多填料卧式生物过滤池开发及印刷企业VOCs治理实践*

鲍家泽，于卫东,2，马玉银，杨子奕

(1 扬州市职业大学，江苏 扬州 225000；2 江苏原木环境科技有限公司，江苏 扬州 225000)

挥发性有机污染物(VOCs)作为第二大大气污染物，其来源广、危害大，也是造成城市光化学烟雾、产生雾霾的重要因素[1]。VOCs高效治理对于保护环境和人们健康具有重要意义，受到社会广泛关注。

目前，VOCs废气处理主要有物化方法、生物法[2]。物化法，主要技术包括冷凝、吸收、吸附、燃烧、光解光催化、氧化分解、分离、等离子体法等[3-5]。生物法主要工艺有生物过滤、生物滴滤、生物洗涤等[6-8]。各种处理方法都具有其各自的适用范围和优缺点。VOCs来源、种类、性质、浓度及处理要求、处理的技术经济性决定着实践中采取何种处理方法。

1 生物处理技术的实践优势

由于废气中VOCs污染物往往具有产生面广、浓度低(<2000～3000 mg/m3)、气量大的特点，热力焚烧、催化燃烧、冷凝、吸收、吸附等传统处理技术在工程实践中大多存在处理效果不够理想、投资或运行成本高等现实问题，需要开发新的适用技术。

VOCs生物处理技术具有处理效果好、投资运行费用低、安全性好、无二次污染、维护管理方便等诸多优点。同时，生物处理设施中吸收介质的再生可通过微生物分解与更新实现，不需要专门设备，简化了工艺流程和装置系统，减轻了企业建设运行成本压力。随着VOCs管控日益趋严，生物处理技术因其上述实践优势，已成为VOCs治理技术的热点方法，而开发处理效果好、运行稳定、适应工程化应用、建设运行成本低的处理装置是技术实施的关键。

印刷作业主要使用油墨、溶剂等原料，易产生含有芳烃类、醇类、酮类、酯类等VOCs排放，废气量大、成分复杂、排放点位多，印刷业属于典型的产VOCs行业[9-10]。2015年包装印刷业因此而纳入排污收费首批试点行业(2018年因排污费改税政策而停征)，企业VOCs高效低耗治理提上日程；《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》将印刷行业列入VOCs污染防治重点行业，要求深入推进包括高效的末端治理措施在内的VOCs综合治理和达标排放，到2020年底前包装印刷行业将全面推行排污许可制度。

因此，企业需要采取切实可行的高效、低耗、稳定的VOCs治理技术以应对日益严格的环保政策要求。生物处理技术以其装置结构简单、处理效率较高、运行简易低廉而备受青睐、前景广阔。

2 多填料卧式生物过滤池开发

2.1 开发缘由与整体思路

(1)开发缘由

生物过滤和生物滴滤是目前应用最为广泛的两种生物处理技术[11]。生物过滤池(塔)结构简单、投资少、运行费用低，适用于处理废气量大、浓度低有机废气(或臭气)，应用成熟，需要解决填料层因有机物分解而发生的坍塌、沟流现象[12]，以及降低填料更换成本问题。生物滴滤池(塔)对生物过滤进行了改进，床层采用惰性填料，液体连续通过填料层，生物量高，适应高负荷气体，但不易去除难溶于水的气体污染物。实践中，为了考虑处理效率，采用较慢的进气速率以延长停留时间，导致生物处理装置体积或占地面积较大。

通过改进装置设计，采用“卧式多填料+多级喷淋”结构，以及“多室串联+错流推流”运行方式，实现生物过滤与生物滴滤的组合集成，可提高多组分、负荷波动大的VOCs废气的处理适应性，增加废气在过滤器中的接触时间，在提升处理效率和装置运行稳定性的同时，减少装置体积，降低处理成本。

(2)整体思路

将原有的立式生物滤池进行组合，两两之间由隔板连接。废气由上方入口进入池体，经喷淋以及1#反应室填料的净化后进入2#室的填料，依次经过4个反应室的填料过滤、净化后排出。喷淋水经过填料流入下层的蓄水池中，后经过循环水泵重新打回用于喷淋。各反应室均设置对应的独立喷淋装置，以更有利于填料表面微生物的生长，避免传统生物过滤装置下层填料缺水现象。

装置搭配具有较好的灵活性使其适应性能好、去除效率高。一方面，从反应室角度，各反应室既相互独立又可串联叠加，可根据气体浓度设置不同的反应室数量；另一方面，从填料种类数量角度，各反应室可采用单一填料，串联起来的反应室也即采用了多填料过滤；同时各反应室自身也可采用多种填料进行级配；从填料具体种类角度，1#、2#反应室填料主要针对高浓度有机废气，后续反应室填料针对净化后的低浓度污染物。

2.2 装置开发与运行过程

装置形式为串联卧式生物过滤池，设四室串联(见图1)。

在1#室，废气从池上端进入，经喷淋水喷淋，部分有机物溶于水得到去除，紧接着与填料接触，发生气-液、液-液相反应；经1#室处理后的气体经底端出口进入2#室，气体先与2#室下方的蓄水池中的水接触去除部分有机物，再进入填料，与上端喷淋水(含有吸收的有机物)不断接触，气体上升过程中污染物浓度得到降低。1#室、2#室填料主要采用有较大比表面积、表面较粗糙的球形、环形填料，以利于微生物的生长附着。

经2#室处理后的气体，污染物浓度得到较大程度削减，从2#室上端出口进入3#室，在3#室经喷淋水喷淋、填料附着菌种微生物降解后，经3#室底部蓄水池中水进一步吸收后进入4#室经填料附着的微生物和喷淋水共同作用，继续分解VOCs有机物，最后通过4#室上端出气口接入管道后经高空排气筒排放。为了避免3#、4#室填料微生物的有机负荷不足，将4#室、3#室与2#室、1#室蓄水池连通，以提高3#、4#室下方蓄水池中有机物浓度。

因生物滤池填料中微生物属于附着生长方式，运行过程中会出现老化生物膜脱落。为此，设置污泥泵定期排除滤池下方蓄水池中沉淀的生物膜固体污泥。

图1 多填料卧式生物滤池结构示意图Fig.1 Schematic diagram of multi-filler horizontal biological filter

2.3 技术创新

(1)缩小装置体积的同时处理效率有较好提升：气体在装置中错流、“推流”运行，浓度不断降低，与填料、喷淋量、微生物菌种等因素最大程度地匹配吻合，反应动力学条件好、VOCs废气净化效率高，装置紧凑。

(2)独特的喷淋设计实现“一举两得”：改变了传统生物过滤池的蓄水池“外设”布置，将“蓄水池”纳入“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来得及吸附分解的有机物；另一方面易溶于水的污染物直接溶于喷淋液中成为微生物营养成分，进而被吸收转化。蓄水池中的水经“蓄水池→喷淋→蓄水池→喷淋→……”，循环往复，最大程度地吸收、分解有机物。

(3)较小的填料层高度和独立喷淋系统促进微生物生长：传统的生物过滤塔或生物滴滤塔中填料在纵向上叠加，填料层高度较高，易因供氧不足使部分床层处于缺氧或厌氧状态而影响VOCs去除。卧式多填料生物过滤池采取横向布局，将不同填料置于独立的反应室，降低了填料层高度，便于氧气通透，以及喷淋水和有机物全层充足供应，同时避免了其它填料层的影响，使得每一个填料层都能处于独立的最佳运行状态。另外，每一层的填料均设置独立的喷淋系统，顶端喷淋水(雾)吸收有机物、底部蓄水池中喷淋水吸收有机物既为本室微生物提供营养源，也为后续低浓度运行的反应室微生物提供营养，促进各室微生物生长。

(4)气体性质兼容性好，抗冲击负荷能力强：装置不仅适用于低浓度VOCs废气，也适合高浓度VOCs废气处理。当进气浓度高时，前两个反应室中填料球、填料环处理较高浓度有机废气，浓度降低后再进入后两个反应室，既避免了因废气浓度太高使微生物大量繁殖而导致填料堵塞，又充分利用火山岩、活性炭等填料吸附性进一步提高废气的治理效率。另外，对于VOCs废气中易溶于水的成分，发挥了“蓄水池水吸收+喷淋吸收+生物膜净化”三重作用；对于难溶于水的成分，也发挥了“生物膜净化+水力喷淋+火山岩、活性炭填料吸附”三重作用。装置适应了大多数工业VOCs废气组分复杂、浓度波动大的情况，较好地破解当前的技术瓶颈问题。

3 印刷企业VOCs治理实践

3.1 现状分析

图2 企业生产工艺流程及VOCs产生环节Fig.2 Enterprise production process flow and VOCs generation link

江苏某印务有限公司主要从事印刷业务，有20多套全自动不干胶印刷机及辅助设备等。该公司车间生产主要原材料为溶剂油墨，其中主要印刷油墨颜料有溶剂墨、水性墨、胶印墨等，VOCs成分主要为芳烃类、醇类、酮类、酯类等，例如甲苯、二甲苯、丙烯酸、异丙醇、异佛尔酮等。企业生产工艺流程及VOCs产生环节见图2，项目有机废气产生主要来源于印刷工序、喷码工序以及胶装工序。

企业现有生物过滤池1套，设计参数为：进气量约24000 m3/h、单池规格长×宽×高=10 m×4.5 m×3.5 m，填料层高度为2.0 m，填料为鲍尔环、表观气速为0.08 m/s，停留时间RT为50 s、喷淋液采取四喷头单次喷淋方式，排气筒高15 m，设置采样口，连接在线监测系统。企业VOCs废气产生、排放现状浓度及排放标准见表1(排放标准参考上海市地方标准《印刷业大气污染物排放标准(DB31872-2015)》)。由表可知，企业VOCs废气经现有生物过滤塔处理后可达标排放，生物过滤塔处于高负荷运行状态，废气排放浓度接近排放标准，企业超标排放风险加大。结合现场，企业部分工位的VOCs无组织废气收集不理想，集气罩设置数量和集气罩集气面积有待改善。

表1 VOCs废气产生、排放现状浓度及排放标准Table 1 VOCs exhaust gas generation, emission status, concentration and emission standards

3.2 工艺改造实践

图3 多填料卧式生物过滤池工艺流程Fig.3 Process flow of multi-filler horizontal biological filter

因环保管理日趋严格，考虑到企业生产负荷提升，需进一步控制污染物排放，拟对现有的生物处理设施进行改造，采用多填料卧式生物过滤池，菌种等仍按原生物过滤塔菌种培养方式进行，原有生物过滤塔作为应急备用设施，同时增设集气罩或者重新设计集气罩一并提升企业车间VOCs废气收集，废气经收集和处理后仍由原排气筒排放，工艺流程见图3。

该多填料卧式生物过滤池主要参数如下：长×宽×高=7.2 m×3.5 m×2.8 m，填料层高度为1.5 m，填料依次为多孔球型填料、鲍尔环、火山岩、活性炭，表观气速为0.07 m/s，停留时间RT为75 s。表2为改造后多填料生物过滤池进气口、出气口VOCs废气排放浓度。由表可知，去除率较改造前的普通生物过滤池VOCs废气污染物去除率上升约16%～20%，进一步削减VOCs排放量，减排效益明显。图4为改造后持续运行的状态数据，表明系统净化效果稳定，达到预期目标。

表2 改造后VOCs废气产生、排放浓度及排放标准Table 2 VOCs waste gas generation, emission concentration and emission standards after transformation

图4 多填料卧式生物过滤池治理印刷企业VOCs 废气运行监测Fig.4 Operation monitoring of VOCs exhaust gas treatment of printing enterprises with multi-filler horizontal biological filter pool

4 结 语

VOCs生物处理技术已成为包括印刷企业VOCs废气在内的众多工业VOCs废气治理热点技术方法，而开发高效、低耗、稳定以适应工程化应用和企业成本控制的处理装置是关键。

针对生物过滤、生物滴滤两种应用最广泛的生物处理技术存在的问题，改进设计，开发多填料卧式生物过滤池，采用“卧式多填料+多级喷淋”结构和“多室串联+错流推流”运行方式，提高VOCs废气处理适应性，增加废气接触时间，在提升处理效率和装置运行稳定性的同时减少装置体积，降低处理成本，实现工程化应用。以印刷企业VOCs废气为典型对象，针对现状问题，进行了多填料卧式生物过滤池在VOCs废气治理中实践应用，工艺改造后的运行监测结果表明，多填料卧式生物过滤池较普通生物过滤池可提高VOCs废气污染物去除率约16%～20%，系统净化效果稳定，达到预期开发目标。

今后，随着VOCs废气污染治理日益受重视，我们必须正视传统VOCs治理技术存在的处理效果和稳定性不够理想、投资运行成本高、运行要求高、能耗高、易产生二次污染等现实问题，聚焦企业需求特别是企业建设运行成本控制，开发兼顾技术成熟、安全稳定、低能耗、建设运行成本可行、无二次污染的具有广谱高效、兼容耐冲击、低能耗等特征的VOCs处理工艺与设备，关注VOCs废气多组分特别是难溶难降解成分，集成其他工艺方法，改善传质条件，完善生物处理技术调控方案，提高装置工程化应用水平，破解VOCs治理面临的技术瓶颈问题，进而推动VOCs废气治理产业高质量发展，实现技术设备的环境、经济和社会价值统一。