低温等离子在污水厂、养殖场、食品厂等恶臭气体的技术应用

近年来兴起的低温等离子体技术是一种新的治理低浓度VOC等气态污染物的方法,利用等离子体中的大量活性粒子对于有毒、有害、难降解环境污染物进行直接的分解去除,如有毒化学溶剂的降解

本文利用等离子体技术在杭州滨江区污水预处理厂对H2S,NH3,CH3SH等恶臭气体的去除进行了工程实用研究。结果表明,该方法在处理低浓度、大风量恶臭气体具有实际应用的可行性。
等离子体去除恶臭是通过两个途径实现的:
一个是在高能电子的瞬时高能量作用下,打开某些有害气体分子的化学键,使其直接分解成单质原子或无害分子;另一个是在大量高能电子、离子、激发态粒子和氧自由基、氢氧自由基(自由基因带有不成对电子而只有很强的活性)等作用下的氧化分解成无害产物[9]。主要有下面几个过程:
(1)在高能电子作用下,强氧化性自由基O、OH、HO2的产生;
(2)有机物分子受到高能电子碰撞被激发,及原子键断裂形成小碎片基团和原子;
(3)O、OH、HO2:与激发原子、有机物分子、破碎的基团、其他自由基等发生一系列反应,有机物分子最终被氧化降解为CO、CO2、H2O。去除率的高低与电子能量和有机物分子结合键能的大小有
1非平衡等离子体的产生
非平衡等离子体的产生方法有多种,如辉光
放电、电晕法、流光放电法、沿面放电法等,其中应用最为广泛的方法是无声放电或称介质阻挡放电
方法。从气体放电物理学观点把介质阻挡电离放电分成介质阻挡强电离放电和介质阻挡弱电离放电(通称介质阻挡放电或无声放电)
H2S+O2、O2-、O2+??SO3+H2ONH3+O2、O2、O2??NOx+H2O
通过非均匀电场发生的介质阻挡放电所产生电晕等离子体,是包括气相污染粒子在内的多组
分相互作用粒子的集合体,由于在产生电离的同时也发生去离过程(带电粒子的扩散、带电离子的复合、附着效应),当在放电两极间施加电压,电极间原有的电子在自由行程期间从电场中获得能量而受到加速,不断地与中性分子碰撞电离,电子数量成倍的增加,形成电子崩。高速电子将能量以非弹性碰撞的形式转移给气体分子,通过转动激励和振动激励使放电通路加热,高温电子、离子、中性分子以及原子之间由不平衡发展到热平衡状态,形成非平衡等离子体内部变化:
(2)电离:电子从气体分子离去,形成一个正离子,电离作用使自由电子数目增加。
(3)解离:多原子气体分子可能吸收足够的电子而形成中性分子。
(4)复合:气体离子可吸收一个缓慢移动的电子而形成中性气体分子。
VOCs+O2、O2、O2??SO3+CO2+H2O
从上述反应来看,恶臭组分经过处理后,转变为NOx、SO2、CO2、H2O等小分子,在一定的浓度下各种反应的转化率均在90%以上,而且恶臭浓度较低,因此产物的浓度极低,均能被周边的大气所接受。
3工程背景
工程点为杭州高新区(滨江)城市一级污水处
理厂,近期处理规模为10万m/d。其主要恶臭发生源为污水进水隔栅、曝气沉沙池、集水池等;臭气空间约2600m,需处理的恶臭气体量为16000m3/h:主要恶臭气体为H2S,NH3,其中H2S的浓度为1.59~3.46mg/m,NH3的浓度为0.597~1.32mg/m,臭气浓度为298~1076(无量纲),同时还有一定浓度的甲硫醇、甲基硫醚、三甲胺、VOC等,要求处理后的排放气体达到??恶臭污染物排放标准??(GBl4554??1993)中二级新扩建厂界标准。
4工艺流程、主要设备及参数
恶臭气体处理空间约2600m,考虑到污水处
理厂平均流量较大,恶臭气体浓度比较高,根据通风(每小时换气10次左右)及废气治理工艺要求,需要处理的恶臭气体量为16000m3/h。将需处理的恶臭气体收集后由风机抽出,经过滤器过滤后进入除臭设备,反应处理后经排放塔达标排放。其中的空气被等离子体发射管激活,与活性粒子发生碰撞,多数恶臭气体分子被激发,离解,少数恶
臭分子经等离子发射管时,被高能电子和等离子体直接破坏。同时,为了考虑系统形成良好气流组织,将5000m/h风量送回作室内循环,目的是将等离子体释放到隔间内,形成隔间内的多级除臭净化,降低室内臭气浓度,提高整个系统的净化效率。
图1等离子体恶臭净化设备流程图(省略)
整套设备配备活性氧净化装置,其配置如下:(1)设备尺寸:7500~1500~1500(h)mm;(2)离心风机:采用低噪声[<60dB(A)]、可变频进口三菱电机风机,功率11.0kW;
(3)过滤器:采用美国3M公司、高效率、低阻力过滤材料;
(4)活性氧设备:采用高新技术材料制作的发射电源和发射管;
(5)控制系统:包括离心风机、活性氧控制器、设备等的启停、运行显示和熔断保险。控制器采用单片机技术,转换交流电源、提供脉冲波形,自动调节设备启停和运行功率;同时控制系统预留与中控室连接的接口,可以实现就地和远程控制;整套净化装置控制系统具有上位机接口,可以实现
就地与中控室的远程自动控制。
(6)设备处理能耗:0.05~1Wh/m3,其中等离子体活性氧装置功率为200W。
工程设计采用24h连续运行,处理设备中气体流速达到0.7m/s,废气在反应区停留时间为2s。
5处理效果
在系统正常运行过程中,监测点设置在处理
设备的进出口,采用了亚甲基兰分光光度法(GB/T14679??93)、纳氏试剂比色法(GB/T14668??93)以及三点比较式臭袋法(GB/T14675-93)分别对H2S、NH3和臭气浓度进行测定分析,计算去除率,其结果如表3所示。
去除率/%94.19注:排气量16570m/h,管道流速1.55m/s,管道截面积0.64m,
上述监测结果可以看出,H2S去除率可达91.9%,NH3去除率可达93.4%,臭气浓度去除率可达93.6%。由于研究的是实际污水处理厂的恶臭气体,其中各种组分的浓度波动较大,以上数据以平均值为判定依据。处理后的排放气体达到??恶臭污染物排放标准??(GBl4554-1993)中二级新扩建厂界标准。
最后结论通过工程实践证明,等离子体活性氧净化装置
运用于城市污水处理设施的恶臭污染物治理达到国家环保要求。该技术应用于低浓度、高流速、大风量恶臭气体的处理,可以得到较高的去除效率。