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生物除臭系统设计及常见问题分析

发布时间:2021年9月25日 点击数:3268

1 概述

由于城市建设不断加快导致城市用地日益紧张,已建或新建的城市百富策略白菜网、污泥堆肥厂、工厂等周围往往都有人口密集的居民生活区域或公共活动区,由于没有除臭措施或除臭措施不完善,导致恶臭污染引起的环境投诉事件时有发生。

目前常用除臭工艺包括生物除臭、化学除臭、低温等离子除臭、光催化氧化、活性炭吸附除臭等工艺,各除臭工艺对比见表1。

典型臭气物质主要包括氨、三甲胺、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚等,生物除臭的基本原理在于通过合理的系统设计培养出适合降解臭气中恶臭污染物成分的微生物菌群,微生物以臭气中恶臭污染物成分为代谢基质,通过一系列的生物化学降解作用,转化为CO2、H2O、SO42-、NO3-等一系列稳定的代谢产物,最终实现恶臭污染物成分的去除[2]。由于其运行费用低,管理方便、处理效果稳定等优势得到了广泛的百富策略白菜网。

表1 除臭工艺对比[1]     下载原表

表1 除臭工艺对比[1]

由于我国除臭工作起步较晚,关于生物除臭的设计规程、指南性质的文件尚未发布,相关设计参考资料及经验比较缺乏。本文重点讨论生物除臭工程的设计要点及常见需要注意的问题,以供国内同行参考。

2 生物除臭系统的设计

2.1 除臭风量计算原则

结合国家相关规范及类似工程经验,不同除臭构筑物的除臭气量计算可参考以下原则,根据实际情况灵活运用[3,4]。1)进水泵吸水井、沉砂池臭气风量按单位水面积10 m3/(m2·h)计算,增加1~2次/h的空间换气量;2)初沉池、浓缩池等构筑物臭气风量按单位水面积3 m3/(m2·h)计算,增加1~2次/h的空间换气量;3)曝气处理构筑物臭气风量按曝气量的110%计算;4)封闭设备按封闭空间体积换气次数6~8次/h计;5)半封口密封罩按密封罩开口处抽气流速为0.6 m/s计;6)在密封加盖时,由于设施构造上的问题可能存在有引起臭气泄漏的开口部。经实验当开口部补风流速达到0.3~0.5 m/s时,臭气不会引起泄漏。故在存在无法密封的小开口情况下,以该开口处补风流速计算的吸风量作为除臭风量;7)除臭系统宜与通风换气系统分开,难以分开时,对于人员需要经常进入的处理构(建)筑物,抽气量宜按换气次数不少于6次/h计算。当人员短时进入且换气次数难以满足时,需要考虑人员进入时的自然通风或临时强制通风措施。

综上所述,除臭风量的计算需根据现场情况采取不同的计算方法,但应以臭气集中收集为原则,尽量实现除臭与通风的分离。

2.2 加盖密封方式分析

臭气源的加盖密封一般分为三类:平面低盖密封、小型机械设备密封和室外大除臭区域加盖密封。密封工程使用的所有钢制材料均需作防腐处理。本文重点讨论室外大除臭区域加盖密封。

目前室外大除臭区域加盖密封主要密封方式为玻璃钢拱形盖板密封及反吊膜密封,两种密封方式对比及设计要点分析见表2。

通过以上对比发现,当除臭构池体度较小且形状比较规则时,采用玻璃钢加盖具有使用寿命长,节省投资等优势;当除臭池体跨度较大且形状不规则时,则建议采用反吊膜加盖对池体进行加盖密封。加盖密封方式的选择不仅仅影响密封效果及投资,还对除臭风量的计算、装置使用寿命等有重要影响。

表2 玻璃钢与反吊膜加盖对比     下载原表

表2 玻璃钢与反吊膜加盖对比

2.3 臭气输送系统设计

2.3.1 风管材质选择

由于臭气普遍具有高湿、腐蚀性等特点,风管材质的选取需要综合考虑使用寿命、经济等因素,本文对市面上常见管道进行了对比(表3),可根据臭气浓度、成分、腐蚀性等性质进行选取。

表3 臭气收集风管对比[5]     下载原表

表3 臭气收集风管对比[5]

综上,百富策略白菜网臭气收集风管建议采用玻璃钢管道,当管道设置于室内或采用保温处理时可选择PVC管道。不锈钢及混凝土内衬玻璃钢管道由于其投资较高,百富策略白菜网较少,碳钢镀锌管道由于其耐腐蚀性能较差,一般不建议使用。

2.3.2 系统压力损失计算[4]

1)风管的沿程压力损失计算。

 


式中:ΔPm为风管的沿程阻力损失,Pa;λ为摩擦阻力系数;Rs为风管的水力半径,m;v为风管内气体平均流速,m/s;ρ为气体的密度,mg/m3;l为风管的长度,m。

 


式中:A为风管的过流断面积,m2;P为湿周,即风管的周长,m。

无法得到λ值时,可以使用通风管道计算表,查得单位风管的摩擦阻力,即可计算出风管的沿程压力损失值。

2)风管的局部压力损失计算。

 


式中:ΔPj为风管的局部阻力损失,Pa;ξ为局部阻力系数。

风管压力损失中局部压力损失是占主要的,各种形状或部件的ξ值可通过查查相关图表得到。

3)生物滤池压力损失计算。

 


式中:ΔPt为滤池压损,Pa;Δpt为单位高度填料压损,Pa/m,由填料种类、粒径、臭气上流速度有关,可通过实验确定;ht为填料层高度,m;ΔPin为进口压损,Pa;ΔPout为出口压损,Pa。

4)系统压损计算。(1)按最不利情况计算风管的压力损失(含沿程和局部压力损失)及生物滤池压力损失;(2)除臭密封区域形成负压所需的压力损失;(3)统计全系统的压力损失之和;(4)一般考虑10%~20%安全系数,即可选出引风机所需全压值。

2.4 生物除臭塔计算

1)填料体积的确定。

 


式中:V为填料体积,m3;Q为除臭气量,m3/h;Cin为进气初染物浓度,g/m3;Cout为排气污染物浓度,g/m3;Ns为填料污染物负荷,g/(m3·h),取决于填料种类及污染物成分。

2)除臭塔面积的确定。

 


式中:S为除臭塔面积,m2;V为填料体积,m3;h为填料厚度,m。

其中h=Nv·T

式中:Nv为气体流量负荷,m3/(m2·h);T为填料层空塔停留时间,s。

3)除臭塔高度的确定。

 


式中:H为除臭塔总高度,m;hlow为填料层底部高度,m;hon为填料层上部高度,m。

2.5 除臭填料的选取

目前国内经常使用的生物除臭填料种类繁多,如塑料、半软性塑料、炭质填料、干树皮(木片)、干草、陶粒、沸石、纤维性泥炭或其混合物等。

填料是微生物生存和工作的场所,既是微生物生长的支撑载体,又是气液固传质介质,其性能直接影响除臭效果,因此填料是生物除臭装置的核心技术,填料的选取需遵循以下原则[6]:1)比表面积大,容许生长的微生物种类丰富,与微生物的相容性好;2)亲水保湿性能好,能为微生物的生存创造良好的环境;3)抗强酸耐腐蚀,对产生的强酸有耐腐蚀性;4)具有一定的机械强度,无压密性,保证气体停留时间和通量;5)不随水分的多少产生膨胀和收缩,保证各种情况下的通气量;6)结构均匀,空隙率大,压力损失小,通气阻力小;7)自身无异味,具有一定的吸附能力;8)耐老化,使用寿命长;9)填料材料易得且价格便宜;10)运行、养护简单。

2.6 环境因子的影响[4]

2.6.1 污染物种类及含量

采用生物除臭时,臭气中的污染物应为可被微生物利用和降解的有机或无机物质,而且不含有对微生物生长产生抑制作用的有毒物质。臭气中的污染物含量不宜过高,否则将会使微生物大量繁殖,从而导致填料的空隙率大大降低,影响除臭效果和使用寿命。

2.6.2 湿度控制

在生物除臭工艺中,对湿度的要求非常严格。臭气湿度、填料喷淋水量、喷淋周期根据填料类型确定。

当填料中水分过多时,填料空隙中会滞留过多的水分,使填料的透气性变差,运行阻力增加,导致气体在填料中的停留时间减少,严重影响净化效果。过多的水分还会使空气中氧气的穿透能力下降,影响填料层中微生物的新陈代谢,发生厌氧反应,产生恶臭。当填料中水分过少时,会导致填料层缺乏微生物生长代谢所必需的水分,微生物的生长环境受到影响,严重时会导致填料干裂。

2.6.3 营养物质的控制

为使对污染质的去除能力达到最大化,营养物质的供应在种类与数量上应能保证微生物的活性。有试验表明,较高的营养水平可以使生物除臭系统快速启动,并能提高其在稳定阶运行段的去除能力,当N/C≥0.01时生物除臭系统才能达到最佳的去除效果。

3 生物除臭系统设计中常见问题分析

3.1 除臭风量计算

目前,关于臭气风量计算的方法较多,由于考虑的角度不同,各种方法的准确性仍有争议,风量计算过程主要考虑以下3个因素:1)臭气的完全收集;2)尽可能减少除臭风量以降低工程投资;3)密封空间内的劳动安全[3,5]

当采用水面负荷作为单一计算依据时(即根据水面积乘以一个系数来确定气量),该参数的取值与构建筑物的功能与形式有关,尤其是构建筑物内液面以上空间较高或者污水厂含有挥发性物质浓度较高时,很容易造成臭气的泄露;当构建筑物内液面以上空间较小时,尤其在补风口设置不合理的情况下,容易造成密封空间内负压过大,从而导致密封设施的坍塌;采用以空间容积与每小时换气次数的乘积来确定臭气量,此种除臭风量计算方法仅从通风及劳动安全的角度考虑,忽略了臭气源表面积、臭气成分理化性质对臭气的散溢的影响,且容易出现除臭风量过大导致的投资的浪费。

因此,在实际项目中风量计算时,要充分考虑项目实际情况,灵活百富策略白菜网除臭风量计算方法。

3.2 加盖密封

3.2.1 玻璃钢加盖

采用玻璃钢加盖,需要注意以下几个方面的问题:1)内部支撑结构的防腐。由于支撑结构长期处于高湿度、高腐蚀性环境中,其防腐处理尤为重要,建议采用不饱和树脂进行防腐处理。当池体跨度较小时,尽量采用弧形盖板以取消内部支撑。2)玻璃钢盖板的制作。玻璃钢盖板主要分为三层:外表层、结构层、防腐层。外表层一般进行防紫外处理以提高盖板抗紫外线老化能力;结构层主要确保玻璃钢盖板的强度以确保其满足载荷要求;防腐层需要根据臭气成分选取相应的耐腐蚀能力的树脂加工制作。以上任何一点不满足要求均会导致玻璃钢盖板的使用寿命大大下降。

3.2.2 反吊膜加盖

采用反吊膜加盖,需要注意以下几个方面的问题:1)膜材的选取。膜才选取主要考虑以下几个因素:(1)表面防紫外处理以提高其抗紫外老化的能力;(2)具有抗撕裂、抗剥离、耐折、耐磨气密性好等特点;(3)具备优良的抗菌、防霉性能。2)钢结构的设计。钢结构的设计出了考虑要满足常规的风载、雪载等载荷要求外,重点需要考虑排水问题。积水导致的载荷增加可能造成严重的安全隐患。

3.3 臭气输送系统

臭气输送管道常用管道为玻璃钢管道,玻璃钢管道结构主要分为三层:外表层、结构层、防腐层。分别起抗紫外老化、保证管道强度、耐臭气腐蚀的作用,需采用不同的树脂制作并保证足够的树脂含量以确保足够的使用寿命。

另外,臭气管道设计过程中需要考虑冷凝水的排放问题,尤其是在北方,还需要重点考虑冷凝水排水管道的防冻问题。

3.4 生物除臭塔设计

除臭塔设计目前存在的主要问题在于填料污染物负荷的选取。污染物负荷的选取直接决定了除臭塔的处理效果能否达到设计要求。

不同填料对不同污染物成分具有不同的处理负荷,当多种成分存在时,其处理负荷同样会发生改变。如:根据工程经验,采用炭质填料,对单一硫化氢及有机物均具有较高的处理负荷,但当臭气中同时存在硫化氢及有机物时,其对有机物的处理负荷会大大降低。

目前,国内在这方面的研究较少,基本上可参考数据很少。笔者认为相关研发机构应加强此方面的研究,为生物除臭系统设计提供依据。

3.5 除臭填料选择

生物除臭填料种类繁多,本文仅对市面上常见填料使用过程中常见问题进行分析,以为工程设计提供参考依据。以土壤、堆肥、泥煤、锯末和树皮等为代表有机滤料,由于其机械强度差,耐腐蚀性能差,其腐烂塌陷变形后,一方面降低了臭气在填料中的停留时间,降低处理效果;同时容易导致空气通过阻力增加,容易造成气流、水流在填料中的不均匀分布,影响传质过程,从而使整个系统处理能力和处理效果大幅度下降。另一方面,频繁的更换填料不但造成工程量的增加,也给日常的运行管理造成很多麻烦,每次更换填料后的微生物驯养(工程调试)阶段,势必会对周围的环境造成一定的影响,除臭系统长期稳定运行会受到影响[6]

陶粒填料的内部孔隙主要由孔径约5μm不贯通孔洞构成,属较大孔径,这类尺寸的孔径有利于微生物附着生长,有更多种类的微生物可以进入陶粒内部,进而被吸附的有机物可以有更长的时间被降解。同时由于微生物分布情况和所处的条件不同,较容易形成不同微生物群落,继而处理不同性质的污染物。需要注意的是,其中的火山岩填料,当用于处理含硫化氢臭气成分时,由于其代谢产物为硫酸,会存在填料被腐蚀,填料强度逐渐下降的问题[3]

塑料填料具有强度高、通透性和结构稳定性良好;性能稳定、压力损失低;使用寿命长;不易被腐蚀等优点;但是同时也存在比表面积小,保湿性亲水性差,生物挂膜性能差等缺点。一般在工业臭气的化学处理上面比较多,主要起到吸收液再分布、扩大气液接触面积的作用。

炭质填料其特性是多孔质、保水性高、有良好的透水性和通气性。其具有多孔性表面,与微生物的相容性好,有利于多种微生物生长,可形成种类丰富的生物群落,使各种臭气成分同时被有效去除。采用炭质填料,当进气有机物浓度太高时,存在由于微生物大量繁殖,导致填料堵塞的风险[3]

4 总结与建议

生物除臭系统的设计是一项系统工程,需要综合考虑加盖密封方式选取、收集管路材质选取及系统设计计算等多方面的内容。任何一个方面的问题都可能会导致项目的失败。

1)除臭风量的计算需根据现场情况采取不同的计算方法,应以臭气集中收集为原则,尽量实现除臭与通风的分离。

2)加盖密封方式的选择不仅仅影响密封效果及投资,还对除臭风量的计算、装置使用寿命等有重要影响,需要因地制宜的选择合适的加盖方式。

3)除臭管路阻力损失根据不同管道管径及设计流速进行计算,生物除臭塔的阻力损失主要存在于填料层,这取决于填料种类及填料层空塔流速等参数。

4)填料种类及污染物负荷的确定对项目成败具有决定性的作用。填料选择需要根据处理目标及处理要求综合考虑,尤其需要考虑到填料的不稳定导致的处理效果下降及更换时引起的其他问题。

5)设计时要充分考虑营养成分的补给及除臭塔内湿度的控制等因素,营养成分不平衡或者湿度的不合理控制均会对处理效果产生不利影响。

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