CN115738637A - 一种三维粒子电极***净化堆肥恶臭气体的技术方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维粒子电极***净化堆肥恶臭气体的技术方法及其装置，所述方法在电化学反应槽阳极与阴极之间设置环形网状框体并内部填充碳基材料，吸收液中添加初始浓度为0.1‑0.3mol/L的过硫酸盐，通入恒定直流电使吸收液中产生强氧化性自由基，将进口尾气中还原性恶臭气体组分如甲硫醇、二硫化碳等净化处理；当进口气中二硫化碳去除效率下降至90%时，废弃部分吸收液并向电化学反应槽添加等体积新鲜吸收液，维持初始pH值与过硫酸根含量，继续通入尾气进行后续净化处理。本发明所述技术方法及其装置适用于畜禽粪便、生活垃圾、污水厂污泥等有机固废堆肥时恶臭气体的净化处理，对尾气中的氨气、甲硫醇和二硫化碳等组分均具有良好的净化效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维粒子电极***净化堆肥恶臭气体的技术方法及其装置，属于大气污染控制工程技术领域。
背景技术
堆肥是有机固废减量化、无害化和资源化的一个重要手段，但与此同时，堆肥过程中也会释放诸多气态物质如氨气、甲硫醇、二硫化碳、硫化氢、VOCs等，对周围环境及人体健康造成不利影响。目前，较为典型的堆肥恶臭气体净化技术有吸附、焚烧、催化转化、化学吸收、生物净化等。这些技术方法各有优势与不足，如焚烧法对恶臭气体降解彻底但燃料消耗量大，催化转化法处理快速但存在催化剂易中毒、制作成本较高的不足，生物净化法处理成本低但启动周期长、运行有时不稳定。
现今，以过硫酸盐为氧化剂的高级氧化技术受到广泛关注，该技术通过紫外光、高温、微波、过渡金属离子等活化方式产生氧化性强的硫酸根自由基或羟基自由基等活性组分从而氧化去除污染物质。目前，过硫酸盐氧化技术较多应用于废水处理研究领域，也有研究开始关注恶臭气体、VOCs等净化处理。已有专利CN110681253A公布了一种甲硫醇臭气的处理方法，该方法通过二氧化氯协同紫外高效光解净化处理甲硫醇气体，该方法净化效率甚为不错，但也存在羟基自由基产率与氧化电位较低、处理过程产生的有害气体需要进行二次处理这类问题亟待解决。专利CN109603484A公布了一种处理有机废气及恶臭气体的高级氧化***，该***通过紫外活化过硫酸盐实现甲硫醇、甲苯这类有机废气的快速降解；紫外光较可见光具有更高能量密度，具有更好的过硫酸盐活化效果，但其使用成本甚高，从而使该技术的发展与应用受到限制。专利CN115318079A采用电催化协同电絮凝技术处理尾气中的VOCs和酸性物质，利用电催化单元将大分子物质分解为小分子产物，之后经电絮凝单元通过絮体吸附以及电催化氧化进一步脱除气相中的污染物质；随着运行时间延长，尾气净化体系阳极钝化、絮体团聚甚至堵塞颗粒电极的问题难以妥善解决，明显影响该技术的工程应用。
常规的电催化氧化技术所采用的二维电极有效电极面积小、电流效率低，因此，电流效率更高、利于气液传质的三维电极在水处理技术领域备受关注。本发明针对有机固废堆肥恶臭气体中污染物成分复杂、部分难溶于水等特点，构建三维粒子电极***，吸收液中添加过硫酸盐，通入恒定直流电使吸收液中产生强氧化性自由基，进而氧化进口尾气中的还原性恶臭气体组分如甲硫醇、二硫化碳等。本发明所述技术方法及其装置对畜禽粪便、生活垃圾、污水厂污泥等有机固废堆肥时恶臭气体的净化处理均具有很好的适应性。
发明内容
本发明提出一种三维粒子电极***净化堆肥恶臭气体的技术方法及其装置，技术方案如下：电化学反应槽阳极与阴极之间设置环形网状框体并内部填充碳基材料构建三维粒子电极***，再将过硫酸盐吸收液加入反应槽中，通入直流电使吸收液中产生强氧化性自由基并将进口尾气中氨气、甲硫醇、二硫化碳等氧化，实现还原性恶臭气体的净化处理。
所述三维粒子电极***净化堆肥恶臭气体的技术方法，包括以下步骤：
（1）将待处理气体从电化学反应槽中心的微孔曝气装置送入吸收液中，所述电化学反应槽阳极与阴极之间设置环形粒子填充床，且吸收液中添加阳极抑制剂；
（2）通入直流电，控制气体流速使待处理气体在吸收液中停留3-6s，利用吸收液中强氧化性活性组分净化处理待处理气体中的还原性恶臭气体组分；
（3）当待处理气体中二硫化碳去除效率下降至90%时，废弃25-40%吸收液并向反应槽添加等体积新鲜吸收液，维持初始pH值及过硫酸盐含量，继续通入尾气进行净化处理。
优选的，所述微孔曝气装置为采用钛基材料制备孔径5-10μm的圆形曝气装置，将铂或者钌铱负载至钛基曝气装置外表层，镀层厚度为0.03-0.08μm，之后再将碳毡包覆圆形曝气装置并连接外接直流电源正极，构成电化学反应槽阳极。
优选的，所述粒子填充床采用环形网状框体构成，框体采用非导电耐腐蚀材料制作，内外两层隔板之间的间距设置为1.0-1.5cm，内侧隔板与圆形微孔曝气装置的距离为1.5-4.0cm，按照10-25g/L比例将碳基材料装填至环形网状框体中。
优选的，所述碳基材料选用椰壳活性炭、石墨颗粒、生物炭中的任意一种，其粒径为0.8-1.0cm。
优选的，所述吸收液为初始浓度0.1-0.3mol/L的过硫酸盐，所述过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钠中的任一种或多种。
优选的，所述吸收液温度控制在35-50℃，初始pH值控制为3.0-5.0。
优选的，电化学反应槽通入恒定直流电，阳极电流密度控制为20-80mA/cm2。
优选的，电化学反应槽通入恒定直流电，阳极电流密度为40-80mA/cm2，吸收液温度控制为35-45℃。
优选的，电化学反应槽中按吸收液质量比0.05-0.20%比例添加低聚合度聚磷酸铵。
优选的，将钌铱负载至钛基曝气装置表层时，镀层厚度为0.06-0.08μm。
优选的，粒子填充床内侧隔板与圆形微孔曝气装置的距离为1.5-3.0cm，按照15-20g/L比例将椰壳活性炭装填至环形网状框体中。
优选的，电化学反应槽溶液中添加过硫酸铵，其浓度为0.2-0.3mol/L，吸收液初始pH值为3.5-4.5。
所述的三维粒子电极***净化堆肥恶臭气体的装置，包括电化学反应槽1，微孔曝气装置2、碳毡3，铜板阴极4，粒子填充床5，恒流电源6，进气管7、尾气排放管8，进液口9、排液口10；所述电化学反应槽1上端设有进液口9，底端设有排液口10，顶部设有进气管7与尾气排放管8，所述铜板阴极4内嵌于电化学反应槽1内壁，碳毡3环绕包裹微孔曝气装置2并连接外部恒流电源6正极以构成电化学反应槽阳极，所述粒子填充床5内填充有颗粒碳基材料，并设置于反应槽阳极与铜板阴极4之间，所述堆肥恶臭气体从进气管7导入并经微孔曝气装置2送入吸收液，净化后经尾气排放管8排出。
本发明所述处理装置运行过程：堆肥恶臭气体从进气管7经微孔曝气装置2导入电化学反应槽1中，逸出的微气泡与包覆在曝气装置外侧的碳毡3接触后向***扩散，并与粒子填充床5中的颗粒碳基材料接触，此后继续向阴极4一侧的吸收液中扩散，气体从中心底部的微孔曝气装置除向外侧溶液扩散外，也会向上扩散与传质，与电化学反应槽1中电流激发产生的硫酸盐自由基发生氧化还原反应，净化后的尾气经排放管8排出；当难溶于水的组分二硫化碳去除效率下降至90%时，从排液口10废弃部分吸收液，再从进液口9添加等体积新鲜吸收液，维持初始pH值及过硫酸盐含量，继续通入尾气进行净化处理。
本发明有益效果：
本发明对恶臭气体多种组分均具有更为高效的净化效果，氨、甲硫醇类组分净化效率通常高达99%以上，二硫化碳类难溶于水的组分净化效率不低于95%。另外，定期废弃的吸收液经结晶处理，可作为复合肥添加成分，实现了尾气净化与资源化利用双重效果。
附图说明
图1-本发明的装置示意图；
图中：1、电化学反应槽，2、微孔曝气装置，3、碳毡，4、铜板阴极，5、粒子填充床，6、恒流电源，7、进气管，8、尾气排放管，9、进液口，10、排液口。
具体实施方式
以下具体实施实例对本发明作进一步说明，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不仅限于所述内容。
实施例1
收集某厨余垃圾堆肥厂的恶臭气体进行净化处理，其中氨气、甲硫醇、二硫化碳浓度分别为115mg/m3、243mg/m3、86mg/m3。利用钛基材料制备孔径5-10μm的圆形曝气装置，之后将铂负载至钛基曝气装置外表层，镀层厚度为0.04μm，再将碳毡包覆圆形曝气装置并连接外接直流电源正极，构成电化学反应槽阳极；粒子填充床采用环形网状框体构成，内外两层隔板之间的间距设置为1.0cm，内侧隔板与圆形微孔曝气装置的距离为2.0cm，按照12g/L比例将粒径φ0.8cm的椰壳活性炭装填至环形网状框体中；配置0.2mol/L过硫酸铵吸收液并调整其初始pH值至3.5后移入电化学反应槽，按吸收液质量比0.07%比例添加低聚合度聚磷酸铵作为电极抑制剂；通入恒定直流电，控制阳极电流密度为40mA/cm2，吸收液温度控制为38℃；控制气体流速使得待处理气体在吸收液中停留时间约为4s。
连续运行3h时，氨气、甲硫醇、二硫化碳去除率分别为99.7%、98.6%、96.2%；连续运行9h时，三种气体组分去除率分别为98.1%、97.0%、90.2%；此时，废弃电化学反应槽内25%吸收液，从进液口添加等体积新鲜过硫酸铵吸收液，用氢氧化钠调节混合液pH值至3.5，并添加固体过硫酸铵使得混合液中过硫酸根含量为0.2mol/L，再次通入恶臭气体进行净化处理。
实施例2
收集某养殖场畜禽粪便堆肥恶臭气体进行净化处理，其中氨气、甲硫醇、二硫化碳浓度分别为175mg/m3、182mg/m3、65mg/m3。将钌铱负载至钛基曝气装置外表层，镀层厚度为0.08μm；粒子填充床内外两层隔板之间的间距设置为1.2cm，内侧隔板与圆形微孔曝气装置的距离为3.0cm，按照18g/L比例将粒径φ1.0cm的石墨颗粒装填至环形网状框体中；尾气净化装备和其它工艺参数与实施例1相同。
连续运行3h时，氨气、甲硫醇、二硫化碳去除率分别为99.1%、98.4%、96.0%；连续运行10h时，三种气体组分的去除率分别下降至98.6%、98.1%、90.3%；此时，废弃电化学反应槽内30%吸收液，补充等体积新鲜过硫酸铵吸收液，维持初始pH值及过硫酸根含量，继续通入尾气进行净化处理。
实施例3
与实施例2相同，采用三维粒子电极***净化处理养殖场畜禽粪便堆肥恶臭气体。配置0.3mol/L过硫酸钠吸收液并调整其初始pH值至4.5后移入电化学反应槽，按照0.20%比例添加低聚合度聚磷酸铵至吸收液中；通入恒定直流电，控制阳极电流密度为25mA/cm2，吸收液温度控制为45℃。三维粒子电极工艺参数与实施例1相同。
连续运行3h时，氨气、甲硫醇、二硫化碳去除率分别为98.9%、98.7%、95.6%；连续运行9.6h时，三种气体组分的去除率分别为98.1%、97.8%、90.1%；此时，废弃电化学反应槽内20%吸收液，补充等体积新鲜过硫酸铵吸收液，维持初始pH值及过硫酸根含量，继续通入尾气进行净化处理。
实施例4
收集某污水厂污泥生物干化中试装置的恶臭气体进行净化处理，其中氨气、甲硫醇、二硫化碳浓度分别为96mg/m3、67mg/m3、25mg/m3。将钌铱负载至钛基曝气装置外表层，镀层厚度为0.06μm；粒子填充床内外两层隔板之间的间距为1.0cm，内侧隔板与圆形微孔曝气装置的距离为1.5cm，按照10g/L比例将粒径φ0.8cm的颗粒状生物炭装填至环形网状框体中；配置0.1mol/L过硫酸铵吸收液并调整其初始pH值至4.0后移入电化学反应槽，按照0.10%的比例将低聚合度聚磷酸铵添加至吸收液中；通入恒定直流电，控制阳极电流密度为20mA/cm2，吸收液温度控制为35℃。其余未提及的工艺参数或条件与实施例1相同。
连续运行3h时，氨气、甲硫醇、二硫化碳去除率分别为99.8%、99.2%、96.9%；连续运行17.3h时，三种气体组分的去除率分别下降至98.3%、98.1%、90.3%；此时，废弃电化学反应槽内20%吸收液，从进液口添加等体积新鲜过硫酸铵吸收液，用氢氧化钠调节混合液pH值至4.0，并添加固体过硫酸铵使得混合液中过硫酸根含量为0.1mol/L，再次通入恶臭气体进行净化处理。
Claims (9)
1.一种三维粒子电极***净化堆肥恶臭气体的技术方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将待处理气体从电化学反应槽中心的微孔曝气装置送入吸收液中，所述电化学反应槽阳极与阴极之间设置环形粒子填充床，且吸收液中添加阳极抑制剂；
（2）通入直流电，控制气体流速使待处理气体在吸收液中停留3-6s，利用吸收液中强氧化性活性组分净化处理待处理气体中的还原性恶臭气体组分；
（3）当待处理气体中二硫化碳去除效率下降至90%时，废弃25-40%吸收液并向反应槽添加等体积新鲜吸收液，维持初始pH值及过硫酸盐含量，继续通入尾气进行净化处理。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述微孔曝气装置为采用钛基材料制备孔径5-10μm的圆形曝气装置，将铂或者钌铱负载至钛基曝气装置外表层，镀层厚度为0.03-0.08μm，之后再将碳毡包覆圆形曝气装置并连接外接直流电源正极，构成电化学反应槽阳极。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述粒子填充床采用环形网状框体构成，框体采用非导电耐腐蚀材料制作，内外两层隔板之间的间距设置为1.0-1.5cm，内侧隔板与圆形微孔曝气装置的距离为1.5-4.0cm，按照10-25g/L比例将碳基材料装填至环形网状框体中。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于所述碳基材料选用椰壳活性炭、石墨颗粒、生物炭中的任意一种，其粒径为0.8-1.0cm。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述吸收液为初始浓度0.1-0.3mol/L的过硫酸盐，所述过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钠中的任一种或多种。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述吸收液温度控制在35-50℃，初始pH值控制为3.0-5.0。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于电化学反应槽通入恒定直流电，阳极电流密度控制为20-80mA/cm2。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于电化学反应槽中按吸收液质量比0.05-0.20%比例添加低聚合度聚磷酸铵。
9.根据权利要求1-8任一所述的三维粒子电极***净化堆肥恶臭气体的装置，其特征在于包括电化学反应槽（1），微孔曝气装置（2）、碳毡（3），铜板阴极（4），粒子填充床（5），恒流电源（6），进气管（7）、尾气排放管（8），进液口（9）、排液口（10）；所述电化学反应槽（1）上端设有进液口（9），底端设有排液口（10），顶部设有进气管（7）与尾气排放管（8），所述铜板阴极（4）内嵌于电化学反应槽（1）内壁，碳毡（3）环绕包裹微孔曝气装置（2）并连接外部恒流电源（6）正极以构成电化学反应槽阳极，所述粒子填充床（5）内填充有颗粒碳基材料，并设置于反应槽阳极与铜板阴极（4）之间，所述堆肥恶臭气体从进气管（7）导入并经微孔曝气装置（2）送入吸收液，净化后经尾气排放管（8）排出。
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