用来除去挥发性有机化合物的装有入口负荷平衡装置的生物滤器系统 技术领域
本发明一般涉及用来除去挥发性有机化合物的装有入口负荷平衡装置的生物滤器系统。更具体的是本发明针对用于生物去除高浓度挥发性有机化合物(例如，苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯等)的生物滤器系统，挥发性有机化合物来自多种工业设施如石油化工厂、炼制车间和油漆车间，以及包括污水处理设备的环境设施。
先前的领域
一般，挥发性有机化合物(VOC)由于它们的高蒸气压可容易地蒸发到大气中，VOC产生自多种工业设施如石油化工厂、炼制车间和油漆车间等。这种蒸发化合物和大气中氧化氮间的光化反应引起光化烟雾；从而使大气中的臭氧层降解。此外，VOC对人身体毒性很大。一个开始于1963年的新大气净化法律限制了在美国的VOC使用。这种限制主要在发达国家如美国、日本和欧洲执行。在韩国，对有气味物质和VOC释放设施使用的限制起始于1995年。现在，VOC被越来越严格的控制因而它可允许的释放量一直下降。
进行了许多去除讨厌气味和VOC的研究。常规上，采用了物理和化学方法，包括活性炭吸附、冷却浓缩、催化剂燃烧、直接燃烧、液体化学洗涤剂等。然而，这种常规方法的缺点是有非常高的操作成本、危险例如火、和次级污染物的产生。因此，最近发展了有利环境的生物过滤技术以克服前述缺点并用于多种应用。
在此方面，美国专利号5,869,323揭示了空气净化的配置，该配置包括至少一个生物反应床，空气通过生物反应床来净化。此外，美国专利号5,891711提到用来除去VOC的微生物设备，包括每层有生物活性介质地多层生物滤器，其中生物滤器包含有多个孔的多孔支持板，多孔支持板防止生物活性介质从那里通过并净化通过的污染流体。
此外，韩国专利号267632提到用于去除讨厌气味和挥发性有机化合物的方法，此方法包括的步骤是通过负荷平衡装置如活性炭以90％或更高的效率根本上去除讨厌气味和挥发性有机化合物用于降低污染物浓度，通过冷却或加热系统和增湿系统预处理讨厌气味和挥发性有机化合物，通过压力差别-使用锅连续提供预处理的讨厌气味和挥发物，使这些物质通过有微生物载体的生物滤器。但是没有任何用于去除VOC的适当设备描述于此专利中。
韩国专利待定公开号98-82118揭示了由装有夹套的水反应器组成的VOC去除设备，反应器中充满了覆盖环(pall ring)，覆盖环表面上有预先确定量的微生物形成生物膜。韩国专利待定公开号2000-60699提到讨厌气味和VOC去除系统，该系统包括筛网、多孔物质、碳过滤器和用于向下喷射微生物培养液的喷口。包括用于喷射微生物培养基于载体层上的喷口的生物过滤系统也描述于韩国专利待定公开号2000-12740。
然而，这种常规生物过滤技术有下列缺点并因此限制它们的应用。
首先，因为微生物用流入的VOC作为碳源来呼吸和增殖，载体间的气流通道由于微生物在时间内过度生长变得狭窄。因此，导致压力损失和空气漂移，使VOC处理效率减小。第二，因为大部分常规生物滤器仅可在流入气流恒定且流入VOC浓度固定维持在预定水平或更少的情况下使用，当在操作VOC调节物质贮槽中通过重复流入和流出间断地释放高浓度VOC时，不能应用这种生物滤器。要求从10秒到几分钟的时间段以在流入VOC浓度的基础上用微生物处理VOC。由于当引入内含物到贮槽中时产生含高浓度VOC的空气，适合用于处理这种VOC的生物滤器应该大规模制作。另一方面，产生含相对很少量VOC的气体，直到下一次引入到贮槽中。因此，过分大的生物滤器导致低负荷，从而降低微生物的生理活性。在大规模生产认为是高负荷VOC的生物膜的情况中，产生的问题包括投资成本和建厂的位置。同时，在小规模制备认为是低负荷VOC的生物膜的情况中，存在于流入中高负荷VOC没有被处理和释放。因此，考虑到防止这种情形，进行包括预处理VOC步骤的方法，但它遭受了较差的结果。
因而为了应用生物滤器于多种工业设施，上面两个问题应该立即克服。
发明的描述
本发明者完成的在处理高负荷VOC上的充分和彻底的研究导致发现装有负荷-平衡装置的生物滤器系统，研究旨在防止先前领域中遇到的问题，负荷-平衡装置有在间断流入高浓度VOC的情况中使应用方便的具体构造，其中通过使用微生物生长和流畅空气流所需的多孔微生物载体最大表面积、能物理振荡和重排微生物载体的单位，可防止微生物不等生长引起的漂移和污染空气，从而使VOC去除效率上升。
因此，本发明的一个目的是提供用于去除VOC的生物滤器系统，其优势在于在间断释放高浓度VOC中使应用方便上。
本发明的另一个目的是提供能防止VOC处理效率降低的生物滤器系统，这是通过由于微生物过度生长引起的空气漂移和压力损失。
本发明进一步的目的是提供即使在长期操作后显示稳定处理效率的生物滤器系统。
根据本发明的实施方案，提供了用于去除VOC的生物滤器系统，该系统包括
a)负荷-平衡装置，所述装置包括多孔载体层、位于多孔载体层下含VOC空气的入口、负荷-平衡溶剂的贮槽、装有喷雾嘴的循环元件，喷雾嘴连接到贮槽并喷射负荷-平衡溶剂于载体层上，所述载体层以含VOC的空气通过该载体层接触负荷-平衡溶剂的方式排列，以提供在随后通过物理转移VOC进行生物过滤时具有可处理的VOC浓度范围的负荷-平衡空气，以及用于释放负荷-平衡空气的出口；
b)空气转移部分，用于将含VOC的空气从VOC产生源引入负荷-平衡装置并将负荷-平衡空气转移到生物过滤部分，
c)生物过滤部分，包括长有用来除去VOC的微生物的多孔微生物载体层、位于多孔微生物载体层下负荷-平衡空气的入口、培养基贮槽和培养基循环元件、所述微生物载体层装有加压空气/水喷射元件以振荡和重排生物载体层从而抑制负荷-平衡空气的压力损失和漂移，所述培养基循环元件连接到培养基贮槽并通过循环泵使培养基向两个方向循环，其中一个方向通过位于微生物载体层上方的上喷雾嘴流入生物过滤部分，另一个方向通过位于微生物载体层下的下喷雾嘴流出培养基，
d)与培养基贮槽相连的存储部分，用于调节培养基和所给营养物的pH。
附图简述
图1是生物滤器系统的示意图，此系统包括根据本发明一个实施方案的负荷-平衡装置和生物过滤部分。
图2a是根据本发明的一阶段负荷-平衡装置的示意图，图2b是根据本发明的二阶段负荷-平衡装置的示意图。
图3a和3b是生物滤器系统的示意图，此系统包括根据本发明的加压空气和水喷射元件和培养基循环元件。
图4是显示负荷-平衡和去除苯乙烯单体性能的图，苯乙烯单体通过根据本发明的生物滤器系统从苯乙烯单体贮槽中释放。
图5是显示负荷-平衡和去除甲苯性能的图，甲苯通过根据本发明的生物滤器系统从甲苯贮槽中释放。
图6是显示负荷-平衡和去除二甲苯性能的图，二甲苯通过根据本发明的生物滤器系统从对二甲苯贮槽中释放。
图7是显示负荷-平衡和去除甲基乙基酮(？methylethylketone)性能的图，甲基乙基酮通过根据本发明的生物滤器系统从甲基乙基酮贮槽中释放。
图8是显示负荷-平衡和去除苯性能的图，苯通过根据本发明的生物滤器系统从苯贮槽中释放。
完成发明的最佳模式
关于图1，图示了发明的生物滤器系统，其中负荷-平衡装置设置在系统前部，它使间断引入的含高浓度VOC的空气以低浓度连续释放。图2a和2b显示了负荷-平衡装置的实施方案。
如图1所示，根据本发明一个实施方案的生物滤器系统中的负荷-平衡装置2包括多孔载体层3、位于多孔载体层下含VOC空气的入口、负荷-平衡溶剂贮槽4、负荷-平衡溶剂循环元件、和置于多孔载体层上的负荷-平衡空气出口。循环元件装有循环泵5和负荷-平衡溶剂6的喷雾嘴。
一般，当VOC被引入存储设施如VOC贮槽或从那里释放时，间断产生含VOC空气。流入中产生的VOC量与流出中产生的有显著差别。如上所述，当引入内含物到贮槽中时产生含高浓度VOC，随后VOC浓度相对很小直到下一次引入到VOC贮槽中。
根据本发明，高浓度VOC从贮存VOC的VOC贮槽上部释放，高浓度VOC通过使用负荷-平衡装置2中有高沸点的负荷-平衡溶剂来吸收。结果，生物滤器待处理的VOC浓度在VOC到贮槽的引入间隔中恒定维持在具体范围内(优选的是小于1000ppm)。
贮槽4中的负荷-平衡溶剂通过循环泵5循环。当从上喷口喷射的VOC-吸收溶剂通过载体层时，吸收在溶剂中的VOC与流入的含VOC空气接触，因此再次成为气体，之后这种VOC与通过载体的含VOC空气一起流入生物滤器。换句话说，当含VOC空气通过多孔载体层中的循环元件与循环的负荷-平衡溶剂接触时，VOC从含VOC空气物理转移至负荷-平衡溶剂或反之亦然，这取决于引入负荷-平衡装置中的VOC浓度。
负荷-平衡装置中的载体层的多孔结构用至少一种选自聚乙烯、聚丙烯、聚酯和陶瓷的物质制造。此外，接触流入的含VOC空气的载体层大小的范围从10％到50％负荷-平衡溶剂体积。当低于10％时，液体/气体比例(L/cm3)非常小，因此降低了吸收效率。另一方面，在超过50％的情况中，液体/气体比例太大，引起载体层大小的增加。
至于本发明中的负荷-平衡溶剂，根据流入VOC性质的脂溶性溶剂和水溶性溶剂可单独或组合使用。合适的脂溶性溶剂包括C14-15石蜡和环烷烃，这是一种无色无味的液体，不含任何臭氧层-破坏成分，且为非芳香性溶剂，其比重为0.8-0.9g/cm3、沸点为270-320℃、燃点为110-140℃并含有小于0.5％的芳香族成分，或者包括硅油，其比重为0.76-1.00g/cm3、粘度(25℃)为0.65-10,000cSt、流点为-75--40C、表面张力为20.0-25.5达因/cm。上面以烃为基础的溶剂包括60-70％石蜡和30-40％环烷。此外，溶剂有在具体范围内的负荷-平衡容量常数k，这取决于VOC的种类。负荷-平衡容量常数k定义为当VOC在密闭容器中吸收于溶剂并随后在室温到达平衡时，顶部空间中VOC气体浓度和溶剂中VOC液体浓度间的比率。即k是‘气体浓度(mg/Nm3)/液体浓度(mg/L)’。在此方面，脂溶性溶剂对单个苯环化合物如苯、甲苯、二甲苯、乙苯和苯乙烯单体的范围从0.005-0.6。
此外，水溶性溶剂主要包括水且可另外加入丙二醇、粘度增强剂和冷冻保护化合物。更具体的，水溶性溶剂对甲醇和甲基乙基酮的k范围从0.001-0.1。
如图2a和2b所示，负荷-平衡装置可用2阶段或更多来设计，目的是维持待流入生物滤器VOC的适当浓度，这取决于VOC的产生段和浓度。
图3a和3b阐述了发明生物过滤部分的实施方案，过滤部分包括加压空气/水喷射元件和置入多孔载体层中的培养基循环元件。关于图1和图3a，根据本发明的载体-装载生物滤器系统包含安装在其前部的负荷-平衡装置，用于使污染空气中的VOC浓度可调节。此外，生物滤器系统包括含吹风机7的空气转移部分，此部分用于从VOC产生源引入含污染空气到负荷-平衡装置并转移负荷-平衡空气到生物过滤部分、长有用来除去VOC的微生物的多孔微生物载体层12、培养基贮槽9和使营养物和水流入微生物载体层的培养基循环元件、用于从载体层中分离过量微生物并通过诱导微生物均匀生长来阻止负荷-平衡空气漂移的加压空气/水喷射元件25、用于使高浓度营养物以预定量流入培养基贮槽的营养物贮槽16、存储用于调节酸度的酸性和碱性营养物的pH调节溶液贮槽。
同时可加入温度控制器19用于在冬季维持培养基贮槽的适当温度、水-平面控制器(没有显示)用于在生物滤器中维持培养基贮槽的水平面、和在通过生物滤器净化的空气中去除湿气的出口前的去雾器(没有显示)。
根据图1和3a所示实施方案，生物过滤部分的主机8可由不锈钢或FRP制造。位于生物过滤部分底部的培养基贮槽9的大小范围确定在10-30％体积微生物载体层12。培养基贮槽中的培养基通过使用循环泵11以两个方向循环。在一个方向中，培养基通过下喷雾嘴10流入培养基贮槽以使培养基循环。喷射覆盖相当于贮槽中培养基表面的总面积，培养基连续地循环。培养基循环的原因是使流入的污染空气接触培养基，溶解于培养基中的VOC直接被培养基贮槽中的微生物分解。如图3b所示，考虑到使负荷-平衡空气接触培养基，装满覆盖环的填充层26可设置在下喷雾嘴10下面，覆盖环以直径和高度分别为0.5-2.0英寸的多孔圆筒形式并由聚乙烯或聚丙烯制造。
另一方面，在另一个方向中，培养基通过上喷雾嘴13喷射到载体层中。通过上喷雾嘴的喷射提供水和营养物如氮和磷给生活在载体层中的VOC去除微生物。培养基循环元件中的喷雾嘴可使用电磁阀24根据可控制时间段来操作。
此外，温度计、pH计和pH校准仪可设置于培养基贮槽9中。通过定量泵15从pH调节溶液贮槽17和营养物贮槽16分别提供用于调节pH和营养物的酸/碱。
可有效去除VOC的微生物生活在生物过滤部分的微生物载体层中。这种载体层通过固定至少一种选自假单胞菌属、气杆菌属、芽孢杆菌属、微杆菌属和节杆菌属的微生物来制备，制造多孔载体的材料选自聚醚、聚酯和聚乙烯。微生物载体层高0.5-2m，可取决于流入空气中VOC负荷来提供两个或更多层。
装在较低微生物载体层中的加压空气/水喷射元件23通过朝向上面的喷雾嘴25向上喷射加压空气/水，振荡和微重排生物载体层，因此可防止过量微生物引起的压力损失和负荷-平衡空气漂移。为了这个目的，生物过滤部分另外包括压缩机22和控制喷射元件的控制器，当引入微生物载体层的负荷-平衡空气压力损失到达预定值时，例如200mm H2O，控制器使加压空气/水自动喷射。
为了维持生物过滤部分中的微生物活性，应维持适于活微生物的温度。因此，温度控制器19与培养基贮槽相连以维持载体层温度在预定水平(即20℃或更高)。这样，蒸汽和电可用作热源。
为促进通过存在于培养基贮槽中的微生物分解VOC，通过环形吹风机18提供空气给培养基贮槽的下面部分。这样设计使培养基贮槽作为通风槽。
对本发明更好的理解可根据下列实施例获得，下列实施例用于阐明，但不用于限制本发明。
实施例1
-负荷-平衡效果和去除从苯乙烯单体贮槽中间断释放的苯乙烯单体
包括负荷-平衡装置和生物过滤部分的生物滤器系统在下表1所示的条件下操作。分析了负荷-平衡效果和苯乙烯单体的去除。结果示于图4。
表1
苯乙烯单体(SM)贮槽和其操作数据的说明 单位 SM贮槽容量 6615 m3 每月SM流入体积 30000 m3/月 SM流入号 11 号/月 流入期 2.73 天 每流入流入SM贮槽的SM体积 2800 m3 流入时间 11.2 小时 流入速度 5.0 m3/分钟 流入中从SM贮槽释放的SM浓度 6580 Ppm
在用吹风机以10m3/分钟吸来自SM贮槽的污染空气的情况中，吹风机在上表所述条件下操作，流进负荷-平衡装置的苯乙烯单体流入浓度约3,290ppm(在18℃)且随后在下次流入前为0ppm。如上间断流入的高浓度苯乙烯单体通过两阶段的负荷-平衡装置减少到小于700ppm，每个阶段有2m3负荷-平衡溶剂体积(脂-可溶性负荷-平衡溶剂Qvesol-O(获得自Q-BioTech公司))。接着苯乙烯单体用大气稀释并以500ppm流入生物滤器。通过负荷-平衡，即使穿过小生物滤器可获得95％或更高的稳定处理效率。因此，空气中含有的苯乙烯单体可用有14m3微生物载体层的生物滤器处理，这是通过在上述条件下使用负荷-平衡装置。
对比例1
对比例1在与实施例1相同条件下进行，除了使用没有负荷-平衡装置的生物滤器系统。结果，需要有70m3微生物载体层，约为实施例1中所用层的5倍，的生物滤器来处理苯乙烯单体流入释放的VOC。
实施例2
-负荷-平衡效果和去除从甲苯贮槽中间断释放的甲苯
包括负荷-平衡装置和生物过滤部分的生物滤器系统在下表2所示的条件下操作。分析了负荷-平衡效果和甲苯的去除。结果示于图5。
表2
甲苯贮槽和其操作数据的说明 单位 甲苯贮槽容量 2000 m3 每天甲苯流入体积 1600 m3/天 甲苯流入号 2 号/周 甲苯流入期 3.5 天 每流入流入甲苯贮槽的甲苯体积 1600 m3 流入时间 6.4 小时 流入速度 4.2 m3/分钟 流入中从甲苯贮槽释放的甲苯浓度 28060 ppm
在用吹风机以4.5m3/分钟吸污染空气的情况中，吹风机在上表所述条件下操作，流进负荷-平衡装置的甲苯流入浓度约26,190ppm(在19.3℃)且随后在下次流入前为0ppm。如上间断流入的高浓度甲苯通过两阶段的负荷-平衡装置减少到小于2400ppm，每个阶段有2m3负荷-平衡溶剂体积(脂-可溶性溶剂Qvesol-O(获得自Q-BioTech公司))。接着甲苯用大气稀释并以500ppm流入生物滤器。
通过负荷-平衡，即使穿过小生物滤器可获得95％或更高的稳定处理效率。这样，所用生物滤器有11m3微生物载体层。
对比例2
对比例2在与实施2相同条件下进行，除了使用没有负荷-平衡装置的生物滤器系统。结果，需要有120m3微生物载体层，约为实施例2中所用层的10倍，的生物滤器来处理甲苯流入释放的VOC。
实施例3
负荷-平衡效果和去除从对二甲苯贮槽中间断释放的对二甲苯
包括负荷-平衡装置和生物过滤部分的生物滤器系统在下表3所示的条件下操作。分析了负荷-平衡效果和对二甲苯的去除。结果示于图6。
表3
对二甲苯(p-X)贮槽和其操作数据的说明 单位 p-X贮槽容量 1800 m3 每天p-X流入体积 1000 m3/天 p-X流入号 1 号/天 p-X流入期 1 天 每流入流入p-X贮槽的p-X体积 1000 m3 流入时间 6.7 小时 流入速度 2.5 m3/分钟 流入中从p-X贮槽释放的p-X浓度 7890 Ppm
在用吹风机以3m3/分钟吸污染空气的情况中，吹风机在上表所述条件下操作，流进负荷-平衡装置的对二甲苯流入浓度约6,580ppm(在17.8℃)且随后在下次流入前为0ppm。如上间断流入的高浓度对二甲苯通过两阶段的负荷-平衡装置减少到小于1,800ppm，每个阶段有2m3负荷-平衡溶剂体积(脂-可溶性溶剂Qvesol-O(获得自Q-BioTech公司))。接着对二甲苯用大气稀释并以500ppm流入生物滤器。
通过负荷-平衡，即使穿过小生物滤器可获得95％或更高的稳定处理效率。所用生物滤器有6m3微生物载体层。
对比例3
对比例3在与实施3相同条件下进行，除了使用没有负荷-平衡装置的生物滤器系统。结果，需要有20m3载体层，约为实施例3中所用层的6倍，的生物滤器来处理对二甲苯流入释放的VOC。
实施例4
负荷-平衡效果和去除从甲基乙基酮贮槽中间断释放的甲基乙基酮(MEK)
包括负荷-平衡装置和生物过滤部分的生物滤器系统在下表4所示的条件下操作。分析了负荷-平衡效果和甲基乙基酮的去除。结果示于图7。
表4
甲基乙基酮(MEK)贮槽和其操作数据的说明 单位 MEK贮槽容量 500 m3 MEK流入号 2 号/天 MEK流入期 3.5 天 每流入流入MEK贮槽的MEK体积 400 m3 流入时间 2.0 小时 流入速度 3.3 m3/分钟 流入中从MEK贮槽释放的MEK浓度 83700 Ppm
在用吹风机以3.5m3/分钟吸污染空气的情况中，吹风机在上表所述条件下操作，流进负荷-平衡装置的甲基乙基酮流入浓度约78,920ppm(在15℃)且随后在下次流入前为0ppm。如上间断流入的高浓度甲基乙基酮通过两阶段的负荷-平衡装置减少到小于2,500ppm，每个阶段有2m3负荷-平衡溶剂体积(水溶性溶剂Qvesol-W(获得自Q-BioTech公司))。接着甲基乙基酮用大气稀释并以500ppm流入生物滤器。
通过负荷-平衡，即使穿过小生物滤器可获得95％或更高的稳定处理效率。所用生物滤器有15m3微生物载体层。
对比例4
对比例4在与实施4相同条件下进行，除了使用没有负荷-平衡装置的生物滤器系统。结果，需要有150m3载体层，约为实施例4中所用层的10倍，的生物滤器来处理甲基乙基酮流入释放的VOC。
实施例5
负荷-平衡效果和去除从苯贮槽中间断释放的苯
包括负荷-平衡装置和生物过滤部分的生物滤器系统在下表5所示的条件下操作。分析了负荷-平衡效果和苯的去除。结果示于图8。
表5
苯贮槽和其操作数据的说明 单位 苯贮槽容量 2700 m3 苯流入号 0.5 号/天 苯流入期 2 天 每流入流入苯贮槽的苯体积 480 m3 流入时间 2.4 小时 流入速度 3.5 m3/分钟 流入中从苯贮槽释放的苯浓度 26230 ppm
在用吹风机以10m3/分钟吸污染空气的情况中，吹风机在上表所述条件下操作，流进负荷-平衡装置的苯流入浓度约9,210ppm(在32℃，苯贮槽是内部浮动顶槽(IFRT))且随后在下次流入前为0ppm。如上间断流入的高浓度苯通过两阶段的负荷-平衡装置减少到小于700ppm，每个阶段有2m3负荷-平衡溶剂体积(脂-可溶性溶剂Qvesol-O(获得自Q-BioTech公司))。接着苯用大气稀释并以500ppm流入生物滤器。
通过负荷-平衡，即使穿过小生物滤器可获得95％或更高的稳定处理效率。所用生物滤器有25m3微生物载体层。
对比例5
对比例5在与实施5相同条件下进行，除了使用没有负荷-平衡装置的生物滤器系统。结果，需要有150m3载体层，约为实施例5中所用层的7倍，的生物滤器来处理苯流入释放的VOC。
工业适用性
因此，通过装有根据本发明负荷-平衡装置的小生物滤器系统，即使当VOC间断产生且产生浓度区别很大时，可稳定处理VOC。常规生物滤器仅可在稳定条件下使用，其中VOC以1000ppm或更小的恒定范围连续产生，但装有VOC负荷-平衡装置的本生物滤器系统使VOC浓度有效控制在预定范围内。因而，在较差释放条件下，可维持微生物稳定活性且系统可小规模设计。此外，通过装于较低载体的加压空气/水喷射元件，生物滤器系统即使长期操作仍可获得稳定处理效率。
本发明以说明方式描述，要理解的是所用术语旨在描述性质而不是限制。本发明的许多修饰和变化根据上述教授是可行的。因此，要理解在所附权利要求书范围中，发明可除具体描述之外进行实践。