改进的生物过滤塔及其在处理挥发性有机物中的应用的制作方法

本发明属于环保设备及应用，特别是指一种改进的生物过滤塔及其在处理挥发性有机物中的应用。

背景技术：

挥发性有机物(vocs)污染已同二氧化硫、氮氧化物和颗粒物等成为目前我国重点城市群的主要大气污染物。其中工业领域尤为突出,工程技术减排是重要的控制措施之一。挥发性有机物(vocs)主要由苯类、醇类、醛类、烃类等上千种物质组成。其处理主要分为回收法和分解法，回收法包括膜分离法、吸附法、冷凝法等，该类方法可实现有机废物的回收，但回收的物质纯度难以保证，再利用价值低，且不能从根本上处理挥发性有机物。分解法包括热焚烧法，催化氧化法、生物过滤法等。其中热焚烧法，催化氧化法处理效率高，分解较为彻底，但能耗大，催化剂容易积碳失活，不适合处理低浓度vocs气体。生物过滤工艺(主要设备为生物过滤塔)是处理低浓度vocs较为实用的技术，因其成本低，操作简单，技术清洁等优点而受到广泛关注。

目前国家尚未对生物过滤塔的性能、构造制定相应的技术规范及标准，但在该技术领域对生物过滤塔采用主体构造基本相同的结构布局，其结构主要包括进气口、布气系统、填料区、喷淋区、出气口等。处理工艺为：废气由底部进气口、布气系统(布气系统多为均匀开孔的支撑板，既可以承载填料，又能起到均匀布气的效果)进入填料层，与填料层上的生物膜和喷淋的营养液经过气-液传输、液-膜传输相接触，利用填料上驯化后的单一或者混合微生物的新陈代谢，以污染物为碳源和氮源，将各种有机化合物和某些无机物进行生物降解，最终分解成二氧化碳和水，从而有效去除工业废气中的vocs。生物过滤塔填料多为惰性物质构成，其顶部设有喷淋装置用以控制填料层的湿度，同时还能通过向喷淋液中加入营养盐物质创造适宜微生物生长繁殖的环境。

生物过滤塔在运行过程中，要求表面气流速度为10-100m³/m²·h，停留时间为15-60s，填料高度为0.5-1.0m，压降500-1000pa，相对含湿量为30-60％，ph值为7-8(张自杰.《注册环保工程师第一手册》.化学工业出版社)。其中停留时间是生物塔净化有机废气过程中的重要参数之一。在进气浓度一定的情况下，停留时间越长，微生物越能与有机废气充分接触，从而能能够使更多的有机物通过吸附、扩散作用进入到生物膜内部，因此净化效果也就越好。反之，停留时间变短，微生物没有足够的时间充分降解有机物，导致废气的净化效率降低，同时有害物质积累增多，又进一步对微生物产生了负面影响。填料层压降是另一个影响生物过滤塔运行的重要性能指标，该性能指标采用沿气流方向填料层所损失的压力来表征，一般系统压降要控制在500-1000pa，通常由压力表测定。压降会直接影响过滤塔的运行能耗，填料层压降随运行时间延长会逐步升高，一般在运行60-100天时，压降会呈升高趋势，压降可升高200％-800％，污染物去除率下降40-50％，同时由于压降增大，会增加系统运行的动力能耗，若不及时控制，会使过滤塔无法继续运行。

根据文献报道(黄树杰，《生物滴滤塔处理含h2s与nh3恶臭气体的试验研究》，硕士论文，广东工业大学2006)，当生物过滤塔的净化效率连续1周保持稳定在70％时，则表明系统挂膜驯化成功。生物膜表面的微生物与废气接触充分，吸收营养比较容易，而膜内部靠近填料表面的微生物不能从外部得到可作为细胞碳源和其它营养物的营养物，而进入内源呼吸阶段，丧失了附着与填料表面生长的能力，呈老化状态而脱落。

针对vocs的治理需求，国家和行业相继颁布了排放标准。《大气污染物综合排放标准》(db16297-1996)中对笨、甲苯、二甲苯等物质作出明确排放限值。《合成革和人造革污染物排放标准》(gb21902-2008)中对vocs的排放根据工艺不同，分别限值150mg/m³或200mg/m³。河北省发布的地方标准《工业企业挥发性有机物排放控制标准》(db13-2322-2016)规定，医药制造工业废气最高允许排放浓度为60mg/m³，最低去除率90％，而交通运输、表面涂装等行业工业废气最高允许排放浓度为60mg/m³，最低去除率为70％。标准中对各行业的排放标准及去除效率做出了明确说明。同时标准中对各vocs的收集方法、浓度检测方法做出了规定。

根据处理废气种类及浓度不同，喷淋液中的营养物质各有不同，但主要组成基本相似，如葡萄糖、尿素、磷酸二氢钾、硫酸镁、氯化钙、硫酸亚铁和少量微量元素。(任爱玲.《生物滴滤塔净化含低浓度苯乙烯废气的研究》.环境科学学报.2013年第07期:p23)、(周雪霞.《强化生物滴滤塔处理二甲苯废气研究》.浙江大学硕士论文：20)。有的文献报道中提到以城市污水作为营养液(齐国庆.《城市污水为生物滴滤塔营养液试验研究》.甘肃科技2007年23卷第9期)，试验证明该技术可行，避免了自配营养液中营养物质的浪费，同时污水中自身含有一定的酸碱度，对生物塔进气进行适当的酸碱中和，具有缓冲作用。但当污水中有机物浓度高时(高于550mg/l)，影响生物塔的物化传质效果，同时有机物浓度高，会造成生物的大量生长，生物膜越积越厚，并且生物膜从填料表层脱落，累积在填料之间，使得填料层堵塞，影响气-液传输、液-膜传输效果，一般在运行60-100天左右时，系统压降会显著上升，污染物去除率下降40％-50％，影响运行效果。

目前生物过滤塔在运行中存在较多问题，如生物膜生长速度慢、填料易堵塞，废气量或废气浓度波动时抑制生物过滤塔中膜的活性，导致排放浓度不达标等情况。

申请人检索到的专利文献包括：公开号为cn103263846a的专利文献中公开了一种基于嗜热菌生物技术处理高温有机废气的反应装置及方法，针对高温有机废气提出采用自配营养液喷淋的方法促进生物膜的生长，同时生物膜菌种采用嗜热菌。公开号为cn204193785u的专利文献中公开了一种挥发性有机废气生物滴滤净化一体化装置，针对膜堵塞问题，采用滤网和应用压缩空气和水清洗填料。公开号为cn205379796u的专利文献中公开了一种用于废气处理的生物滤池，提出将生物填料区分层，在每层填料区上设置喷淋装置，用于解决膜堵塞问题。以上各方法均可解决生物膜生长慢，填料易堵塞的问题，但均需增加额外营养药剂、设备或改变生物填料塔的结构，增加了投资和运行费用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改进的生物过滤塔及其在处理挥发性有机物中的应用，能够有效维持生物过滤塔长时间稳定运行，同时降低运行费用，提高处理效果。

本发明的整体技术构思是：

改进的生物过滤塔，包括塔体，分别开设于塔体下端的进气口以及塔体上端的出气口，位于进气口上方的塔体内且底部由透气板支撑的填料层，间隔设置于填料层上方且与营养液罐体通过管路连通的喷淋装置；所述的出气口共有两路输出，其中一路接排放，另一路通过尾气收集管路与纵向间隔开设于塔体侧壁并与填料层连通的尾气回收管路并联。

改进的生物过滤塔在处理挥发性有机物中的应用。

本发明的具体技术构思还有：

为促进侧流进气与底部进气向冲撞，加快死亡微生物膜的脱落，促进新微生物挂膜。有效解决了膜堵塞的难题。尾气回收管路布置优选的技术方案是：所述的尾气回收管路包括纵向间隔设置于塔体侧壁且分别由第一阀门控制的第一管路、由第二阀门控制的第二管路、由第三阀门控制的第三管路、由第四阀门控制的第四管路。

更为优选的技术方案是，填料层的高度为h，第一管路的入口开设于填料层的底部，第二管路的入口处距填料层的底部为0.2-0.3h，第三管路的入口处距填料层的底部为0.4-0.5h，第二管路的入口处距填料层的底部为0.7-0.8h。

改进的生物过滤塔在处理挥发性有机物中的应用，是将废气与填料层上的生物膜和喷淋装置喷淋的营养液经过气-液传输、液-膜传输相接触，利用填料层上驯化后的单一或混合微生物的新陈代谢，以污染物为碳源和氮源，将其中的有机化合物和部分无机物进行生物降解，分解成二氧化碳和水，去除工业废气中的挥发性有机污染物；

a、营养液采用由污水处理工艺段的进水：处理后的二沉池出水的质量比＝0.01-0.05：0.95-0.99的混合液；

b、当经出气口排放的尾气浓度未达到标准要求时，关闭出气口的排放端，将尾气回收管路自下至上依次导通并维持有效时间，在开启相应的尾气回收管路时关闭其下方相邻的尾气回收管路。

c、重复步骤b至检测出气口排放端的尾气排放浓度达标后，关闭尾气回收管路。

优选的技术方案是，尾气回收管路的开启与关闭过程如下：

b1、首先开启第一阀门，使第一管路导通5-10s；

b2、关闭第一阀门，使第一管路处于封闭状态，同时开启第二阀门，使第二管路导通4-9s；

b3、关闭第二阀门，使第二管路处于封闭状态，同时开启第三阀门，使第三管路导通3-8s；

b4、关闭第三阀门，使第三管路处于封闭状态，同时开启第四阀门，使第四管路导通2-7s。

在本发明的描述中“上端”、“下端”、“上方”、“侧壁”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于简化描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明所具备的实质性特点和取得的显著技术进步在于：

1、本发明采用污水与污水处理工艺二沉池出水有效组合后作为营养液，既可以节省营养物质，同时混合液能够利用自身具有的酸碱度对废气进行中和调节。

2、尾气收集装置的采用以及从填料侧面进入填料层的结构设计，不仅结构设计简单易行，易于实现工业化控制。更为重要的是，在有机废气进气量或浓度变化造成尾气气体排放不达标时，具有如下效果：

(1)提高处理效果。将处理不达标的废气由侧面重新进入生物过滤塔，延长了废气与填料层上微生物的接触时间，增加了废气在生物塔的停留时间，经过填料上的微生物再次降解处理，将废气中的有机物降解成为二氧化碳和水，从而达标排放。经实验证实，系统处理效率至少可提高20％，最高可提高80％。

(2)尾气回收装置采用侧流进气与底部废气进气相冲撞，随着运行时间的增加，生物塔内生物量增多，同时死亡的微生物也逐步增加，这类死亡的微生物对挥发性有机物的降解起不到任何作用，反而附着在填料上，影响新的微生物挂膜。尾气收集装置收集的废气与底部进气相结合，因竖向向上的气流和横向的气流相结合形成紊流，可从多个方向对填料进行冲刷，两股气流形成更大的合力并向上部排出，加快死亡微生物膜的脱落，促进新微生物挂膜。

(3)侧流进气从底部向上逐级进行，将填料上的堵塞物由下至上逐级向上推动，最终由顶部排出，且由底部至顶部，填料高度降低，压力减小，侧流进气的时间也逐渐缩短，有效解决了膜堵塞的难题。经实验证实，长时间运行能够满足稳定运行的要求。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1的俯视图。

附图中的标记如下：

1、营养液罐体；2、填料层；3、尾气收集管路；4、进气口；5、出气口；6、喷淋装置；7、塔体；8、第一阀门；9、第二阀门；10、第三阀门；11、第四阀门。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述，但不作为对本发明的限定，本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所做出的等效技术手段替换，均不脱离本发明的保护范围。

实施例

本实施例的生物过滤塔的整体构造如图示，包括塔体7，分别开设于塔体7下端的进气口4以及塔体7上端的出气口5，位于进气口4上方的塔体7内且底部由透气板支撑的填料层2，间隔设置于填料层2上方且与营养液罐体1通过管路连通的喷淋装置6；所述的出气口5共有两路输出，其中一路接排放，另一路通过尾气收集管路3与纵向间隔开设于塔体7侧壁并与填料层2连通的尾气回收管路并联。

所述的尾气回收管路包括纵向间隔设置于塔体7侧壁且分别由第一阀门8控制的第一管路、由第二阀门9控制的第二管路、由第三阀门10控制的第三管路、由第四阀门11控制的第四管路。

填料层2的高度为h，第一管路的入口开设于填料层2的底部，第二管路的入口处距填料层的底部为0.2-0.3h，第三管路的入口处距填料层的底部为0.4-0.5h，第二管路的入口处距填料层的底部为0.7-0.8h。

改进的生物过滤塔在处理挥发性有机物中的应用，是将废气与填料层2上的生物膜和喷淋装置6喷淋的营养液经过气-液传输、液-膜传输相接触，利用填料层2上驯化后的单一或混合微生物的新陈代谢，以污染物为碳源和氮源，将其中的有机化合物和部分无机物进行生物降解，分解成二氧化碳和水，去除工业废气中的挥发性有机污染物；

a、营养液采用由污水处理工艺段的进水：处理后的二沉池出水的质量比＝0.01-0.05：0.99-0.95的混合液；

b、当经出气口5排放的尾气浓度未达到标准要求时，将尾气回收管路自下至上依次导通并维持有效时间，在开启相应的尾气回收管路时关闭其下方相邻的尾气回收管路。

c、重复步骤b至检测出气口5排放端的尾气排放浓度达标后，关闭尾气回收管路。

尾气回收管路的开启与关闭过程如下：

b1、首先开启第一阀门8，使第一管路导通5-10s；

b2、关闭第一阀门8，使第一管路处于封闭状态，同时开启第二阀门9，使第二管路导通4-9s；

b3、关闭第二阀门9，使第二管路处于封闭状态，同时开启第三阀门10，使第三管路导通3-8s；

b4、关闭第三阀门10，使第三管路处于封闭状态，同时开启第四阀门11，使第四管路导通2-7s。

为验证本实施例的技术效果，申请人进行了如下实验：

一、某制药厂生产过程中产生丙酮废气(voc废气的一种)，废气量为20000m³/小时，废气浓度400mg/m³-600mg/m³，采用传统生物过滤塔，废气由底部进口进入，经底部布气进入生物塔填料区，顶部设有营养液喷淋装置，营养液组成为硫酸铵300mg/l，磷酸二氢钾200mg/l，硫酸镁20mg/l，氧化钙195mg/l，硫酸亚铁60mg/l，硫酸锰80mg/l，微量元素2mg/l。运行30天左右时，voc去除率稳定在70％以上，表明生物挂膜成功，出气口浓度为40mg/m³-90mg/m³，达标率(排放标准60mg/m³)为95％，不能够保证排放处理要求，在运行120天后，压降由600pa升高至1700pa，去除率下降至40％-50％，表明填料被堵塞，继续运行会造成巨大能耗，如果将填料掏出清洗，影响了系统的正常运行，同时造成膜脱落，需要重新培养驯化。将传统生物过滤塔采用本发明进行改进，喷淋液采用该厂污水处理工艺段的进水：处理后的二沉池出水的质量比＝0.05：0.95后的混合液，仅需15天，去除率便稳定在90％以上，极大的提高了生物挂膜效率，在出口浓度高于60mg/m³时，采用尾气收集装置，增加废气停留时间，保证出口浓度低于60mg/m³，在运行过程中，当压降大于300pa时，首先开启第一阀门8，使第一管路导通10s；然后关闭第一阀门8，使第一管路处于封闭状态，同时开启第二阀门9，使第二管路导通9s；之后关闭第二阀门9，使第二管路处于封闭状态，同时开启第三阀门10，使第三管路导通8s；最后关闭第三阀门10，使第三管路处于封闭状态，同时开启第四阀门11，使第四管路导通7s。经过上述方法对填料层进行反冲刷后，压降小于400pa，连续运行的200天压降不大于600pa，保证了系统的正常运行。

二、某印刷厂生产过程中产生多环芳烃类废气(voc废气的一种)，废气量为15000m³/小时，废气浓度300mg/m³-600mg/m³，采用传统生物过滤塔，废气由底部进口进入，经底部布气进入生物塔填料区，顶部设有营养液喷淋装置，营养液组成为硫酸铵300mg/l，磷酸二氢钾200mg/l，硫酸镁20mg/l，氧化钙195mg/l，硫酸亚铁60mg/l，硫酸锰80mg/l，微量元素2mg/l。运行45天左右时，voc去除率稳定在70％以上，表明生物挂膜成功，出气口浓度为50mg/m³-100mg/m³，达标率(排放标准60mg/m³)为90％，不能够保证排放处理要求，在运行90天后，压降由550pa升高至2350pa，去除率下降至40％-50％，表明填料被堵塞，继续运行会造成巨大能耗，如果将填料掏出清洗，影响了系统的正常运行，同时造成膜脱落，需要重新培养驯化。将传统生物过滤塔采用本发明进行改进，喷淋液污水处理工艺段的进水：处理后的二沉池出水的质量比＝0.01：0.99后的混合液，仅需20天去除率便稳定在90％以上，极大的提高了生物挂膜效率，在出口浓度高于60mg/m³时，采用尾气收集装置，增加废气停留时间，保证出口浓度低于60mg/m³，在运行过程中，当压降大于500pa时，首先开启第一阀门8，使第一管路导通5s；然后关闭第一阀门8，使第一管路处于封闭状态，同时开启第二阀门9，使第二管路导通4s；之后关闭第二阀门9，使第二管路处于封闭状态，同时开启第三阀门10，使第三管路导通3s；最后关闭第三阀门10，使第三管路处于封闭状态，同时开启第四阀门11，使第四管路导通2s。经过上述方法对填料层进行反冲刷后，压降小于500pa，连续运行的200天压降不大于600pa，保证了系统的正常运行。

三、某制药厂生产过程中产生甲苯废气(voc废气的一种)，废气量为5000m³/小时，废气浓度200mg/m³-400mg/m³，采用传统生物过滤塔，废气由底部进口进入，经底部布气进入生物塔填料区，顶部设有营养液喷淋装置，营养液组成为硫酸铵300mg/l，磷酸二氢钾200mg/l，硫酸镁20mg/l，氧化钙195mg/l，硫酸亚铁60mg/l，硫酸锰80mg/l，微量元素2mg/l。运行60天左右时，voc去除率稳定在70％以上，表明生物挂膜成功，出气口浓度为30mg/m³-80mg/m³，达标率(排放标准60mg/m³)为92％，不能够保证排放处理要求，在运行120天后，压降由300pa升高至1500pa，去除率下降至40％-55％，表明填料被堵塞，继续运行会造成巨大能耗，如果将填料掏出清洗，影响了系统的正常运行，同时造成膜脱落，需要重新培养驯化。将传统生物过滤塔采用本发明进行改进，喷淋液采用该厂污水处理工艺段的进水：处理后的二沉池出水的质量比＝0.02：0.98后的混合液，仅需25天，去除率便稳定在85％以上，极大的提高了生物挂膜效率，在出口浓度高于60mg/m³时，采用尾气收集装置，增加废气停留时间，保证出口浓度低于60mg/m³，在运行过程中，当压降大于300pa时，首先开启第一阀门8，使第一管路导通8s；然后关闭第一阀门8，使第一管路处于封闭状态，同时开启第二阀门9，使第二管路导通7s；之后关闭第二阀门9，使第二管路处于封闭状态，同时开启第三阀门10，使第三管路导通6s；最后关闭第三阀门10，使第三管路处于封闭状态，同时开启第四阀门11，使第四管路导通5s。经过上述方法对填料层进行反冲刷后，压降小于400pa，连续运行的250天压降不大于650pa，保证了系统的正常运行。

四、某炼焦厂生产过程中产生酚类废气(voc废气的一种)，废气量为4000m³/小时，废气浓度500mg/m³-600mg/m³，采用传统生物过滤塔，废气由底部进口进入，经底部布气进入生物塔填料区，顶部设有营养液喷淋装置，营养液组成为硫酸铵300mg/l，磷酸二氢钾200mg/l，硫酸镁20mg/l，氧化钙195mg/l，硫酸亚铁60mg/l，硫酸锰80mg/l，微量元素2mg/l。运行60天左右时，voc去除率稳定在70％以上，表明生物挂膜成功，出气口浓度为30mg/m³-60mg/m³，达标率(排放标准50mg/m³)为91％，不能够保证排放处理要求，在运行140天后，压降由300pa升高至1200pa，去除率下降至30％-55％，表明填料被堵塞，继续运行会造成巨大能耗，如果将填料掏出清洗，影响了系统的正常运行，同时造成膜脱落，需要重新培养驯化。将传统生物过滤塔采用本发明进行改进，喷淋液采用该厂污水处理工艺段的进水：处理后的二沉池出水的质量比＝0.03：0.97后的混合液，仅需35天，去除率便稳定在95％以上，极大的提高了生物挂膜效率，在出口浓度高于50mg/m³时，采用尾气收集装置，增加废气停留时间，保证出口浓度低于50mg/m³，在运行过程中，当压降大于600pa时，首先开启第一阀门8，使第一管路导通7s；然后关闭第一阀门8，使第一管路处于封闭状态，同时开启第二阀门9，使第二管路导通6s；之后关闭第二阀门9，使第二管路处于封闭状态，同时开启第三阀门10，使第三管路导通5s；最后关闭第三阀门10，使第三管路处于封闭状态，同时开启第四阀门11，使第四管路导通4s。经过上述方法对填料层进行反冲刷后，压降小于400pa，连续运行的450天压降不大于650pa，保证了系统的正常运行。