（环境工程专业论文）表面活性剂强化生物滴滤塔对氯苯净化的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 生物法是净化v o c 废气经济有效的方法，但由于很多挥发性有机物难溶于水， 在传质过程中存在较大阻力。因此，本课题采用表面活性剂对生物滤床的性能进行强 化，以氯苯为目标污染物，选择十六烷基三甲基溴化铵( c t m a b ) ，十二烷基磺酸钠 ( s d s ) 、十二烷基苯磺酸钠( s d b s ) 和吐温8 0 四种表面活性剂，分别测定其表面张力、 污染物的气水比，并以恶臭假单胞菌p p u t i d a 作为实验菌种，研究表面活性剂对该菌 种的毒性，据此对表面活性剂进行筛选，并确定表面活性剂的最优添加浓度。并将表 面活性剂添加于生物滴滤塔中，研究其对滤床性能的影响，并建立了动力学模型进行 预测。 表面活性剂的筛选试验结果表明：s d s 和t w e e n 8 0 对微生物的毒性较小，能够促 进p p u t i d a 降解氯苯。s d s 和t w e e n 8 0 的c m c 值分别为1 5 0 0 和1 3 0m g l ：它们对 p p u t i d a 的最适宜生存的浓度分别为3 0 和5 0m g 1 。s d s 和t w e e n 8 0 在3 0 m g l 的浓度 下，可以分别使水溶液的表面张力从7 2 m n m 降至6 8 和5 0 m n m ，在此浓度下，氯 苯在气相和液相的分配系数分别为0 0 5 和0 0 4 m g l 1 髀。m g l 一脚i d ，并且它们对微生 物的生长有促进作用。 生物滴滤塔的运行结果表明：s d s 和t w e e n 8 0 能够显著提高生物滴滤塔的净化效 果，并且缩短滴滤塔的启动时间。未添加表面活性剂时，陶粒和a c o f 滴滤塔分别在 1 0 、7 天内，去除率达到3 0 以上。气体停留时间为1 0 9 s ，入v i 浓度在3 0 0 0 - 5 0 0 0 m g m 3 时，陶粒滴滤塔达到的最大去除率( r e ) 为7 0 ，最大去除能力为1 1 0 9 m 3 , h ，a c o f 滴滤塔的最大r e 为8 0 ，最大去除能力为1 2 0 9 m 3 h 。s d s 使得滴滤塔的启动时期 提前了3 _ 4 天，使陶粒滴滤塔的去除效率从7 0 提升至9 5 以上，去除能力比未添 加表面活性剂时提高了1 0 9 m 3 h ；a c o f 滴滤塔的净化率提高到9 8 ，去除能力提高 了1 2 9 m 3 , h 。t w e e n 8 0 使得陶粒滴滤塔的启动时间提前了5 天，a c o f 滴滤塔提前3 天，t w e e n 8 0 可以使陶粒滴滤塔的去除效果提高到9 6 ，去除能力提升至1 3 8 9 m 3 , h ： a c o f 滴滤塔的净化率达到将近1 0 0 ，去除能力达到1 5 4 9 m 3 h 。a c o f 滴滤塔所需 的启动时间相对于陶粒滴滤塔较短。将气体停留时间维持在1 0 9 s ，入口浓度在 2 0 0 0 5 1 0 0m g m 3 的范围内变化时，去除能力随着负荷的升高而增大且增加的幅度较 大，这说明表面活性剂增大了氯苯的传质能力，有助于促进微生物的生长并且它对生 v 上海大学硕士学位论文 物滴滤塔的长期运行不会产生不良影响。所以用表面活性剂加强生物滴滤塔对疏水性 有机物的净化能力是切实可行的。 动力学分析表明生物降解一级反应动力学模型能较好地与实验数据吻合。以表面 活性剂强化生物滴滤塔的过程为基础建立反应动力学模型，获得了添加表面活性剂后 污染物浓度分布的近似分析解，最终得到污染物在气相中沿塔高的浓度分布。所建模 型可以较好地模拟添加表面活性剂强化生物滴滤塔处理含氯苯废气的试验结果，验证 了模型的正确性。 关键词：生物滴滤塔，氯苯，生物降解，气水分配系数，表面张力，动力学模型 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t b i o l o g i c a lm e t h o di sc o s te f f e c t i v ef o rt r e a t i n gav a r i e t yo f s u b s t a n c e si n c l u d i n gv o c s s o m ev o c sa r ed i f f i c u l tt od e g r a d ef o rm i c r o o r g a n i s m sb e c a u s et h e ya r eh y d r o p h o b i ca n d h a r dt ot r a n s f e rf r o mg a sp h a s et ow a t e r s o ，t h es u r f a c t a n t sw e r ei n t r o d u c e dd u r i n g b i o t r i c k l i n gf i l t e ro p e r a t i o ni no r d e rt o e n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e r s t h ef o u r s u r f a c t a n t sw h i c hw e r es d s ，t w e e n 8 0 ，c t m a ba n ds d b sw e r ei n t r o d u c e d t h es u r f a c e t e n s i o na n de f f e c t so f e n h a n c e dd i s s o l u t i o no f c h l o r o b e n z e n eb ys u r f a c t a n t sw e r em e a s u r e d t h eb i o t r i c k l i n gf i l t e r sw e r ei n o c u l a t e dw i t hc h l o r o b e n z e n e - p s e u d o m o n a sp u t i d a t o x i c i t y t e s tw a sp e r f o r m e di no r d e rt ok n o wt h eb e s tc o n c e n t r a t i o n st h a tw i l ls u p p o r to p t i m u m m i c r o b i a ld e g r a d a t i o nc a p a b i l i t y b a s e do nw h i c hs d sa n dt w e e n 8 0w e r ei n t r o d u c e d d u r i n gb i o t r i c k l i n gf i l t e ro p e r a t i o ni no r d e rt oo v e r c o m et h ep o o rm a s st r a n s f e ro f h y d r o p h o b i cc o m p o u n d se n h a n c e t h ep e r f o r m a n c eo f f i l t e r s m a t h e m a t i c a lm o d e lw a ss e tu p a n da p p l i e dt ot h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sf o rr e s u l t sf r o me x p e r i m e n to fp e r f o r m a n c ed u r i n g s d sa n dt w e e n8 0a m e n d e d t h er e s u l t so ft o x i c i t yt e s to fs u r f a c t a n t ss h o wt h a tt h es u r f a c e t e n s i o nw a sr e d u c e dt o 6 8a n d5 0m n ma tt h ec o n c e n t r a t i o no ft h e5 0 m g lf o rs d sa n dt w e e n 8 0 ，a n dt h e c h l o r o b e n z e n eb e t w e e nt h el i q u i da n dg a sp h a s ew a so 0 5a n do 0 4m g l m g l 崎u i d ， r e s p e c t i v e l y t h eb e s tc o n c e n t r a t i o no fs d sa n dt w e e n8 0a r e 3 0a n d5 0m 鲋， r e s p e c t i v e l y , a n dt h e yc o u l ds t i m u l a t e dm i c r o b i a lg r o w t ha tt h ea p p r o p r i a t ec o n c e n t r a t i o n t h er e s u l t so ft r i c k l i n gb i o f i l t r a t i o ne x p e r i m e n t sp u r i n ge h l o r o b e n z e n ev a p o rs h o w t h a tt h ep r e s e n c eo f t h et w os u r f a c t a n t sa d d e dt ot h ef i l t e rd u r i n gi n o c u l a t i o nw h i c hd i dt h e e f f e c to nt h es t a r tt i m ea n de n h a n c et h el o n g - t e r mp e r f o r m a n c e 3 0 r e m o v a lo f c h l o r o b e n z e n ew a sr e c e i v e di nt h ec e r a m i ca n da c o fb i o t r i c k l i n gf i l t e ra f t e ra n a c c l i m a t i o np e r i o do f1 0a n d7 ，r e s p e c t i v e l y d u r i n gt h ep e r f o r m a n c ep e r i o d ，t h ec e x a m i c a n da c o fa c h i e v e dt h em a x i m u mr e m o v a le f f i c i e n c yo f7 0 a n d8 0 ，a n dt h em a x i m u m r e m o v a lr a t e so f11 0e g m 3 0 ha n d1 2 0 9 m 3 hw i t ht h el o a d i n gr a t ea b o u t1 5 0g m 3 ha tt h e e b r to f1 0 9 s f o rt h ec e r a m i cb i o t r i c k l i n gf i l t e rt h ei n t r o d u c t i o no fs o d i u md o d e c y l s u l f o n a t s d s ) c o n c e n t r a t i o no f 5 0 m 9 0l e dt oa nm a x i m u mr e m o v a le f f i c i e n c yo f 9 5 a n d v t l 上海大学硕士学位论文 m a x i m u me l i m i n a t i o nc a p a c i t yo f1 2 0e , m 3 h ，r e s p e c t i v e l y d u et os d s ，r e m o v a le f f i c i e n c y o f9 8 a n dr e m o v a lr a t eo f1 3 4g m 3 hw a sa c h i e v e db yt h ea c o fb i o t r i c k l i n gf i l t e r s a d d i t i o ns d s d u r i n gt h ei n o c u l a t i o nw h i c hh a dp r o v e nt os h o r t e ns t a r t - u pt i m ed o w nt os i x d a y si nc e r a m i cf i l t e ra n df o u rd a y si nt h ea c o ff i l t e r i nt h ec a s eo fc e r a m i cb i o t r i c k l i n g f i l t e r , a d d i t i o no f t w e e n s 0c o n c e n t r a t i o no f 5 0 r n g 1c a u s e da nm a x i m u mr e m o v a le f f i c i e n c y a n de l i m i n a t i o nc a p a c i t yo f9 6 a n d1 3 8 雹蠢hw a sa c h i e v e d ，r e s p e c t i v e l y d u et o t w e e n 8 0 ，r e m o v a le f f i c i e n c y o f n e a r l y l 0 0 a n dr e m o v a lr a t e o f l 5 4 窖证h w a s a c h i e v e d b yt h ea c o fb i o t r i c k l i n gf i l t e r s a d d i t i o nt w e e n 8 0d u r i n gt h ei n o c u l a t i o nw h i c hh a d p r o v e nt os h o r t e ns t a r t - u pt i m ed o w nt of i v ed a y si nc e r a m i cf i l t e ra n df o u rd a y si nt h e a c o ff i l t e r t h et i m ef o rs t a r t - u pr e q u i e db ya c o fw a ss h o r t e nt h a nt h a to fc e r a m i c b i o t r i c k l i n gf i l t e r t h er e s u l to fe x p e r i m e n tr e v e a l e dt h a tt h ea c o ff i l t e re x h i b i t e dab e t t e r p e r f o r m a n c et h a nt h ec e r a m i cf i l t e r t h ee l i m i n a t i o nc a p a c i t yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fl o a d i n gr a t ei nt h et w of i l t e r s a tt h ee b r to f1 0 9 sa n dt h ec o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g eo f1 2 0 0 - 5 1 0 0m e c m t h er e s u l to f e x p e r i m e n tr e v e a l e dt h a tt h ec h e m i c a la d d i t i v e sc a l lo v e r c o m et h ep o o rm a s st r a n s f e ra n d s u p p o r to p t i m u mm i c r o b i a ld e g r a d a t i o nc a p a b i l i t y t h ep r o c e d u r ea d d i t i o no fs u r f a e t a n t st o a l h a n c et h ep e r f o r m a n c ei nb i o t r i c k l i n gf i l t e ri sf e a s i b l ea n dp r o b a b l e t h er e s u l t so fd y n a m i ca n a l y s i ss h o wt h a to n e s t a g eb i o d e g r a d a t i o nk i n e t i cm o d e l c o i n c i d ew i t he x p e r i m e n tr e s u l t sw e l l ，t h em o d e lf o rt h et w os u r f a c t a n t si sf e a s i b l ef o r t r e a t i n gt h ec h l o r o b e n z e n ew a s t eg a si nt r i c k l i n gf i l t e rd u i n gs u r f a c t a n t sa d d i t i o n s i m i l a r a n a l y s i ss o l u t i o no fc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no ft h ep o l l u t a n tw a so b t a i n e d ； a tl a s t , t h e d i s t r i b u t i o no fp o l l u t a n ta l o n gt h ef i l t e rh e i g h tw a so b t a i n e d t h er e d i c t e dv a l u eo ft h e m o d e lt h e o r yc o i n c i d e db a s i c a l l yw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to ft h ew a s t eg a si nt h e t r i c k l i n gb i o f i l t e r , v e r i f i e si t sc o r r e c o a _ e s s k e y w o r d s ：b i o t r i c k l i n gf i l t e r ，c h l o r o b e n z e n e ，b i o d e g r a d a t i o n ，p a r t i t i o n i n gc o e f f i c i e n t ， s u r f a c et e n s i o n ，d y n a m i cm o d e l v i i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过 的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) u 上海大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章前言 1 1 1v o c s 气体的来源及分类 人类与环境的关系非常密切，因为人不能脱离自然而生存。随着工业文明的进步， 二氧化硫和氮氧化物等大气污染物的控制己满足不了人们对大气环境质量日益增长 的要求，如何控制挥发性有机物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) 及恶臭物质带 来的污染己受到普遍关注，而且正成为治理某些化工类职业病的亟待解决的问题【1 】。 挥发性有机化合物是常见的污染物，它与颗粒物一样，是又一大类大气污染物【2 】。 v o c s 通常指沸点在5 0 一2 6 0 、室温下饱和蒸汽压超过1 3 3 3 2 p a 的有机化合物，其 主要成分为烃类、卤代烃、氮烃、含氧烃、硫烃及低沸点的多环香烃等。 它们主要来源于石油化工行业所排放的废气：造纸、喷漆、涂料、采矿、金属电 镀和纺织等行业所排出的有机溶剂；交通工具所排放的废气及其他可能排放有毒有害 有机废气的污染源【3 】。工业废物的焚烧，机动车尾气的排放，新型建材、保温材料及 室内装潢材料广泛使用，同时化妆品、除臭剂、杀虫剂、除草剂和品种繁多的洗涤剂 应用，导致大量的v o c 排放到大气中。该类有机物大多具有毒性，部分已被列为致 癌物质，如氯乙烯、苯、多环芳烃等等。v o c s 的成分复杂，具有的特殊气味能导致 人体呈现种种不适应，并具有毒性、刺激性、致癌作用，特别是苯、甲苯及甲醛对人 体健康会造成很大的伤害。并且它还能与大气中的n 0 2 反应生成0 3 ，使低空大气中 的0 3 含量升高，对生态环境产生很大的影响【4 棚。随着工业的发展和人们生活水平的 提高，v o c s 的排放量与臼剧增，并具有范围广，排放量大的特点【。7 1 。 1 1 2v o c s 气体的危害 挥发性有机化合物( v o c s ) ，特别是有毒、有臭的有机废气的污染问题，受到了世 界各国的普遍重视。 上海大学硕士学位论文 1 1 2 1v o c s 气体对环境的危害 v o c 对环境的影响主要表现在以下几个方面：大多数v o c 有毒、有恶臭，一 部分v o c 有致癌性；在阳光照射下，大气中的氮氧化物、碳氢化合物与氧化剂发 生光化学反应，生成光化学烟雾，危害人体健康及作物生长；卤烃类v o c 可破坏 臭氧层【4 j 。正是由于v o c 的上述危害，世界各国都通过立法不断限制v o c 的排放量。 如1 9 7 0 年美国制订的净化大气法，就包括了减少v o c 的排放量，1 9 9 0 年又进行 了修订，要求2 0 0 0 年将v o c 的排放量减少7 0 。1 9 9 6 年日本立法限制5 3 种v o c 的排放，2 0 0 2 年限制1 4 9 种v o c 的排放【鄄。其它经济发展较快的国家和地区，也已 开始制订限制v o c 排放的法规。我国大气污染物综合排放标准( g b l 6 2 9 7 2 1 9 9 6 ) 中对 1 4 类v o c 规定了最高放限值。 1 1 2 2v o c s 气体对人体的危害 m o l h a v e - 【6 1 以总挥发性有机化合物来考察多种v o c 对人体健康的影响，研究结果 表明在v o c 的总质量浓度小于0 1 2 m g m 3 时，不会对人体健康造成危害；在0 1 2 3 m g m 3 范围内会产生刺激等不适应症状；在3 2 5 m g m 3 范围内会产生头痛及其它症 状；而大于2 5 m g m 3 时对人体的毒性效应明显。j o n e s 研究表明，虽然室内空气中2 2 种v o c 的单一质量浓度都低于限制质量浓度，但总质量浓度为o 1 0 2 5 m g m 3 时，仍 会使人造成疲倦、瞌睡与头痛的感觉；当v o c 的总质量浓度达到o 1 1 8 8 m g m 3 时会 出现昏眩和昏睡，而浓度超过3 5 m g m 3 ，则会造成昏迷、抽筋等症状。说明多种v o c 混合存在并相互作用于人体，其危害程度大大增加。目前v o c 中优先控制的污染物 是苯、甲苯和甲醛，同时也需控制v o c 的总浓度。 1 1 3v o c s 的净化技术 研究v o c 的控制技术是去除大气中v o c 的主要方法，国内外的v o c 控制技术 主要有焚烧法、吸附法、冷凝法、电晕法、光催化氧化法、生物法等。 1 1 3 1 传统的处理技术 ( 1 ) 焚烧法 焚烧法是利用v o c 易燃烧性质进行处理的一种方法。v o c 气体进入燃烧室后， 2 上海大学硕士学位论文 在足够高温度、过量空气、湍流的条件下，进行完全燃烧，最终分解成c 0 2 和h 2 0 。 其反应通式如下： c , h v + ( z + 吾) 0 2 一z c o z + 量h z o 焚烧的效果主要决定于焚烧的温度、停留时间、废气在炉膛内的湍硫程度。通常 焚烧v o c 需要的温度为8 1 5 6 。c ，使用催化剂可降低温度，温度下降幅度和催化剂的 类别有关。 通常采用的焚烧炉有以下5 种：直接焚烧炉、对流换热式焚烧炉、催化燃烧焚烧 炉、蓄热式焚烧炉、蓄热式催化焚烧炉掣剐。 焚烧法适用于成分复杂、高浓度的v o c 气体，具有效率高、处理彻底等优点， 在处理石化工艺废气、印刷和油漆生产的废气、木材干馏废气及制药废气等方面具有 广阔的应用前景，但若废气含有c l 、s 、n 等元素，采用焚烧法会产生h c l 、s o x 、 n o x 等有害气体，造成二次污染。 ( 2 ) 吸附法 吸附法是处理低浓度v o c 的有效方法之一，它是通过吸附剂对v o c 进行吸附净 化，将净化后的气体排入大气。因此去除率的高低与吸附效果有关，而吸附效果主要 取决于吸附剂的性质、v o c 的种类、浓度和吸附系统的操作温度、湿度、压力等因 素。目前，常用的吸附剂有颗粒活性炭、活性炭纤维、沸石、分子筛、多孔粘土矿石、 活性氧化铝、硅胶和高聚物吸附树脂等。 目前，商业化的活性炭空气净化器的净化层厚度在1 2 6 7 5 c m 之间，停留时间在 0 0 2 5 0 i s 。但吸附法存在吸附剂再生、运行费用高及产生二次污染的问题，从而限制 吸附法的应用。 ( 3 ) 冷凝法 冷凝法是用来回收v o c 中有价值成分，资源化再利用的处理方法。其基本原理 是利用气态污染物在不同温度和压力下的蒸气压不同，通过调节温度和压力使某些有 机物过饱和从而发生凝结作用，使该成分得以净化和回收。冷凝法对沸点在6 0 以下 的v o c ，去除率在8 0 - - 9 0 之间。 在实际应用中，常将该方法与吸附法、焚烧法和使用溶剂吸收等联合使用，从而 降低运行成本。 ( 4 ) 电晕法 上海大学硕士学位论文 电晕法【9 1 处理v o c 的原理是通过陡峭、脉冲窄的高压脉电晕，在常温下获得非 平衡态v o c 离子体，即产生大量的高能电子或高能电子激发产生的0 、o h 、n 等活 性粒子，并且还可以产生臭氧，各种活性粒子和臭氧会与v o c 发生化学反应，破坏 v o c 分子中的c c 、c = c 或c h 等化学键，由于o 、o h 基及臭氧具有强氧化能 力，结果使c 、h 分解氧化产生c 0 2 和h 2 0 1 0 , 1 1 。 由于反应器长时间操作的稳定性和催化效率低等方面原因，该方法目前还未能实 用化和商业化。 ( 5 ) 光催化氧化法 光催化氧化法主要是利用催化剂( 如t i 0 2 ) 的光催化性，氧化吸附在催化剂表面的 v o c ，最终产生c 0 2 和h 2 0 。v o c 光催化降解的速率主要受吸附效率和光催化反应 速率的影响。 一些研究表明对于大部分v o c ，光催化氧化法能将其较为彻底无机化，副产物 少。但是光催化氧化法存在着催化剂的失活，催化剂难以固定，且催化剂固定化后催 化效率降低的缺点，因此该技术目前尚未商业化。 1 1 3 2 生物法处理技术 用于v o c s 处理的气相生物反应装置和液相生物反应装置不同之处是：在气相生 物反应装置中，有机污染物在被生物降解前必须先由气相转移到液相。生物法处理废 气最早应用于脱臭，近年来逐渐发展成为v o c 的新型污染控制技术。它的流程是： 含有v o c 的废气首先进入湿度控制器进行加湿处理，经加湿后的废气通过生物滤床 的布气板，沿滤料均匀向上移动，在停留时间内，气相物质通过平流效应、扩散效应、 吸附等综合作用，进入包围在滤料表面的活性生物层，与生物层内的微生物( 主要为 细菌) 发生好氧反应，进行生物降解，最终生成c 0 2 和h 2 0 1 2 】。生物处理废气技术已 证实对于处理大气量有机废气是一项非常经济实用和环境友好性技术 1 3 , 1 4 , 1 5 】。 废气生物处理技术主要有生物过滤池( b i o f i l t e r ) 、生物滴滤池( b i o t r i c k l i n gt i l t 哪和 生物黼( b i o s c r u b b e r ) 1 6 埘。 其中，生物滤池与生物滴滤池中的微生物固定附着在多孔性介质填料表面呈膜 状，故将这两种净化方法合称为生物膜法f 1 8 】。生物膜法治理v o c s 的机理一般认为是 传质与生化反应的串联过程。至于反应控制步骤有不同的看法，有人认为：一般传质 速率比生化反应快，所以生化去除是控制步骤。k i r e h n e r 和孔佩石等人对甲苯气体的 4 上海大学硕士学位论文 研究表明，甲苯生化去除量随其负荷量的增加而增加，应属传质步骤为控制过程。 ( 1 ) 生物洗涤塔 生物洗涤塔( b i o s c n l b b 砷【1 9 】通常由一个装有填料的洗涤器和一个具有活性污泥的 生物反应器构成，其示意图如1 1 。 活性污泥池 图1 1 生物洗涤塔系统处理有机废气的工艺流程 f i g1 - 1f l o wc h a r to f o r g a n i cw a s t e g a s e st r e a t m e n tt h r o u g hb i o s c r u b b c r 洗涤器里的喷淋柱将微小的水珠逆着气流喷洒，使废气中的污染物与填料表面的 水接触，被水吸收而转入液相，从而实现质量传递过程。如果污染物的浓度较低、水 溶性较高，则极易被水吸收，带入生物反应器。在生物反应器内，污染物通过活性污 泥中微生物的氧化作用，最终被去除。与生物滤池不同的是，生物洗涤塔工艺中的液 相( 通常带有悬浮微生物) 是流动的，在两个分开部分连续循环。这有利于控制反应条 件，便于添加营养液、缓冲剂和更换液体，除去多余的产物。其反应的温度和p h 值 等因素也可以很方便地被监测、控制。为了防止活性污泥沉积和降解有机物，活性污 泥反应器需要曝气设备，并控制有关条件，如温度、p h 值、碳、氮、磷之间的比率， 以确保微生物在最佳条件下发挥作用。 ( 2 ) 生物过滤池 生物过滤池( b i o f i l t e r ) 是最早被研究和使用的一种处理挥发性有机污染物和除臭 的生物技术。如图1 - 2 所示，含污染物的气体经增湿后，从反应器的底部进入，通过 生物活性填料层，利用附着在填料上微生物的新陈代谢作用，将废气中有害成分氧化 分解为c 0 2 、h 2 0 、n o 和s 0 4 2 。，从而达到净化的目的。 1 9 2 3 年b a c h 就曾利用土壤过滤床去除污水处理厂排出的含硫化氢等恶臭污染物 上海大学硕士学位论文 的气体。早期的生物滤池主要用于减少废气中的恶臭气味物质。到了2 0 世纪8 0 年代 以后，其应用范围才被扩展到去除易被生物降解的挥发性有机污染物方面。生物滤池 内部填充活性填料，废气经加压预湿后，进入生物滤池，与填料上附着的生物膜( 微 生物) 接触，被生物膜吸收，最终被微生物降解为水和二氧化碳，净化后的气体从生 物过滤池排出。生物过滤处理技术的特点是生物相和液相都是不流动的，而且只有一 个反应器，气一液接触面积大、运行和启动容易、操作费用低。 1 2 1 - - 增湿器2 - 生物澹池 体 图1 - 2 生物滤池处理有机废气工艺流程 f i g1 - 2f l o wc h a r to f o r g a n i cw a s t e - g a s e st r e a t m e n tw i t hb i o f i l t e r ( 3 ) 生物滴滤池 ， 生物滴滤池( b i o 缸c k l i n gf i l t r a t i o n ) 被认为是介于生物过滤和生物洗涤塔之间的处 理技术。在生物滴滤池系统中，污染物的吸收和生物降解同时发生在同一个反应装置 内，如图1 3 。 贮水池 2 - 生物确澹池 图1 3 生物滴滤池处理有机废气的工艺流程 f i g1 - 3f l o wc h a r to f o r g a n i cw a s t e - g a s e st r e a t m e n tt h r o u g hb i o t r i c k l i n gf i l t e r 滴滤池内填充惰性材料，填料要经过预先挂膜，生物膜覆盖在惰性材料的表面， 6 上海大学硕士学位论文 含有微生物新陈代谢所需营养物的溶液不断喷洒在填料上。废气通过滴滤池时，废气 中的污染物被微生物降解。生物滴滤池只有一个反应器，设备较简单，生物相静止而 液相流动，繁殖周期长的微生物也能很好地生存。但是生物滴滤池填料的比表面积( 既 单位柱体积接触面积) 大多为1 0 0 3 0 0 m 2 m 3 ，这样一方面为气体提供了大量空间，另 一方面，也使气体对填料层造成压力，以及由微生物生长和生物疏松引起的空间堵塞 的危险性降到了最低【2 0 】。当污染物空气以强制对流的方式从上至下或是从下至上通过 填料层时，在填料的周围形成循环的液相，为固定在填料上降解污染物的微生物群落 提供水分和营养。既然滴滤相是循环使用的，从理论上讲，气液并流的( 既从上部进 气) 的流动方式应该优于气液逆流的方式，因为在逆流循环中，空气在离开滤池之前， 有可能从液相中带出一部分污染物，从而使去除率降低。但是，到目前为止，并未见 到有研究者在试验中证实这两种循环方式的优劣m2 2 】。 在目前的生物废气处理技术中，最有前途的生物废气处理技术是生物滴滤塔 2 3 甜】。与生物过滤池相比，生物滴滤池有以下优势：避免产生生物过滤器中的填料压 实、短流及填料降解等现象；营养物和p h 缓冲溶液可以方便地通过回流液体投加； 微生物代谢产物也可以通过更换回流液体而去除；对于处理含卤化物、硫化物和氨等 会产酸碱代谢物的污染，生物滴滤池更容易调节p h 值。因而生物滴滤池系统在营养 供给和微生物生长环境的调节方面具有优势，适于高负荷及代谢过程产酸等场合使 用。 1 2 生物滴滤法净化v o c s 废气的研究概况 国内外对于生物滴滤塔的研究主要集中在净化过程中的机理、反应动力学、填料 性能的研究、净化的目标污染物、菌种选择与优化方面。 1 2 1 生物滴滤法净化v o c s 的过程机理 目前研究最多，为大家所承认的有两种生物膜理论，一种是吸收生物膜理论， 一种是吸附生物膜理论。但与其相关的理论和应用技术目前仍处在不断改进和完善 的过程中。 7 上海大学硕士学位论文 l 2 11 吸收- 生物膜理论 该理论将净化系统中的局部环境分为3 个部分：气相、液相和固相。气相含v o c s 废气，液相中溶有v o c s 和少量微生物，固相微生物膜相。根据该理论，v o c s 的生 物降解过程分为以下3 个步骤： ( 1 ) 废气中v o c s 同水接触并溶于水中，即由气相转到液相中； ( 2 ) 溶于水中的v o c s 被微生物吸收；而吸收剂( 水溶液) 经再生复原后的又 可以溶解新的v o c s 污染物成分； ( 3 ) 进入微生物细胞的有机物在微生物代谢过程中作为能源和营养物质被分解， 转化成无害的化合物( c 0 2 和h e 0 等) 。 吸收一生物膜理论虽然被学术界广泛接受，且根据此理论推出的数学模型也与实 验结果比较吻合，但是该理论还是受到了不少学者的质疑。其主要的理论不足之处在 于： ( 1 ) v o c s 废气一般是不溶或难溶于水的，所以上述的理论的第l 步就不能够 很准确的成立。 ( 2 ) 由于系统存在不同阶段，在采用此法建立数学模型时，对于中间的过渡阶 段的计算只能依据经验，所以增加了计算的复杂程度和建立数学模型的难度。 1 2 1 2 吸附- 生物膜理论 按照此吸附一生物膜( x x 膜1 理论，生物法净化低浓度挥发性有机废气一般要经历 几个步骤2 5 1 。 ( 1 ) 废气中的挥发性有机物( 及空气中的0 2 ) 从气相本体扩散通过气膜到达润湿 的生物膜表面。 ( 2 ) 扩散到生物膜表面的有机物( 及0 2 ) 被直接吸附在润湿的生物膜表面。 ( 3 ) 吸附在生物膜表面的有机污染物( 及0 2 ) 迅速被其中的微生物活菌体捕获。 ( 4 ) 进入微生物菌体内的有机污染物在代谢过程中作为能源和营养物质被分解， 经生物化学反应最终转化为无害的化合物( 如c 0 2 和h 2 0 ) 。 ( 5 ) 生化反应产物c 0 2 从生物膜表面脱附并反扩散进入气相本体，而h 2 0 则被 保持在生物膜内。 吸附一生物膜理论描述生物法净化废气中低浓度挥发性有机物的过程机理，不涉 及液膜扩散，生化反应级数变化以及过渡区等复杂问题，而且可用一个吸附净化模型 上海大学硕士学位论文 来描述整个过程，可以简化计算和提高准确性。 1 2 2 净化的目标污染物 目标污染物的性质对工艺过程中的传质与生物净化影响很大。如待处理污染物水 溶性的差异影响其从气相向液相的传质过程，而降解活动又主要发生在生物膜或液相 中，因此待处理污染物的水溶性对其去除效果的影响很大。根据化工原理难溶气体物 质的溶解度系数h 小，在气膜传质系数l ( g 和液膜传质系数k l 数量级相同或接近的 情况下，存在着如下关系式：h k g 阴离子型。 现在应用较广的是利用表面活性剂溶液吸收疏水性污染物。低浓度下的平衡浓度 上海大学硕士学位论文 较最大溶解度有相当的差距，如果低浓度气体能够突破亨利定律的限制，达到或接近 其饱和溶解度，用水吸收去除低浓度的憎水性v o c s 的效率就会提高很多。 衣新宇5 刀利用表面活性剂吸收治理甲苯废气和苯废气，探讨水一吸收剂的吸 收机理，选取适合的表面活性剂月桂酸钠。考察了喷淋量、入口浓度和表面活性剂添 加量这3 个因素对甲苯去除率的影响，得出表面活性剂对污染物净化的影响最大。在 实验当中清水对甲苯的去除率不高于3 0 ，但加入表面活性剂后可使去除率提升到 6 0 左右。所以可以看出表面活性剂对于增强疏水污染物的去除净化方面还是很有潜 力的。 添加了表面活性物质的水溶液吸收含苯类蒸汽的机理可归纳如下： ( 1 ) 通过在水中添加表面活性物质，按g i b b 表面吸附原理，这些添加物将优先富 集在气、液界面上。 ( 2 ) 通过伸向气相的亲油基对气体中的含苯类气体产生吸附作用。 ( 3 ) 吸附了含苯类气体的活性物质形成胶束( 当活性组分的浓度超过c m c 之后) ， 使这些含苯蒸汽溶入胶束之中。 1 3 3 表面活性剂在气体生物净化中的应用 h o d g s o nj s s 等研究了利用t w e e n 8 0 增强白腐真菌ec h r y s o s p o r i u m 对2 ，4 ，6 - - - - 硝 基甲苯的矿化时发现，添加体积分数1 的t w e e n 8 0 能使三硝基甲苯的矿化率比未添 加时增大2 倍，并且表面活性剂还促进了ee h r y s o s p o r i u m 的生长，在对系统进行呼 吸探测时发现，在添加了t w e e n 8 0 和未添加时氧的消耗率是不同的。m e g u i r et t 5 9 1 在 研究表面活性剂对氯乙烯脱氯混合菌的影响时发现，所选用的十二烷基硫酸钠和 t w e e n 8 0 等都会削弱p c e 的脱氯速率和终产物的降解。但是t w e e n 8 0 添加对p c e 脱 氯生成二氯乙烯，氯乙烯和乙烯没有影响，它主要是降低了氯乙烯脱氯生成乙烯的速 率。表面活性剂对微生物的抑制主要是由于它与对d c e 起脱氯作用的微生物的酶系 统相互影响而造成的。 j e n n i f e rr 唧】研究了s d s 和t w e e n 2 0 对生物反应器内真菌的生长和对甲苯降解的 影响。结果显示s d s 会抑制生物的生长。而土温2 0 有助于生物挂膜、接种从而缩短 了生物反应器的起始阶段，且在系统稳定之后，系统剩余的吐温不会对微生物产生危 1 4 上海大学硕士学位论文 害作用，并且提高了e x o p h i a l al e c a n i i - c o r n i ( 真菌) 对甲苯的降解能力，甲苯的去除 能力可以达到1 5 0 9 m 3 h ，同时缩短滤床的启动时间。k i m 6 1 1 等将可生物降解的非离 子表面活性剂a l f o n i c 88 1 0 6 0e t h o x y l a t e 引入到滤床中去除气相中的三氯乙烯( t c e ) 和四氯乙烯( p c e ) 1 0 l 。k o u t i n a s 6 2 1 等在生物反应器中设置了植物油( s u n f l o w e r o i l ) 和非 离子表面活性剂的吸收液以降低二氯乙烯( d c e ) 负荷。 综上所述，可以看到很多研究是将一种或几种表面活性剂运用到生物反应器中并 测试它们的效果，对它的表征性质并没有做前期研究，而且将