河 北 工 业 大 学 毕业设计说明书
作 者： 学 号： 学 院： 系(专业)： 环境工程 题 目： 生物法去除甲苯气体工艺与设备的研究 与设计
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2014 年 6 月 5 日 1.4 生物法去除VOCs的工艺选择原则 通常根据VOCs气体组分的亨利系数Hc（Hc=Cg/Cl）选用装置。Hc≤0.01的易溶气体用生物洗涤池，Hc≥1的难溶气体用生物过滤池，0.01＜Hc＜1 的气体用生物滴滤塔[13]。 一般对于难溶性有机气体而言，选用生物过滤法与生物滴滤法并无严格界限。生物滴滤塔作为新型生物处理设备较生物过滤池具有制造和管理成本低廉、操作条件易实现自动控制等优点，本文据此选用生物滴滤塔作为研究与设计的对象，完成课题所给的任务。
2 生物滴滤塔的净化原理 2.1 生物膜净化有机气体的基本理论 2.2 影响生物滴滤塔净化效率的因素 2.2.1 VOCs 种类 2.2.2 菌种的影响 表2.1 部分常用填料及特性 名称 填料特性 塑料鲍尔环 规格多样（直径从25mm到76mm），密度60—85kg/m³，比表面积在72-213m2/g间属于质轻材料。通量大、阻力小、分离效率高、操作弹性大，耐压性能强。比起其它形式填料（拉西环、鞍环、波纹填料等），在强度、硬度、表面粗糙度、尺寸等方面更适合用于生物法处理设备中。 活性炭 密度为1800 kg/m³，由天然碳性材质经烧结、活化而成，具有一定的吸附能力，来源环保；比表面积在500～1700m2/g间，内部有无数的毛细孔，增大了与介质的接触面积，这两种因素使活性炭的吸附能力大大增强；生产实践中可以根据不同需要加工成不同大小的颗粒。活性炭的质地脆，容易从表面上脱落粉末。目前多用于废水废气的除臭处理中。 聚氨酯海绵 是一种新型的有机填料，密度18 kg/m³，质地松软轻快，内外分布着大量的通气孔。材质分为耐水不易拉伸与耐油抗拉伸两种类型，做成填料后会吸收一部分喷淋液，表面平坦，接触生物膜后易相互黏着。由于堆放时孔隙率小，阻塞气体与水分的通过，因而常常不单独使用，而是作为辅助材料在填料塔内起到保温、缓冲外力冲击的作用
2.2.4 气液两相流动方式 一般分为顺流、逆流、横流3种方式。顺溜阻力小，压降小，但是气体吸收效果差；逆流传质效果好，但是气体压力损失较大容易造成液泛；横流运行稳定性好，但是气液垂直分布的方式缩短了气相的停留时间。 2.2.5 填料塔的运行条件 主要从塔内环境状况、喷淋液性质、进气条件3个方面分析： （1）环境状况 包括塔内温度、湿度、pH，这三个变量既由进气与喷淋液的性质控制，又与微生物的代谢活动影响密不可分。因此对它们的分析以后两方面的解析为主。 （2）喷淋液性质 包括喷淋液成分、水温、流量、喷淋时间和喷淋方式。 （3）进气条件 主要有气体湿度、有机物浓度、空塔气速、停留时间和有机负荷等。
2.3 主要研究内容 2.4 生物滴滤塔处理甲苯 2.4.1 研究处理甲苯气体的意义 甲苯既是目前生物法净气领域着重研究的对象，也是VOCs的一种，给其它种类有机气体的去除方法研究提供了很好的参考。 2.4.2 甲苯气体的特性 表2.2 我国相关环境标准 标准名称 工业企业设计卫生标准(TJ36-79) 大气污染物综合排放标准 (GB16297-1996)
内容 车间空气中甲苯的最高容许浓度 100mg/m³
项目 二级要求 三级要求 浓度mg/m³ 40 60
最高允许排放速率(kg/h) 3.6～36 5.5～54
无组织排放监控浓度限值mg/m³ 0.3
2.4.3 相关实验结论 （1）菌种的选择
有文献资料记载，一般去除甲苯以细菌和真菌为主，其中以下列菌种为最优：恶臭假单胞菌，不动杆菌，门多萨假单胞菌，滕黄微球菌，杰氏棒杆菌[12]。本组进行了菌种的甲苯驯化实验，在通过显微镜观察个体形态时发现，真菌在甲苯驯化过程中全部被筛除，只有细菌保留了下来，这可能与提取的真菌菌种有关。 （2）其它条件的实验摘录 见表2.3 表2.3 本文摘录的部分实验资料 实验员及对应文献序号 处理气体 填料 液气比 (L/m3) 反应时间 (S) 表观气速 (m/s) 负荷 (g/m3·h) 相应浓度 (mg/m3) 效率 (%)
李清雪 [16] 甲苯 鲍尔环 阶梯环 40 117 0.006 31 1000 87 刘永慧 [10] 堆肥 火山灰 — 28 0.006 50 400 100 羌宁 [19] 纤维活性炭 1.4 17 0.06 63.2 300 97.5
续表2.3 实验温度 （℃） 备注
20-30 该实验变量为气相浓度，当其为400 g/m3时，负荷为13g/m3·h，效率为100% — 该实验变量为气相浓度，并证明此浓度为最佳运行情况 27-30 该实验变量为液气比，作者指出当液气比过高和过低时均会降低塔的处理能力
从上述三个实验中可以初步得出生物滴滤塔处理能力的参数，如温度宜取为
27-30℃；最佳气体浓度为400mg/m3；最佳液气比为1.4L/m3；填料负荷约为50 g/m3·h；停留时间不小于28s；空塔气速在0.01-0.06之间。 值得说明的是，大部分实验的表观气速均在0.01—0.08m/s之间，鉴于实际工程中气体流量大，塔径有限，应根据实际情况选择合适的表观气速。
3 生物滴滤塔的设计计算 3.1 废气基本条件的确定 本次设计采用某印刷厂的排放工况，具体数据如下所示： 表3.1 印刷厂甲苯排放参量 hg/950082501000100019则排放速率, 33m12500g/m76.0g/h9500车间空气量；
（1）实验结果显示，生物滴滤塔在进气浓度为400 mg / m³，停留时间30s时达到最大负荷50g /(m³· h)，因此总空气量
h / m23750g/m4.0g/h950033总Q， 需额外补充空气量=23750-12500=11250 m³/h （2）空塔气速的选择 总结各篇文献中所作实验发现，污染物的表观气速均在0.01—0.06m/s范围内，可见实际工程中的空塔气速也应取较小值，在气体流量较大的情况下，可以直接从0.06m/s开始取。填料塔的气速选取一般以液泛气速为准，但是本文计算得到的液泛气速为10m/s，该值的使用意义不大。 本文空塔气速的选择方法是，先假定某一值作为空塔气速，由总气体流量、停留时间计算出理论塔径与填料层高度，比较两者大小使塔外观合理。在本文的前提条件下，经过反复计算确定空塔气速为0.12m/s，停留时间40s。 3.2 滴滤塔主体结构的计算及选型 3.2.1 气体净化系统流程 从印刷车间排出的废气先与空气泵挤入的空气在管道混合器中混匀，通入装有清水的洗气池进行洗涤，去除气体中夹杂的固体颗粒并得到润湿，随后从底部进入生物滴滤塔发生生物净化过程；喷淋管从顶端喷洒营养液，供给微生物代谢所需其它养分，多余的液体经塔底流出，由管道过滤器处理后回流至喷淋液池。 本文设计出的完整工艺流程如下图：
地点 甲苯产量 年工作日 日工作时间 甲苯浓度 成品车间 19 t / a 250 d 8 h 760mg / m³ 图3.1 生物滴滤塔净化甲苯流程 3.2.2 生物滴滤塔设计
（1）运行条件 进气浓度c=400 mg / m³ 进气量Q总=23750 m³ / h=6.6m³/s 停留时间t=40s 空塔气速v=0.12m/s 最大有机负荷ρ=50g /(m³· h) 最佳液气比 L/G=1.4L/m³ （2）塔径的求解 生物滴滤塔可视为化学填料塔的一种形式，本文设计时部分计算方法和公式参考了填料塔的设计内容。 填料高h=0.12x40=4.8m，取5m，对于直径在2.5m以上的塔来说，由于h小于6m,因此填料不用分层。 由空塔气速得到塔径
40.812.043600/2375043600/vQD总m。
由于D过大，因此将滴滤塔设置为4个，则D=8.40/4=4.20m,查塔径标准(1m以上间隔200mm)可知塔直径为4200mm。 此时有机负荷为
/h)34.3g/(m/45)1.2(3600/m6.6400mg/m3233mmss,未超过最大负荷值 （3）滴滤塔零件的选用 ①进气管设计 工业输气管道运送物质与适宜气体流速关系如下表 表3.2 输气管道内最低气流速度[22] 单位m/s 输送物质 垂直管 水平管 输送物质 垂直管 水平管 干微尘 染料粉尘 棉絮 8 14-16 8 10 16-18 10 灰尘、沙尘 粉状土 轻矿物粉尘 16 11 12 18 13 14
本次设计针对的有机混合气体虽然不含质量较大的固体类物质，但是由于气体流量大，工作时间有限，因此参考上表选择水平与垂直管道内的气体流速分别为12m/s、10m/s 当水平进气管内气体流速v1=12m/s, 管直径
0.42m1244/6.644/d11v
Q总，即420mm；
气体进口结构要能使气体均匀分布，同时防止液体淹没气体管道。φ500mm以下的小塔可使进气管伸到塔的中心位置，管末端斜切成45°向下，或凹形口向下；φ1.5m以下的塔，管的末端可做成向下的喇叭形扩大口。 当塔直径大于2.5m，采用上述装置效果较差，这时应采用底部敞开式进口管，管端封口作为缓冲挡板。这种形式的装置进气性能好，应用广泛，大直径、高气相负荷时更为适用。其中一种变体是在中间加上缓冲挡板，仅遮住管道下半部分，气体分为两部分进入塔内，分布更均匀。 本设计采用底部敞开式气体进口管，前部与中间设置挡板控制气体流向分布。 另：考虑到塔径过大，单根进气管可能会使气体过于集中，不利于大面积扩散，故在塔内设置两根扩散管，以便于扩大气体分布面积。扩散管的直径为
d扩= d1/2=0.30m，即300mm
出气 进气