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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
以活性污泥曝氣池洗滌法處理排氣中
揮發性有機物之研究(I)
Study on the Treatment of Gas-Borne Volatile Organic Compounds
(VOCs) by An Activated Sludge Aeration Tank (II)
計畫編號：NSC
89-2211-E-110-001-執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
主持人：周明顯(國立中山大學環境工程研究所)
研究助理：張筱瑜(國立中山大學環境工程研究所)
一 、 中 文 摘 要
本 研 究 將 分 別 含 250 - 1,000 ppm (as methane) 之 甲 苯 及 對 二 甲 苯 之 空 氣 通 入 一 活 性 污 泥 池 (0.4 m ×0.4 m×3.0 mH)中，以 試 驗 活 性 污 泥 池 吸 收 法 處 理 排 氣 中 甲 苯 及 對 二 甲 苯 之 可 行 性 。 結 果 顯 示 ， 在 氣 體 空 塔 流 速 0.00104-0.00312 m/s (相 當 於 每 平 方 公 尺 截 面 積 之 通 氣 量 62-187 公 升 )、污 泥 濃 度 2,000 mg/L 之 操 作 條 件 下 ， 氣 泡 經 1.1 m 以 上 深 度 之 活 性 污 泥 池 液 ， 供 試 VOCs 之 去 除 率 即 大 於 90 %。在 此 深 度 以 上 ， VOC 去 除 率 與 氣 體 空 塔 流 速 及 入 流 氣 體 中 VOC 濃 度 相 關 性 不 大 。 關 鍵 詞 ： 丁 酮 、 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 paper, a pilot-scale activated-sludge tank with 3 m in liquid depth and 0.4×0.4 m in cross-sectional area was used as a bioscrubber to study the treatability of gas-borne toluene and p-xylene. Effects of liquid depth (Z), superficial gas velocity
(U0), volumetric loading (L), and influent
gas VOC concentration (C0) on the VOC
removal efficiency and elimination capacity were tested. Results indicate that with activated sludge concentrations of around
2,000 mg/L, VOC removal efficiencies of over 90% were obtained with U0 =
0.00104-0.00312 m/s, C0 = 250-1,000 ppm
(as methane), and Z > 1.1. m. VOC
removal efficiencies are not closely related to C0 and U0 when Z > 1.10 m.
Keywords: Toluene, Xylene, Volatile Organic Compounds, Bioscrubbing, Activated Sludge, Air Pollution Control
二 、 緣 由 與 目 的
目 前 對 於 含 揮 發 性 有 機 空 氣 污 染 物 (VOCs)的 控 制 技 術 ， 大 約 可 分 類 為 (1) 物 理 方 法 ： 吸 附 、 薄 膜 分 離 ； (2)化 學 方 法 ： 加 熱 焚 化 、 觸 煤 轉 換 、 化 學 氧 化 ； (3)生 物 方 法 ： 活 性 污 泥 法 、 生 物 洗 滌 塔 、 生 物 滴 濾 法 、 生 物 濾 床 等 4。 利 用 活 性 污 泥 池 洗 滌 法 處 理 排 氣 中 VOCs 之 文 獻 有 限 ， 如 在 Croonenberghs 等 (1994)1 及 Ramsey and McDermott(1995)分 別 將 活 性 污 泥 混 合 液 通 入 填 充 塔 ， 以 生 物 洗 滌 法 去 除 排 氣 中 之 乙 醇 及 油 漆 溶 劑 成 分 ， 但 此 研 究 僅 為 初 步 之 性 能 試 驗 ； 另 外 在 Hammervold R.E.(2000)3： 使 用 一 座 三 層 式 傳 統 生 物 洗 滌 塔 ， 以 未 加 PAC 與 加 入 PAC 之 活 性 污 泥 分 別 加 以 測 試 ， 結 果 顯 示 使 用 PAC 可 改 善 去 除 效 率 ； 在 DeHollander G.R.(1998)2 使 用 單2 段 式 懸 浮 生 物 洗 滌 塔 ， 進 行 排 氣 中 甲 醇 的 處 理 操 作 性 能 試 驗 。 然 關 於 活 性 污 泥 處 理 排 氣 中 VOCs 的 相 關 研 究 仍 然 有 限 。 本 研 究 探 討 以 生 物 活 性 污 泥 懸 浮 液 處 理 棑 氣 中 甲 苯 、 二 甲 苯 之 效 率 ， 並 對 去 除 影 響 去 除 效 率 的 各 種 操 作 因 素 分 別 加 以 探 討 ， 以 利 實 際 處 理 之 用 。
三 、 材 料 及 方 法
試 驗 系 統 設 計 如 圖 1 所 示 ， 為 一 座 活 性 污 泥 槽 (0.40 m×0.40 m× 3.0 mH，總 容 積 480 公 升 )及 一 套 供 試 氣 體 供 應 系 統 。 槽 內 底 部 設 四 支 散 氣 管 ， 每 支 散 氣 管 上 有 五 個 2mm 直 徑 之 曝 氣 孔 。 另 槽 體 設 有 進 、 出 氣 氣 體 採 樣 點 各 一 5。 供 應 之 甲 苯 (toluene) 、 二 甲 苯 (p-xylene) 分 別 以 純 度 99.5 ﹪ 及 99 ﹪ 的 溶 劑 ， 倒 入 密 封 錐 型 瓶 中 ， 利 用 鼓 風 機 之 氣 體 將 甲 苯 、 二 甲 苯 溶 劑 揮 發 出 來 一 並 注 入 活 性 污 泥 槽 中 。 實 驗 開 始 時 ， 於 槽 內 置 200 公 升 活 性 污 泥 ( 國 喬 石 化 公 司 終 沈 池 之 迴 流 污 泥 ) 為 植 種 ， 高 度 維 持 在 2.25 m ， 以 濃 度 150~250 ppm as methane 進 行 馴 養。馴 養 期 間，每 日 添 加 營 養 作 份 ， 使 進 入 活 性 污 泥 混 合 液 之 化 學 物 質 質 量 比 維 持 於 BOD： N： P=100： 5： 1， 污 泥 濃 度 控 制 約 2000 mg/L，F/M = 0.3 BOD/g MLSS.d， 開 始 進 行 實 驗 。 試 驗 項 目 為 ： (1) 在 不 同 進 氣 VOC 濃 度 之 處 理 效 率；(2)不 同 液 位 高 度 及 不 同 曝 氣 強 度 ( 氣 體 空 塔 流 速 )之 處 理 效 率 。 VOCs 進 氣 濃 度 分 別 為 250~1000 ppm as methane， 液 位 高 度 分 別 為 2.25、1.75、1.10、0.50 m ， 每 個 高 度 再 以 三 個 不 同 的 曝 氣 強 度 進 行 試 驗 ； 每 個 濃 度 操 作 至 穩 定 後 1 小 時 為 限 。 分 析 項 目 為 ： (1) 污 泥 MLSS 、 (2) 污 泥 溫 度 、 (3)pH 值 、 (4)進 氣 及 出 氣 口 VOC 濃 度 (以 攜 帶 型 FID 測 得 ， 每 五 分 鐘 記 錄 一 次 )。 分 析 方 法 為 ： (1)污 泥 濃 度 ： 取 定 量 (20 mL)污 泥 混 合 液 ， 經 105℃ 乾 燥 之 玻 璃 纖 維 濾 紙 (4.7 cm dia., Whitman Co.)過 濾 後，在 105℃ 乾 燥 至 定 重 量 後 稱 量 計 算 之 ； (2)氣 體 樣 中 VOC： 以 手 提 式 GC-FID 連 續 監 測 。 表 1： 營 養 鹽 配 製 表 以 污 泥 濃 度 MLSS = 2000 mg/L 為 控 制 濃 度，為 使 食 微 比 F /M = 0.3 g BOD/g MLSS.d、BOD：N：P＝ 100： 5： 1， 每 公 升 活 性 污 泥 混 合 液 之 每 日 營 養 鹽 添 加 量 為 ： 成 份 添 加 量 (g/L.d) Glucose 0.45 KH2PO4 0.021 NH4Cl 0.055 (NH4)2SO4 0.045四 、 結 果 與 討 論
在 C0 = 948-1042 ppm (as methane) ， 氣 體 中 甲 苯 、 二 甲 苯 去 除 率 (Removal %) 隨 水 位 高 度 (Z) 及 氣 體 空 塔 流 速 (U0) 之 變 化 ， 如 圖 2 及 圖 3 所 示 。 數 據 顯 示 在 氣 體 空 塔 流 速 0.00104-0.00312 m/s(相 當 於 每 平 方 公 尺 截 面 積 之 通 氣 量 62-187 公 升 )、污 泥 濃 度 2,000 mg/L 之 操 作 條 件 下 ， 氣 泡 經 1.1 m 以 上 深 度 之 活 性 污 泥 池 液 ， 供 試 VOCs 之 去 除 率 即 大 於 90 %。 在 C0 = 250-1,000 ppm (as methane)、Z = 1.10 m、U0 = 0.00312 m/s，氣 體 中 甲 苯 、二 甲 苯 去 除 率 隨 C0之 變 化 ， 如 圖 4 所 示 。 數 據 顯 示3 在 深 度 Z = 1.10 m 以 上 ， VOC 去 除 率 與 氣 體 空 塔 流 速 及 入 流 氣 體 中 VOC 濃 度 相 關 性 不 大 。
五 、 結 論
本 研 究 將 分 別 含 250 - 1,000 ppm (as methane) 之 甲 苯 及 對 二 甲 苯 之 空 氣 通 入 一 活 性 污 泥 池 (0.4 m ×0.4 m×3.0 mH)中，以 試 驗 活 性 污 泥 池 吸 收 法 處 理 排 氣 中 甲 苯 及 對 二 甲 苯 之 可 行 性 。 結 果 顯 示 ， 在 氣 體 空 塔 流 速 0.00104-0.00312 m/s、 污 泥 濃 度 2,000 mg/L 之 操 作 條 件 下 ， 氣 泡 經 1.1 m 以 上 深 度 之 活 性 污 泥 池 液 ， 供 試 VOCs 之 去 除 率 即 大 於 90 %。 在 此 深 度 以 上 ， VOC 去 除 率 與 氣 體 空 塔 流 速 及 入 流 氣 體 中 VOC 濃 度 相 關 性 不 大 。 1 0.0 m 3 1. Air from a blower 2. Air blower 3. Water bath 4. Gas flowmeter 5. Liquid VOC 6. Air sparger 7. Gas sampling port 8. Activated sludge column 9. Vent gas 1.5 m 3.0 m 4 6 8 9 2 5 7 7 圖 1： 試 驗 用 氣 體 供 應 系 統 及 活 性 污 泥 槽 (0.4 m×0.4 m×3.0 m H)示 意 C0= 966-1042 ppm, Toluene Liquid Depth (m) 0 1 2 R e m o v a l % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 U0= 0.00312 m/s U0= 0.00104 m/s U0= 0.00208 m/s 圖 2：氣 體 中 甲 苯 去 除 率 (Removal %) 隨 水 位 高 度 (Z) 及 氣 體 空 塔 流 速 (U0) 之 變 化 (C0 = 966-1042 ppm, as methane) C0= 948-990 ppm,p-Xylene Liquid Depth (m) 0 1 2 R e m o v a l % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 U0= 0.00312 m/s U0= 0.00104 m/s 圖 3：氣 體 中 二 甲 苯 去 除 率 (Removal %) 隨 水 位 高 度 (Z) 及 氣 體 空 塔 流 速 (U0)之 變 化 (C0 = 948-990 ppm, as methane)4 Removal % vs.C0atU0= 0.00312 m/s C0(ppm as methane) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 R e m o v a l % 80 90 100 p-Xylene Toluene 圖 4：氣 體 中 VOC 去 除 率 (Removal %)隨 進 氣 VOC 濃 度 (C0)之 變 化 (Z = 1.10 m， U0 = 0.00312 m/s)
六 、 參 考 資 料
1.Croonenberghs, J. and Varani, F. (1994): Use of bioscrubber to control ethanol emissions, Proc.87th Annual Meeting ＆ Exhibition, Air ＆ Waste Manage. Assoc.,
Cincinnati, Ohio, June 19-24.
2.DeHollander G. R., Overcamp, T. J., Grady, Jr., C. P. L. (1998): Performance of suspended-growth bioscrubber for the control of methanol, J. Air ＆ Waster Manage. Assoc., 48, 872-876.
3.Hammervold R. E., Overcamp, T. J., Grady, C. P. L. Jr., and Smets, B. F. (2000): A sorptive slurry bioscrubber fir the control of acetone, J. Air & Waste Manage Assoc., 50,
954-960. 4.張 家 豪，「 纖 維 床 生 物 反 應 器 處 理 甲 苯 氣 體 之 研 究 」 碩 士 論 文 ， 國 立 中 央 大 學 環 境 工 程 研 究 所 (1999)。 5.周 明 顯、程 健 源，「 以 活 性 污 泥 曝 氣 池 洗 滌 法 處 理 排 氣 中 硫 化 氫 之 研 究 」，第 十 六 屆 空 氣 污 染 控 制 技 術 研 討 會 論 文 集 ， 桃 園 ， 第 675-679 頁 (1999)。
