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6种VOCs污染场地SVE修复系统尾气净化技术优缺点分析

来源: http://www.huiguo.net.cn/    发表日期:2015-08-21    浏览:2475

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土壤污染问题已引起越来越多的人重视,如何管理和修复污染场地更是引起了世界性的关注,这方面中国还有很长的路要走。1994年欧盟成立了欧盟污染场地公共论坛,其管理名单中包括16个成员国140多万处污染土地,迄今已修复114万处。而直到2004年,污染场地的概念才开始进入中国政府和公众的视野。随着工业化和城市化进程的加快,城区置换出大量工业污染场地,挥发性有机物(Volatile Organic Compounds, VOCs) 污染场地在其中占有较大 的比例,如未经修复而直接使用将威胁到场地附近居民的健康安全,以及区域或全球的大气环境。国家环境保护“十二五”规划(国发(2011〕42号)从制度建设、环境监管和修复重点3个方面切实推进土壤修复。

土壤气相抽提技术以其高效性在生产实践中作为一项重要的土壤修复技术得到广泛运用,以其有效性和广泛性被美国环保局(EPA)列为“革命性技术”。截至1999年底,共有196个美国超级基金场址选用土壤气相抽提技术。土壤气相抽提技术(Sml Vapour Extraction, SVE )是一种原位土壤修复技术,其工作原理是运用抽真空设备强制使新鲜空气通过污染的土壤空隙,从而使挥发性有机物随着空气流进入抽取出,然后进行收集以及处理,其实质是利用物理方法去除土壤中挥发性有机组分。SVE系统尾气的净化是通过在出口处安装净化装置以去除VOCs, 避免二次污染。

SVE系统尾气主要包含苯、甲苯、正己烷、三氯乙烯、氯乙烯、氯仿和四氯化碳等有毒有害的VOCs气体,具有气量大、浓度低的特点,存在很大的环境隐患和人体健康风险。VOCs的危害主要表现在以下几个方面:对人体产生“三致”效应,导致出血症或败血症,严重危害人类健康;生成光化学烟雾,引起温室效应,导致臭氧层的破坏;影响农作物生长;具有易燃、易爆性,给企业生产造成隐患64。鉴于VOCs的危害性,其控制和处理已受到研究领域和市场领域的广泛关注,而适用于SVE尾气的净化技术还有待研究。鉴于SVE的广泛研究应用,有必要选取绿色安全、经济适用的SVE尾气净化技术,使污染场地的尾气达标排放,降低SVE修复技术的风险。

1 SVE尾气净化技术

根据SVE系统尾气中VOCs的来源、种类、特性及处理要求等可以将其净化方法分为物理、化学和生物法3类,而根据SVE尾气处理后的最终形态可将净化技术大体分为回收技术和消除技术两大类。

VOCs回收技术主要包括膜分离法、吸附法、冷凝法和吸收法等,其原理是利用物理方法,在一定温度和压力下,用选择性介质分离VOCs。消除技术主要包括燃烧法(直接式/催化式燃烧)、光催化氧化法和生物法等,其原理是通过化学或生物反应等,在光、热催化剂和微生物等作用下将有机物转化为水和二氧化碳等无害物质。

有研究表明活性炭相较于其他吸附剂,不易与水分子等极性分子相结合,从而吸附VOCs的性能最佳。但是也有部分VOCs被活性炭吸附后难以再从活性炭中除去(表1),对于此类VOCs,不宜采用活性炭作为吸附剂,而应选用其他材料。


1.1 吸收与吸附法

吸收法利用吸收剂和VOCs分子物理性质的差异,用不挥发性溶剂或低挥发溶剂吸收VOCs至洗涤装置中进行分离,再进一步回收利用解析出的纯VOCs气体。

吸附法则是使含VOCs的有机废气通过多孔性固体,利用固体表面存在的分子吸引力或化学键力,把有机废气中的VOCs吸附在固体表面的净化方法。

吸附剂具有强选择性,对低浓度有毒有害物质有很好的去除效果,对其他过程难分开的混合物也能有效分离,所以在大气污染控制领域广泛应用。但吸附 剂具有一定的吸附容量,需用一定的方法进行脱附后,用干热空气干燥后循环使用,一般可重复使用5年。

1.2 冷凝法

物质在不同温度下具有不同饱和蒸气压,冷凝法利用这一原理采用降温、增压的方法,使处于蒸气状态的VOCs冷凝,从而达到与废气分离的目的。冷凝法一般去除率可达到80%~90%。实际应用中,冷凝法常作为净化高浓度废气的前处理与其他方法 (如吸附、吸收和膜分离法等)联合使用。

1.3 膜分离法

膜分离法是在一定压力下,使VOCs通过能选择有机物的高分子膜渗滤从而实现分离的目的。当VOCs气体进入膜分离系统后,高分子膜的选择性使只有VOCs气体能通过并实现富集,未渗透的是去除了VOCs的气体,达标处理后排出系统;富集后VOCs的气体在冷凝系统中被回收。膜分离法适用于回收浓度高、气量小和回收价值较高的VOCs。常用的膜分离工艺是蒸汽渗透、气体膜分离和膜接触器等,回收膜主要有玻璃膜和橡胶模等。

膜分离技术具有回收率高、能耗低、操作流程简单和无二次污染等优点,但其初期投资较高。膜法气体分离是近10年间发展起来的一种新的具有高效分离能力的膜分离技术。

1.4 燃烧法

燃烧法亦称焚烧法,即将有毒有害气体、蒸汽、 液体或烟尘转化为co2和H20并释放热量的过程。燃烧法所包含的化学反应主要有燃烧氧化反应及高温下的热分解反应。实际应用中的燃烧法主要有直接燃烧、 催化燃烧和热力燃烧,其燃烧工艺性能如表2所示。

1.5 光催化氧化法

光催化氧化技术是利用紫外线激发使纳米形态的半导体材料中的电子越过禁带从低能带(又称价带)进入高能带(又称导带),使电子同时在低能带上产生电子空穴,使吸附在其表面上的有机物质生成C02和H20。美国环保局公布的9大类114种有机污染物均被证实可通过光催化氧化得以治理,见表3。

1.6 生物法

生物法是利用微生物吸附分解有机物的能力来降解VOCs废气,是附着在滤料介质中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,维持生命活动,并将有机物同化为C02、H20和细胞质的过程。

1923年Bach利用土壤过滤床处理污水处理厂散发的含H2S的恶臭气体,而最早将生物法应用到工业废气处理的是美国的Pomeroy RD,他于1957年申请了利用土壤处理硫化氢的专利,到20世纪80年代开始,生物法才真正被用来处理VOCs废气。现阶段,人们采用泥煤、塑料/堆肥、堆肥/活性炭和堆肥/聚苯乙烯惰性颗粒M等混合填料做了大量研究。

相对于国外,我国对生物法的研究到20世纪90年代末才开始进行。人们采用堆肥/火山岩/营养土混合物M、堆肥/活性污泥混合物、堆肥/聚乙烯 (PE)混合物、堆肥/土壤/火山灰混合物、陶粒、土壤/有机土壤混合物、陶粒/蛭石末混合物网、堆肥/珍珠岩混合物以及玉米芯等填料研究,处理效果明显。

2 SVE尾气净化技术的选择

SVE修复过程中要寻求处理效果好、运行费用低、安全效果好、易于管理、技术成熟且无二次污染的净化VOCs的方法。根据大量工业VOCs气体处理工程案例的调研结果可知,全球范围内吸附法、催化燃烧法和生物法是应用较多的VOCs处理技术。

目前,吸附法被广泛应用于SVE尾气处理,不仅能处理大多数VOCs,净化效果也比较显著。然而,吸附法作为一种回收技术只是吸收了VOCs,并没有从本质上将VOCs无害化。当吸附介质达到饱和时,吸附能力降低至失去净化能力,如要循环使用需进行脱附操作。脱附操作较复杂,限制因素多,且某些VOCs被吸附介质吸附后很难被去除,不利于场地修复的实际应用。在实际应用中,一般仅靠持续更换吸附介质来维持运行。吸附了VOCs的吸附介质是危险废物,需要送到专门的有资质的处理机构焚烧,后续处理麻烦,费用昂贵,同时产生了二次污染物。就其后续处理而言,利用活性炭吸附不可再生,不符合环保与可持续发展的理念。

燃烧法(焚烧法)作为一种消除技术,能有效去除VOCs,适合于处理浓度较高的VOCs废气,一般情况下去除率均在95%以上。然而,在燃烧和焚化过程中,存在不完全燃烧,形成的许多中间产物本身是有害的,如二恶英、呋喃等。废气中VOCs的不完全燃烧能产生比初始气体更有害的二次污染物。鉴于VOCs气体的有毒有害性,燃烧法并不是理想的SVE尾气净化方法。

由国内外的VOCs净化方法应用情形可知,生物法正日益成熟,且具有良好的应用前景。各种VOCs净化方法的适用范围及优缺点如表4所示。

由表4可以看出,生物法常温常压下即可进行,与其他处理方法相比,具有工艺设备简单可靠、运行稳定、管理操作简单、低能耗、低投资运行费用、良好的净化效果和无二次污染等优点,基本满足需求。

综上可知,生物法适用于SVE尾气的处理,是—种很有应用前景的SVE尾气净化方法。

3 总结与展望

生物法已逐渐成为净化VOCs的主要方法及具有前景的应用技术之一,越来越受到人们的关注。然而选择生物法作为SVE尾气的净化技术,仍有许多不足之处有待进一步改进。

(1)多组分复杂VOCs混合废气的去除,特别是难生物降解VOCs或高负荷的处理。

(2)复杂的微生物生态研究,包括微观结构及特性、微生物菌落分布及特征、生物量定量等。

(3)如何利用和平衡循环氧气、营养物质(如氮)和污染物。

(4)如何确定生物过滤法处理实际废气过程中填料的寿命(压实、酸化、营养缺乏等)以及最佳工艺运行参数。

(5)生物降解机制及动力学研究,尤其是微观动力学方面的研究。

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