揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compounds, VOCs)排放引起的環(huán)境污染和對(duì)人體健康的危害已引起了人們的普遍關(guān)注。VOCs的各種控制技術(shù)中,生物過(guò)濾法因其技術(shù)可靠、成本低廉和環(huán)境友好的特點(diǎn)而得到廣泛研究和應(yīng)用。然而,采用生物滴濾器(biotrickling filter, BTF)控制VOCs存在著長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)因填料內(nèi)生物膜的過(guò)度蓄積導(dǎo)致性能下降,以及對(duì)疏水性VOCs難以進(jìn)行有效處理的問(wèn)題。同時(shí),填料對(duì)BTF性能也有至關(guān)重要的影響。 本研究在實(shí)驗(yàn)室里采用兩套完全相同的BTF裝置(BTF1和BTF2),分別以甲苯和正己烷為模型VOCs,以網(wǎng)狀聚氨酯海綿為填料,以城市污水處理廠的活性污泥為接種污泥,分別考察和評(píng)價(jià)了不同有機(jī)負(fù)荷、氣體空床停留時(shí)間(empty bed contact times, EBCTs)、氮源及表面活性劑對(duì)其性能的影響,并對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行后填料上的生物膜進(jìn)行了初步分析。本研究中采用氣相色譜法監(jiān)測(cè)VOCs濃度,并在每階段實(shí)驗(yàn)中均設(shè)置了參考條件以驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和可靠性。 以甲苯為模型VOC時(shí),BTF1和BTF2分別以整體柱狀和小立方塊狀聚氨酯海綿為填料,在啟動(dòng)階段兩套BTFs對(duì)甲苯的去除效率均隨停留時(shí)間而升高,BTF1在第19天達(dá)到99%以上,而B(niǎo)TF2卻需要27天。當(dāng)甲苯負(fù)荷為16g/m3h保持不變時(shí),氣體EBCT從30s降至5s時(shí),兩套BTFs對(duì)甲苯的去除效率分別從98.8%降至64.3%和98.4%降至74.1%。當(dāng)氣體EBCT為30s保持不變時(shí),甲苯負(fù)荷從35增到加140g/m3·h時(shí),兩套BTFs的去除效率分別從99.1%降至77.4%和99.0%降至81.5%。在其他條件相同時(shí),BTF2在更短的EBCT和或者更高的甲苯負(fù)荷條件下均表現(xiàn)出比BTF1更好的性能,而且在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中壓降更低。兩BTFs內(nèi)過(guò)量生物膜被清洗和廢棄后,其高性能能在3-7內(nèi)恢復(fù)。 在進(jìn)口甲苯濃度保持不變時(shí),以NH4CI為唯一氮源,氣體EBCT從30s降至15s和7.5s時(shí),BTF1對(duì)甲苯的去除效率從98.0%分別降到了57.9%和51.6%。保持甲苯負(fù)荷不變,以NaNO3為唯一氮源,氣體EBCT從30s降至15、10和7.5s時(shí),BTF1的去除效率從99.0%分別降到了79.8%、70.8%和61.2%。當(dāng)氣體EBCT為30s時(shí),無(wú)論以NH4Cl還是以NaNO3為唯一氮源,BTF對(duì)甲苯的去除效率都隨著進(jìn)口甲苯負(fù)荷的增加而降低。當(dāng)甲苯負(fù)荷低于70g/m3·h,采用NH4Cl為唯一氮源時(shí),BTF具有更好的性能,但是不適合高負(fù)荷條件下的氮源。相反,在甲苯負(fù)荷高于140g/m3·h時(shí),采取NaNO3為唯一氮源時(shí),BTF2具有更好的性能。長(zhǎng)期運(yùn)行或進(jìn)行填料清洗后,以NaNO3為唯一氮源的BTF2的性能都能在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到高性能狀態(tài),而以NH4Cl為唯一氮源時(shí)則不能恢復(fù)。 以正己烷為模型VOC時(shí),當(dāng)氣體EBCT為30s保持不變時(shí),當(dāng)進(jìn)口有機(jī)負(fù)荷為15、30和60g/m3·h時(shí),BTF相應(yīng)的去除效率和去除容量分別為92.9%、86.7%、63.8%和14.3、26.1、39.3g/m3·h。當(dāng)正己烷濃度為260mg/m3保持不變時(shí),當(dāng)氣體EBCT為別為30s、15s和7.5s時(shí),相應(yīng)的去除效率和去除容量分別為87.0%、46.4%、31.7%和28.0、28.8、41.0g/m3·h。而且在沖擊負(fù)荷下,網(wǎng)狀聚氨酯填料中形成的生物膜表現(xiàn)了很的抗沖擊能力,維持BTF穩(wěn)定性能。 在營(yíng)養(yǎng)液中引入Triton X-100,考察了BTF對(duì)正己烷在高負(fù)荷時(shí)的強(qiáng)化去除性能。在進(jìn)口有機(jī)負(fù)荷為15g/m3·h時(shí),Triton X-100的濃度為1.0和0.2mL/L,BTF的去除效率分別為40.0%和53.1%；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為30g/m3·h時(shí),Triton X-100的濃度為0.2和0.1mL/L,相應(yīng)的去除效率分別為58.8%和81.7%。當(dāng)負(fù)荷為60g/m3.h和Triton X-100濃度為0.1mL/L,BTF的去除效率達(dá)到了83.7%,相比于未引入表面活性劑時(shí)提高了20%；當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液中取消Triton X-100,BTF的去除效率下降并穩(wěn)定在72.8%。特別重要的是在整個(gè)周期(126天)運(yùn)行中,引入的TritonX-100能很好的控制填料中生物膜的過(guò)度蓄積,是一種新的生物膜過(guò)度蓄積控制策略。 本論文針對(duì)BTF內(nèi)填料優(yōu)化、生物膜過(guò)度蓄積及控制策略、疏水性有機(jī)物處理性能及其強(qiáng)化等重要問(wèn)題進(jìn)行了研究,有助于拓寬BTF處理VOCs的適應(yīng)范圍和提供一種新的填料內(nèi)生物膜過(guò)度蓄積的控制策略,有利于深入理解氣相生物過(guò)濾過(guò)程機(jī)理,進(jìn)一步為BTF和聚氨酯海綿填料的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。
【學(xué)位單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類(lèi)】：X511
【文章目錄】：
摘要
Abstract
目錄
插圖索引
附表索引
第1章 緒論
    1.1 VOC污染及其處理技術(shù)
        1.1.1 VOC排放與控制
        1.1.2 VOC處理技術(shù)
    1.2 氣相生物過(guò)濾技術(shù)
        1.2.1 起源及凈化原理
        1.2.2 過(guò)程機(jī)理
        1.2.3 研究現(xiàn)狀
        1.2.4 氣相生物過(guò)濾技術(shù)的局限性
    1.3 氣相生物反應(yīng)器及其發(fā)展
        1.3.1 生物洗滌器
        1.3.2 傳統(tǒng)生物過(guò)濾器
        1.3.3 生物滴濾器
        1.3.4 轉(zhuǎn)鼓生物過(guò)濾器
        1.3.5 管式生物滴濾器
        1.3.6 多管式生物滴濾器
        1.3.7 兩相分離反應(yīng)器
        1.3.8 氣相生物過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    1.4 選題目的、擬研究?jī)?nèi)容、思路與論文結(jié)構(gòu)
        1.4.1 選題目的
        1.4.2 研究?jī)?nèi)容
        1.4.3 研究思路
        1.4.5 論文結(jié)構(gòu)
第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法
    2.1 引言
    2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程
        2.2.1 實(shí)驗(yàn)流程
        2.2.2 配氣系統(tǒng)
        2.2.3 恒溫水浴系統(tǒng)
    2.3 實(shí)驗(yàn)材料及試劑
        2.3.1 填料
        2.3.2 模擬VOCs
        2.3.3 營(yíng)養(yǎng)液
        2.3.4 微生物菌種
    2.4 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行方法
        2.4.1 運(yùn)行周期及參考條件
        2.4.2 BTF摸膜啟動(dòng)
        2.4.3 操作參數(shù)控制
    2.5 分析項(xiàng)目及方法
        2.5.1 氣相分析儀器
        2.5.2 氣相分析條件
        2.5.3 生物膜相分析儀器
        2.5.4 液相分析儀器
    2.6 性能評(píng)估方法
第3章 聚氨酯海綿填料生物滴濾器去除甲苯廢氣性能研究
    3.1 引言
    3.2 材料與方法
        3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
        3.2.2 模型揮發(fā)性有機(jī)物
        3.2.3 聚氨酯海綿填料
        3.2.4 營(yíng)養(yǎng)液
        3.2.5 接種菌種
        3.2.6 運(yùn)行周期
        3.2.7 過(guò)量生物膜去除方法
        3.2.8 樣品分析
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 生物滴濾器啟動(dòng)性能的比較
        3.3.2 生物滴濾器的穩(wěn)定性、可重復(fù)性及重新啟動(dòng)性能
        3.3.3 氣體EBCT對(duì)生物滴濾器性能的影響
        3.3.4 甲苯負(fù)荷對(duì)生物滴濾器性能的影響
    3.4 本章小結(jié)
第4章 氮源對(duì)生物滴濾器性能的影響
    4.1 引言
    4.2 材料與方法
        4.2.1 實(shí)驗(yàn)材料
        4.2.2 氮源
        4.2.3 分析方法
        4.2.4 運(yùn)行周期
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 EBCT對(duì)BTF性能影響
        4.3.2 甲苯負(fù)荷對(duì)BTF性能影響
        4.3.3 壓降對(duì)BTF性能影響
    4.4 本章小結(jié)
第5章 生物滴濾器去除正己烷性能的研究
    5.1 引言
    5.2 材料與方法
        5.2.1 實(shí)驗(yàn)材料
        5.2.2 營(yíng)養(yǎng)液
        5.2.3 分析方法
        5.2.4 運(yùn)行周期
    5.3 結(jié)果與討論
        5.3.1 有機(jī)負(fù)荷對(duì)BTF性能的影響
        5.3.2 氣體EBCT對(duì)BTF性能的影響
        5.3.3 壓降變化對(duì)BTF性能影響
    5.4 本章小結(jié)
第6章 生物滴濾器去除正己烷性能的強(qiáng)化研究
    6.1 引言
    6.2 材料與方法
        6.2.1 實(shí)驗(yàn)材料
        6.2.2 營(yíng)養(yǎng)液
        6.2.3 分析方法
        6.2.4 運(yùn)行周期
    6.3 結(jié)果與討論
        6.3.1 表面活性劑濃度對(duì)BTF性能的影響
        6.3.2 高負(fù)荷下表面活性劑對(duì)BTF性能的影響
        6.3.3 壓降變化
    6.4 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
致謝
附錄A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
附錄B 攻讀學(xué)位期間申請(qǐng)的國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利

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