申请日2013.08.28
公开(公告)日2016.02.03
IPC分类号B01D53/85; B01D53/58; B01D53/52
摘要
一种生物除臭填料及装置，生物除臭填料由生物炭、矿化垃圾和聚氨酯以2-4︰3-5︰1-5的质量比均匀混合而成，其填充密度为0.5-1.0g/cm3，粒径范围为5-50mm，比表面积为200-300m2/g;装置包括相互连通的洗涤塔和生物填料塔，该生物填料塔为密封容器，由基础单元和若干反应单元上下相叠连接而成，每一反应单元包括置于桶体内部的由聚氨酯料块构成的聚氨酯填料层和由所述生物除臭填料构成的生物填料层。本发明提高了去除恶臭效率，缩短了启动时间，增强了抗冲击能力，不容易堵塞，具有原料来源广泛、成本低廉、制备简单、可靠性强的优点，实现了垃圾恶臭的有效控制，适用于污水和垃圾处理场、屠宰场、养殖场及化工厂等场所。
权利要求书
1.一种采用生物除臭填料的生物除臭装置，包括相互连通的洗涤塔和生物填料塔，所述生物除臭填料由生物炭、矿化垃圾和聚氨酯以2-4︰3-5︰1-5的质量比均匀混合而成，其填充密度为0.5-1.0g/cm3，粒径范围为5-50mm，比表面积为200-300m2/g;其特征在于：所述的生物填料塔为密封容器，其由一基础单元和若干反应单元上下相叠连接而成;所述基础单元位于该生物填料塔的最底部，该基础单元包括桶体和设置于该桶体内的石子垫层，一排水管和用以连通所述洗涤塔的进气管穿过该桶体的侧壁插入石子垫层内;所述若干反应单元依次叠置于所述基础单元之上，每一反应单元包括桶体、聚氨酯填料层和生物填料层，位于下层的聚氨酯填料层与位于上层的生物填料层填置于所述桶体内部，该聚氨酯填料层由聚氨酯料块构成，该生物填料层由所述生物除臭填料构成，一营养液添加管穿过桶体的侧壁插入该聚氨酯填料层内;所述基础单元和各反应单元的桶体通过法兰紧密连接，位于所述生物填料塔最上部的反应单元的桶体顶部设置有出气口。
2.根据权利要求1所述的生物除臭装置，其特征在于：所述的洗涤塔为装有清水或碱性溶液的密封容器，其设有通入恶臭气体的进口和连通所述生物填料塔的出口。
3.根据权利要求2所述的生物除臭装置，其特征在于：所述的恶臭气体包含有NH3和 H2S，NH3的浓度为0.4-5.0mg/m3，H2S的浓度为0.01-0.3mg/m3，该恶臭气体的气体流量为 0.8-3.0m3/h。
4.根据权利要求1所述的生物除臭装置，其特征在于：所述的反应单元的直径为20-100 cm，高度为30-150cm;所述的聚氨酯填料层的高度为5-20cm。
5.根据权利要求1所述的生物除臭装置，其特征在于：所述的生物炭是由污泥处在 550-750℃的无氧或缺氧状态下，通过厌氧/缺氧热解过程获得，其BET为100-500m2/g，颗粒尺寸为5-50mm。
6.根据权利要求5所述的生物除臭装置，其特征在于：所述的污泥是排水管道、泵站或污水处理厂的剩余污泥，含水率为60-90%。
7.根据权利要求1所述的生物除臭装置，其特征在于：所述的矿化垃圾为生活垃圾填埋 6-15年后获得的稳定或半稳定化的垃圾筛分细料，其粒径<50mm。
8.根据权利要求1所述的生物除臭装置，其特征在于：所述的聚氨酯为不规则块状，颗粒尺寸为20-50mm。
说明书
一种生物除臭填料及装置
技术领域
本发明涉及一种用于废气处理的材料及装置，具体涉及一种用于去除生活垃圾恶臭的生物除臭填料及装置，属于环保技术领域。
背景技术
我国城市生活垃圾中有机质的含量(重量)在50-70%左右(其中厨余含量在55%左右，果皮含量约在10%左右)，主要成分为碳氢化合物((CH2O)6和(CH2O)12)、蛋白质(C46H77O17N12S) 和脂肪(C55H104O6)等，呈现出高含水率、高有机质、易腐解等特点。易腐垃圾在降解过程中将释放大量的恶臭气体，按照其化学组成可分为5类：(1)含硫物质，包括硫化氢、硫醇、硫醚等;(2)含氮物质，包括氨、胺、吲哚等;(3)含氧物质，包括醇、酚、醛酮和有机酸等;(4)含卤物质，主要是卤代烃类;(5)烃类物质，主要是长链烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等;其中硫和氮物质是导致恶臭的主要成分。
目前生活垃圾恶臭污染控制方法主要有除臭剂除臭法、物理除臭法、化学除臭法、生物除臭法等。喷洒除臭剂的种类通常有气味屏蔽中和剂、植物提取液、化学酶制剂除臭液和微生物除臭剂等。物理除臭法主要采用掩蔽中和、吸收吸附、稀释等方法，但这只是将恶臭物质从一种形态转化为另一种形态，或将其浓度降低，并未从根本上改变其臭味污染特性，其处理效果持续时间较短。化学除臭法是利用恶臭污染物质的化学反应特性将其转化为无臭物质，主要有燃烧法、氧化法、等离子体分解等技术。生物法除臭法是利用微生物的代谢活动将恶臭组分转变为简单的无臭物质或微生物细胞，主要有生物吸收、生物过滤和生物滴滤三种生物除臭方式。
生物除臭技术存在着启动时间长(除臭菌群的生长周期一般在一个月以上)、占地面积大(气体停留时间在30-60s左右)、抗冲击能力低等问题，并且其一般只适用于处理水溶性的恶臭气体，并需要外加营养盐等。现有的除臭填料一般为陶粒、塑料空心球、树皮等木质纤维素、竹炭等，但这些材料要么价格高，要么易碎不稳定，因此选择具有稳定除臭效率、成本低廉的新型填料，并构建有效的除臭系统成为其中的关键。一般除臭填料要求具有以下特性：较低的密度、多孔性、高度的湿润性、均匀和较大的比表面积。生物除臭滤池作为一个复杂的生态系统，填料空隙率将随生物膜的生长而变化，空隙率的变化反过来又影响气体的流速、传质过程和生物膜生长，显然这是一个相互影响的动态过程，填料的选择必须考虑相关反应。
经对现有技术的文献检索发现，专利号为ZL200520026504.7的中国专利《恶臭生物处理用填料》披露了如下内容：“由网状聚氨酯泡沫塑料和硬质塑料环形填料两种填料组成。该实用新型填料克服了单独使用网状聚氨酯多孔泡沫塑料作为填料时出现的填料易压实、气体短流、固定微生物不易更新和填料中央易产生厌氧区等缺点，以及单独使用硬质塑料环形填料时出现的填料比表面积小、孔隙率低、不易挂膜等缺点。”，然而该填料主要作为挂膜用材料，而不具有自带的生物特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有生物除臭技术存在的启动时间长、占地面积大、抗冲击能力低的不足，提供一种成本低廉、制备简单、使用寿命长的生物除臭填料及装置，利用生物炭的载体作用、矿化垃圾的除臭微生物接种作用以及聚氨酯类物质的弹性疏松作用，使得在高效处理生活垃圾产生的恶臭的同时，有效延长装置的运行寿命，从而极大地提高社会效益和经济效益。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种生物除臭填料，其由生物炭、矿化垃圾和聚氨酯均匀混合而成，该生物炭︰矿化垃圾︰聚氨酯的质量比为2-4︰3-5︰1-5。
所述的混合形成的生物除臭填料的填充密度为0.5-1.0g/cm3，粒径范围为5-50mm，比表面积为200-300m2/g。
所述的生物炭是由污泥处在550-750℃的无氧或缺氧状态下，通过厌氧/缺氧热解过程获得，其BET为100-500m2/g，颗粒尺寸为5-50mm;所述的污泥是排水管道、泵站或污水处理厂的剩余污泥，含水率为60-90%。
所述的矿化垃圾为生活垃圾填埋6-15年后获得的稳定或半稳定化的垃圾筛分细料，其粒径<50mm。
所述的聚氨酯为不规则块状，颗粒尺寸为20-50mm。
本发明另一技术方案为：
一种采用上述生物除臭填料的生物除臭装置，包括相互连通的洗涤塔和生物填料塔，所述的生物填料塔为密封容器，其由一基础单元和若干反应单元上下相叠连接而成;所述基础单元位于该生物填料塔的最底部，该基础单元包括桶体和设置于该桶体内的石子垫层，一排水管和用以连通所述洗涤塔的进气管穿过该桶体的侧壁插入石子垫层内;所述若干反应单元依次叠置于所述基础单元之上，每一反应单元包括桶体、聚氨酯填料层和生物填料层，位于下层的聚氨酯填料层与位于上层的生物填料层填置于所述桶体内部，该聚氨酯填料层由聚氨酯料块构成，该生物填料层由所述生物除臭填料构成，一营养液添加管穿过桶体的侧壁插入该聚氨酯填料层内;所述基础单元和各反应单元的桶体通过法兰紧密连接，位于所述生物填料塔最上部的反应单元的桶体顶部设置有出气口。
所述的洗涤塔为装有清水或碱性溶液的密封容器，其设有通入恶臭气体的进口和连通所述生物填料塔的出口，所述恶臭气体包含有NH3和H2S，NH3的浓度为0.4-5.0mg/m3，H2S 的浓度为0.01-0.3mg/m3，该恶臭气体的气体流量为0.8-3.0m3/h。
所述的反应单元的直径为20-100cm，高度为30-150cm;所述的聚氨酯填料层的高度为 5-20cm。
与现有技术相比，本发明采用一定配比的生物炭、矿化垃圾和聚氨酯混合成生物除臭填料，并以该生物除臭填料为主构建成生物填料塔，该生物填料塔是由矿物质、有机物(包括活的有机体)、水分和气体等四大组分组成的固、液、气三相自然体系。
生物除臭填料中的生物炭是主要固体成分，是整个自然体系构成的骨架，它的性状决定了填料床层的亲疏水性能。生物炭是由污泥在完全或部分缺氧条件下经热解炭化产生的一类固态物质，其孔隙结构发达、比表面积巨大，包含有大量表面负电荷以及高电荷密度;生物炭对无机物(如NH3、H2S等)和极性/非极性有机化合物(如VOCs等)都具有较强的吸附和生物降解能力，特别是，生物炭具有改善微生物细胞附着性能、促进特殊类群微生物的栖息生长和团聚体形成、强化固氮、硝化与硫氧化还原微生物菌群活性的作用。生物炭填料的多孔结构、良好的保湿性和透气性，有利于微生物的栖息生长，生物炭还可以强化难溶于水的非极性、弱极性分子的生物降解和物理吸附能力，从而有利于难溶气体的溶解从液膜控制转变为气膜控制或者两者共同控制，提高难溶气体的生物降解率，同时还能部分提高其抗冲击能力。
生物除臭填料中的矿化垃圾是垃圾填埋场封场数年后形成的垃圾降解产物。此时填埋场表面沉降量非常小(如小于1cm/a)，垃圾中易降解物质已完全或接近完全降解，垃圾本身已很少或不产生渗滤液和填埋气，垃圾中可生物降解含量(BDM)较小(如<2.55%)，渗滤液 COD浓度较低，垃圾填埋场达到稳定化状态即无害化状态，此时的矿化垃圾臭味降低、易自然晾筛，其中的细料物质(Φ≤100mm)外观类似腐殖质、呈微团聚体状、质地疏松、具有无数极微孔隙和巨大的表面积，且富含有机质、通透性好、阳离子交换容量高，加之上面因特殊形成过程而附着生长了种类繁多、数量庞大、适应性强的微生物群落和各种活性酶，对纤维素、木质素、多环芳烃等难降解有机物有与生俱来的亲合性和降解能力，因此矿化垃圾非常适于用作优良高效的恶臭净化基质。矿化垃圾具有良好的多孔性结构及巨大的表面积，并富含微生物，尤其是降解型微生物。试验结果表明：矿化垃圾具有较强的离子交换容量(67.9 meq/100g干垃圾)，较大的吸附比表面积，有机质含量较高(5.41%)，含有种类和数量可观的微生物种群(细菌数达4.5×106个)，可应用于生物降解，pH值中性，含水率良好(20%左右)，是一种良好的生物填料。矿化垃圾是极端环境微生物的载体，包括嗜盐、嗜碱、嗜热和嗜冷微生物，其中的细菌以芽孢杆菌属、变形菌属和动球菌属为优势菌属，古菌以甲烷八叠球菌属和甲烷嗜热菌属为优势菌属。正是由于矿化垃圾中含有这些具有特殊代谢系统的极端微生物才使其具有强的恶臭生物去除能力，证实了矿化垃圾是一种性能优越的生物介质。多孔疏松的矿化垃圾吸附了污泥中的发臭气体并提高了污泥与氧气接触的程度，矿化垃圾中的钙、镁、铁等金属离子也与恶臭物质进行反应，从而降低污泥的臭度。
另外，针对生物填料中的易堵现象，本发明将多孔性聚氨酯作为生物除臭填料的一个重要组分，开发抗堵塞恶臭滤池处理技术，以突破处理系统堵塞的技术瓶颈。聚氨酯的反应主要通过其疏水性，可以使得生成微生物不会在其中得到良好附着体。在其发生生物滤池作用时，由于聚氨酯类物质中众多孔径大小介于几十微米到毫米之间孔隙的存在，恶臭气体能够借助于矿化垃圾/生物炭等的空隙以及聚氨酯的类海绵孔隙运行，特别由于聚氨酯类物质具有疏水性，对水、水溶性有机物、亲水性微生物具有排斥作用，降低了污泥的附着能力，减轻了其生物堵塞作用，有利于系统的渗滤作用。此后，随着时间延长，生物炭/矿化垃圾等与聚氨酯表面形成了特殊的亲水性表面基团与疏水性内部基团构成的颗粒化单元，该颗粒化单元由亲水性的聚氨酯-矿化垃圾/生物炭混合层与疏水性的聚氨酯渗水通道组成的颗粒化单元，恶臭经过该颗粒化单元得到净化处理，整个生物填料塔内由于拥有大量的这种颗粒化单元，使单元与单元、单元与土壤介质之间构成了一个有机的整体，因而不易发生堵塞现象。而生物炭、矿化垃圾与聚氨酯按照一定的组分进行混合，克服了单独使用网状聚氨酯多孔泡沫塑料作为填料时出现的易压实、气体断流、固定微生物不易更新等缺点。
总之，本发明充分发挥了矿化垃圾对生活垃圾的适应性以及矿化垃圾的恶臭接种剂作用，利用剩余污泥处理后的生物炭对于微生物的适应性，同时结合聚氨酯物质的良好载体作用及一定的疏水性，使得微生物难以在其上面有效生长，从而构建了恶臭气体的生物过滤通道。
本发明的优点主要体现在以下几个方面：
(1)本发明中的生物炭有效中和与缓解了大容量恶臭气体负荷、不同pH值恶臭气体的冲击作用，通过其吸附等功效延长恶臭气体在生物填料中停留时间，提高了生物除臭填料的去除恶臭效率;
(2)矿化垃圾中部分碳物质以及内含大量微生物，经过填埋场稳定化长期自然驯化，对恶臭气体本身具有很好的自适应性，矿化垃圾中含有大量的去除恶臭所需要的微生物，为生物除臭填料的快速启动带来很好的接种作用，缩短其启动时间;
(3)聚氨酯提供了疏松的环境，降低了生物降解过程导致的密度增加;
(4)生物填料塔采用若干反应单元的组合结构，解决了恶臭去除过程中，其降解生成的污泥在不同高度填料层中的质量分配情况，即使当发生了堵塞现象，通过反应单元上下置换或者更换下部某一单元，即可排除其堵塞问题。