碳筒化学过滤器在污水处理厂除臭系统的优化设计

引言

随着城市化进程的加快和环境保护意识的增强，污水处理厂作为城市基础设施的重要组成部分，其运行过程中产生的恶臭问题日益受到关注。恶臭不仅影响周边居民的生活质量，还可能对工作人员的健康造成危害。因此，如何有效控制污水处理厂的恶臭污染成为当前环保领域的重要课题之一。

在众多除臭技术中，碳筒化学过滤器因其高效、稳定、操作简便等优点，逐渐成为污水处理厂除臭系统中的主流设备之一。该设备通过物理吸附与化学反应相结合的方式，能够有效去除空气中的硫化氢（H₂S）、氨气（NH₃）及挥发性有机化合物（VOCs）等恶臭气体成分。

本文将围绕碳筒化学过滤器在污水处理厂除臭系统中的应用展开讨论，重点分析其工作原理、结构组成、性能参数、选型计算方法以及优化设计策略，并结合国内外相关研究成果进行综合分析，以期为工程实践提供理论支持和技术指导。

一、碳筒化学过滤器的工作原理

1.1 基本原理概述

碳筒化学过滤器是一种集物理吸附与化学反应于一体的空气净化装置。其核心组件为填充有活性炭或其他化学填料的滤筒，通过以下几种机制实现恶臭气体的去除：

物理吸附：利用多孔材料的高比表面积对气体分子进行吸附；
化学反应：某些填料表面负载特定化学试剂（如氧化剂、催化剂），可与恶臭气体发生化学反应，生成无害产物；
催化转化：部分填料具有催化活性，可促进恶臭气体在常温下的氧化或还原反应。

1.2 主要去除对象

恶臭气体种类	化学式	来源	臭味阈值（ppb）
硫化氢	H₂S	厌氧消化、污泥处理	0.5
氨气	NH₃	生物脱氮、污泥浓缩	5
甲硫醇	CH₃SH	有机物腐败	0.001
二甲基硫醚	(CH₃)₂S	微生物代谢	0.01
挥发性有机物	VOCs	多种来源	不定

资料来源：EPA, WHO, 国家生态环境部《恶臭污染物排放标准》GB14554-93

二、碳筒化学过滤器的结构与类型

2.1 结构组成

典型的碳筒化学过滤器主要由以下几个部分构成：

壳体：通常采用玻璃钢、不锈钢或聚丙烯材质，耐腐蚀、抗老化；
滤筒组件：包括滤芯支架、填料层（活性炭+化学药剂）；
进/出风口：连接风管系统，确保气流均匀分布；
压差监测装置：用于监控滤材阻力变化；
控制系统：自动化控制启停、报警等功能。

2.2 分类方式

分类依据	类型	特点说明
填料类型	单一活性炭型	成本低，但对某些气体去除率不高
	活性炭+化学药剂复合型	吸附与化学反应协同作用，去除效率高
安装形式	模块化组合型	易于扩容、维护，适合大型污水处理厂
	立式/卧式安装	根据现场空间布置选择
运行方式	连续运行型	适用于连续排放工况
	间歇运行型	适用于间歇性排放或小规模项目

资料来源：《环境工程手册——大气污染控制卷》，清华大学出版社；Kamal M., et al., Chemical Engineering Journal, 2020

三、关键性能参数与选型计算

3.1 性能指标

参数名称	单位	参考范围	测定方法
空塔风速	m/s	0.5~1.2	风速计测量
接触时间	s	≥1.5	滤层厚度/空塔风速
压力损失	Pa	200~800	差压传感器
去除效率（H₂S）	%	≥95	气相色谱法
去除效率（NH₃）	%	≥85	离子色谱法
更换周期	h 或月	2000~6000	实际运行数据统计
能耗	kW·h/m³	≤0.2	功率计

资料来源：国家城镇建设行业标准CJ/T 476-2015；王文东等，《水处理技术》，2019年第47卷第5期

3.2 设计选型计算公式

（1）处理风量计算

$$
Q = frac{V_{text{车间}} times n}{t}
$$

其中：

$ Q $：所需处理风量（m³/h）
$ V_{text{车间}} $：除臭区域体积（m³）
$ n $：换气次数（一般取6~10次/h）
$ t $：运行时间（h）

（2）滤材填充量估算

$$
M = rho times A times L
$$

其中：

$ M $：填料质量（kg）
$ rho $：填料堆积密度（kg/m³）
$ A $：滤筒横截面积（m²）
$ L $：滤层厚度（m）

（3）更换周期估算

$$
T = frac{M times C}{q times C_0}
$$

其中：

$ T $：更换周期（h）
$ C $：填料吸附容量（g/g）
$ q $：气体流量（m³/h）
$ C_0 $：入口浓度（mg/m³）

四、优化设计策略

4.1 材料选择优化

不同类型的活性炭与化学添加剂组合会影响去除效果。例如：

填料组合	适用气体种类	去除效率（%）	备注
普通椰壳炭	H₂S、VOCs	70~80	成本低，寿命短
碘浸渍活性炭	H₂S、NH₃	90~95	具有催化氧化作用
改性沸石+KMnO₄	NH₃、有机胺类	85~90	对碱性气体吸附能力强
活性氧化铝+NaOH	酸性气体（如H₂S）	90~97	需定期再生

资料来源：Zhou et al., Journal of Hazardous Materials, 2021；百度百科“活性炭”词条

4.2 结构设计优化

气流均布设计：采用导流板、蜂窝状进风结构，减少涡流与死角；
模块化设计：便于后期扩容与维护；
自动反吹清灰系统：延长滤材使用寿命，降低运行成本；
智能监控系统：集成PLC控制、远程通讯、故障报警等功能。

4.3 控制逻辑优化

控制功能	实现方式	效果描述
压差报警	压差传感器+继电器	提醒更换滤材
浓度反馈控制	在线气体检测仪+变频风机	动态调节风量，节能降耗
自动切换备用系统	电磁阀+双系统并联	保证连续运行
数据记录与分析	SCADA系统	提供运维决策依据

五、案例分析与比较

5.1 案例一：某市污水处理厂A项目

处理规模：30万m³/d
处理工艺：生物滴滤池 + 碳筒化学过滤器
设计参数：
- 总风量：20000 m³/h
- 空塔风速：0.8 m/s
- 接触时间：2.5 s
- 去除效率：H₂S >95%，NH₃ >90%
运行结果：年更换滤材2次，能耗0.18 kW·h/m³

5.2 案例二：国外某污水厂B项目（德国）

处理规模：50万m³/d
处理工艺：化学洗涤 + 活性炭吸附
设计参数：
- 总风量：30000 m³/h
- 去除效率：H₂S >98%，NH₃ >95%
运行特点：模块化设计，自动监控系统完善，年维护成本较低

项目对比	中国A项目	德国B项目
投资成本	较低	较高
运行稳定性	良好	非常稳定
自动化程度	中等	高
维护频率	2次/年	1次/年
去除效率	高	极高

资料来源：德国联邦环境署（UBA）报告；《中国给水排水》2022年第12期

六、发展趋势与研究热点

6.1 新型填料开发

近年来，纳米材料、金属有机框架（MOFs）、改性硅胶等新型吸附材料的研究不断深入，未来有望替代传统活性炭，提升去除效率与使用寿命。

6.2 智能化升级

结合物联网（IoT）、大数据分析等技术，构建智慧除臭系统，实现远程监控、故障预警、能耗优化等功能。

6.3 多级耦合处理工艺

单一技术难以满足复杂气体组分的治理需求，未来趋势是采用“预处理+生物处理+化学吸附+UV光解”等多级串联工艺，提高整体去除效率。

七、结论（略）

参考文献

国家环境保护总局. GB14554-93 恶臭污染物排放标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 1993.
CJ/T 476-2015 城镇污水处理厂除臭技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.
王文东, 张伟. 污水处理厂除臭技术现状与发展趋势[J]. 水处理技术, 2019, 47(5): 1-6.
Kamal M.S., Razzak S.A., Hossain M.M. Catalytic oxidation of volatile organic compounds (VOCs) – A review[J]. Atmospheric Environment, 2016, 140: 117-134.
Zhou Y., Li X., Zhang H., et al. Recent advances in adsorption materials for odor control: A review[J]. Journal of Hazardous Materials, 2021, 413: 125387.
EPA. Odor and Air Quality Fact Sheet Series: Hydrogen Sulfide (H2S)[R]. Washington DC, USA, 2020.
UBA. Emission Control at Wastewater Treatment Plants[R]. Berlin: German Federal Environment Agency, 2021.
百度百科. 活性炭[EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/%E6%B4%BB%E6%80%A7%E7%82%B9/235658.html
清华大学环境学院. 环境工程手册——大气污染控制卷[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2018.
中国给水排水杂志社. 中国给水排水[J]. 2022年第12期.