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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
以活性污泥洗滌法處理排氣中揮發性有機物之研究
Study on the Treatment of Gas-Borne Volatile Organic Compounds
(VOCs) by Bioscrubbing Technologies
計畫編號：NSC90-2211-E-110-002-執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日 主持人：周明顯(國立中山大學環境工程研究所)
一、摘要
本研究探討含揮發性有機物(VOC)排氣生物洗滌塔法及活性污泥池注入法之設 計理論，另驗證活性污泥池注入吸收法之理論。結果顯示，常用 VOC 中，水溶性 高之 VOCs，如低分子量醇、醛、酮、酯、丙烯晴、醋酸乙烯等常用 VOC 適以生 物洗滌塔吸收法處理；水溶性較低之苯、甲苯、二甲苯、乙苯、二氯甲烷、苯乙烯 等則僅適用活性污泥池注入法處理。活性污泥池吸收法處理甲苯及二甲苯之理論驗 證結果與實驗值吻合。 關鍵詞：揮發性有機物、生物處理、活性污泥洗滌法、空氣污染Abstr act
In this report, theoretical design approaches for treatment of gas-borne volatile organic compounds (VOCs) by bioscrubbing technologies were developed based on mass-transfer theories. Results indicate that gas-borne water-soluble VOCs such as low molecular weight alcohols, aldehydes, esters, and ketones can be effectively removed in scrubbing towers or by perging into activated tanks. However, for slightly water-soluble VOCs such as benzene, toluene, xylenes, ethylbenzene, methylene chloride, and vinyl acetate can only be effectively eliminated by directly injecting into activated tanks. Experimental data for treating toluene and xylenes in a pilot-scale activated-sludge tank confirm the developed theoretical approach.
Keywords: toluene, xylenes, VOCs, bioscrubbing, air pollution control
二、緣由與目的
為使排氣生物洗滌法處理系統有一設計依據，以達經濟有效之目的，本研究探討含 揮發性有機物(VOC)排氣生物洗滌塔法及活性污泥池注入法之設計理論，另驗證活性污 泥池注入吸收法之理論。三、設計理論
生物洗滌塔法
參考圖 3.1，在洗滌塔填充層中，流量 G、內含 VOC 濃度 y1的廢氣，流量 L、內含 VOC 濃度x2的經循環液吸收後，廢氣由塔頂流出，其濃度降為 y2，循環液中 VOC 濃度 則增為 x1。經氣液物質平衡，所需吸收塔填充高度可以下式表示： ZT ＝ HEPT×ln[(1－mG/L)×(y1-mx2)/(y2-mx2)+ mG/L]÷[－ln(mG/L)] (1)2 液相中VOC濃度x (mg/m3) z = 0 z z+dz ZT Liquid, L (m3/s) x = x2 Liquid, L (m3/s) x = x1 Gas, G (m3/s) y = y2 Gas, G (m3/s) y = y1 Gyz+dz Gyz Lxz+dz Lxz 氣液接觸 濾材 x2 x1 y2 y1 操作曲線(y-y2)=(L/G)(x-x2) y x y* y1* 平衡曲線y* = mx 氣相中 VOC 濃度 y (mg/m 3 ) y yi x y* x i Gas phase Liquid phase y* = m x yi= m xi 氣液介面之 質量傳輸 在接觸濾材內之氣液質量傳輸 圖 3.1：洗滌塔填充層中之 VOC 吸收操作曲 線及氣液平衡曲線(上)；VOC 在洗滌塔填充 層之質傳及氣液界面質量傳輸(下)
z
= 0
z
z+dz
Z
T Gas, G (m3/s)y
=
y
2 Gas, G (m3/s)y
=
y
1Gy
z+dzGy
z Gas, G (m3/s)y
=
y
1斷面積=A
活性污泥曝氣槽
VOC濃度=
x
圖 3.2：活性污泥池注入法之 VOC 去除模 式及系統示意。G：廢氣注入流量，y：廢 氣中 VOC 濃度，x：活性污泥混合液中中 VOC 濃度，ZT：廢氣注入深度 式(1)中，ZT＝吸收塔填充高度(m)，HETP＝相當於一傳輸板之傳輸單位高度(m)，y1 ＝進入吸收塔底部氣體中 VOC 濃度(mg/m3 )，y2＝由吸收塔頂部排出氣體中 VOC 濃度 (mg/m3)，x2＝進入吸收頂底部液體中 VOC 濃度(mg/m3)，G＝氣體通過吸收塔之流量 (m3/s)，L＝液體通過吸收塔之流量(m3/s)，m＝亨利常數＝y*/x*＝平衡氣相中 VOC 濃度 (mg/m3氣體)/平衡液相中 VOC 濃度(mg/m3液體)。 一般填充濾料之 HETP如表 3.1 所示；一些化學物質在水中之亨利常數值如表 3.2 所 示，亨利常數愈低，水溶性愈佳。 依式(1)，一含苯 1,000 mg/m3之排氣欲以生物洗滌塔吸收處理至<50 mg/m3，若進入 洗滌塔之活性污泥混合液中含苯 0.10 mg/L，設 mG/L＝0.50，使用 50 mm 尺寸濾料(HEPT ＝0.9 m)，則 L/G＝0.46 (m3液體/m3氣體)，填充高度 Z T＝3.78 m。以上計算顯示每 m3 廢氣需用 0.46 m3循環活性污泥洗滌，其液體循環量遠大於一般洗滌之 L/G＝0.001-0.003 (m3液體/m3氣體)。排氣中苯以生物吸收塔去除之方式恐不適用。若上例之 VOC 改為丙 酮，其他條件相同，則 L/G＝0.00206 (m3液體/m3氣體)，填充高度 Z T＝3.05 m，顯示每 m3 廢氣需用 0.00206 m3 循環活性污泥洗滌，其液體循環量已在一般洗滌之 L/G＝ 0.001-0.003 (m3液體/m3氣體)範圍內，排氣中丙酮以生物吸收塔去除之方式應屬適用。 因此，一般適當的 mG/L 如設定為 0.5-0.7，如 L/G 值欲在 0.010 (m3 Liquid/m3 Gas) 以下，則 VOC 之 m 值需小於 0.005-0.007。參考表 3.1，水溶性高(m 值低)之 VOCs，如 低分子量醇、醛、酮、酯、丙烯晴、醋酸乙烯等常用 VOC 適以生物洗滌塔吸收法處理； 苯、甲苯、二甲苯、乙苯、二氯甲烷、苯乙烯等則不適用生物洗滌塔吸收法處理。3
活性污泥池注入法
圖 3.2 為活性污泥池注入法之 VOC 去除模式及系統示意，依該圖及文獻[6]，在系 統中，流量 G、內含 VOC 濃度 y1的廢氣注入內含 VOC 濃度 x 的活性污泥混合液，廢
氣液面流出，其濃度降為 y2。經氣液物質平衡，諸參數之關係可以下式表示：
(y2－mx) ＝ (y1－mx)×exp[－αKLaVOCZT/(mG/A)] (2)
式(1)中，ZT＝氣體注入深度(m)，α＝在活性污泥混合液中之 KLaVOC/(在清水中之
KLaVOC)，KLaVOC＝基於液膜總阻力之 VOC 體積質傳係數。一般而言，α≒1；另外，
KLaVOC與氧氣在水中之體積質傳係數 KLaO2可用下式估算[6]： KLaV O C ＝ KLaO2(DVOC/DO2)n (3) 式(2)中，DVOC＝VOC 在水中之分子擴散係數(m2/s)，DO2＝氧分子在水中之分子擴散係 數(m2 /s)，n＝常數，一般取 0.5。表 3.2 顯示一些化學物質在水中之分子擴散係數值。 依式(2)及(3)，一含苯 1,000 mg/m3之排氣欲以本法處理至<50 mg/m3，若活性污泥 混合液中含苯 0.10 mg/L，設αKLaO2＝15 hr-1，G/A＝20 m3/m2.hr，則注入深度ZT＝1.61 m 顯示曝氣深度 ZT為合理可行之數值。若上例之 VOC 改為丙酮，其他條件相同，則 ZT僅 0.0067 m 即可達 95%之丙酮去除率，活性污泥注入法處理高水溶性 VOCs 僅需極 小之曝氣深度。 表 3.1：一般填充濾料之 HETP [3] 濾料規格 mm (inch) HETP(m) 25 (1.0) 0.4-0.5 38 (1.5) 0.5-0.7 50 (2.0) 0.7-0.9 75 (3.0) 0.9-1.0 表 3.2：一些化學物質在 25℃水中之亨利常數 m 值及擴散係數 DVOC [4] VOC m (m3液體/ m3氣體) D VOC(10-9 m2/s) Benzene 苯 0.23 0.98 Toluene 甲苯 0.273 0.62 Xylene (m) 間二甲苯 0.22 0.78 Xylene (o) 鄰二甲苯 0.22 1.00 Ethyl benzene 乙苯 0.264 0.78 Methanol 甲醇 0.000111 1.64 Propanol (iso) 異丙醇 0.00615 1.04 Cyclohexanol 環己醇 0.000183 0.83 Acetaldehyde 乙醛 0.0039 1.41 Acetone 丙酮 0.00103 1.14
Methyl ethyl ketone 丁酮 0.00178 0.98
Vinyl acetate 醋酸乙烯 0.0254 0.92
Methylene chloride 二氯甲烷 0.131 1.17
Oxygen 氧 2.11 [5]
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四、活性污泥池注入法模式驗證試驗及結果
為驗證活性污泥池洗滌法各種操作參數對甲苯、二甲苯去除率的影響，本研究以一 3 m 深、0.4 m×0.4 m 斷面積的活性污泥池，在四個不同的液位高度(ZT＝0.50、1.10、 1.75、2.25 m)下，分別通入含甲苯y1＝1,033-4,130 mg/m3、二甲苯 y1＝1,623-6,490 mg/m3， 以探討各參數對三種 VOC 去除率的影響。 部分結果如圖 4.1 及 4.2 所示，顯示在 ZT＞1.1 m，各 VOC 去除率均大於 90%。亦 顯示模 式 方 程 式 (2)及 (3)之 適 用 性 。 100 90 80 70 50 0 0.5Submerged liquid depth ZT (m)
VOC Removal % 1.0 1.5 2.0 60 2.5 Influent Toluene 243-1003 ppm as methane G/A = 11.25 m3/m2.hr G = 1.8 m3/hr G/V (ZT=1.5 m) = 0.125 m3/m3.min 圖 4.1：活性污泥池注入法處理排氣中甲苯 (黑點為數據，實線為以αKLaVOC＝5.7 hr-1、 αKLaO2＝10.5 hr-1、x＝0.0 等代入模式方程 式(2)及(3)之計算結果) 100 90 80 70 50 0 0.5
Submerged liquid depth ZT (m)
VOC Removal % 1.0 1.5 2.0 60 2.5 Influent Xylenes 247-1007 ppm as methane G/A = 11.25 m3/m2.hr G = 1.8 m3/hr G/V (ZT=1.5 m) = 0.125 m3/m3.min 圖 4.2：活性污泥池注入法處理排氣中二甲 苯(黑點為數據，實線為以αKLaVOC＝7.23 hr-1，αKLaO2＝10.5 hr-1、x＝0.0 等代入模式 方程式(2)及(3)之計算結果)
五 、 參 考 資 料
1. 行政院環境保護署，揮發性有機廢氣生物處理系統建立及評估，中華民國八十九年 十二月。2. Devinny, J. S., Deshusses, M. A., and Webster, T. S. (1999): Biofiltration for air pollution control, Lewis Publishers, USA, 1999.
3. Perry, R. H. and Green, D. (1984): Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 6th ed.,
McGraw-Hill, Inc., New York, USA, 1984.
4. Eastem Research Group (1997): Final Report: Preferred and Alternative Methods for Estimating Air Emissions from Wastewater Collection and Treatment, Eastem Research Group, Morrisville, North Carolina, USA, 1997.
5. Metcalf & Eddy (1991): Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, and Reuse, 3 rd ed., McGraw-Hill, Inc., New York, USA., 1991.
6. Bielefeldt, A. R. and Stensel, D. D. (1999): Treating VOC-Contaminated Gases in Activated Sludge: Mechanistic Model to Evaluate Design and Performance, Environ. Sci. Technol., 33, 3234-3240.
![圖 3.2 為活性污泥池注入法之 VOC 去除模式及系統示意，依該圖及文獻[6]，在系 統中，流量 G、內含 VOC 濃度 y 1 的廢氣注入內含 VOC 濃度 x 的活性污泥混合液，廢 氣液面流出，其濃度降為 y 2 。經氣液物質平衡，諸參數之關係可以下式表示：](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8769576.211319/3.893.115.774.717.1130/及文獻內含濃度廢氣注入內含濃度活性污泥降為經氣液物質平衡諸.webp)
