生物滴滤器去除VOC的性能及其强化研究

发布时间：2020-11-15 23:23

　　 挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)排放引起的环境污染和对人体健康的危害已引起了人们的普遍关注。VOCs的各种控制技术中,生物过滤法因其技术可靠、成本低廉和环境友好的特点而得到广泛研究和应用。然而,采用生物滴滤器(biotrickling filter, BTF)控制VOCs存在着长期运行时因填料内生物膜的过度蓄积导致性能下降,以及对疏水性VOCs难以进行有效处理的问题。同时,填料对BTF性能也有至关重要的影响。 本研究在实验室里采用两套完全相同的BTF装置(BTF1和BTF2),分别以甲苯和正己烷为模型VOCs,以网状聚氨酯海绵为填料,以城市污水处理厂的活性污泥为接种污泥,分别考察和评价了不同有机负荷、气体空床停留时间(empty bed contact times, EBCTs)、氮源及表面活性剂对其性能的影响,并对长期运行后填料上的生物膜进行了初步分析。本研究中采用气相色谱法监测VOCs浓度,并在每阶段实验中均设置了参考条件以验证的实验的可重复性和可靠性。 以甲苯为模型VOC时,BTF1和BTF2分别以整体柱状和小立方块状聚氨酯海绵为填料,在启动阶段两套BTFs对甲苯的去除效率均随停留时间而升高,BTF1在第19天达到99%以上,而BTF2却需要27天。当甲苯负荷为16g/m3h保持不变时,气体EBCT从30s降至5s时,两套BTFs对甲苯的去除效率分别从98.8%降至64.3%和98.4%降至74.1%。当气体EBCT为30s保持不变时,甲苯负荷从35增到加140g/m3·h时,两套BTFs的去除效率分别从99.1%降至77.4%和99.0%降至81.5%。在其他条件相同时,BTF2在更短的EBCT和或者更高的甲苯负荷条件下均表现出比BTF1更好的性能,而且在整个运行过程中压降更低。两BTFs内过量生物膜被清洗和废弃后,其高性能能在3-7内恢复。 在进口甲苯浓度保持不变时,以NH4CI为唯一氮源,气体EBCT从30s降至15s和7.5s时,BTF1对甲苯的去除效率从98.0%分别降到了57.9%和51.6%。保持甲苯负荷不变,以NaNO3为唯一氮源,气体EBCT从30s降至15、10和7.5s时,BTF1的去除效率从99.0%分别降到了79.8%、70.8%和61.2%。当气体EBCT为30s时,无论以NH4Cl还是以NaNO3为唯一氮源,BTF对甲苯的去除效率都随着进口甲苯负荷的增加而降低。当甲苯负荷低于70g/m3·h,采用NH4Cl为唯一氮源时,BTF具有更好的性能,但是不适合高负荷条件下的氮源。相反,在甲苯负荷高于140g/m3·h时,采取NaNO3为唯一氮源时,BTF2具有更好的性能。长期运行或进行填料清洗后,以NaNO3为唯一氮源的BTF2的性能都能在相当短的时间内恢复到高性能状态,而以NH4Cl为唯一氮源时则不能恢复。 以正己烷为模型VOC时,当气体EBCT为30s保持不变时,当进口有机负荷为15、30和60g/m3·h时,BTF相应的去除效率和去除容量分别为92.9%、86.7%、63.8%和14.3、26.1、39.3g/m3·h。当正己烷浓度为260mg/m3保持不变时,当气体EBCT为别为30s、15s和7.5s时,相应的去除效率和去除容量分别为87.0%、46.4%、31.7%和28.0、28.8、41.0g/m3·h。而且在冲击负荷下,网状聚氨酯填料中形成的生物膜表现了很的抗冲击能力,维持BTF稳定性能。 在营养液中引入Triton X-100,考察了BTF对正己烷在高负荷时的强化去除性能。在进口有机负荷为15g/m3·h时,Triton X-100的浓度为1.0和0.2mL/L,BTF的去除效率分别为40.0%和53.1%；当有机负荷为30g/m3·h时,Triton X-100的浓度为0.2和0.1mL/L,相应的去除效率分别为58.8%和81.7%。当负荷为60g/m3.h和Triton X-100浓度为0.1mL/L,BTF的去除效率达到了83.7%,相比于未引入表面活性剂时提高了20%；当营养液中取消Triton X-100,BTF的去除效率下降并稳定在72.8%。特别重要的是在整个周期(126天)运行中,引入的TritonX-100能很好的控制填料中生物膜的过度蓄积,是一种新的生物膜过度蓄积控制策略。 本论文针对BTF内填料优化、生物膜过度蓄积及控制策略、疏水性有机物处理性能及其强化等重要问题进行了研究,有助于拓宽BTF处理VOCs的适应范围和提供一种新的填料内生物膜过度蓄积的控制策略,有利于深入理解气相生物过滤过程机理,进一步为BTF和聚氨酯海绵填料的实际应用提供理论依据。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：X511
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
插图索引
附表索引
第1章 绪论
    1.1 VOC污染及其处理技术
        1.1.1 VOC排放与控制
        1.1.2 VOC处理技术
    1.2 气相生物过滤技术
        1.2.1 起源及净化原理
        1.2.2 过程机理
        1.2.3 研究现状
        1.2.4 气相生物过滤技术的局限性
    1.3 气相生物反应器及其发展
        1.3.1 生物洗涤器
        1.3.2 传统生物过滤器
        1.3.3 生物滴滤器
        1.3.4 转鼓生物过滤器
        1.3.5 管式生物滴滤器
        1.3.6 多管式生物滴滤器
        1.3.7 两相分离反应器
        1.3.8 气相生物过滤系统设计
    1.4 选题目的、拟研究内容、思路与论文结构
        1.4.1 选题目的
        1.4.2 研究内容
        1.4.3 研究思路
        1.4.5 论文结构
第2章 实验材料与方法
    2.1 引言
    2.2 实验装置及流程
        2.2.1 实验流程
        2.2.2 配气系统
        2.2.3 恒温水浴系统
    2.3 实验材料及试剂
        2.3.1 填料
        2.3.2 模拟VOCs
        2.3.3 营养液
        2.3.4 微生物菌种
    2.4 实验运行方法
        2.4.1 运行周期及参考条件
        2.4.2 BTF摸膜启动
        2.4.3 操作参数控制
    2.5 分析项目及方法
        2.5.1 气相分析仪器
        2.5.2 气相分析条件
        2.5.3 生物膜相分析仪器
        2.5.4 液相分析仪器
    2.6 性能评估方法
第3章 聚氨酯海绵填料生物滴滤器去除甲苯废气性能研究
    3.1 引言
    3.2 材料与方法
        3.2.1 实验装置
        3.2.2 模型挥发性有机物
        3.2.3 聚氨酯海绵填料
        3.2.4 营养液
        3.2.5 接种菌种
        3.2.6 运行周期
        3.2.7 过量生物膜去除方法
        3.2.8 样品分析
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 生物滴滤器启动性能的比较
        3.3.2 生物滴滤器的稳定性、可重复性及重新启动性能
        3.3.3 气体EBCT对生物滴滤器性能的影响
        3.3.4 甲苯负荷对生物滴滤器性能的影响
    3.4 本章小结
第4章 氮源对生物滴滤器性能的影响
    4.1 引言
    4.2 材料与方法
        4.2.1 实验材料
        4.2.2 氮源
        4.2.3 分析方法
        4.2.4 运行周期
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 EBCT对BTF性能影响
        4.3.2 甲苯负荷对BTF性能影响
        4.3.3 压降对BTF性能影响
    4.4 本章小结
第5章 生物滴滤器去除正己烷性能的研究
    5.1 引言
    5.2 材料与方法
        5.2.1 实验材料
        5.2.2 营养液
        5.2.3 分析方法
        5.2.4 运行周期
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 有机负荷对BTF性能的影响
        5.3.2 气体EBCT对BTF性能的影响
        5.3.3 压降变化对BTF性能影响
    5.4 本章小结
第6章 生物滴滤器去除正己烷性能的强化研究
    6.1 引言
    6.2 材料与方法
        6.2.1 实验材料
        6.2.2 营养液
        6.2.3 分析方法
        6.2.4 运行周期
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 表面活性剂浓度对BTF性能的影响
        6.3.2 高负荷下表面活性剂对BTF性能的影响
        6.3.3 压降变化
    6.4 本章小结
结论
参考文献
致谢
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文
附录B 攻读学位期间申请的国家发明专利

【参考文献】

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6 孙玉梅,全燮,杨凤林,陈景文,林清玉;气态有机物组成对生物过滤及菌体密度的影响[J];应用与环境生物学报;2005年01期

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