揮發(fā)性有機物(volatile organic compounds, VOCs)排放引起的環(huán)境污染和對人體健康的危害已引起了人們的普遍關注。VOCs的各種控制技術中,生物過濾法因其技術可靠、成本低廉和環(huán)境友好的特點而得到廣泛研究和應用。然而,采用生物滴濾器(biotrickling filter, BTF)控制VOCs存在著長期運行時因填料內生物膜的過度蓄積導致性能下降,以及對疏水性VOCs難以進行有效處理的問題。同時,填料對BTF性能也有至關重要的影響。 本研究在實驗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,分別考察和評價了不同有機負荷、氣體空床停留時間(empty bed contact times, EBCTs)、氮源及表面活性劑對其性能的影響,并對長期運行后填料上的生物膜進行了初步分析。本研究中采用氣相色譜法監(jiān)測VOCs濃度,并在每階段實驗中均設置了參考條件以驗證的實驗的可重復性和可靠性。 以甲苯為模型VOC時,BTF1和BTF2分別以整體柱狀和小立方塊狀聚氨酯海綿為填料,在啟動階段兩套BTFs對甲苯的去除效率均隨停留時間而升高,BTF1在第19天達到99%以上,而BTF2卻需要27天。當甲苯負荷為16g/m3h保持不變時,氣體EBCT從30s降至5s時,兩套BTFs對甲苯的去除效率分別從98.8%降至64.3%和98.4%降至74.1%。當氣體EBCT為30s保持不變時,甲苯負荷從35增到加140g/m3·h時,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,BTF2在更短的EBCT和或者更高的甲苯負荷條件下均表現(xiàn)出比BTF1更好的性能,而且在整個運行過程中壓降更低。兩BTFs內過量生物膜被清洗和廢棄后,其高性能能在3-7內恢復。 在進口甲苯濃度保持不變時,以NH4CI為唯一氮源,氣體EBCT從30s降至15s和7.5s時,BTF1對甲苯的去除效率從98.0%分別降到了57.9%和51.6%。保持甲苯負荷不變,以NaNO3為唯一氮源,氣體EBCT從30s降至15、10和7.5s時,BTF1的去除效率從99.0%分別降到了79.8%、70.8%和61.2%。當氣體EBCT為30s時,無論以NH4Cl還是以NaNO3為唯一氮源,BTF對甲苯的去除效率都隨著進口甲苯負荷的增加而降低。當甲苯負荷低于70g/m3·h,采用NH4Cl為唯一氮源時,BTF具有更好的性能,但是不適合高負荷條件下的氮源。相反,在甲苯負荷高于140g/m3·h時,采取NaNO3為唯一氮源時,BTF2具有更好的性能。長期運行或進行填料清洗后,以NaNO3為唯一氮源的BTF2的性能都能在相當短的時間內恢復到高性能狀態(tài),而以NH4Cl為唯一氮源時則不能恢復。 以正己烷為模型VOC時,當氣體EBCT為30s保持不變時,當進口有機負荷為15、30和60g/m3·h時,BTF相應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。當正己烷濃度為260mg/m3保持不變時,當氣體EBCT為別為30s、15s和7.5s時,相應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。而且在沖擊負荷下,網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。 在營養(yǎng)液中引入Triton X-100,考察了BTF對正己烷在高負荷時的強化去除性能。在進口有機負荷為15g/m3·h時,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%；當有機負荷為30g/m3·h時,Triton X-100的濃度為0.2和0.1mL/L,相應的去除效率分別為58.8%和81.7%。當負荷為60g/m3.h和Triton X-100濃度為0.1mL/L,BTF的去除效率達到了83.7%,相比于未引入表面活性劑時提高了20%；當營養(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周期(126天)運行中,引入的TritonX-100能很好的控制填料中生物膜的過度蓄積,是一種新的生物膜過度蓄積控制策略。 本論文針對BTF內填料優(yōu)化、生物膜過度蓄積及控制策略、疏水性有機物處理性能及其強化等重要問題進行了研究,有助于拓寬BTF處理VOCs的適應范圍和提供一種新的填料內生物膜過度蓄積的控制策略,有利于深入理解氣相生物過濾過程機理,進一步為BTF和聚氨酯海綿填料的實際應用提供理論依據(jù)。
【學位單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：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
        1.1.1 VOC排放與控制
        1.1.2 VOC處理技術
    1.2 氣相生物過濾技術
        1.2.1 起源及凈化原理
        1.2.2 過程機理
        1.2.3 研究現(xiàn)狀
        1.2.4 氣相生物過濾技術的局限性
    1.3 氣相生物反應器及其發(fā)展
        1.3.1 生物洗滌器
        1.3.2 傳統(tǒng)生物過濾器
        1.3.3 生物滴濾器
        1.3.4 轉鼓生物過濾器
        1.3.5 管式生物滴濾器
        1.3.6 多管式生物滴濾器
        1.3.7 兩相分離反應器
        1.3.8 氣相生物過濾系統(tǒng)設計
    1.4 選題目的、擬研究內容、思路與論文結構
        1.4.1 選題目的
        1.4.2 研究內容
        1.4.3 研究思路
        1.4.5 論文結構
第2章 實驗材料與方法
    2.1 引言
    2.2 實驗裝置及流程
        2.2.1 實驗流程
        2.2.2 配氣系統(tǒng)
        2.2.3 恒溫水浴系統(tǒng)
    2.3 實驗材料及試劑
        2.3.1 填料
        2.3.2 模擬VOCs
        2.3.3 營養(yǎng)液
        2.3.4 微生物菌種
    2.4 實驗運行方法
        2.4.1 運行周期及參考條件
        2.4.2 BTF摸膜啟動
        2.4.3 操作參數(shù)控制
    2.5 分析項目及方法
        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 實驗裝置
        3.2.2 模型揮發(fā)性有機物
        3.2.3 聚氨酯海綿填料
        3.2.4 營養(yǎng)液
        3.2.5 接種菌種
        3.2.6 運行周期
        3.2.7 過量生物膜去除方法
        3.2.8 樣品分析
    3.3 結果與討論
        3.3.1 生物滴濾器啟動性能的比較
        3.3.2 生物滴濾器的穩(wěn)定性、可重復性及重新啟動性能
        3.3.3 氣體EBCT對生物滴濾器性能的影響
        3.3.4 甲苯負荷對生物滴濾器性能的影響
    3.4 本章小結
第4章 氮源對生物滴濾器性能的影響
    4.1 引言
    4.2 材料與方法
        4.2.1 實驗材料
        4.2.2 氮源
        4.2.3 分析方法
        4.2.4 運行周期
    4.3 結果與討論
        4.3.1 EBCT對BTF性能影響
        4.3.2 甲苯負荷對BTF性能影響
        4.3.3 壓降對BTF性能影響
    4.4 本章小結
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 實驗材料
        5.2.2 營養(yǎng)液
        5.2.3 分析方法
        5.2.4 運行周期
    5.3 結果與討論
        5.3.1 有機負荷對BTF性能的影響
        5.3.2 氣體EBCT對BTF性能的影響
        5.3.3 壓降變化對BTF性能影響
    5.4 本章小結
第6章 生物滴濾器去除正己烷性能的強化研究
    6.1 引言
    6.2 材料與方法
        6.2.1 實驗材料
        6.2.2 營養(yǎng)液
        6.2.3 分析方法
        6.2.4 運行周期
    6.3 結果與討論
        6.3.1 表面活性劑濃度對BTF性能的影響
        6.3.2 高負荷下表面活性劑對BTF性能的影響
        6.3.3 壓降變化
    6.4 本章小結
結論
參考文獻
致謝
附錄A 攻讀學位期間所發(fā)表的學術論文
附錄B 攻讀學位期間申請的國家發(fā)明專利

【參考文獻】

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本文編號：2885335