本文關鍵詞：臭氧對VOC生物濾塔長期運行性能及微生物特性的影響

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【摘要】：生物濾塔是一種高效的揮發(fā)性有機物(VOC)處理技術。近年來的研究表明,持續(xù)通入臭氧可有效控制生物濾塔中的生物量,從而提升生物濾塔的短期運行性能。然而,對于臭氧能否提升濾塔長期運行性能及其對塔中微生物群落的影響,還有待進一步研究。本論文中,建立了兩套平行的生物濾塔小式裝置用于處理甲苯氣體,在空塔停留時間為40 s,進口甲苯濃度為800-1300 mg/m3的條件下連續(xù)運行了45-160 d,在其中一個濾塔進口連續(xù)通入200 mg/m3臭氧,在整個運行過程中考察了兩套濾塔去除性能以及微生物群落特性的變化。在整個運行期間,兩套濾塔對甲苯的去除率在50-90%波動,并未表現(xiàn)出顯著差異,這個結果證明了通入臭氧不會對生物濾塔長期運行性能造成不利影響。在運行末期,在空塔氣速為16-32 m/h條件下,加入臭氧的生物過濾塔的壓降為20-60 mmH_2O,而未加入臭氧的對照濾塔的壓降為40-120 mmH_2O,這表明加入臭氧有利于降低壓降,從而提高濾塔的長期運行穩(wěn)定性。在運行期間,通入臭氧生物濾塔中的微生物濕重在275g左右波動,而對照濾塔的微生物濕重則一直升高至450 g。碳平衡分析結果表明,加入臭氧濾塔的CO_2產生量和滲出液碳輸出量占比與對照塔相比顯著升高,解釋了臭氧控制生物量的原因。模型分析結果表明,臭氧可以和惰性菌體進行反應,促進惰性菌體轉化為CO_2和溶解性代謝產物。基于共聚焦顯微和細胞染色技術,在6周時間內考察了生物濾塔中生物膜特性的變化。結果表明,加入臭氧可顯著降低生物膜厚度。此外,對照塔中活性細胞和類革蘭氏陽性細胞的比例在運行期間呈下降趨勢,而加入臭氧可以顯著提升生物膜中活性細胞以及類革蘭氏陽性細胞的比例。PMA-qPCR結果也表明,通入臭氧后濾塔中活性細胞比例顯著增加。基于Miseq高通量測序技術分析了生物濾塔中微生物群落結構隨時間變化。結果表明,過濾塔中的細菌主要屬于變形菌門、放線菌門、擬桿菌門等。在通入臭氧的過濾塔中的優(yōu)勢菌為產黃桿菌屬(Rhodanobacter),而對照過濾塔中的優(yōu)勢菌為假單胞屬(Pseudomonas)。Biolog實驗結果表明,加入臭氧并未改變長期運行后條件下過濾塔中微生物的代謝特性。以上結果對于理解臭氧對生物過濾塔長期運行性能的影響及機理提供了依據,同時也證明了投加臭氧是一項高效的生物量控制和過濾塔長效運行技術。
【關鍵詞】：揮發(fā)性有機物 生物濾塔 長期性能 臭氧 微生物群落
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X701
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-18
• CHAPTER 1 INTRODUCTION18-38
• 1.1 Research background18-25
• 1.1.1 Air pollution18
• 1.1.2 Volatile Organic Compounds (VOCs)18-20
• 1.1.3 Biofilter, an efficient biological system to control VOCs20-22
• 1.1.4 Bed clogging and ozone injection22-25
• 1.2 Literature review25-35
• 1.2.1 Effect of ozone on the long-term performance of biofilter25-28
• 1.2.2 Effect of ozone on the biomass content in biofilter28-29
• 1.2.3 Effect of ozone on the microbial community structure inside biofilter29-31
• 1.2.4 Effect of ozone on the microbial activity in biofilter31-32
• 1.2.5 Ozone-tolerant microorganisms32-35
• 1.3 Research opportunities35
• 1.4 Research objectives and contents35-36
• 1.5 Road map36-38
• CHAPTER 2 RESEARCH METHODOLOGY38-50
• 2.1 Experiment configuration38
• 2.2 Inoculation and operation conditions of biofilters38-40
• 2.3 Analysis of toluene removal performance40-41
• 2.3.1 Toluene removal efficiency40-41
• 2.3.2 The pressure drop41
• 2.4 Analysis of biomass and carbon balance41-43
• 2.4.1 Biofilter biomass detection41
• 2.4.2 CO_2 detection41-42
• 2.4.3 Detection of total carbon (TC) in leachate42
• 2.4.4 The carbon balance analysis42-43
• 2.5 Biofilm charavteristics43-45
• 2.5.1 Long-term exposure of biofilm in the biofilter to ozone43-45
• 2.5.2 Short term exposure of biofilm to ozone45
• 2.6 Analysis of microbial community structure and functions45-50
• 2.6.1 Total plate count46
• 2.6.2 DNA extraction and PMA treatment procedure46-47
• 2.6.3 The microbial viability detected by PMA-q PCR47-48
• 2.6.4 Microbial community structure by Miseq high throughput sequencing48-49
• 2.6.5 Metabolic characteristics by Biolog test49-50
• CHAPTER 3 EFFECT OF OZONE ON LONG-TERM PERFORMANCE OF BIOFILTERS50-58
• 3.1 The operating conditions of the biofilter50-52
• 3.1.1 Temperature and humidity50-51
• 3.1.2 pH51-52
• 3.2 Toluene inlet loading of biofilters52-53
• 3.3 Effect of ozone on long-term toluene removal efficiency53-55
• 3.4 Effect of ozone on pressure drop of long-term biofilter55-57
• 3.5 Chapter summary57-58
• CHAPTER 4 EFFECT OF OZONE ON BIOMASS ACCUMULATION AND CARBON BALANCE58-65
• 4.1 Effect of ozone on the biomass growth58-59
• 4.2 Effect of ozone on the CO_2 mineralization59-60
• 4.3 Effect of ozone on the total carbon in the leachate60-61
• 4.4 Effect of ozone on carbon balance in long-term biofilter61-64
• 4.5 Chapter summary64-65
• CHAPTER 5 MODELLING BIOMASS ACCUMULATION WITH AND WITHOUT OZONE INJECTION65-72
• 5.1 Model development65-66
• 5.2 Model solution and calculation66
• 5.3 Parameter estimation66-68
• 5.3.1 X_(at)_0 and X_(it)_066-67
• 5.3.2 β, Y, and b67
• 5.3.3 r67
• 5.3.4 0_ι67-68
• 5.3.5 k_(0_3,bio)68
• 5.4 Model verification68-71
• 5.5 Chapter summary71-72
• CHAPTER 6 EFFECT OF OZONE ON THE CHARACTERISTICS OF BIOFILM BY CLSM72-85
• 6.1 Long time exposure of biofilm in the biofilter to ozone72-82
• 6.1.1 Characteristics of biofilm grown on input glass slide72-75
• 6.1.2 Characteristics of biofilm grown on perlite packing media75-76
• 6.1.3 Transformation of cell viability and Gram category predominance76-77
• 6.1.4 Transformation of biofilm thickness77-78
• 6.1.5 Quantitative analysis of cell viability transformation78-79
• 6.1.6 Quantitative analysis of Gram-typed cell transformation79-82
• 6.2 Short time exposure of biofilm to ozone82-84
• 6.2.1 Effects of 200 mg/m~3 on toluene removal biofilm82-83
• 6.2.2 Effects of 400 and 800 mg/m~3 on toluene removal biofilm83-84
• 6.3 Chapter summary84-85
• CHAPTER 7 EFFECT OF OZONE ON MICROBIAL COMMUNITY STRUCTURE AND FUNCTIONS85-100
• 7.1 Effect of ozone on microbial cell viability85-89
• 7.1.1 The analysis by total plate count approach85-86
• 7.1.2 The analysis by quantitative polymerase chain reaction86-89
• 7.2 Effect of ozone on the microbial community structure89-95
• 7.3 Effect of ozone on metabolic characteristics95-98
• 7.4 Chapter summary98-100
• CHAPTER 8 CONCLUSIONS AND SUGGESTIONS100-103
• 8.1 Conclusions100-102
• 8.2 Suggestions102-103
• REFERENCES103-110
• ACKNOWLEDGEMENTS110-112
• RESUME112-113
• PUBLISHED PAPERS113

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本文編號：1014423