气升式生物反应器处理多组分VOCs废气的关键技术研究

发布时间：2018-05-16 03:03

本文选题：多组分VOCs + 气升式生物反应器　；参考：《浙江大学》2017年博士论文

【摘要】：工业有机溶剂使用所排放的挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是我国雾霾天气与光化学臭氧排放的关键诱因之一。工业源排放的VOCs气量大、浓度低,特别适宜使用操作简便、无二次污染的生物技术进行治理控制。生物过滤或滴滤技术是目前最为经济有效的生物技术。但其长期运行后,生物量过分累积、营养物分布不均及湿度条件恶化等会导致去除效果不佳和额外的维修费用。生物洗涤器没有如是问题,且特别适用于亲水VOCs处理。但工业源VOCs排放组分复杂,常含苯系物、含氯烷烃和含氧化合物等不同疏水性、挥发性、生物可降解性和生物毒性的物质,制约着生物洗涤器高效工业化扩大应用。两相分配生物反应器因非水相的添加,不仅能促进疏水VOCs气液传质,而且能保护微生物免于底物毒性、环境波动和操作紊乱,已成功应用于单一疏水性或强毒性VOC的净化。但其应对工业排放的多组分VOCs废气的治理鲜有报道。连续搅拌釜生物反应器是最为常用的生物洗涤器构型,但能耗大是其不可避免的问题。针对以上问题,本研究以气升式生物反应器为反应器构型,以乙酸乙酯、1,2-二氯乙烷、二氯甲烷和甲苯为模拟污染物,从高效降解菌群选育、连续稳态和工况波动工艺表现、过程模拟与优化、微生物信息分析等方面展开了考察研究。以难降解的1,2-二氯乙烷为驯化的模拟污染物,本研究从树脂化工厂的污水处理厂的活性污泥中获得一疏水降解微生物混合菌群,其细胞疏水性为79%,主要由Xanthobacter属(62%)构成。在无外加碳源条件下,初始1,2-二氯乙烷浓度为114.1-1141.5mg·L-1时,疏水降解菌群介导的降解过程能高效进行,脱氯率可达92%。Haldane-Andrews模型动力学参数μmax为0.247h-1,Ks和Ki分别为4.7 g·m-3和10.4g·m-3;均优于已报导菌株或菌群,且符合两相分配生物反应器的理想值。它也能降解乙酸乙酯、二氯甲烷和甲苯。硅油体积比为7%即可保证1,2-二氯乙烷和氧气的增溶效果以及疏水菌群的降解活性。接种疏水降解菌群和添加7%硅油能提高气升式生物反应器的总去除负荷,但矿化率、脱氯率和细胞产率分别为60%、39%和0.19gDCW·gVOCs-1,均低于无硅油体系。在应对工况波动时,两相分配气升式生物反应器的抵抗能力和恢复能力优势明显。气升式生物反应器连续稳定运行过程中,亲水性易降解的乙酸乙酯去除效率可达100%,并不受停留时间的影响。适度疏水难降解的甲苯去除效率由于硅油的添加增加了一倍。无论是否添加硅油,适度疏水甲苯去除效果均优于亲水性的1,2-二氯乙烷。难降解的含氯烷烃去除效果均没有因为硅油的添加而有所提升,虽然这两个物质的液相溶解度均有所增加。本研究首次提出比较最大体积传质速率和最大去除负荷进行生物技术限制过程分析。易降解的乙酸乙酯易受限于物理传质过程,可降解的甲苯和难降解的氯代烷烃则易受限于生物降解过程。因此,在生物反应器操作运行过程中,因考虑VOCs疏水性和生物可降解性进行物理传质和生物降解过程的调控,以保证高效的去除效果。硅油的添加并未引起气升式生物反应器中微生物的功能紊乱和代谢失调。微生物群落结构随着气升式生物反应器的运行操作演替显著,其细胞疏水性也随之改变。多组分VOCs在生物反应器内的净化效果受微生物群落结构及代谢相互作用的影响。微观优势菌群的降解功能和特性与宏观VOCs去除表现相一致。高丰度的特定降解酶能保证高效单一 VOC去除效果。VOCs间相互作用复杂,特别是关键酶的竞争抑制作用,会引发某单一物质降解过程的恶化。这为工程微生物生态系统功能优化以及生物反应器去除表现和设计优化提供了策略性参考。
[Abstract]:This paper deals with the problems of high efficiency industrialization of bio - scrubber , which is the most commonly used biological technology , but it can protect microbes from substrate toxicity , environment fluctuation and operation disturbance .

【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X701

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