膜接触-吸收法去除市政污水厂恶臭气体研究

郭学彬 赵珊 常江 王佳伟 彭浩

关键词：恶臭气体；硫化氢；聚四氟乙烯膜；膜接触吸收

前言

截至2020年底，全国镇级及以上的污水处理厂共15700座，处理能力为25777x104m3·d-1，污水平均处理率为84. 52%[1]。在污水处理过程中会产生硫化氢、氨气、硫醇硫醚和挥发性有机物等恶臭气体容易在空气中逸散，不仅给周边空气环境造成污染，还对职工身体健康造成一定的危害，如何处理市政污水厂恶臭气体问题愈发成为人们所关注的焦点。

市政污水处理厂恶臭气体处理工艺主要有物理法、化学法和生物法等。这些方法对恶臭气体治理效果较好，但也具有一定的局限性，如物理吸附法后期运行费用较高、化学法液泛现象、生物法菌种冬天活性降低等。为有效解决上述问题，将化学吸收的高效选择性和膜分离技术的结构紧凑性相结合，采用新型膜接触吸收法开展恶臭气体的脱除研究。该法原理是以中空纤维膜组件为膜接触器，气体经过中空纤维膜丝，吸收液经过中空纤维膜的壳程，其传质过程主要为气体在膜丝内由气相扩散到气膜界面处，再以分子扩散的方式通过膜孔道扩散到气液两相界面，在界面上气体分子溶人液相，再从液相界面以分子扩散方式通过液膜进入液相主体被吸收。气液两相可灵活独立控制，可避免雾沫夹带、液泛等问题。

目前，关于膜吸收法所研究的多为对单一酸性气体的脱除，而脱除污水处理厂实际恶臭气体（混合气体）的研究鲜有报道。因此，研究以污水处理厂实际恶臭气体为研究对象，主要以硫化氢、氨气、VOC和臭气浓度为典型特征污染物，分别考察了气相流量，液相流量和长时间运行稳定性等条件对恶臭气体脱除效果的影响。

1材料与方法

1.1实验材料

臭气源为消化污泥和初沉水混合搅拌所释放的臭气，硫化氢含量为28～64mg·m-3，氨气含量为14～35mg·m-3，VOC含量为70～100mg·m-3，臭气浓度（无量纲）为600～2000。采用10%的氢氧化钠和10%的次氯酸钠溶液混合液作为吸收液，pH控制在8～10，0RP值控制在400～600mV。聚四氟乙烯（PTFE）中空纤维柱式膜组件，具体参数为膜丝内径0.4mm，膜丝外径0.9mm，膜平均孔径0.2um，有效工作长度500mm，膜组件外径35mm，膜面积为0.35m2。

1.2实验装置

膜接触吸收法的实验装置如图1所示，该装置主要由臭气发生箱、风机、除尘装置、除湿装置、膜接触器和吸收液槽等部分组成。实验过程为臭气源产生的臭气经风机、除尘和除湿装置，进入到膜接触器的膜丝内，蠕动泵将吸收液泵人到膜接触器壳程内，采用气液错流接触方式，调节气相和液相流量，使液相出口刚好不冒泡；待流量计和压力表示数稳定后，记录气相和液相的流量和压力等，并对膜接触器进气和出气的相关指标进行检测，尾气通入到尾气吸收液槽中，避免污染空气。

1.3分析方法

在实验装置稳定运行时，对膜装置进、出口进行气体采样检测，每个样品检测3次，取平均数记录数据。恶臭气体检测指标为硫化氢、氨气、VOC和臭气浓度，检测方法为硫化氢一《居住区大气中硫化氢卫生检测标准方法亚甲蓝分光光度法：GB11742-1989》；氨气一《环境空气和废气氨的测定纳氏试剂分光光度法：HJ533-2009》；VOC-便携式挥发性有机气体分析仪（气相色谱仪），谱育EXPEC3100；臭气浓度一恶臭气体在线监测系统；英国科尔康AMG-2000。

通常用去除率和传质系数作为膜接触器对恶臭气体去除效果评价的2个重要指标，分别根据式（1）和式（2）进行计算。

2结果与讨论

2.1气体流量对脱臭效果的影响

在吸收液流量0.2L·min－1，气相压力7.5kPa，液相压力40kPa，温度为25.0℃的操作条件下，考察了气体流量对恶臭气体去除效率的影响，如图2所示。由图2可知，随着气体流量的增加，恶臭气体去除效率整体呈下降趋势，当气体流量从0.2L·min-1增加到3L·min-1时，硫化氢去除率由98.97%下降到95.34%，氨气去除率由34.90%下降到21.89%，VOC去除率由58.37%下降到54.22%，臭气浓度去除率由86.38%下降到78.06%。这是因为在吸收液的浓度和流量一定时，增加气体流量使得气体在膜接触器内与吸收液接触和反应的时间减少，气体未被吸收液充分吸收就被排出，导致整体去除效率降低。硫化氢为酸性气体，在与碱性吸收液接触时可被快速吸收，故其去除率较高；而氨气溶于水后变为氨水呈弱碱性，在碱性吸收液中会抑制其反应的进行，导致吸收效果不佳，去除效率较低。因吸收液中次氯酸钠具有较强的氧化性，恶臭组分通过膜孔扩散到膜表面与吸收液相接触，组分被吸收液吸收并被次氯酸钠氧化，同时氢氧化钠溶液能够中和恶臭组分，从而可大大降低VOC含量和臭气浓度。

随着气体流量增加，硫化氢传质系数由4.36×10-sm．s-1升高到43.8×10-5m．S-1，氨气传质系数由0.41×10-5m．s-1上升到3.53×10-5 m·S-1，硫化氢传质系数远大于氨气，且增长速度也较大。这是由于气体流量增加，气压会随之相应增加，膜内壁面的气体边界层变薄，气相传质阻力减小，从而增大了气相传质效率，总传质系数增加。同时硫化氢与吸收液反应迅速，且吸收液储量大，气体流量增大时被吸收的越多，传质系数大大增加；而氨气流量增加，溶于水的速度加快，在碱性吸收液中很快达到饱和状态，传质系数增加不明显。综合考虑气体去除率和传质效率，气体流量为1L．min-1时较为合适。

2.2液体流量对脱臭效果的影响

在气体流量为1L·min-1，气相压力为7.5kPa，液相压力为40kPa，温度为25.0℃的操作条件下，考察了液体流量对恶臭气体去除效率的影响，结果如图3所示。由图3可知，液体流量增加，恶臭气体的去除效率和传质系数均呈上升趋势，当液体流量从0.2L·min增加到1.2L．min时，硫化氢去除率从96.59%上升到97.91%，传质系数32.18x10m·s-1上升到36.82×10-5m·s-1，氨气去除率从40.41%上升到47.43%，传质系数4.93x10-5m·S-1上升到6.12×10-5m·S-1，VOC去除率从51.78m上升到58.19%，臭气浓度去除率从81.05%上升到85.96%。当液体流量大于0.6L·min-1时，气体的去除率和传质效率趋于平缓，基本保持不变。这是因为液体流量增加，单位时间内吸收液循环次数增加，吸收液能够保持较高浓度，具有更佳的吸收和氧化条件，瞬时反应速率提高，使得去除效率增大；同时，随着液体流量增加，气液接触面处吸收液会迅速将气体带走并吸收，增大了气液之间的浓度梯度，有利于气体向液相扩散传质，传质阻力降低，气体传质效率增大。当液体流量增加到一定程度时，单位时间内气体和吸收液反应速率相对稳定，传质吸收效率增加不明显。综合考虑气体去除率和传质效率，液体流量为0.6L·min-1时较为合适。

2.3长时间运行对脱臭效果的影响以气体流量为1L·min-1，吸收液流量为0.6L·min-1，气相压力为7.5kPa，液相压力为40kPa，温度为25.0℃，连续12d运行操作条件下，分别考察了运行日寸间对硫化氢、氨气、VOC和臭气浓度的去除效果，结果如图4所示。由图4可知，在长时间运行过程中，吸收液对恶臭气体的去除效果和传质效率相对稳定，并没有出现随着运行时间加长，气体去除效率有明显下降的趋势。硫化氢和氨气的平均去除率分别为96.99%和42.91%，平均传质系数分别为33.41×10-5m·S-1和5.34×10-5m·s-1，VOC和臭气浓度平均去除率分别为55.24%和82.04%。表明运行稳定性较好，对气体去除效率及传质系数都保持了较高的水平。

综上所述，膜接触吸收法在气体去除方面具有较大的优势，与传统化学吸收法相比，从技术层面上，气体在膜组件内与吸收液接触时间约为0.28s，在膜内平均气速为1.8m·s-1；传统化学洗涤塔的气液接触时间一般为1.2s，气速约为2m·s-1，理论上膜接触吸收法比化学吸收塔法单位时间内处理的气量要大3倍，另外膜接触吸收法液气比约为化学吸收塔液气比的100倍。根据双膜理论，在化学吸收过程中，液气比增大，气体污染物与液体组分进行的选择性化学反应会加快，气体污染物溶解到液相中的量会增多，从而对气体污染物的去除率和传质效率更高。膜组件可模块化，采用多级联用工艺，增加膜组件，可满足对恶臭气体处理更高的标准要求。

3结论

以碱液为吸收液，气体流量增加，恶臭气体去除效率降低，总传质效率增加；液体流量增加，恶臭气体去除效率及总传质效率均增加，当气体流量为1L·min-1，液体流量为0.6L·min时，对气体的综合处理效果最佳。在长时间运行过程中，该法对恶臭气体处理效果较好且相对稳定，H2S、NH3、VOC和臭气浓度的平均去除率分别为96.99%、42.91%、55.24%和82.04%；H2S传质效率处于较高水平。膜接触吸收法的气体在膜内与吸收液接触时间约为0.28s，平均气速为1.8m·s-1。膜接触吸收法气液传质效率高，对气体污染物处理效果好，预期具有广阔的发展应用前景。