CN201410131Y - 一种纳米光催化等离子生物法除臭系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为一种纳米光催化等离子生物法除臭系统，包括一级净化室和二级净化室，所述一级净化室的出口与二级净化室的进口连接，所述一级净化室内由进口至出口方向依次设置有粗效过滤设备、静电集尘设备、光触媒、等离子净化系统和负离子发生器，所述二级净化室内设置有喷淋雾化器，所述喷淋雾化器将贮存系统内的植物提取液雾化成直径1μm以下的液滴，所述二级净化室的出口连接排风系统。本实用新型具有除臭效果好的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及去除异味技术领域，具体的说是一种纳米光催化等离子生物法除臭方法及全自动异味控制除臭系统。
背景技术
一、生活污水臭气、垃圾臭气分析
1、城市生活垃圾的主要成分有：
城市生活垃圾主要是厨余、果皮约占垃圾总量的三分之二，厨余、果皮类有机物一般以蛋白质、脂肪与多糖类(淀粉、纤维素等)有机物形式存在，这些有机物在好氧、厌氧细菌的作用下发酵、腐烂、分解的过程中，会逐渐产生多种恶臭气体污染物。
反应过程式子简化表示：
城市生活垃圾和污水的主要臭气成分有NH3、CH3SH、H2S等恶臭气体外，还有其它多种恶臭物质存在，如硫醚类及醛类等恶臭物质，但根据这些恶臭物质的物理特性分析，生活垃圾堆积处理过程中产生的恶臭气体物质主要为NH3、CH3SH、H2S，其它的恶臭物质均为液体形式存在。
日本大阪环境科学研究所曾对2000t生活垃圾排放的恶臭污染物强度进行过实验研究，得到恶臭物质的源强为：H2S9.2kg/d、NH368kg/d、CH3SH0.97kg/d。同时根据实验研究，垃圾在装运、卸料过程中、污水在排放的过程中所产生的恶臭物质约占总产生量的60％。
垃圾放置的初期，在好氧菌作用下发生好氧生化反应，使大分子有机物分解，将有机物中的氮和硫转化成硝酸盐(NO3-)、硫酸盐(SO42-)，并有CO2放出。然后，由于放置过程中垃圾压实，孔隙减小，含氧量降低，在第一阶段生成的NO3-和SO42-在厌氧菌的作用下，发生第二阶段的厌氧生化反应，最终生成NH3、CH3SH、H2S和(CH3)2S等恶臭气体，散发到周围环境中，使人们感到臭味。
城市污水处理厂臭气：在运行过程中产生的大致鱼腥臭、氨臭、腐肉臭、腐蛋臭、腐甘蓝臭、粪臭以及某些生产废水的特殊臭味。
二、目前国内常见的传统的处理方法
恶臭污染自身的特点，使得它既有相同于大气污染，以空气为传播介质，通过呼吸系统对人体产生影响，又具有以臭味阈值浓度较低，处理后要求恶臭物质浓度更低甚至为零的个性。这就使得恶臭污染治理有难于一般空气污染的治理。
传统对臭味的处理方法有直接焚烧法、催化剂氧化法、酸碱洗净法、臭氧法、化学反应法、活性炭物理吸附法、生物脱臭法、土壤脱臭法等。下面简单的介绍几种除臭法以作比较：
1、土壤脱臭原理及特点
土壤脱臭机理主要可分为物理吸附和生物分解两类，水溶性恶臭气体(如胺类、硫化氢、低级脂肪酸等)被土壤中的水分吸收去除，而非溶性臭气则被土壤表面物理吸附继而被土壤中微生物分解。
土壤除臭法特点为：一、维护管理费用低，除臭效果与活性炭相当；二、占地多，处理占地为2.5-3.3m2/m3气体；三、不适于多暴雨多雪地区，对于高温、高湿和含水尘等气体须进行预处理。
2、化学反应法除臭
氯气和双氧水方法。
此反应的实际效率受许多因素制约，其中最重要的是有效反应时间和反映持续的时间。
3.生物/活性炭吸附脱臭
3.1工作原理和填料选择
生物脱臭是在适宜条件下利用载体填料比表面积上微生物的作用脱臭，臭气物质先被填料吸收，然后被填料上附着的微生物氧化分解，从而完成除臭过程。为了是微生物保持高活性，必须为之创造一个良好的生存环境，比如：适宜的湿度、pH值、氧气含量、温度和营养成分等。实际生产设计要求载体填料相对湿度保持在80％-95％，所以需经常喷淋原水或初沉池出水以提供水分的营养。
填料选择
生物脱臭塔的最主要部分是填料。一种好的载体填料必须满足：容许生长的微生物种类丰富，为微生物栖息生长提供较大的比表面积，营养成分合理(N、P、K和微量元素)，有好的吸水性，自身无异味，吸附性好，结构均匀，空隙率大，材料易得且价格便宜，耐老化，运行、养护简单。常用的填料有：塑料、半软性塑料、干树皮、干草、纤维性泥炭或其混合物。
脱臭塔填料的堆放高度取决于所要求的停留时间和表面负荷。工程上填料高度一般为1.0-1.2m。如果选择的填料合适，工艺上能做到布气均匀、排除气流短路的话，最低可为0.5m.
3.2活性炭吸附脱臭
活性炭利用多孔的物理特性来吸附空气中的大分子气体及悬浮颗粒，多是通过强制空气循环达到滤净空气的目的，需要定期更换滤芯，实际使用效率不高，不能起根除有害气体的目的。另外，活性炭只能暂时吸附一定的臭气异味，温度、风速升高到一定程度的时候，所吸附的臭气、异味就有可能游离出来，再次进入呼吸空间中，吸附达到饱和不再具有吸附能力时，如不更换过滤材料，其所吸附的臭气、异味、细菌等将随时被释放出来成为隐形炸弹。
水洗吸收法对硫化氢、硫醇等效果较差；药液洗涤吸收法存在二次污染，需进行废水处理，也不合适；直接燃烧法尽管脱臭效果好，但需燃烧设备且燃烧成本高；触媒燃烧法需贵金属作触媒且易老化，成本高，效果也不甚理想；活性碳吸附和臭氧氧化法一次性工程措施相对简单且脱臭效果也较理想，但活性碳吸附的管理费时费力且活性碳再生费用大；采取臭氧氧化法则除了费用高外尚需加强安全措施。
发明内容
本实用新型的目的为提供一种处理效果好的纳米光催化等离子生物法除臭系统。
实现上述目的的技术方案如下：
一种纳米光催化等离子生物法除臭系统，包括一级净化室和二级净化室，所述一级净化室的出口与二级净化室的进口连接，所述一级净化室内由进口至出口方向依次设置有粗效过滤设备、静电集尘设备、光触媒、等离子净化系统和负离子发生器，所述二级净化室内设置有喷淋雾化器，所述喷淋雾化器将贮存系统内的植物提取液雾化成直径1μm以下的液滴，所述二级净化室的出口连接排风系统。
本实用新型对垃圾的除臭率达90％以上，净化率高，本实用新型的方法和设备进行除臭简单有效。
附图说明
图1为本实用新型除臭系统的结构示意图
图2为本实用新型的等离子净化系统的示意图
图3为本实用新型的生物处理的流程图
图4为本实用新型对硫化处理的时间曲线图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，一种纳米光催化等离子生物法除臭系统，包括一级净化室和二级净化室，所述一级净化室的出口与二级净化室的进口连接，所述一级净化室内由进口至出口方向依次设置有粗效过滤网1、静电集尘设备2、光触媒3、等离子净化系统4和负离子发生器5，所述二级净化室内入口处依次设有风速均流板6和粗效过滤层7，二级净化室内设置一、二、三级填料8、9、10，填料上方设有喷淋雾化器11，所述喷淋雾化器通过高压泵12将贮存系统13内的植物提取液泵如喷淋雾化器11，喷淋雾化器11将植物提取液雾化成直径1μm以下的液滴，所述二级净化室的出口连接排风系统14，一级净化室入口连接管道15，管道上接有吸气罩16，所述吸气罩设置在垃圾周围。
本实用新型通过如下步骤来达到除臭目的：
a.预荷电集尘；
b.等离子净化；
c.植物提取液净化，将植物提取液雾化成直径1μm以下的液滴进行净化；
d.纳米光催化净化。
本实用新型是集静电集尘+纳米光催化+等离子于一体，既能有效地去除空气中的粉尘、悬浮颗粒物、可吸入颗粒物，又能有效去除硫化物、氨、醛、酮等有害异味气体物质，达到杀菌、消毒、去除粉尘、清除异味等净化空气的目的。其核心装置等离子空气净化系统的工作原理是：
步骤一1、预荷电集尘过滤器
预荷电集尘是利用极不均匀电场，形成电晕放电，产生等离子体，其中包含的大量电子和正负离子在电场梯度的作用下，与空气中的微粒发生非弹性碰撞，从而附着在上面，使之成为荷电粒子。在外加电场力作用下，荷电粒子向集尘极迁移，最终沉积在集尘极上。其处理过程分为三个阶段：
a.e-+M(气体分子)→M-
b.M-+PM(微粒)→(PMM)-；
c.(PMM)-→PMM(沉积在集尘极上)。
静电集尘是一个物理过程，在这个过程中，对悬浮在空气中直径小于100μm的总悬浮颗粒(TSP)和直径小于10μm可吸入颗粒(PM10)的产生一定的清除效果。
步骤二2、等离子净化系统
等离子反应段工作时能产生高能量、高浓度的离子群，其中正离子能穿透细菌细胞壁，深入细胞壁内部，破坏细胞电解质的平衡，损坏细胞膜，导致细菌的迅速死亡。
该系统能够产生大量等离子体，高频放电产生瞬间高能量，能打开一些分子键很紧密的有害异味气体分子的化学键，使其分解成单质原子或无害分子；等离子体中包含大量的高能电子、离子、激发态粒子和具有强氧化性的氢氧自由基，这些活性粒子的平均能量高于气体分子的键能，它们和有害气体分子发生频繁的碰撞，打开气体分子的化学键，同时还会产生大量的OH、HO2、O等自由基和氧化性极强的O3，它们与有害气体分子发生化学反应生成无害产物。在化学反应过程中，添加适当的催化剂，能使分子化学键松动或削弱，降低气体分子的活化能从而加速化学反应。
等离子体中的化学反应主要是通过气体高压放电产生的高能电子激发来完成的。这些高能电子、粒子、离子、氢氧自由基与异味气体分子碰撞，使气体分子激发到更高的能级。被激发到高能级的分子，由于其内能的增加，既可以发生键的断裂也可以与其他特种发生化学反应。典型的反应类型如表1所示。
表1
从表1中可以看到，非平衡等离子体是使分子活化的有效方法，它能使几乎所有的分子激发、电离和自由基化、产生大量的活性基团e。这些活性物种使得在通常条件下难以实现的反应可以很容易地在等离子体系统中完成。尤其对空气污染物的脱除、可以在很短的时间内使其甚至完全分解。
等离子体分解空气污染物可过以下两种途径进行：
a.高能级电子直接作用于污染物分子
e-各种碎片分子
b.高能级电子间接作用于污染物分子
e-+O2(N2，H2O)→2O(N，N.，.OH)+污染物分子中性分子
表2：各种氧化剂的氧化电位
| 氧化剂 | 氧化电位(伏特) | 相对氧化电位(对数值) |
| 氢氧根自由基 | 2.80 | 2.05 |
| 氧原子 | 2.42 | 1.78 |
| 臭氧 | 2.07 | 1.52 |
| 双氧水 | 1.77 | 1.30 |
| 双氧自由基 | 1.70 | 1.25 |
| 次氯酸 | 1.49 | 1.10 |
| 氯气 | 1.36 | 1.00 |
以上说明，等离子体产生的能量远远大于传统的臭氧和双氧水，能够把以上物质无法净化的残余的垃圾臭气的分子键强有力的击断，破坏分子结构，从而达到清除异味气体。
从表1中可以看到，非平衡等离子体是使分子活化的有效方法，它能使几乎所有的分子激发、电离和自由基化、产生大量的活性基团e。这些活性物种使得在通常条件下难以实现的反应可以很容易地在等离子体系统中完成。尤其对空气污染物的脱除、可以在很短的时间内使其甚至完全分解。
等离子体分解空气污染物可能过以下两种途径进行：
a.高能级电子直接作用于污染物分子
各种碎片分子
b.高能级电子间接作用于污染物分子
e-+O2(N2，H2O) 2O(N，N.，.OH)+污染物分子中性分子
负离子发生，增加空气维生素。
在产生等离子体的同时，也产生大量负离子，若将这些负离子释放到室内空间，由一方面能调节空气离子平稳；另一方面，还能有效地清除空气中的污染物。高浓度的负离子同空气中的有毒化学物质和病菌悬浮颗粒物相碰撞使其带负电。这些带负电的颗粒物会吸引其周围带正电的颗粒物(包括空气中的细菌、病毒、孢子等)，从而积聚增大。积聚过程一直持续到颗粒物的质量足以使它降落到地面为止。
步骤三3、生物法。
本实用新型除味剂含有反应活性很高的功能团化合物和萜类化合物，经本实用新型雾化器雾化成直径为1um以下的气体分子。液滴具有很大的比表面积，具有很大的表面能。平均每摩尔约为几十千卡。这个数量级的能量已是许多元素中键能的1/3-1/2。溶液的表面不仅能有效地吸咐在空气中的异味分子，同时也能使被吸附的异味分子的立体构型发生改变，削弱了异味分子中的化合键，使得臭气分子的不稳定性增加，容易与其他分子进行化学反应。由于直径小，比表面积增大，比表效应增加，具有很强的活性。分布在污染区域的空中，如在垃圾堆上方喷洒，这些物质会与垃圾臭气分子发生碰撞，并在碰撞中产生化学位移。这类化合物不稳定，很容易进一步分解成对人体无害物质。
具有反应活性的功能团和萜类化合物可用于氧化还原反应：在该类物质与硫化物分子进行碰撞时，可氧化负二价的硫，产生萜基硫化物。这类化合物不稳定，很容易进一步分解为硫酸根离子。例如：在生成硫化氢的各种垃圾处理场所，用本实用新型天然植物提取液消除其异味就属这一类反应。
本实用新型除味剂能与胺类CH3NH2，(CH3)3N，氨臭(氨NH3)、腐蛋臭(硫化氢H2S)、腐甘蓝臭、有机硫化物CH3(2S)、粪类C8H5NHCH3等有机物反应。在本实用新型除味剂中的物质含有羟基。因为氧的电负性大于碳，在键中氧是显示负电荷，而碳是正电荷。带正电荷的碳是亲电性的容易受到亲核进攻。这就是含有羰基的化合物能与亲核的化合物反应的原因。如：胺类CH3NH2，(CH3)3N，氨臭(氨NH3)、腐蛋臭(硫化氢H2S)、腐甘蓝臭、有机硫化物CH3(2S)、粪类C8H5NHCH3。这些化合物正是垃圾臭气的主要组成。羟基也是极性很大的基团，所以醇可以与醛类反应，生成不严格的、称为半缩醛分子。醇也能与有机酸反应，一些有机酸也是臭气的组成之一。
3.2本实用新型除味天然植物提取液净化原理
本实用新型的植物提取液为从萜类物质中提取。可通过专用提炼设备中萃取得到。
垃圾臭气成分大都是胺类CH3NH2，(CH3)3N，氨臭(氨NH3)、腐蛋臭(硫化氢H2S)、腐甘蓝臭、有机硫化物CH3(2S)、粪类C8H5NHCH3，带有活性基团的这些物质被液相吸收后，特别易被生物氧化，当活性基团被氧化后，恶臭气味就消失了。臭气经本实用新型除味天然植物提取液分解后，产物不一样。如含氮的臭气，经除味剂的氨化作用后，分解为NH3，NH3又通过亚硝化细菌、硝化细菌的作用，进一步氧化为稳定的无味的化合物；而含硫的臭气经除味剂分解后产生H2S，H2S可以被被进一步氧化分解。
在本实用新型天然植物提取液中所含的有效分子是来自于植物的提取液，它们大多含有多个共轭双键体系，具有较强的提供电子对的能力，这样又增加了异味分子的反应活性。
吸附在本实用新型天然植物提取溶液的表面的臭气分子与空气中的氧气接触，此时的臭气分子因上述两种原因使得它的反应活性增大，改变了与氧气反应的机理，从而可以在常温下与氧气发生反应。
综合以上阐述，垃圾中的臭气分子被分散在空间的天然植物提取液液滴吸附，在常温压下发生催化氧化反应生成无味无毒的分子，如氮气、水、硫酸根离子等。本实用新型天然植物提取液与臭气分子的反应可以从几方面来讲。
(1)酸碱反应
如本实用新型除味植物提取液中含有生物碱，它可以与胺类CH3NH2，(CH3)3N，氨臭(氨NH3)、腐蛋臭(硫化氢H2S)、腐甘蓝臭、有机硫化物CH3(2S)、粪类C8H5NHCH3等多种臭气气体分子反应。与一般酸碱反应不同的是，一般的碱是有毒的，不可食用的，不能生物降解。而本实用新型天然植物提取液是能生物降解的。
(2)催化氧化反应
如胺类，氨臭(氨NH3)、腐蛋臭(硫化氢H2S)、腐甘蓝臭、有机硫化物CH3(2S)、粪类C8H5NHCH3，在一般情况下，不能与空气中的氧进行氧化反应。但在本实用新型除味天然植物提取液中有效成分的催化作用下，可与空气中的氧发生反应。以油脂加入天然植物提取液后在碱性条件下的反应为例，天然植物提取液的除臭原理为：
R-OH
R’-OH+3NaOH生成(无条件)RNa+R’Na+R”Na+3水
R”-OH
硫化氢反应：
R+H2S H2O→RH++HS-
HS-+O2+H2O→SO42-+OH-
OH-+RH+H2O→R+H2O
式中：R为植物液组分，H2S为硫化氢成分，OH-为氢氧根离子(碱性介质)
氨气的反应方程为：
R-NH2+NH3→R-NH2++N2+H2O
R-COOH+NH3→RCOOH4
式中R-NH2为植物液组分(一个胺基的载体)，NH3为气态氨，OH-为氢氧根离子(碱性介质)
(3)从热力学的角度来分析
经过本实用新型雾化喷头雾化的本实用新型除味液滴，其中直径在1um以下，在这种情况下，液滴的表面能以达到一些有机化合物键能的五分之一和三分之一。在这种情况下，足以破坏臭气分子中的键，使它们不稳定，易分解。
(4)吸附与溶解
植物液中的一些糖类物质可吸附并溶解臭气中的异味分子。
(5)脂化反应
植物液中的单宁类物质可以同异味分子发生脂化或脂交换反应，从而去除异味或生成具有芳香的物质。由于臭气的组分千变万化，非常复杂，所以我们植物液的除臭机理也是臭气中的主要组成成分，进行有针对性地处理。因其先进的技术和科学的方法，真正意义上做到了绿色、环保，既不会影响人体健康，对环境也不会造成二次污染。
(6)氧化还原反应
醛类物质具有氧化性，在本实用新型天然植物提取液中有的有效分子具有还原性。它们可以直接进行反应。
与醛类和氨类的的反应：H
R-NH2+HCHO R-NH2+H-C＝O CO2+H2O
R-NH2+NH3 R-NH2+N2+H2O
3.3本实用新型天然植物提取液的组成：
在本实用新型技术中，所使用的天然植物提取液是一系列植物提取液复配而成的，这些植物提取液含有气味的有机物，它们是从树、草和花等植物中提取的。这些有味的有机物化合物含有大量的复杂的化合物，它们都是绝大多数植物油的主要成分，
3.4本实用新型生物法--天然植物提取液分解臭气分子的机理
利用本实用新型天然植物提取液进行除臭是一种广泛使用的安全有效的方法，在本实用新型技术中，天然植物分解垃圾臭气分子的机理可以表述如下：
表3本实用新型垃圾除味液与部分臭气分子的反应
| 序号 | 臭气分子 | 与本实用新型垃圾除味液反应 |
| 1 | 丙硫醇 | 分解反应 |
| 2 | 戊硫醇 | 分解反应 |
| 3 | 氨 | 酸碱、聚合反应 |
| 4 | 苯硫醇 | 分解反应 |
| 5 | 丁胺 | 酸碱、聚合反应 |
| 6 | 尸胺(1，5-戊二胺) | 酸碱、聚合反应 |
| 7 | 氯气 | 氧化还原反应 |
| 8 | 氯苯 | 分解反应 |
| 9 | 丁烯硫醇 | 分解反应 |
| 10 | 丁二胺 | 酸碱、聚合反应 |
| 11 | 二异丙胺 | 酸碱、聚合反应 |
| 12 | 二甲胺 | 酸碱、聚合反应 |
| 13 | 二甲硫 | 分解反应 |
| 14 | 二苯硫 | 分解反应 |
| 15 | 乙胺 | 酸碱、聚合反应 |
| 16 | 乙硫醇 | 分解反应 |
| 17 | 硫化氢 | 分解、酸碱反应 |
| 18 | 吲哚 | 酸碱、聚合反应 |
| 19 | 甲胺 | 酸碱、聚合反应 |
| 20 | 甲硫醇 | 分解反应 |
| 21 | 异丁硫醇 | 分解反应 |
| 22 | 腐胺(1，4-丁胺) | 酸碱、聚合反应 |
| 23 | 吡啶 | 酸碱、聚合反应 |
| 24 | 粪臭素(3-甲基吲哚) | 酸碱、聚合反应 |
| 25 | 二氧化硫 | 氧化还原反应 |
| 26 | 三丁硫醇 | 分解反应 |
| 27 | 三乙胺 | 酸碱、聚合反应 |
| 28 | 甲苯硫酚 | 分解反应 |
| 29 | 苯硫酚 | 分解反应 |
| 30 | 苯乙烯单体 | 吸附 |
表4几种除臭方法对比
| 方法 | 优、缺点 |
| 活性炭吸附法 | 对乙醇类、脂肪类硫醇有效适用大风量低浓度臭气有效负荷变动影响小再生费用大、花时间对高浓度处理不利，臭气通过阻力大 |
| 离子交换树脂法 | 适用范围广要频繁再生 |
| 对高浓度臭气不利 | |
| 直接燃烧法 | 脱臭效果好，达到90％构造简单、维护容易氧气不足时，将造成不完全燃烧燃烧费用高在燃烧中有产生NOx的危险 |
| 氧化法 | 对硫化氢、甲基硫醇、二甲硫醚、胺类、醛类等都很有效臭氧用量少，运转管理容易对氨效果差，须与水洗、活性碳并用 |
步骤四4、光催化技术。
本实用新型光催化空气净化系统，在宽波普光子波发生器与专有特殊金属催化媒介的作用及控制下，产生氢氧离子、超级氧离子、过氧化氢及纯态负氧离子，能迅速有效杀灭空气中超过99％以上的细菌、病毒和霉菌，并化解空气中的VOC化学气体、可吸入颗粒物及异味，净化完成后净化气体迅速被还原为氧气和氢气，无任何化学残留物质，不产生二次污染物，对人体和环境无害。
五、实例
该污水处理厂处理能力约为164*104m3/d。研究表明，预处理构筑物中的硫化物有两大主要来源：NORs和NCOs收集系统(每个系统流入的H2S占处理厂总负荷的45％)。气候温和时系统内的液相硫化物浓度约为3-5mg/L，进入预处理构筑物洗涤器的硫化物浓度约为150-200mg/L.化学药剂投加点及其停留时间见图3.
研究结果表明：进入初沉池洗涤器的H2S浓度降低50％-90％，这主要取决于投药比例。投加植物液后环境恶臭大量减少，二级处理设施中的传氧速率也明显增加。
从图4中可以看到，高浓度的硫化氢通过本实用新型CHO-91纳米光催化等离子生物异味控制系统时，净化时间越长，浓度就越低。可以持续将垃圾臭气逐步净化干净。
Claims (1)
1.一种纳米光催化等离子生物法除臭系统，其特征是：包括一级净化室和二级净化室，所述一级净化室的出口与二级净化室的进口连接，所述一级净化室内由进口至出口方向依次设置有粗效过滤设备、静电集尘设备、光触媒、等离子净化系统和负离子发生器，所述二级净化室内设置有喷淋雾化器，所述喷淋雾化器将贮存系统内的植物提取液雾化成直径1μm以下的液滴，所述二级净化室的出口连接排风系统。
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