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垃圾填埋气中微量挥发性有机物的净化技术

  
评论: 更新日期:2011年08月04日
2.4膜技术

  膜分离是根据VOCs和其它组分透过膜组件速率的差异,而达到分离的目的。采用膜分离技术处理填埋气中的VOCs,具有流程简单、回收率高、能耗低、无二次污染等优点。近年来,随着膜材料和膜技术的进一步发展,国外已有许多成功应用的范例,日东电工、GKSS和MTR公司等已经开发出多套用于VOCs回收的气体分离膜。常用的处理废气中VOCs的膜分离工艺包括:蒸汽渗透、气体膜分离和膜接触器等[15]。由于气体分离效率受膜材料、气体组成、压差、分离系数以及温度等多种因素的影响,且对原料气的清洁度有一定要求,膜组件价格昂贵,因此气体膜分离法一般不单独使用[16]。

  2.5生物降解

  生物降解是附着在滤料介质上的微生物在适宜的环境条件下,利用废气中的有机成分作为碳源和能源,维持其生命活动,并将有机物同化为CO2、H2O和细胞质的过程。该法的设备流程简单、运行费用和成本低、安全可靠、无二次污染,尤其在处理低浓度、生物可降解性好的VOCs时更显其经济性。国内利用生物膜过滤器对苯系VOCs进行处理,去除率达75%[17];国外也有用土壤床层处理甲苯的应用研究[13]。生物法的主要问题是设备体积大、停留时间长、容易堵塞,且处理混合VOCs的效果欠佳。但该法的前景看好。目前主要研究方向是微生物种类,生物反应器和最佳工艺条件等。

  2.6燃烧

  燃烧是利用VOCs的易燃性,将其在较高温度下转化为CO2和H2O的一种方法,它对VOCs的处理更彻底、更完全,是处理成分复杂、高浓度VOCs废气的首选方法。目前有直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧三种方式。直接燃烧运行费用较低,但容易发生爆炸,浪费热量、且产生二次污染。热力燃烧处理低浓度VOCs时,需加入辅助燃料,会增大运行费用。催化燃烧为无火焰燃烧,安全性好;要求的燃烧温度低(300~450℃),对可燃组分浓度和热值限制小;但为延长催化剂使用寿命,不允许废气中含有尘粒和雾滴[18]。一般情况下,VOCs中空气的比例较大,这就要求根据废气的温度、体积、化学组成、露点以及进出口浓度等因素,来选择焚烧方式。

  3.填埋气中VOCs净化的新兴技术

  3.1光催化降解

  光催化是化学、物理和材料等学科交叉研究产生的新技术,它可在常温常压下将大多数VOCs彻底分解,与前述常规处理方法相比,反应过程快速高效,反应条件比较温和,且无二次污染问题。国内外对VOCs的光催化转化规律的研究表明,对大多数VOCs而言,转化效果良好,含氮VOCs比含磷、硫、氯的VOCs的光催化转化速率低[19];在253.7nm的紫外灯光照射下,除CCl4外,其它三氯乙烯、丙酮、苯、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷等,均易于光催化降解[20]。近年来,用半导体催化剂光催化降解VOCs的研究与开发相当活跃,TiO2是最常用的光催化剂,它在紫外线照射下,使H2O生成-OH,然后-OH可将VOCs氧化成CO2和H2O,该技术成本较低,已接近商业化使用阶段[21]。目前,该方法因降解效率不高而处于研究开发阶段,研究重点在于探索高效反应器,提高并充分利用催化剂的活性。

  3.2等离子体净化

  等离子体被称为物质的第4种形态,由电子、离子、自由基和中性粒子组成,为导电性流体,总体上保持电中性。按照离子温度的不同,可分为平衡等离子体和非平衡等离子体。近年来发展起来的非平衡等离子体技术,具有工艺简单、效率高、能耗低、适用范围广等优点。它是通过高电压放电形式,产生大量的高能电子或高能电子激励产生的O、OH、N基等活性粒子,破坏VOCs分子中的C-H、C=C或C-C等化学键,使其中的H、C1、F等发生置换反应。由于O、OH基等具有强氧化能力,结果使C、H分解氧化、最终生成CO2和H2O,即VOCs通过放电处理最终变为无害物质[22]。研究表明[23],非平衡态等离子中,只有电子的温度是很高的,整个等离子气体区域温度只比未反应时升高10℃,因此该法具有很高的能量效率,是处理低浓度、高流速、大流量的VOCs较为理想的方法。当前,等离子法处理VOCs的技术尚处研究阶段。

  3.3紫外线氧化

  紫外线(UV)氧化法,也称间接等离子体法。它是利用短波长紫外线以及氧基氧化剂,如O3和H2O2等,在紫外光照射下,将VOCs转化成CO2和H2O。紫外光由低压辉光放电(汞灯),或者高压低温等离子体产生。在这种间接等离子体工艺中,紫外光起到催化剂的作用。发射管效率低以及停留时间长是这种方法的主要障碍。现在通过结合管催化剂如TiO2,FexOy等,这些方面已得到改善。不足之处是热力发生以及要求停留时间较长,而这又影响到去除率。并且,副产物可能会覆盖于反应器表面,对表面光催化反应产生影响。

  3.4脉冲电晕技术

  脉冲电晕法去除VOCs的基本原理是通过沿陡峭、脉冲窄的高压脉电晕的放电,在常温常压下获得非平衡等离子体,即产生大量高能电子和O、OH等活性粒子,对有害物质分子进行氧化降解反应,使污染物最终无害化[24]。1988年以来,美国环保局进行了VOCs和有毒气体电晕破坏的研究,模拟表面反应器进行分子形式的电晕破坏,达到分解的目的,并由此开发了低成本低浓度污染物流的控制技术,电晕技术被认为是一种有前途的控制技术。

  3.5脱除VOCs的联合工艺

  针对LFG中VOCs种类多、浓度低、毒性大等特点,单靠某种工艺显然不能彻底解决污染问题,因此,许多新型工艺不断涌现,并和常规控制工艺联合起来,应对填埋气回收利用中存在的VOCs隐患。如非平衡等离子体技术在处理低浓度VOCs方面具有独特的作用,若与催化剂合用,通过改善等离子体反应器的结构等手段,则VOCs的脱除效率可达到实用化水平。而电晕法与催化法或吸附法相结合,也可进一步完善VOCs处理技术。最近,对于低浓度(≤100mg/m3(标))、高流量(≥34000(标)m3/h)的VOCs气流,国外开发出活性炭吸附浓缩与催化焚烧联合工艺。其特点是先通过吸附塔将有机物浓缩,脱附后再进行焚烧,从而大大减少了需要催化焚烧的气流量,这不仅减少了装置运行需投入的燃料量,同时增加了单位时间内气流中有机物自身的燃烧热。与相同条件下的单催化焚烧系统相比,装置规模要小得多,需投入的燃料量也大为减少,从而降低了投资及操作费用。

  4结论

  LFG在回收利用以前,需经杂质颗粒与水的预处理、深冷脱氮、酸性气体和微量有害VOCs脱除等浓缩净化步骤,以增加燃烧热值、降低集输费用。特别是其中的VOCs,因具有组分复杂、浓度低、毒性大等特点,决定了其控制技术在整个净化工艺中占有重要地位,其净化程度的高低决定了填埋气的最终利用途径。除了深度冷凝、活性炭吸附、溶剂吸收、膜分离、生物降解和焚烧等常规控制技术外,填埋气中VOCs的脱除还可采取光催化降解、等离子体技术、紫外线氧化法和脉冲电晕等新兴技术。这些技术的有效联合,是填埋气中VOCs净化技术的未来研究方向。

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