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低温等离子体技术控制污水处理厂恶臭气体 ＊ 竹 涛 1 李 坚 1 梁文俊 1 金毓 1 豆宝娟 1 何丽娟 1 邵 华 1 卢立栋 2 1.北京工业大学环境与能源工程学院, 北京 100022; 2.陕西省环境科学研究设计院, 西安 710061 摘要 利用低温等离子体技术控制污水厂恶臭气体是一种新的技术。 介绍该技术处理恶臭的机理及相关工艺流程和 处理效果。针对污水处理厂恶臭气体低浓度、大流量的排放状况, 实验室进行模拟性小试, 较优参数下, 低温等离子体 技术对恶臭的平均净化效率在 95以上。 结果表明该技术对污水处理厂恶臭气体的治理十分有效。 关键词 低温等离子体 恶臭 净化效率 污水处理厂 ＊高等学校博士学科点专向科研基金资助项目 20040005009 ; 北京 市属市管高等学校人才强教计划资助项目 05005013200605 ; 北京工 业大学第六届研究生科技基金资助项目 Ykj-2007 -1613 。 0 引言 污水处理厂是大城市中一个主要的恶臭发生源。 而北京市由于城市规模的不断扩展, 已使 12 家污水 处理厂处于城市活动中心地带 , 这样以来 ,越来越多 的居民对污水处理厂所产生的恶臭问题提出意见 ,从 而促使污水处理厂不得不采取各种防范措施和脱臭 技术对恶臭污染进行控制和处理。 由于污水系统中扩散源臭气的成分相当复杂 ,且 多为局部的无组织排放源 , 很多时候是短时间突发 的,较难捕集和收集, 给治理带来困难 。因此尽快开 发出一种高效率 、 低能耗 、 无二次污染的除臭技术已 成为恶臭污染控制中的一个急需解决的问题 [ 1- 2] 。传 统的臭气净化方法包括 稀释法、燃烧法、洗涤法、吸 附法 、 催化转化法等 ,分别存在着净化不彻底 ,净化气 体种类单一 , 控制难度大, 能耗高, 要求杂质少等缺 点。低温等离子体技术 [ 3-6] 是近些年涌现出来的先进 空气净化技术, 它具有反应条件温和、 反应彻底、 几乎 对空气中所有污染物都具有治理能力的优点。利用 该技术处理恶臭的工程实用研究 [ 7- 8] , 国内才刚刚开 始,本实验利用等离子体技术对污水处理厂排放的 H2S 和 NH3等恶臭气体进行了去除研究。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 。 1 实验 1. 1 装置 实验装置如图 1 所示。整套实验流程由气体发 生、 气体反应和气体检测三部分组成 。来自空气钢 瓶1 的空气 、 氨气钢瓶 2 的氨气和硫化氢气钢瓶 3 的 硫化氢恶臭气体, 经过阀门 4、质量流量计 5 后进入 缓冲瓶 6 和混合瓶 7, 按一定比例混合均匀后并趋于 稳定后进入等离子体反应器 8。反应后的气体进入 分析仪器 10 进行分析。 实验在常温常压条件下 进行 。 1空气钢瓶; 2氨气; 3硫化氢; 4阀门; 5质量流量计; 6缓冲瓶; 7混合瓶; 8反应器; 9交流电源; 10分光光度仪; 11示波器。 图 1 实验装置示意 实验所使用的等离子体反应器结构为管 - 线式, 如图 1 所示 。为了便于观察试验现象 ,反应器由外径 50 mm ,内径44 mm的有机玻璃制成。反应器外电极 长度为300 mm的致密钢丝网 , 内电极直径为0. 5 mm 的不锈钢丝 ,两电极之间施加高压工频交流电压, 电 源频率50 Hz, 升压范围 0 ～ 100 kV, 反应器内置纳米 钛酸钡基介电填料 。实验过程中放电参数由美国泰 克TDS-2014 型示波器进行测量 。 1. 2 方法及评价指标 实验根据国家标准推荐方法 亚甲基蓝分光 光度法 [ 9] 测定硫化氢的进出口浓度 ,选用次氯酸钠 - 水杨酸分光光度法 [ 9] 测定氨的浓度 ,仪器选用上海分 析仪器厂生产的 720 型分光光度仪。实验绘制了硫 化氢标准曲线 y 10. 404x 0. 096 4, 线性范围为 0～ 5 μ g , 线性回归系数 0. 999; 氨的标准曲线 y 9 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 41. 786 x 0. 0892,线性回归系数0. 9993。 恶臭气体净化效果以去除率 η作为评价指标, 数学表达式为 η C0-C C0 100 1 式中 C0 恶臭气体进口质量浓度 ,mg m 3 ; C 恶臭气体出口质量浓度 ,mg m 3 。 2 低温等离子体除臭机理 等离子体净化恶臭气体是通过两个途径实现的 一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 ; 二是在大量高能电子、 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具有 很强的活性等作用下的氧化分解成无害产物 [ 10] 。 低温等离子体反应器内部填充纳米钛酸钡基 Ba0. 8Sr0. 2Zr0. 1Ti0. 9O3 介电填料。纳米钛酸钡基介电 材料的填料既表现出钛酸钡铁电体的特性,能够改善 放电形式, 强化电场强度 [ 11-12] ,同时由于制备过程用 软化学的方法 [ 13] ,在 BaTiO3中掺入适量的锶和锆 ,由 于掺杂离子均匀进入母体晶格 ,引起Curie 温度 Tc降 低,室温介电常数可达 10 4 以上 ,比 BaTiO3纯相提高 12 倍, 而介电损失却降低至 1 6, 还因为纳米钛酸钡 基介电材料作为一种固相催化剂, 其活性是由它的化 学和物相组成、晶体结构以及活性比表面所决定。由 于其表面超细颗粒 平均粒径40～ 90 nm , 比表面积 8. 7943 m 2 g , 大大增加了催化剂的比表面积, 并且适 量的锶和锆的掺入 ,破坏了钛酸钡晶体结构 ,使之存 在更多的空穴, 从而导致高的催化活性。因此 ,填料 在室温条件 ,很小的电场强度下就可以发生极化, 强 化等离子体作用 ,提高反应器的能量利用率 ,生成效 率更高的氧化物以提高恶臭气体的净化效率 。 低温等离子体技术净化恶臭气体, 主要包括下面 三个过程 [ 14] 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、 其他自由基等在纳米钛酸钡基介电填料表面 发生一系列氧化还原反应 ,有机物分子最终被氧化降 解为CO、CO2、 H2O。净化效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, 其主要反应为 H2S O2、 O - 2、 O 2SO3H2O 2 NH3O2、 O - 2、 O 2NOXH2O 3 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 95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 结果与讨论 3. 1 电场强度 E 与恶臭气体净化效率η 之间的关系 以气速 ν 142 mm s, 停留时间 t ≈2 s为固定条 件不变, 实验考察了进口浓度 C0分别为2. 2、11、 20 mg m 3三种工况条件下的 H 2S 去除情况, 结果如图 2 所示。随着 E 的升高, η H2S逐渐上升。 以 C0 2. 2 mg m 3的研究情况为例 ,当 E 8 kV cm时, η H2S 44; 当 E 10 kV cm 时 , η H2S70; 而 当 E 12 kV cm时 , ηH2S 99。 1 C0为 2. 2 mg m3; 2C0为 11 mg m3; 3C0为 20 mg m3。 图 2 E 与η H2S的关系 去除H2S 相同条件下 ,实验还考察了进口浓度 C0分别为 1、 3 mg m 3时NH 3去除情况 ,结果如图3 所示。 1C0为1 mg m3; 2 C0为 3 mg m3。 图 3 E 与η NH3的关系 去除 NH3 随着电场强度 E 的升高,NH3的去除率逐渐上 升。以 C0 1 mg m 3 的研究情况为例,当 E 8 kV cm 10 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 时, η NH3 53; 当 E 10 kV cm 时, ηNH388 ; 而当 E 12 kV cm 时 , η NH3 99。 分析其原因 , 随着 E 的提高 , 气体放电强度增 加,产生的高能电子数量大大增加, 从而使电子与 H2S 和 NH3气体分子的碰撞几率大大增加 ,也就导致 了电子断裂 H2S 和 NH3气体分子化学键的几率更 大,因此 η 提高。 3. 2 等离子体反应过程的放电参量研究 在交变电场作用下放电功率测量比较困难,因为 放电的电流 、 电压间相位差难以确定, 尤其是在强的 气体放 电中由此 引起的功 率误差相当 大, 利用 Lissajous 图形法对正确确定放电功率 P 很有帮助 ,其 测量电路如图 4 所示 。该方法的测量原理 [ 15] 为 在 放电反应器的接地侧串进测量电容 Cm, 用以测量放 电输送的电荷量。当放电发生时 , Cm两端的电压 Vm, 则流过回路的电流为 I Cm dVm dt 4 因此放电的功率为 P 1 T∫ T 0 VIdt Cm T∫ T 0 V dVm dt dt fCm∫VdVm 5 图4 Lissajous法测功率的电路 随着电场强度 E 的升高, 放电功率 P 呈增长趋 势 见图 5 。 当 E 8 kV cm 时 , P 7. 64 W; 当 E 10 kV cm时, P 13. 75 W ; 当 E 12 kV cm 时, P 23. 55 W 。 介质阻挡放电过程中电子取得能量的表达公式 Te σ mhE 2 g 3knemeυe 6 式中 σ 生成的等离子体的电导率 ; κ 波尔兹曼常数; ne 电子浓度; me、mh 电子和重粒子的质量 ; Eg 气隙间电场强度 ; ve 电子碰撞频率。 由式 6 可知, 介质阻挡放电过程中电子从外加 电场取得的能量和电场强度 、 气体种类及浓度 或压 强 有关,电场强度和气体浓度对电子取得的能量大 小起决定作用。因此, 在气体浓度一定的情况下 , P 随着E 的升高而增高 。 图5 P 与E 的关系 3. 3 功率 P 与恶臭气体净化效率η 之间的关系 从图 6 和图 7 中可以看到, 随着 P 的增大 , η 也 不断增大。如图 6 所示 ,以 C0H2S 20 mg m 3的研究情 况为例 , P 7. 64 W时, η ≈ 23; P 13. 75 W时 , η ≈ 47; P 23. 55 W时 , η ≈95。当 P 提高以后, 由于 输入能量的增加 , 体系中产生的自由电子数目增多, H2S 分子受到冲击而发生氧化还原的几率增大 ; 同时 体系内产生的自由基的数目增多,也有利于H2S 分子 的氧化分解 ,因此 η 随着P 的提高而呈现上升趋势。 1 C0为 2. 2 mg m3; 2C0为 11 mg m3; 3C0为 20 mg m3。 图 6 P 与ηH2S的关系 去除H2S 同理, 如图 7 所示 , 当 C0NH33 mg m 3 时 , P 7. 64 W时 , η≈36; P 13. 75 W时, η≈50; P 23. 55 W时 , η ≈ 88。 对比考察图6和图 7可以发现,当H2S 和NH3初始 浓度 C0相当,去除率相同时,H2S 消耗功率小于NH3消 耗功率,即 PH 2S PNH3。这说明相同条件下,H2S 比 NH3 更容易从污水处理厂产生的恶臭气体中去除。 11 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 1C0为3 mg m3; 2 C0为 1 mg m3。 图 7 P 与η NH3的关系 去除NH3 4 结论 本实验通过低温等离子体技术净化污水处理厂 排放的 H2S 和 NH3等恶臭气体 , 采用纳米钛酸钡基 介电材料作为反应器填充料 , 主要探讨电场强度 E 、 进口浓度 C0以及功率 P 与 H2S 和 NH3净化效率 η 之间的影响关系 。实验研究结果如下 1随 着 E 的 升 高, η逐 渐 上 升; C0H 2S 2. 2 mg m 3 , E 12 kV cm 时, ηH2S99; C0NH3 1 mg m 3 , E 12 kV cm 时, ηNH3 99。 2 通过 Lissajous 法计算放电过程的功率消耗, 随着电场强度 E 的升高, 放电功率 P 呈增长趋势; E 12 kV cm时, P 23. 55 W 。 3 η 随着P 的提高而呈现上升趋势 ; 相同条件 下, PH2SPNH3,H2S 比 NH3更容易从污水处理厂产 生的恶臭气体中去除 。 4 针对污水处理厂恶臭气体低浓度、 大流量的排 放状况,实验室进行模拟性小试,较优参数下,低温等离 子体技术对恶臭的平均净化效率达95～ 99。 实验表明, 低温等离子体方法处理低浓度、大风 量恶臭气体,具有很强的实际应用操作性。 参考文献 [ 1] 纪树满. 恶臭污染的防冶. 重庆环境科学, 1999, 21 2 27-41 [ 2] 郭静, 梁娟. 污水处理厂恶臭污染物状况分析与评价. 中国给 水排水, 2002, 18 2 41-42 [ 3] Wang Rongyi , Zhang Baoan, Bing Sun, et al. 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Keywords NID flue gas desulfurization reactor MALODOR GAS CONTROL IN WASTEWATER TREATMENT PLANT BY CRYOGENIC PLASMA Zhu Tao Li Jian Liang Wenjun et al9 Abstract The malodor gas control in a wastewater treament plant using cryogenic plasma is a new technology . It is introducd the machnism of malodor treatment, craft flow chart and purification efficiency.Due to the emission of malodor gas with low concentration and large flux in a plant, the mean purification efficiency of malodor gas is over 95 in a simulation test of lab. The results show that cryogenic plasma technology is effective to control malodor gas. Keywords cryogenic plasma malodor purification efficiency wastewater treatment plant EFFECT OF CuMnOX γ -Al2O3CATALYSTS ON CATALYLIC COMBUSTION OF WASTEGAS CONTAINING TOLUENEZhao Shengwei Huang Xuemin Cao Xiaoqiang et al 13 Abstract CuO γ -Al2O3, MnOx γ -Al2O3and CuMnOx γ -Al2O3supported catalysts were prepared by impregnation. It was indicated by re - search that the T99of CuMnOx γ -Al2O3catalyst was 50 ℃ lower than the other two catalysts. CuMnOx γ -Al2O3catalyst was calcined under differ - ent temperatures of 300, 400, 500, 600℃ and it was found that CuMnOx γ -Al2O3catalyst calcined under 600℃ had higher catalytic activation. Keywords VOCs catalyst combustion CuMnOx γ -Al2O3 spinelle EXPERIMENTAL STUDY ON THE DESULPHURIZATION PERANCE OF THE DYNAWAVE SCRUBBERChen Changrui Sun Guogang Tan Huaping 16 Abstract The desulphurization perance was studiedin a laboratory -scale dyna -wave scrubber without any desulphurizer. Several opera - tion parameters, including liquid -gas ratio L G and pH value; and the patterns of liquid column injection, including downstream spray patternand upstream spray pattern, were investigated. Also the removal efficiency of tap water and de -ionized water was comparatively analyzed. Test results show that the removal efficiency of tap water increases with increasing the L G;the removal efficiency of upstream spray pattern is higher than downstream spray pattern, it can reach 75when L G ismore than 7; the removal efficiency of tapwater is higher than de -ionizedwater; imping - ing streams have the property of enhancing absorption. Keywords flue gas desulphurization de -ionized water mass transfer STANDARDIZING EXHAUST EMISSION IN SULPHURIC ACID PRODUCTION AND RECYCLING MEASURES OF LOW CONCENTRATION SO2IN A CHEMICAL PLANT GongYi Wei Rui Yang Jing 20 Abstract Aimed at the problems of great and frequent fluctuation of SO2concentration due to abnormal acid -producing system because of system break -downs, exhaust emission beyond the standardunder the normal condition of SO2aswell asfailing to utilize low concentrationSO2, it is presented the s to standardize exhaust emission systemwith absorption technology, and the ways to develop and utilize low-concentration SO2to manufacture sodium sulfite. Keywords sodium sulfite absorber absorbing fluid circling comprehensive utilization measure INITIAL STUDY ON EROSION TO FUME PURIFICATION SYSTEM OF VANADIUM EXTRAC - TION CONVERTER UNDER VANADIUM MIXTURE STATEMa Shili 23 Abstract It is exploredthe mechanisms of erosion to pipes and equipmentof the fume purification system of the vanadium extraction conve - rter under the co -effect of such comprehensible factors as vanadium mixture state, it is also analyzed some specific erosive inducements. The mea - sures and suggestions are proposed for the solution of erosion problem. Keywords vanadium extraction converter fume purification vanadium mixture state erosion safeguard RESEARCH AND PRACTICE OF TREATING DUST IN TIPPER ROOM Li Gang Zou Shenghua 25 Abstract It is revealed that the mechanisms of dust production, and analysed the flow pattern and air distribution in dumping system of dump truck based on theoretical and numerical simulations. The new way and for preventionof pollutionin the tipper room are de - tailed. The results show that it sa better scheme for dust controlin tipper room using ventilation spraying dust removal system. It is obtainedideal effect when this dedusting technology is applied to the purification of dust pollution in tipper room of a steel enterprise, which guarantees produc - 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 5,October, 2008