生物滴滤器净化疏水性有机废气及其强化研究

发布时间：2020-04-29 17:28

【摘要】：挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)排放已被认为是重要的环境问题之一。近年来,越来越多的VOCs通过人类活动、生物释放等途径进入环境。这些活动所排放的VOCs浓度变化较大,且与雾霾的形成息息相关,对人类健康和生态安全构成了巨大的威胁。因此,VOC的排放已引起了人们的普遍关注。在VOC的处理技术中,生物技术因其成本低廉和环境友好等特点得到了广泛研究和应用。然而,当采用生物滴滤器(biotrickling filters,BTFs)处理VOCs时,BTFs在长期运行过程中存在填料层堵塞和运行性能恶化等问题,而且,由于疏水性VOCs在水中的溶解度较低,且气-液传质速率受到限制,BTFs对疏水性的VOCs的的处理效果不理想。针对上述问题,本研究以疏水性正己烷为模型废气,采用BTFs装置,考察了操作参数、表面活性剂、亲水性VOCs对BTFs去除正己烷的影响,对长期运行后填料上生物膜进行了初步分析,并考察了剩余生物膜的再利用。在BTF长期运行过程中考察了氮源浓度、正己烷进口浓度、温度、气体停留时间(empty bed contact time,EBCT)对其性能的影响,并对长期运行过程中生物膜相组成及表面特性变化进行了分析。结果表明:当进口正己烷浓度保持350 mg m~(-3),停留时间保持30 s不变时,最佳氮源浓度为160 mg N-NO~(3-)L~(-1),在此条件下,正己烷去除效率达到85%。此外,随着进口浓度的增加和停留时间的减小,正己烷的去除效率逐渐减小,但去除能力在增加,且环境温度对BTF的去除性能有很大影响。BTF对正己烷的去除能力(elimination capacity,EC)在进口浓度为900 mg m~(-3),EBCT为30 s时可达到最大值45.4 g m~-33 h~(-1)。BTF在长期运行过程中,生物膜电负性逐渐降低,生物膜分泌的蛋白质在EPS中所占比例最大,其含量呈逐渐增加趋势,其次是多糖,但其含量在BTF运行前期变化明显,后期几乎无变化。EPS含量和蛋白质的增加的变化可能是导致反应体系运行性能恶化的本质原因。在表面活性剂浓度的优化研究中,采用两套相同的BTF装置(BTF 1不加表面活性剂,BTF 2加表面活性剂)进行研究。主要对比分析了三种表面活性剂(SDS,Triton X-100,Tween 20)的分配系数(K)、表面活性剂的生物降解性及毒性,并在正己烷为600 mg m~(-3),停留时间为30 s的实验条件下优化SDS的添加量以及初步分析了表面活性剂对不同填料层生物膜相组成的影响,结果表明:正己烷在SDS中的分配系数最低且均远远低于其在水溶液中的分配系数。SDS可以作为碳源被微生物利用且对微生物没有毒性。在BTFs中,SDS的最佳添加浓度为0.1 CMC,在此浓度条件下,BTFs对正己烷的去除效率(removal efficiency,RE)从原来的50%左右提高到70%左右,相应的去除能力从36 g m~-33 h~(-1)增加到50.4 gm~(-3)h~(-1)。BTF 1第2层填料上生物膜分泌的蛋白质和多糖含量最多,其次是第1层,第3层最少,BTF 2中0.1 CMC SDS存在时,第2层填料上生物膜分泌的蛋白质含量和多糖均高于BTF1中第2层填料。在最佳表面活性剂条件下,研究不同操作参数对BTF性能的影响,并进行了对比分析。当EBCT保持30 s不变,进口正己烷浓度逐步提高到600和850 mg m~(-3)时,相应的有机负荷(loading rate,LR)逐步升到72和102 g m~(-3) h~(-1)。此时,BTF 2的去除效率从67%降到40%,BTF 1的处理效率从53%降到43%。在进口正己烷浓度为200 mg m~(-3)不变的条件下,EBCT从30 s逐渐降低15 s和7.5 s,BTF 1和BTF 2的去除率随EBCT的减少而降低,但在EBCT为7.5 s时,BTF 2的去除效率(60%)要高于BTF 1的去除率(43%)。在亲水性丙酮对疏水正己烷生物降解的影响研究中,正己烷和丙酮的有机负荷变化范围分别为10.7~73.7 g m~(-3) h~(-1)和4.3~148.8 g m~(-3) h,去除率分别在33%~100%和80%~100%之间变化。结果表明,正己烷对丙酮的去除效率没有明显的影响,但是,高浓度的丙酮抑制了正己烷生物降解且可以加快生物膜的生长及过度蓄积。当BTF停止运行12 h后再启动,BTF对正己烷(IR24 g m~(-3)h~(-1))的去除率只有55%左右,加入低浓度的丙酮气体(18 g m~(-3) h~(-1)),正己烷的去除率能迅速恢复到85%~100%。且当填料上多余的生物膜被清洗过后,BTF对正己烷去除性能在24 h后迅速恢复到90%。BTF填料上剩余的生物膜制备的生物吸附剂对重金属废水中的铅离子具有较好的吸附效果。吸附等温线研究过程中,Langmuir等温线能够更好的拟合实验数据,且吸附剂在25℃对铅离子的最大吸附容量可达到160 mg/g。动力学研究表明,生物吸附剂对铅离子的吸附符合准二级动力学方程。热力学研究过程发现,生物吸附及对铅离子吸附过程是热力学自发的过程(△G°0),吸附反应是吸热反应(△H°0),生物吸附剂吸附铅离子的反应增加了固-液界面上物质的无序程度(△S°0)。红外光谱图(fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)分析表明在吸附剂吸附铅离子的过程中,主要发生的是铅离子与吸附剂中特征官能基团之间的键合作用及孔吸附。
【图文】：

生物过滤,过程机理

图 1.3 生物过滤过程机理Fig.1.3 The mechanism of biofiltration生物过滤过程存在两个现象：第一个现象涉及到物质气从气相转移到液相及从液相到微生物相。废气中的的传质与该物质的亨利常数有关。污染物在气相中的

示意图,洗涤器,示意图,降解菌

图 1.4 生物洗涤器示意图Fig. 1.4 Schematics of a bioscrubber unit，，大多数生物洗涤器使用来自污水处理厂的活性污泥作为接的种类繁多，成分复杂，在某些情况下，该反应器还可以种类接种一些优势降解菌。生物洗涤器水利停留时间一般
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X701

【参考文献】