随着社会经济的飞速发展和人们生活水平的提高,公众环境意识逐渐增强,石化行业所排放的废气问题逐渐引起人们的关注。石化行业的废水处理设施会产生大量的恶臭气体,其主要成分既包括硫化氢等无机化合物,又包括大量复杂的挥发性有机物(VOCs),如苯系物、有机硫化物、醇类、醚类、醛类等。因此,石化行业废水处理设施排放的废气是一种复合型的污染臭气,对人体健康和周边环境会造成不良的影响^[1,2]。

　　 与废气的物理、化学处理方法相比,废气的生物净化技术一般适于中低浓度、大流量气体的处理,其技术原理主要是利用不同微生物的代谢功能,将目标污染物分解为基本无害的小分子物质(如水、二氧化碳等)^[3]。 另外,生物净化工艺还具有设备简单、操作方便、投资少、运行费用低、二次污染小、可处理含不同性质组分的混合气体等优点^[4~8]。但生物净化技术也有一定的局限性,主要表现在其生物降解速率有限,承受负荷不能过高,对具有生物毒性的物质处理效果较差等方面。目前,生物净化技术已经成为恶臭气体处理的重要技术之一,在我国得到了大量的研究和应用^[9,10]。

　　 本文将结合天津市某化工有限公司废水处理站实际工程,具体阐述生物净化系统的主要设计参数和运行条件,并对生物净化系统的运行性能进行分析和评价。 其结果对生物净化技术在石化行业恶臭气体控制中的推广应用提供技术参考。

　　 天津市某化工有限公司主要生产联苯、芳烃及杂环化合物等化工产品。因此,进入废水处理站的废水主要是化工废水。根据资料及现场测试结果表明,水中含有大量的二氯甲烷等VOCs以及H₂S等无机化合物。恶臭气体主要来源于废水处理站的进水池、生物曝气池和污泥区。各废气产生源的污染物浓度水平如表1所示。

　　 本工程采用生物过滤塔处理上述恶臭废气,工艺流程如图1所示。在废水处理过程中,进水混合池、曝气池和污泥区产生的恶臭气体通过管道进入生物过滤塔,废气总量11 000m³/h,经过塔中微生物的生物降解作用,降低出口处VOCs和H₂S的浓度,处理后的气体通过引风机从烟囱排出。实际工程应用的装置如图2所示。

　　 根据相关要求,该项目产生的恶臭废气经过生物过滤塔处理后应达到以下目标,具体的标准限值如表2所示。

　　 (1)废气排放达到 《天津市恶臭污染物排放标准》(DB12/0591995)的相关要求。

　　 (2)废气排放达到《天津市工业行业挥发性有机物排放控制标准》(DB12/5242014)的相关要求。

　　 生物过滤塔的主要设计参数如表3所示。生物过滤塔的填料层高度和空塔停留时间对去除效果和基建投资有很大影响。当填料层高度过低时,占地面积大,导致基建投资费用增加;当填料层高度过高时,虽减小了占地面积,但由于重力作用,使得填料层孔隙率减小,生物过滤塔的去除能力在运行过程中也会由于填料层压实或堵塞等原因而下降。工程中生物过滤塔的填料层高度通常不超过1.5 m,为节省占地面积,本工程选取最大填料层高度1.5m。空塔停留时间通常大于15s,在废气量及填料层高度一定的情况下,为减少占地面积,本工程选择的空塔停留时间为15s。表4列出了实际工程中的主要设备。

　　 在生物过滤工艺的启动过程中,向其中投加高效的恶臭气体降解微生物。菌种是根据臭源的类型筛选得到,该菌群为优势菌种,经过驯化后,对恶臭物质的去除率高于一般生物除臭细菌;并且该菌群为复合菌群,可对废气中多组分进行处理,随着时间的推移,除臭效果越来越好,因而对于成分复杂的气体也具有良好的处理效果。接种生物量B及单位填料生物量b按式(1)、式(2)计算:

　　 式中B———接种生物量,kg;

　　 b———单位填料生物量,kg/m³;

　　 V———接种的生物菌剂体积,取25m³;

　　 C———生物量浓度,取8g/L;

　　 V₀———生物过滤塔中填料层体积,取45m³。

　　 经计算,接种生物量为200kg,单位填料生物量为4.44kg/m³。

　　 以TVOC表示气体中总挥发性有机物含量。图3显示了生物过滤塔进出口TVOC浓度随时间的变化规律及其去除效果。在运行初期,由于微生物对TVOC降解处于适应阶段,降解能力较低(去除率低于40%)。随着微生物对TVOC降解的逐渐适应,去除率逐渐升高。运行11d后,由于曝气池封闭盖拆除,虽然TVOC浓度出现显著上升,但微生物活性的升高保证了TVOC去除率仍然稳定在90%左右,出口浓度降低到20mg/m³以下,达到《天津市工业行业挥发性有机物排放控制标准》(DB12/5242014)的有关要求(TVOC≤80mg/m³)。

　　 生物过滤塔进出口H₂S浓度随时间变化的规律及其去除效果如图4所示。在反应初期,H₂S去除率就可达到90%左右。随着微生物对于H₂S降解的逐渐适应,去除率继续升高。在反应后期,由于微生物活性的升高,H₂S去除率接近100%,达到《天津市恶臭污染物排放标准》(DB12/05995)的有关要求(H₂S≤0.03mg/m³)。

　　 生物过滤塔填料层的压降随时间变化的规律如图5所示。在调试阶段,填料层压降基本稳定,数值在一定范围内波动,在第25 d达到最大(0.53kPa/m)。此后基本稳定在0.45kPa/m左右,低于一般工程中要求的0.67kPa/m,说明填料层未出现堵塞现象。

　　 生物过滤塔在运行过程中,填料层会出现水分的损失,填料层中含水率对塔的运行性能有直接影响,含水率过低,塔内微生物生长受到抑制,微生物活性降低,从而影响TVOC和H₂S的去除率。因此,必须对填料层进行水分补充。 经过反应器后,单位时间内水分的损失量q按式(3)计算:

　　 反应器每天的最少补水量q₁按式(4)计算:

　　 单位体积填料的最少补水量q₂按式(5)计算:

　　 单位体积气体补水量q₃按式(6)计算:

　　 式中φ₁———进口相对湿度,取35%;

　　 φ₂———出口相对湿度,取100%;

　　 α———36 ℃时,湿气体饱和水蒸气含量,查表得41.51g/m³;

　　 Q———废气量,取11 000m³/d;

　　 V₀———生物过滤塔中填料层体积,取45m³。

　　 经计算,单位时间内水分的损失量为297kg/h,反应器每天的最少补充量为7 123L,单位体积填料的最少补水量为159L/(d·m³),单位体积气体补水量为27mL/m³。

　　 生物过滤塔对于含CH₄Cl₂等TVOC及H₂S恶臭废气具有良好的去除效果(TVOC去除率>90%,H₂S去除率达到100%)。为确保生物过滤塔的正常运行,必须加强对其填料层压降的监测,防止填料层堵塞,影响废气处理效果。