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紫外光技术在污水恶臭气体处理中的应用
作者:上海市城市排水市中运营有限公司 吴正华    发布于:2017-04-14 16:48:44    文字:【】【】【
摘要:紫外光技术是目前国内外治理低浓度恶臭的有效方法之一。该文概述了紫外光技术处理恶臭污染物的净化原理和特点,并针对典型的工程实例介绍其工艺流程、设计参数及处理效果。

1前言

    随着人们对工作和生活环境要求的不断提高,恶臭作为一种环境公害已越来越受到关注,它是由大气、水、土壤、固体废弃物等物质中的异味,通过空气介质刺激人的嗅觉器官,使人产生不适之感。恶臭物质的种类很多,迄今为止,凭人的嗅觉即能感受到的有4000多种,大致分为3类:

①硫化氢、硫醇类、二甲基硫、硫醚类及含硫的杂环化合物等;

②氨、胺类、睛类、硝基化合物及含氮杂环化合物等;

③碳、氢或碳、氢、氧组成的化合物(低级醇、醛、脂肪酸等)。其中硫化氢、氨、三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳、苯乙烯、二甲二硫等8种对人体影响较大。

通常所指的恶臭气体,是指在空气中扩散的并带有恶臭的气体,简称臭气。恶臭气体的来源广泛,主要来自于固体垃圾处理场、以石油为原料的化工厂、污水泵站、污水处理厂、饲料和肥料加工厂、畜牧产品农场、化纤厂、皮革厂、制浆厂及公厕、粪便转运站等。尤其是污水泵站,大多建在城区或居民区内,污水中的蛋白质、脂肪、碳水化合物等厌氧、好氧过程所产生的恶臭物质,如硫化氢(H2S)、氨(NH3)、吲哚(C8H5NHCH3)、三甲胺((CH33N)、甲硫醇类(CH3SH)、二甲二硫(CH3SSCH3)、甲硫醚CH3SCH3)、乙醛、低级醇、脂肪等,这些恶臭物质大多属无色气体,嗅觉阈值极低(多为ppb级),具有强烈的刺激性恶臭味道,有些还具有较大的毒性,极易与空气中的水分、尘粒结在一起,随呼吸系统进入人体,危害人的健康。

泵站恶臭气体的构成比较复杂,臭气浓度随气候条件、管道水位的变化而变化,为此,研究开发了紫外光恶臭气体处理装置,运用物理技术对恶臭气体进行处理,现已取得了良好的社会效益与经济效益。

2紫外光的分类和应用

    1802年,德国物理学家里特发现了一种人眼看不见的光线,它比可见光波长更短,位于可见光谱紫光区的外侧,称为紫外光(或紫外线),紫外光是波长100~400的电磁波紫外线的分类,根据生物效应的不同,紫外线按照波长分成4个波段。

2.1 UVA波段

    波长320~400nm,又称为长波黑斑效应紫外线。它有很强的穿透力,可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。日光中98%的长波紫外线能穿透臭氧层和云层到达地球表面。

2.2 UVB波段

    波长275~320nm,又称为中波红斑效应紫线。中等穿透力,波长较短的部分会被透明玻璃吸收,日光中只有不足2%的中波紫外线能到达地球表面,在夏天和午后感觉特别强烈,其余大部分则被臭氧层所吸收。

2.3 UVC波段

    波长200~275nm,又称短波灭菌紫外线。它的穿透能力最弱,无法穿透大部分的透明玻璃及塑料。日光中的短波紫外线几乎被臭氧层完全吸收。

2.4 UVD波段

波长100~200nm,又称为真空紫外线。

其应用方面:

化学——涂料固化,颜料固化,光刻;

生物学——灭菌;

仪器分析——矿石,药物,食品分析;

工业——消除臭氧、降低总有机碳(TOC)、液体糖消毒、降解氯气,空气消毒。

3 紫外光除臭机理

紫外光技术去除恶臭气体是通过两个途径实现的:

①紫外线作用于空气中的氧气和水分子,产生羟基自由基、活性氧等活性基团以及臭氧等强氧化性物质,这些强氧化剂与恶臭物质发生氧化反应,使恶臭物质转化为无害无臭的物质;

②紫外线产生的能量高于恶臭物质分子间键能的携能光量子,恶臭物质在携能光量子的轰击下,分子键可能分解乃至断裂,使其直接分解为单质原子或无害的分子。

主要的作用过程如下:

3.1 高能电子作用

产生强氧化性自由基O、OH、HO。

3.2 利用紫外线能量作用

使恶臭气体分子断键。任何光都具有波粒子二向性,光是由一种特殊的粒子——光量子组成,光量子是一种不连续的、一份一份地在空中以巨大的速度传播的能量形式,所以光量子具有能量,波长越短,则能量越大。利用合适波长的紫外线所具有的能量,轰击常见恶臭物质分子键,恶臭物质的发臭基团发生断裂或分解,形成小碎片基团和原子,其粒子性(也称量子性)见表1.

1 常见恶臭物质分子键的键长和键能

分子键

H-H

C-H

C=C

O-O

C-H

C-O

N-H

S-H

键长pm

74

154

134

148

109

143

101

136

键能KJ/mol

436

347

611

142

414

360

389

368

3.3 氧化、降解有机分子

O、OH、HO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,有机分子最终被氧化降解为CO、HO。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关。

从除臭机理上分析,主要发生以下反应:

H2S + O2、O+、O- → SO3 + H2O

NH3 + O2、O+、O- → NOX + H2O

VOCs + O2、O+、O- → SO3 + CO2 + H2O

从上述反应来看,恶臭分子经过处理后,转变为NOX、SO3、CO2、H2O等小分子,由于产物的浓度极低,均能被周边的大气接受。

4 技术特点

高端紫外光恶臭气体处理装置的优点是对湿度、温度不敏感,处理效率高;而且紫外光法同时可产生羟基自由基、活性氧等活性基团。设备占地面积小、重量轻,操作灵活、管理方便、除臭灭菌效果好。同时可利用泵站原有的通风管道进行布置,节约投资成本。该装置可以根据恶臭气体的浓度变化,灵活调节紫外光强度;另外紫外线技术恶臭气体处理设备的施工、调试、正常运转以及维修工作,对原生产工艺均没有影响。

5 工程实例

工程点为上海市昌平、康定排水系统改造工程,处理规模为33000m³/h。主要恶臭发生源为污水进水格栅、泵房夹层、调蓄池、要求处理后的排放气体达到GB14554-1993《恶臭污染物排放标准》中二级新扩建厂界标准。

5.1 设计依据

①气候条件:

海拔高度(上海吴淞高程)    4.0m;

空气湿度(极端最高)        +40.2℃;

        (极端最低)        -12.1℃;

空气相对湿度(冬季空气调节)75%;

            (最热月平均)  83%;

雷暴日数(d/年)            32.2;

最热日地面下0.8m处土壤平均温度27.2℃;

年平均气压                  101 324.72Pa。

②处理介质:

甲硫醇                      ≤2mg/m³;

硫化氢                      ≤10mg/m³;

氨气                        ≤3mg/m³;

臭气浓度(无量纲)          ≤4000。

5.2 工艺流程、主要设备及参数

在格栅间及通风除臭机房安装了两套紫外光恶臭气体处理装置。一套处理从调蓄池排气孔进入的臭气,设计处理风量为18000m³/h,另一套针对格栅井下部和周边区域的臭气进行处理,设计处理风量为3000+12000m³/h,同时,再安装一套风量为12000m³/h的通风净化装置,将新鲜空气从泵房电梯间引入室内。经过臭气处理装置处理后的气体,经混凝土排气管道至灯塔(兼透气孔)后高空排放。

5.2.1 收集系统

合理布局吸风口位置,使得臭气能够通过集气管道进入紫外光恶臭气体处理装置,并在臭源底部形成适当的负压,防止臭味溢出。

5.2.2 除臭设备

紫外光离子恶臭气体处理装置应安置在系统的同一范围内,与原构筑物的总体布局相适应,并有设备吊装及进场安装、日常运行、检修的空间。

5.2.3 通风净化系统

风量要满足工程设计的需要,送风口的设置主要针对个人的操作场所,改善作业环境。对进入的新鲜空气要进行过滤,保证空气的洁净度。

5.2.4 收集装置与通风管道

通风管道的压力损失控制在3Pa/㎡以下;恶臭气体源集气装置的密封度必须保证风量增加小于10%。工艺流程见图1.

 

1 工艺流程图

5.2.5 紫外光恶臭气体处理装置配置

①设备尺寸

1300*1200*5500mm。

②离心风机

噪声<60dB(A),进口三菱电机风机。

③过滤器

采用美国3M公司产品,高效、低阻率材料制作。

④紫外光处理设备

采用德国高新技术材料制作的电源和发射管。

⑤控制系统

包括离心风机、紫外光发生器等的启停、运行显示和熔断保险。控制器采用PLC技术、触摸液晶屏显示,通过与现场气体检测仪的配合使用,自动启停设备和调整运行功率。同时控制系统预留与中央控制室连接的接口,可以实现就地和远程控制。

5.3 处理效果

该工程为24h连续运行,处理系统中气体流速保持0.7m/s,臭气在反应区停留时间控制在2s左右。在系统正常运行过程中对气体进行检测,监测点设置在处理设备的进出口,采用次氯酸钠一水杨酸分光光度法(GB/T14679-93)、气相色谱法(GB/T14679-93)以及三点比较式臭袋法(GB/T14675-93)分别对NH3、H2S和臭气浓度进行测定分析,并计算其去除率。从一年多的监测结果看出:H2S去除率达91.29%。由于研究的是实际泵站产生的恶臭气体,各种组分的浓度波动较大,因此,以上数据以平均值为判定依据。处理后的排放气体达到(GB14554-1993)《恶臭污染物排放标准》中二级新扩建厂界标准,并通过上海市的环境检测验收。

6 结论

    通过工程实践证明,紫外光技术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。该技术应用于中低浓度、中流速、大风量恶臭气体的处理,可以得到较高的去除效率。该技术的应用中要考虑新鲜空气的补充和气流的组织设计,通过优化的气流组织设计可以用较少的风量处理达到理想的效果。

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