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垃圾填埋气中微量挥发性有机物的净化技术

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  1前言

  垃圾填埋气(LFG)是填埋场的最终产物之一。作为一种新兴的清洁能源,世界上20多个国家每年从中回收的能量约相当于200万吨原煤资源[1]。除用作发电,锅炉燃料,管道供气外,较新的LFG利用途径还包括用作汽车的替代燃料,生产甲醇或者燃料电池等[2]。除主要组分CH4、CO2、N2等外,Young等[3]在英国3个填埋场的空气中,共检测出154种微量挥发性有机物(VOCs),其总体积浓度小于1%,有116种在各填埋场中均可检到。邹世春等[4]对广州大田山填埋场LFG的测定结果表明,在检测出的氯代烃类、苯系物、氯代烃等60多种VOCs中,有17种属于USEPA优先控制的污染物。实践表明,这些含量低、毒性大的微量VOCs不仅会造成二次污染、危害人类健康[5];其中的卤代烃和硫化物等还能引起的腐蚀,降低锅炉和内燃机的操作寿命,并对填埋气的燃烧特性施加不利影响[6]。近年来,发达国家颁布了不少法令,限制VOCs的排放,并积极需求有效的净化技术;我国新近颁布的《填埋气利用国家行动方案》中,基于保护环境和回收资源考虑,也明确提出了控制填埋气中微量VOCs的要求。

  2填埋气中VOCs净化的常规技术

  依据其存在形式,填埋气中的VOCs可分为两部分:少部分未经收集、即从垃圾填埋表面散逸到空气中,这可通过改善覆盖材料、增加收集井、采用植被吸收等预防性措施减少或消除;绝大部分VOCs经浓缩后与CH4一起贮存、需通过深度冷凝、吸附净化、溶剂吸收、膜分离、生物过滤、催化燃烧等一种或多种物理、化学或生化工艺进行末端治理。目前,围绕填埋气中微量有害的VOCs,国内外采用的常规净化技术主要有:

  2.1深度冷凝

  冷凝是利用各种VOCs在不同温度和压力下具有不同的饱和蒸气压,通过降低温度或增加压力,使某些有机物首先凝结出来。该法常作为净化填埋气中VOCs前处理,以降低有机负荷。冷凝法在理论上可达到很高的净化程度,但是当其浓度低于约4.5×10-7mol/L时,需采取深度冷冻,这将使运行成本大大提高。硅氧烷是可引起内燃机严重磨损的杂质组分,Martin等[7]将过滤后的LFG冷却到-23℃,使其蒸汽发生深度冷凝,经干燥和净化分离后,硅氧烷即可除去。Markbreiter等[8]先将填埋气压缩至一台加压罐,通过等焓膨胀冷凝其中的水蒸气;然后向气体中注入甲醇,使其深度制冷;在甲醇冷凝液中,即包含有从深度制冷的填埋气中脱除的VOCs杂质组分,经杂质分离脱除后的气体,则可作进一步处理。

  2.2吸附净化

  吸附净化是通过吸附剂对气体组分的选择性吸附来实现的。可净化VOCs的吸附剂有活性炭、硅胶、分子筛等,其中活性炭因其价廉易得、较大的表面积、良好的微孔结构、多样的吸附效果、较高的吸附容量和高度的表面反应性等特征,应用最为广泛[9]。该技术具有净化效率高、可回收有用成分、设备简单、操作方便等优点,适用于处理低浓度(≤5000mg/m3(标))的VOCs废气[10]。吸附效果取决于吸附剂性质、VOCs种类、浓度、性质和吸附系统的操作温度、湿度、压力等因素,常与吸收、冷凝、催化燃烧等方法联合使用。存在的问题主要是:在吸附剂定期再生和更换的过程中,VOCs有散逸的可能;吸附操作对进气湿度有较高要求,当相对湿度超过60%时,苯系化合物等VOCs的穿透时间和吸附容量迅速下降[11];由于全过程的复杂性,吸附操作费用相对较高,且会有废弃吸附剂和再生废液等引起的二次污染问题[12]。

  2.3溶剂吸收

  溶剂吸收是采用低挥发或不挥发溶剂对VOCs进行吸收,再利用有机分子和吸收剂物理性质的差异进行分离的VOCs控制技术,吸收效果主要取决于吸收剂的吸收性能和吸收设备的结构特征。存在的问题主要是:对吸收剂和吸收设备要求较高,而且吸收剂需要定期更换,过程较复杂,费用较高。Troost等[13]在0℃以下将填埋气通过四乙醇二甲醚溶液,使其中的VOCs被溶液吸收,使用过的溶剂可通过加热脱除其中的挥发性有机物,得以再生。另据报道[14],NHD(聚乙二醇二甲醚)溶剂具有良好的脱硫脱碳性能,对填埋气中的部分VOCs有较好的脱除效果。


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