多填料臥式生物過濾池開發及印刷企業VOCs治理實踐*

鮑家澤，于衛東,2，馬玉銀，楊子奕

(1 揚州市職業大學，江蘇 揚州 225000；2 江蘇原木環境科技有限公司，江蘇 揚州 225000)

揮發性有機污染物(VOCs)作為第二大大氣污染物，其來源廣、危害大，也是造成城市光化學煙霧、產生霧霾的重要因素[1]。VOCs高效治理對于保護環境和人們健康具有重要意義，受到社會廣泛關注。

目前，VOCs廢氣處理主要有物化方法、生物法[2]。物化法，主要技術包括冷凝、吸收、吸附、燃燒、光解光催化、氧化分解、分離、等離子體法等[3-5]。生物法主要工藝有生物過濾、生物滴濾、生物洗滌等[6-8]。各種處理方法都具有其各自的適用范圍和優缺點。VOCs來源、種類、性質、濃度及處理要求、處理的技術經濟性決定著實踐中采取何種處理方法。

1 生物處理技術的實踐優勢

由于廢氣中VOCs污染物往往具有產生面廣、濃度低(<2000～3000 mg/m3)、氣量大的特點，熱力焚燒、催化燃燒、冷凝、吸收、吸附等傳統處理技術在工程實踐中大多存在處理效果不夠理想、投資或運行成本高等現實問題，需要開發新的適用技術。

VOCs生物處理技術具有處理效果好、投資運行費用低、安全性好、無二次污染、維護管理方便等諸多優點。同時，生物處理設施中吸收介質的再生可通過微生物分解與更新實現，不需要專門設備，簡化了工藝流程和裝置系統，減輕了企業建設運行成本壓力。隨著VOCs管控日益趨嚴，生物處理技術因其上述實踐優勢，已成為VOCs治理技術的熱點方法，而開發處理效果好、運行穩定、適應工程化應用、建設運行成本低的處理裝置是技術實施的關鍵。

印刷作業主要使用油墨、溶劑等原料，易產生含有芳烴類、醇類、酮類、酯類等VOCs排放，廢氣量大、成分復雜、排放點位多，印刷業屬于典型的產VOCs行業[9-10]。2015年包裝印刷業因此而納入排污收費首批試點行業(2018年因排污費改稅政策而停征)，企業VOCs高效低耗治理提上日程；《“十三五”揮發性有機物污染防治工作方案》將印刷行業列入VOCs污染防治重點行業，要求深入推進包括高效的末端治理措施在內的VOCs綜合治理和達標排放，到2020年底前包裝印刷行業將全面推行排污許可制度。

因此，企業需要采取切實可行的高效、低耗、穩定的VOCs治理技術以應對日益嚴格的環保政策要求。生物處理技術以其裝置結構簡單、處理效率較高、運行簡易低廉而備受青睞、前景廣闊。

2 多填料臥式生物過濾池開發

2.1 開發緣由與整體思路

(1)開發緣由

生物過濾和生物滴濾是目前應用最為廣泛的兩種生物處理技術[11]。生物過濾池(塔)結構簡單、投資少、運行費用低，適用于處理廢氣量大、濃度低有機廢氣(或臭氣)，應用成熟，需要解決填料層因有機物分解而發生的坍塌、溝流現象[12]，以及降低填料更換成本問題。生物滴濾池(塔)對生物過濾進行了改進，床層采用惰性填料，液體連續通過填料層，生物量高，適應高負荷氣體，但不易去除難溶于水的氣體污染物。實踐中，為了考慮處理效率，采用較慢的進氣速率以延長停留時間，導致生物處理裝置體積或占地面積較大。

通過改進裝置設計，采用“臥式多填料+多級噴淋”結構，以及“多室串聯+錯流推流”運行方式，實現生物過濾與生物滴濾的組合集成，可提高多組分、負荷波動大的VOCs廢氣的處理適應性，增加廢氣在過濾器中的接觸時間，在提升處理效率和裝置運行穩定性的同時，減少裝置體積，降低處理成本。

(2)整體思路

將原有的立式生物濾池進行組合，兩兩之間由隔板連接。廢氣由上方入口進入池體，經噴淋以及1#反應室填料的凈化后進入2#室的填料，依次經過4個反應室的填料過濾、凈化后排出。噴淋水經過填料流入下層的蓄水池中，后經過循環水泵重新打回用于噴淋。各反應室均設置對應的獨立噴淋裝置，以更有利于填料表面微生物的生長，避免傳統生物過濾裝置下層填料缺水現象。

裝置搭配具有較好的靈活性使其適應性能好、去除效率高。一方面，從反應室角度，各反應室既相互獨立又可串聯疊加，可根據氣體濃度設置不同的反應室數量；另一方面，從填料種類數量角度，各反應室可采用單一填料，串聯起來的反應室也即采用了多填料過濾；同時各反應室自身也可采用多種填料進行級配；從填料具體種類角度，1#、2#反應室填料主要針對高濃度有機廢氣，后續反應室填料針對凈化后的低濃度污染物。

2.2 裝置開發與運行過程

裝置形式為串聯臥式生物過濾池，設四室串聯(見圖1)。

在1#室，廢氣從池上端進入，經噴淋水噴淋，部分有機物溶于水得到去除，緊接著與填料接觸，發生氣-液、液-液相反應；經1#室處理后的氣體經底端出口進入2#室，氣體先與2#室下方的蓄水池中的水接觸去除部分有機物，再進入填料，與上端噴淋水(含有吸收的有機物)不斷接觸，氣體上升過程中污染物濃度得到降低。1#室、2#室填料主要采用有較大比表面積、表面較粗糙的球形、環形填料，以利于微生物的生長附著。

經2#室處理后的氣體，污染物濃度得到較大程度削減，從2#室上端出口進入3#室，在3#室經噴淋水噴淋、填料附著菌種微生物降解后，經3#室底部蓄水池中水進一步吸收后進入4#室經填料附著的微生物和噴淋水共同作用，繼續分解VOCs有機物，最后通過4#室上端出氣口接入管道后經高空排氣筒排放。為了避免3#、4#室填料微生物的有機負荷不足，將4#室、3#室與2#室、1#室蓄水池連通，以提高3#、4#室下方蓄水池中有機物濃度。

因生物濾池填料中微生物屬于附著生長方式，運行過程中會出現老化生物膜脫落。為此，設置污泥泵定期排除濾池下方蓄水池中沉淀的生物膜固體污泥。

圖1 多填料臥式生物濾池結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-filler horizontal biological filter

2.3 技術創新

(1)縮小裝置體積的同時處理效率有較好提升：氣體在裝置中錯流、“推流”運行，濃度不斷降低，與填料、噴淋量、微生物菌種等因素最大程度地匹配吻合，反應動力學條件好、VOCs廢氣凈化效率高，裝置緊湊。

(2)獨特的噴淋設計實現“一舉兩得”：改變了傳統生物過濾池的蓄水池“外設”布置，將“蓄水池”納入“填料池”下方，一方面蓄水池中的水可吸收填料表面微生物未來得及吸附分解的有機物；另一方面易溶于水的污染物直接溶于噴淋液中成為微生物營養成分，進而被吸收轉化。蓄水池中的水經“蓄水池→噴淋→蓄水池→噴淋→……”，循環往復，最大程度地吸收、分解有機物。

(3)較小的填料層高度和獨立噴淋系統促進微生物生長：傳統的生物過濾塔或生物滴濾塔中填料在縱向上疊加，填料層高度較高，易因供氧不足使部分床層處于缺氧或厭氧狀態而影響VOCs去除。臥式多填料生物過濾池采取橫向布局，將不同填料置于獨立的反應室，降低了填料層高度，便于氧氣通透，以及噴淋水和有機物全層充足供應，同時避免了其它填料層的影響，使得每一個填料層都能處于獨立的最佳運行狀態。另外，每一層的填料均設置獨立的噴淋系統，頂端噴淋水(霧)吸收有機物、底部蓄水池中噴淋水吸收有機物既為本室微生物提供營養源，也為后續低濃度運行的反應室微生物提供營養，促進各室微生物生長。

(4)氣體性質兼容性好，抗沖擊負荷能力強：裝置不僅適用于低濃度VOCs廢氣，也適合高濃度VOCs廢氣處理。當進氣濃度高時，前兩個反應室中填料球、填料環處理較高濃度有機廢氣，濃度降低后再進入后兩個反應室，既避免了因廢氣濃度太高使微生物大量繁殖而導致填料堵塞，又充分利用火山巖、活性炭等填料吸附性進一步提高廢氣的治理效率。另外，對于VOCs廢氣中易溶于水的成分，發揮了“蓄水池水吸收+噴淋吸收+生物膜凈化”三重作用；對于難溶于水的成分，也發揮了“生物膜凈化+水力噴淋+火山巖、活性炭填料吸附”三重作用。裝置適應了大多數工業VOCs廢氣組分復雜、濃度波動大的情況，較好地破解當前的技術瓶頸問題。

3 印刷企業VOCs治理實踐

3.1 現狀分析

圖2 企業生產工藝流程及VOCs產生環節Fig.2 Enterprise production process flow and VOCs generation link

江蘇某印務有限公司主要從事印刷業務，有20多套全自動不干膠印刷機及輔助設備等。該公司車間生產主要原材料為溶劑油墨，其中主要印刷油墨顏料有溶劑墨、水性墨、膠印墨等，VOCs成分主要為芳烴類、醇類、酮類、酯類等，例如甲苯、二甲苯、丙烯酸、異丙醇、異佛爾酮等。企業生產工藝流程及VOCs產生環節見圖2，項目有機廢氣產生主要來源于印刷工序、噴碼工序以及膠裝工序。

企業現有生物過濾池1套，設計參數為：進氣量約24000 m3/h、單池規格長×寬×高=10 m×4.5 m×3.5 m，填料層高度為2.0 m，填料為鮑爾環、表觀氣速為0.08 m/s，停留時間RT為50 s、噴淋液采取四噴頭單次噴淋方式，排氣筒高15 m，設置采樣口，連接在線監測系統。企業VOCs廢氣產生、排放現狀濃度及排放標準見表1(排放標準參考上海市地方標準《印刷業大氣污染物排放標準(DB31872-2015)》)。由表可知，企業VOCs廢氣經現有生物過濾塔處理后可達標排放，生物過濾塔處于高負荷運行狀態，廢氣排放濃度接近排放標準，企業超標排放風險加大。結合現場，企業部分工位的VOCs無組織廢氣收集不理想，集氣罩設置數量和集氣罩集氣面積有待改善。

表1 VOCs廢氣產生、排放現狀濃度及排放標準Table 1 VOCs exhaust gas generation, emission status, concentration and emission standards

3.2 工藝改造實踐

圖3 多填料臥式生物過濾池工藝流程Fig.3 Process flow of multi-filler horizontal biological filter

因環保管理日趨嚴格，考慮到企業生產負荷提升，需進一步控制污染物排放，擬對現有的生物處理設施進行改造，采用多填料臥式生物過濾池，菌種等仍按原生物過濾塔菌種培養方式進行，原有生物過濾塔作為應急備用設施，同時增設集氣罩或者重新設計集氣罩一并提升企業車間VOCs廢氣收集，廢氣經收集和處理后仍由原排氣筒排放，工藝流程見圖3。

該多填料臥式生物過濾池主要參數如下：長×寬×高=7.2 m×3.5 m×2.8 m，填料層高度為1.5 m，填料依次為多孔球型填料、鮑爾環、火山巖、活性炭，表觀氣速為0.07 m/s，停留時間RT為75 s。表2為改造后多填料生物過濾池進氣口、出氣口VOCs廢氣排放濃度。由表可知，去除率較改造前的普通生物過濾池VOCs廢氣污染物去除率上升約16%～20%，進一步削減VOCs排放量，減排效益明顯。圖4為改造后持續運行的狀態數據，表明系統凈化效果穩定，達到預期目標。

表2 改造后VOCs廢氣產生、排放濃度及排放標準Table 2 VOCs waste gas generation, emission concentration and emission standards after transformation

圖4 多填料臥式生物過濾池治理印刷企業VOCs 廢氣運行監測Fig.4 Operation monitoring of VOCs exhaust gas treatment of printing enterprises with multi-filler horizontal biological filter pool

4 結 語

VOCs生物處理技術已成為包括印刷企業VOCs廢氣在內的眾多工業VOCs廢氣治理熱點技術方法，而開發高效、低耗、穩定以適應工程化應用和企業成本控制的處理裝置是關鍵。

針對生物過濾、生物滴濾兩種應用最廣泛的生物處理技術存在的問題，改進設計，開發多填料臥式生物過濾池，采用“臥式多填料+多級噴淋”結構和“多室串聯+錯流推流”運行方式，提高VOCs廢氣處理適應性，增加廢氣接觸時間，在提升處理效率和裝置運行穩定性的同時減少裝置體積，降低處理成本，實現工程化應用。以印刷企業VOCs廢氣為典型對象，針對現狀問題，進行了多填料臥式生物過濾池在VOCs廢氣治理中實踐應用，工藝改造后的運行監測結果表明，多填料臥式生物過濾池較普通生物過濾池可提高VOCs廢氣污染物去除率約16%～20%，系統凈化效果穩定，達到預期開發目標。

今后，隨著VOCs廢氣污染治理日益受重視，我們必須正視傳統VOCs治理技術存在的處理效果和穩定性不夠理想、投資運行成本高、運行要求高、能耗高、易產生二次污染等現實問題，聚焦企業需求特別是企業建設運行成本控制，開發兼顧技術成熟、安全穩定、低能耗、建設運行成本可行、無二次污染的具有廣譜高效、兼容耐沖擊、低能耗等特征的VOCs處理工藝與設備，關注VOCs廢氣多組分特別是難溶難降解成分，集成其他工藝方法，改善傳質條件，完善生物處理技術調控方案，提高裝置工程化應用水平，破解VOCs治理面臨的技術瓶頸問題，進而推動VOCs廢氣治理產業高質量發展，實現技術設備的環境、經濟和社會價值統一。