物量，通过调控生物膜相胞外聚合物的各组分来保持生物活性。此外，臭氧会改变生物滴滤塔内的微生物群落结构，因为某些菌群因不耐臭氧而消亡，同时适应臭氧环境的新菌群出现并繁衍。微量臭氧可通过减少生物量和增大床层孔隙率来有效抑制生物滴滤塔的填料床层堵塞，臭氧不仅能提高VOCs的生物降解率，还能解决生物滴滤塔中因生物量过度增长造成床层堵塞从而引起生物滴滤塔性能恶化的难题。
光催化氧化技术反应条件温和，能耗低，操作简单，而且可在常温常压下进行，反应不需要复杂条件，但光催化氧化技术存在寿命短，电极老化，需要维护等问题。生物滴滤法存在无污染，能耗低，处理能力大，运行费用低等优点，但微生物存在活性不充分、菌体过度生长堵塞空隙通道等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种紫外光催化氧化耦合双层生物滴滤塔废气处理装置；本发明适用于低流量高浓度（浓度为200-1000mg/m3，流量为0.5-2L/min）的废气处理；本发明光催化氧化产生的微量臭氧进入双层生物滴滤设备，生物滴滤设备使用寿命长，微生物利用率高，降解效率高。
本发明提供一种紫外光催化氧化耦合双层生物滴滤塔废气处理装置，其包括：紫外光催化氧化设备和双层生物滴滤设备；其中：
紫外光催化氧化设备包括不锈钢腔体、UV紫外灯管、石英催化氧化管和MnOx/SiC复合光催化剂；不锈钢腔体内平行设置UV紫外灯管、石英催化氧化管，石英催化氧化管内铺设MnOx/SiC复合光催化剂，所述MnOx/SiC复合光催化剂是以二价锰盐、SiC、碱为原料通过共沉淀法制备得到；石英催化氧化管的输入端和进气管连接，输出端和双层生物滴滤设备相连；
双层生物滴滤设备包括双层滴滤塔、营养液储存槽和雾化喷头；双层滴滤塔的下部设置进气口，进气口通过进气管路和石英催化氧化管的输出端相连，双层滴滤塔的底部设置流量控制器，流量控制器的下方设置营养液储存槽；双层滴滤塔内上下间隔设置聚氨酯生物底床、聚氨酯生物流床；聚氨酯生物底床的填料采用PP塑料多孔悬浮球内置聚氨酯，聚氨酯生物流床设置在聚氨酯生物底床的上方，聚氨酯生物底床、聚氨酯生物流床的上方分别设置雾化喷头，雾化喷头通过水管、循环泵和营养液储存槽相连，水管上安装电磁流量控制阀；双层滴滤塔的顶部设置出气口，出气口通过尾气管道和废气总排口相连。
优选的，UV紫外灯管为两根以上，石英催化氧化管设置在UV紫外灯管之间。
优选的，UV紫外灯管的波长为185nm。
优选的，MnOx/SiC复合光催化剂的制备方法如下：
（1）将0.05-0.15 mol Mn（NO3）2·6H2O与4g SiC溶解于60 mL超纯水中；
（2）室温下搅拌40-80min, 超声15-25 min；
（3）将150-250 mL的 1mol/L NaOH容易缓慢加入到之前溶液中进行沉淀；
（4）搅拌1-3h沉淀完成后多次洗涤抽滤，烘干；
（5）最后在190-210℃的温度下煅烧40-80min，再升温540-560℃煅烧1-3 h。
优选的，聚氨酯生物底床上方的雾化喷头通过下层循环水管、循环泵和营养液储存槽相连，下层循环水管上安装下层电磁流量控制阀；聚氨酯生物流床上方的雾化喷头通过上层循环水管、循环泵和营养液储存槽相连，上层循环水管上安装上层电磁流量控制阀。采用电磁流量控制阀分别控制循环水管流量，便于合理分配上下喷淋层的喷淋流量。
优选的，营养液储存槽中设置液位计和pH计，液位计用于监测营养液储存槽内营养液水位，pH计用于监控营养液酸碱度。
优选的，UV紫外灯管和第一电气控制箱相连，流量控制阀、电磁流量控制阀与第二电气控制箱相连。通过调节流量控制阀可以控制营养液储存槽内营养液水位。
优选的，废气处理装置中还包括第一应急阀、第二应急阀、应急管路与应急尾气管道；第二应急阀设置在和石英催化氧化管输入端连接的进气管上，进气管经由第二应急阀、应急管路直接和双层生物滴滤设备相连，第一应急阀设置在和石英催化氧化管的输出端相连的进气管路上， 石英催化氧化管的输出端经由第一应急阀、应急尾气管道和废气总排口相连。当紫外光催化氧化设备发生故障时，打开第二应急阀，使进气管直接连接双层生物滴滤设备处理废气，最终废气经尾气管道排至废气总排口排出，并便于紫外光催化氧化设备维修；当双层生物滴滤设备发生故障时打开第一应急阀，使经过紫外光催化氧化后的废气通过应急尾气管道排至废气总排口排出，并便于双层生物滴滤设备维修。
优选的，还分别在双层滴滤塔的侧壁上对应聚氨酯生物底床、聚氨酯生物流床的位置处开设检修门，便于取样检测生物材料。
优选的，废气通过进气管进入紫外光催化氧化设备的废气浓度为200-1000mg/m3，流量为0.5-2L/min，在石英催化氧化管中停留时间为17-30s，产生臭氧浓度维持在0-10mg/m3。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明基于MnOx/SiC复合光催化剂在光照的条件下具有的氧化还原能力，从而达到净化废气的目的，同时通过MnOx/SiC复合光催化剂来降低产生臭氧的浓度，其过程中产生的微量臭氧通入双层生物滴滤设备，既能抑制微生物生长过快堵塞空隙通道，又不至于通入过多臭氧导致微生物死亡，从而提高废气处理效率。
本发明中采用PP塑料多孔悬浮球内置聚氨酯填料的聚氨酯生物底床、聚氨酯生物流床组成双层塔，更合理的流床分布，不易堵塞空隙通道，从而使处理效率更高。
附图说明
图1为本发明所述装置的整体结构示意图。
图2为本发明实施1中的不锈钢腔体整体结构图。
图3为在紫外光催化作用下甲苯的降解效率以及臭氧产生浓度折线图。
图4为制备MnOx/SiC复合光催化剂的电镜表征图。
图5为MnOx/SiC复合光催化剂在使用前后的程序升温还原图。
图6为光催化氧化和生物法联用方法处理甲苯废气降解效率图。
图中标号：1-进气管、2-石英催化氧化管、3-不锈钢腔体、4-第一电气控制箱、5-UV紫外灯管、6-MnOx/SiC复合光催化剂、7-底座、8-进气管路、9-应急尾气管道、10-第一应急阀、11-应急管路、12-第二应急阀、13-下层检修口、14-上次检修口、15-双层滴滤塔、16-循环水层、17-流量控制阀、18-第二电气控制箱、19-营养液储存槽、20-循环泵、21-滴滤塔底座、22-下层循环水管、23-下层电磁流量控制阀、24-上层循环水管、25-上层电磁流量控制阀、26-液位计、27-聚氨酯生物底床、28-聚氨酯生物流床、29-雾化喷头、30-下层喷淋层、31-上层喷淋层、32-尾气管道、33-pH计、34-废气总排口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
参见图1所示，本发明提供一种紫外光催化氧化和双层生物滴滤塔联用的废气处理装置，包括进气管1、石英催化氧化管2、不锈钢腔体3、第一电气控制箱4、UV紫外灯管5、MnOx/SiC复合光催化剂6、底座7、进气管路8、应急尾气管道9、第一应急阀10、应急管路11、第二应急阀12、下层检修口13、上层检修口14、双层滴滤塔15、循环水层16、流量控制阀17、第二电气控制箱18、营养液储存槽19、循环泵20、滴滤塔底座21、下层循环水管22、下层电磁流量控制阀23、上层循环水管24、上层电磁流量控制阀25、液位计26、聚氨酯生物底床27、聚氨酯生物流床28、雾化喷头29、下层喷淋层30、上层喷淋层31、尾气管道32、pH计33、废气总排口34。聚氨酯生物底床27的填料为PP塑料多孔悬浮球内置聚氨酯。
目标废气甲苯浓度在200mg/m3-900mg/m3，流量1L/min，相对湿度控制在50%左右，从进气管1通过第二应急阀12进入石英催化氧化管2与MnOx/SiC复合光催化剂6充分接触，此时应急管路11处于关闭状态，UV紫外灯管5通过电气控制箱4控制，发出波长185nm的紫外光，与石英催化氧化管2中的MnOx/SiC复合光催化剂6协同作用产生臭氧，将废气氧化成水和二氧化碳，多余的臭氧由进气管路8通过第一应急阀10进入双层滴滤塔15中进行处理，此时应急尾气管道9处于关闭状态，废气从下而上流动，首先经过聚氨酯生物底床27，在附着在聚氨酯生物底床27的微生物、最适宜微生物生长的臭氧浓度和下层喷淋层30中下层循环水管22上的雾化喷头29喷出的营养液的共同作用下，将残留废气做第一次生物处理，然后经过聚氨酯生物流床28在附着在聚氨酯生物流床28的微生物、最适宜微生物生长的臭氧浓度和上层喷淋层31中上层循环水管24上的雾化喷头29喷出的营养液的共同作用下，对残留废气做第二次生物处理。整个过程中第二电气控制箱18控制的液位计26、流量控制阀17、下层电磁流量控制阀23、上层电磁流量控制阀25对循环营养液进行整体调控。经过处理后的废气从尾气管道32排至废气总排口34排出，通过风管连接，由排气筒进行达标排放。
当紫外光催化氧化设备发生故障时，打开第二应急阀12，此时应急管路11处于开启状态，而连接石英催化氧化管2的管路处于关闭状态，使进气管1直接连接双层生物滴滤设备处理废气，并便于紫外光催化氧化设备维修；当双层生物滴滤设备发生故障时打开第一应急阀10，此时连接双层滴滤塔15的管路处于关闭状态，而应急尾气管道9处于开启状态，使经过紫外光催化氧化后的废气通过应急尾气管道9最后经废气总排口34排出，并便于双层生物滴滤设备维修。由于紫外光催化氧化设备与双层生物滴滤设备都具有一定的处理效果，所以可以作为应急使用。
参见图2所示，在本发明的一个实例中，紫外光催化氧化设备腔体采用304不锈钢材料，设备主体为圆柱形，内含有UV紫外灯管3支，每支灯管功率为18w，石英催化氧化管2的长度为500mm，外径30mm，内径25mm。
参见图3所示，在紫外光催化作用下甲苯的降解效率以及臭氧产生浓度，经实验发现在流量为1L/min，催化剂层厚7mm，模拟工况中进气浓度在800-1000mg/m3，在紫外光催化降解第80min时，进气浓度为961mg/m3，降解效率达到61%，达到了最高的降解效率；随后紫外光催化的降解效率趋于稳定，平均降解效率达到了50%-60%，同时臭氧浓度平均都维持在10mg/m3左右。
实施例中，MnOx/SiC复合光催化剂6采用共沉淀法制备得到，具体步骤如下：
①将0.1 mol Mn（NO3）2·6H2O与4g SiC溶解于60 mL超纯水中；
②室温下搅拌1 h, 超声20 min；
③将200 mL 1mol/L NaOH容易缓慢加入到之前溶液中进行沉淀；
④搅拌2 h沉淀完成后多次洗涤抽滤，放入70 ℃烘箱过夜；
⑤最后在200 ℃煅烧1 h再升温550 ℃煅烧2 h。
图4为MnOx/SiC复合光催化剂6的电镜照片，结果表明（a）与（b）为纯碳化硅及负载氧化锰后的情况。可以看出在碳化硅表面有明显的负载显现，（c）中可以看到明显的絮状不规则堆积，（d）上可知其氧化锰催化剂成颗粒状。其成絮状负载堆积于碳化硅表面，絮状不规则堆积有利于增大材料的比表面积，更好的与甲苯气体接触。
在本发明的一个实例中，双层生物滴滤设备采用有机玻璃材质，内径190mm，外径200mm，壁厚5mm，总塔高度1020mm，上层填料使用1 cm×1cm×1 cm立方体聚氨酯填料，填料层高度为500mm，下层填料使用PP塑料多孔悬浮球内置聚氨酯，填料层高度为500mm。滴虑塔中微生物选自活性污泥菌群取自于上海市白龙港污水处理厂曝气池，SV30为24%，MLSS为3601mg/L，SVI为68.1820 ml/g，说明在当前环境条件下，微生物菌群数增长趋于成熟，可以将微生物菌群接种至生物滴滤塔中进行驯化和挂膜。
将培养好的活性污泥菌群倒入生物滴滤塔中，浸泡24h后排出剩余污泥，甲苯进气浓度控制在50-300mg/m³，进气流量0.5-1mL/min，营养液喷淋速率10mL/min对微生物菌群进行驯化。防止微生物甲苯中毒，在驯化过程中实验按0.50g/L逐渐减少葡萄糖在营养液中的含量，在驯化达到一定程度后微生物适应在全部甲苯气体的环境中，微生物群落会不断繁殖增长，最终会有大量微生物附着在填料上，完成生物滴滤塔挂膜。
参见图5所示，为MnOx/SiC复合光催化剂6在使用前后的程序升温还原图谱，结果表明本催化剂在使用后催化性能更为稳定理想。催化剂使用后，后峰使用后出后移但峰面积未发生太大改变，证明催化剂晶格氧浓度未发生改变，但活性降低。
参见图6所示，采用光催化氧化和生物法联用方法降解甲苯废气，模拟实际进气工况，第1次实验中进气浓度控制在200-300g/m³时，平均去除效率最高为93.36%。第2-4次实验中进气浓度在200-500mg/m³之间时，联用***平均去除效率仍能达到80%以上，说明光催化氧化和生物法联用方法能够较好的处理中低浓度水溶性较差的废气，为有机废气高效处理提供了途径。
综上所述，本发明提供的处理装置，基于MnOx/SiC复合光催化剂6在光照的条件下具有的氧化还原能力，从而可以达到净化废气的效果，同时通过MnOx/SiC复合光催化剂6来降低产生臭氧的浓度，其过程中产生的少量臭氧通入双层生物滴滤设备，利用最适宜浓度的臭氧调节生物滴滤设备的填料中微生物的表面特性，控制膜污染，改善膜过滤性质，最大限度循环利用中间产物，能使废气净化更加彻底。
Claims (10)
1.一种紫外光催化氧化耦合双层生物滴滤塔废气处理装置，其特征在于，其包括：紫外光催化氧化设备和双层生物滴滤设备；其中：
紫外光催化氧化设备包括不锈钢腔体（3）、UV紫外灯管（5）、石英催化氧化管（2）和MnOx/SiC复合光催化剂（6）；不锈钢腔体（3）内平行设置UV紫外灯管（5）、石英催化氧化管（2），石英催化氧化管（2）内铺设MnOx/SiC复合光催化剂（6），所述MnOx/SiC复合光催化剂（6）是以二价锰盐、SiC、碱为原料通过共沉淀法制备得到；石英催化氧化管（2）的输入端和进气管（1）连接，输出端和双层生物滴滤设备相连；
双层生物滴滤设备包括双层滴滤塔（15）、营养液储存槽（19）和雾化喷头（29）；双层滴滤塔（15）的下部设置进气口，进气口通过进气管路（8）和石英催化氧化管（2）的输出端相连，双层滴滤塔（15）的底部设置流量控制器（17），流量控制器（17）的下方设置营养液储存槽（19）；双层滴滤塔（15）内上下间隔设置聚氨酯生物底床（27）、聚氨酯生物流床（28）；聚氨酯生物底床（27）的填料采用PP塑料多孔悬浮球内置聚氨酯，聚氨酯生物流床（28）设置在聚氨酯生物底床（27）的上方，聚氨酯生物底床（27）、聚氨酯生物流床（28）的上方分别设置雾化喷头（29），雾化喷头（29）通过水管、循环泵（20）和营养液储存槽（19）相连，水管上安装电磁流量控制阀；双层滴滤塔（15）的顶部设置出气口，出气口通过尾气管道（32）和废气总排口（34）相连。
2.根据权利要求1所述的废气处理装置，其特征在于，UV紫外灯管（5）为两根以上，石英催化氧化管（2）设置在UV紫外灯管（5）之间。
3.根据权利要求1所述的废气处理装置，其特征在于，UV紫外灯管（5）的波长为185nm。
4.根据权利要求1所述的废气处理装置，其特征在于，MnOx/SiC复合光催化剂的制备方法如下：
5.根据权利要求1所述的废气处理装置，其特征在于，聚氨酯生物底床（27）上方的雾化喷头（29）通过下层循环水管（22）、循环泵（20）和营养液储存槽（19）相连，下层循环水管（22）上安装下层电磁流量控制阀（23）；聚氨酯生物流床（28）上方的雾化喷头（29）通过上层循环水管（24）、循环泵（20）和营养液储存槽（19）相连，上层循环水管（24）上安装上层电磁流量控制阀（25）。
6.根据权利要求1所述的废气处理装置，其特征在于，营养液储存槽（19）中设置液位计（26）和pH计（33）。
7.根据权利要求1所述的废气处理装置，其特征在于，UV紫外灯管（5）和第一电气控制箱（4）电性连接，流量控制阀（17）、电磁流量控制阀分别与第二电气控制箱（18）电性连接。
8.根据权利要求1所述的废气处理装置，其特征在于，其还包括第一应急阀（10）、第二应急阀（12）、应急管路（11）和应急尾气管道（9）；第二应急阀（12）设置在和石英催化氧化管（2）输入端连接的进气管（1）上，进气管（1）经由第二应急阀（12）、应急管路（12）直接和双层生物滴滤设备相连；第一应急阀（10）设置在和石英催化氧化管（2）的输出端相连的进气管路（8）上， 石英催化氧化管（2）的输出端经由第一应急阀（10）、应急尾气管道（9）和废气总排口（34）相连。
9.根据权利要求1所述的废气处理装置，其特征在于，分别在双层滴滤塔（15）的侧壁上对应聚氨酯生物底床（27）、聚氨酯生物流床（28）的位置处开设检修门。
10.根据权利要求1所述的废气处理装置，其特征在于，废气通过进气管（1）进入紫外光催化氧化设备的废气浓度为200-1000mg/m3，流量为0.5-2L/min，在石英催化氧化管（2）中停留时间为17-30s，产生臭氧浓度维持在0-10mg/m3。
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