UV 光催化-活性炭法處理煤化工污水廢氣的研究

李斌

（唐山中浩化工有限公司，河北 唐山 063611）

1 概 況

隨著國家環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，工業(yè)污水的處理工藝越來越完善，經(jīng)污水處理裝置處理后的污水應(yīng)滿足國家和地方政府的環(huán)保要求。

由于污水中存在揮發(fā)性的有機(jī)物，以及生化系統(tǒng)曝氣過程的存在，在污水處理過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣，尤其在煤化工污水處理過程中，各污水處理設(shè)施和設(shè)備處于敞口狀態(tài)，如曝氣池、沉淀池、A/O 池等，在運(yùn)行過程中都會(huì)逸散大量氣體，這些氣體以氨、硫化氫為主，此外還含有其他揮發(fā)性的有機(jī)物質(zhì)。

廢氣逸散后，會(huì)對(duì)污水處理設(shè)施的設(shè)備、管線、水池等造成腐蝕，大大降低了設(shè)備的使用壽命，給企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來極大隱患。廢氣中的有害氣體若處理不當(dāng)，還會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的健康造成危害，對(duì)周邊的大氣環(huán)境造成不良影響。

目前，污水廢氣的處理工藝主要有化學(xué)氧化法、生物法、光催化法、物理分離法等。

本研究針對(duì)煤化工污水處理裝置逸散廢氣的特點(diǎn)，采用UV 光催化-物理吸附聯(lián)合工藝來處理煤化工的污水廢氣。

本工藝具有處理速度快、處理量大、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)企業(yè)的安全生產(chǎn)和大氣環(huán)境的改善有重要的現(xiàn)實(shí)意義，并且為煤化工行業(yè)污水廢氣的處理提供了參考。

2 工藝流程

煤化工行業(yè)是高耗水的行業(yè)，在使用水的過程中產(chǎn)生了大量的廢水。廢水成分較復(fù)雜，以氨、硫化氫為主，此外還含有其他揮發(fā)性的有機(jī)物質(zhì)。

污水處理工藝主要由預(yù)處理段、生物處理段、深度處理段及污泥處理段組成，廢氣主要來源為事故池、調(diào)節(jié)池、預(yù)曝氣池、生化反應(yīng)池（A/O）、污泥濃縮池。廢氣中氨濃度為4~8 mg/m3，硫化氫濃度為8 ~ 11 mg/m3，臭氣濃度約為700 ~ 1 200（無量綱）。

廢氣處理工藝流程如圖1 所示。

圖1 廢氣處理工藝流程Fig.1 Waste gas treatment process flow

2.1 洗 滌

目前，國內(nèi)外常用的去除廢氣中硫化氫、氨類物質(zhì)的方法為酸堿洗滌法，該方法投資小、運(yùn)行費(fèi)用低，去除氨、硫化氫等物質(zhì)的效率高。

（1） 將收集起來的廢氣豎直通過含有填料的洗滌塔進(jìn)行凈化。清水與藥劑混合后的清液由噴淋系統(tǒng)噴灑到填料的頂部，流過填料后進(jìn)入水箱。清洗液可循環(huán)使用，根據(jù)pH 值及自動(dòng)加藥計(jì)量泵進(jìn)行補(bǔ)充。

（2） 第一級(jí)洗滌處理。逆流式噴淋洗滌塔的底部是一個(gè)循環(huán)水槽，槽內(nèi)添加有堿性藥劑和強(qiáng)氧化性藥劑，水槽上方為進(jìn)氣口和布?xì)庋b置，廢氣由塔底向上流動(dòng)；塔內(nèi)的中段有一層填料層，填料為聚丙烯拉西環(huán)，借助于大面積的氣液接觸，使從填料層下部向上流動(dòng)的臭氣經(jīng)填料空隙與由上而下噴淋的堿性洗滌藥劑充分接觸反應(yīng)，從而將臭氣分子（主要為硫化氫等酸性成分） 充分吸收，化學(xué)反應(yīng)式如下：

（3） 第一級(jí)塔洗后的氣體經(jīng)除霧器除霧后離開噴淋塔，進(jìn)入第二級(jí)液噴淋塔進(jìn)行深度凈化處理。逆流式噴淋洗滌塔的底部是一個(gè)循環(huán)水槽，槽內(nèi)添加有酸液，水槽上方為進(jìn)氣口和布?xì)庋b置，廢氣由塔底向上流動(dòng)；塔內(nèi)的中段有一層填料層，填料為聚丙烯拉西環(huán)，借助于大面積的氣液接觸，使從填料層下部向上流動(dòng)的臭氣經(jīng)填料空隙與由上而下噴淋的清水充分接觸并被吸收而去除，化學(xué)反應(yīng)式如下：

2.2 UV 光催化

經(jīng)洗滌塔洗滌后的廢氣，其中含有氨、硫化氫等水溶性污染物被有效去除，其他非水溶性的污染物進(jìn)入U(xiǎn)V 光催化氧化設(shè)備，先經(jīng)過除霧段（二級(jí)絲網(wǎng)） 除霧，去除從堿洗滌塔排出的廢氣中的水分，經(jīng)除霧后的廢氣進(jìn)行光氧化處理。

UV 光催化技術(shù)是以催化劑為核心形成的新型高效VOCs 治理技術(shù)。催化劑可以高效捕獲氣相中的VOCs，從而實(shí)現(xiàn)VOCs 的高效降解。

針對(duì)VOCs 分子本身的物化特性以及大風(fēng)量、低濃度等工況條件，強(qiáng)化材料對(duì)VOCs 的裂解速率、礦化效率和吸附速率等性能，在實(shí)際工況條件下，通過多種催化劑的配合使用，以實(shí)現(xiàn)治理效果的最優(yōu)化。

采用紫外光催化UV 光解技術(shù)凈化廢氣，首先應(yīng)確定主要廢氣或惡臭物質(zhì)的各化學(xué)鍵鍵能，只有鍵能低于UV 光子能量，才能被裂解，凈化效果才能得到保障。

常見化學(xué)鍵的鍵長與鍵能見表1。

表1 常見化學(xué)鍵的鍵長與鍵能Table 1 Bond length and bond energy of common chemical bonds

由表1 可以看出，這些鍵能絕大部分低于UV高效光子催化氧化設(shè)備的UV 光子最高能量（704 kJ/mol），所以，理論上，廢氣中的化合物都是能被裂解的。

廢氣分子只被裂解成原子、自由基是不夠的，還需通過臭氧將其氧化成穩(wěn)定的小分子，如CO2、H2O 等，從而達(dá)到廢氣凈化的目的。所以，需要有充分的氧氣被高能UV 光照射生成臭氧。

通過UV-D 波段內(nèi)的真空紫外線，促使有機(jī)廢氣物質(zhì)通過吸收該波段的光子，而該波段的光子能量大于絕大多數(shù)的化學(xué)鍵鍵能，從而使得有機(jī)物質(zhì)得以裂解；然后，再與經(jīng)裂解產(chǎn)生的臭氧發(fā)生反應(yīng)，被氧化成簡單、無害、穩(wěn)定的物質(zhì)，如H2O和CO2等。

2.3 活性炭吸附

經(jīng)過以上工序的處理，廢氣中的大部分污染物已被除去。由于煤化工廢氣的成分比較復(fù)雜，因此，在UV 光催化工序后，應(yīng)采用蜂窩狀活性炭吸附裝置來作為后段的處理裝置，以確保尾氣達(dá)標(biāo)排放。

活性炭是一種具有非極性表面、疏水性、親有機(jī)物的吸附劑，孔隙十分豐富。蜂窩狀的活性炭比顆粒狀的活性炭孔隙發(fā)達(dá)，比表面積大，吸附效果更好。

最后，廢氣中殘留極低濃度的異味組分在煙囪中經(jīng)高壓霧化系統(tǒng)噴出的植物油霧狀顆粒轉(zhuǎn)化成非揮發(fā)性有化合物，有效去除空間內(nèi)有機(jī)廢物產(chǎn)生的異味。

3 工程運(yùn)行情況

經(jīng)系統(tǒng)30 d 滿負(fù)荷運(yùn)行的調(diào)試，各工藝處理單元運(yùn)行正常。調(diào)試結(jié)束后，連續(xù)7 d 對(duì)廢氣排放指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)。

廢氣處理效果見表2。

表2 廢氣處理效果Table 2 Waste gas treatment effect

從表2 可以看出，經(jīng)本工藝處理后：

（1） 氨濃度降至0.7~1.2 mg/m3。

（2） 硫化氫濃度降至0.037~0.048 mg/m3。

（3） 臭氣濃度降至12~19（無量綱）。

污水廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002） 廠界二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語

工程實(shí)踐證明，采用UV 光催化-活性炭聯(lián)合工藝處理煤化工污水廢氣的工藝路線，收集的廢氣經(jīng)洗滌、UV 光催化和活性炭吸附等工序處理后，能滿足煤化工污水處理過程中廢氣的處理需求，各項(xiàng)廢氣排放指標(biāo)均能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)裝置標(biāo)定和環(huán)保部門驗(yàn)收結(jié)果，煤化工污水處理裝置配套的廢氣處理裝置所采用的工藝技術(shù)可靠，操作簡單，針對(duì)性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，處理后的廢氣能夠達(dá)標(biāo)排放，處理效果達(dá)到了同行業(yè)的先進(jìn)水平，為處理煤化工行業(yè)污水逸散廢氣提供了參考方案。