（环境科学与工程专业论文）生物滴滤器处理挥发性有机物的模拟研究.pdf

a b s t r a c t b i o _ t r i c k l i n gf i l t e r s ( b t f s ) i sa ne f f e c t i v e l yc o n t r o lm e a n sf o rv o l a t i l eo r g a n i c c o m p o u n d s ( v o c s ) ，w h i c hu t i l i z e sm i c r o b ea t t a c h e do nt h ep a c k i n gm e d i at oc a p t u r e 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 ) a n d b i o d e g r a d et h e m i th a sa d v a n t a g e si ns o m e a s p e c t ss u c ha sl o wc o s t ，h a n d yo p e r a t i o nc o s t sa n dn or e c o n t a m i n a t i o n a d d i t i o n a l ， t h et e c h n o l o g yc a no v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e si n c l u d i n gt h es h o r to fg a sf l o w , t h e u n e v e nd i s t r i b u t i o no f o r g a n i cl o a d i n ga n dn u t r i e n t si nc o n v e n t i o n a lb i o f l i t e r s ，a n dt o a ne x t e n tr e l e a s e dt h eb i o m a s se x c e s sa c c u m u l a t i o no rc l o g g i n gi nt h ef i l t e rb e d i t w o u l db ei m p o r t a n tt h e o r ya n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o fb i o r e a c t o r sf o rv o c sr e m o v a lt os i m u l a t et h ec o m p l e x p r o c e s s e s ，s u c ha st h eb t f s f o rv o cr e m o v a la td i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h ed y n a m i ck i n e t i c so f b i o m a s s g r o w t h ，t h es p a t i a la n dt e m p o r a lc h a n g e si nb i o m a s sd i s t r i b u t i o n ，a n dt h eb i o m a s s a c c u m u l a t i o nr a t e 。 am a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e do nt h eb a s i so f m a s st r a n s p o r ta n dm a s s b a l a n c ee q u a t i o n si nab t f , t h et w o f i l mt h e o r y , a n dt h em o n o d k i n e t i c s t h i sm q d e l t o o ka c e o u n to fm a s st r a n s f e ra n db i o d e g r a d a t i o no fv o c i nt h eg a s w a t e r b i o f i l m t h r e e p h a s es y s t e mi nt h eb i o f i l t e r , a n dc o u l ds i m u l a t ev a r i a t i o n so fv o cr e m o v a i e f f i c i e n c yw i t hac h a n g i n gs p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dp o r o s i t yo ft h em e d i ad u et ot h e i n c r e a s i n go fb i o f i l mt h i c k n e s si nt h eb i o f i l t e r t h i sm o d e lw a sf u r t h e rs i m p l i f i e db v n e g l e c t i n gt h ew a t e rp h a s ed u et ot h es m a l lm a s st r a n s f e rr e s i s t e n c e t h ee q u a t i o n sf o r t h eb i o f i l mp h a s e ，g a sp h a s e ，a n db i o f i l ma c c u m u l a t i o ni nt h i sm o d e lw e r es o l v e d u s i n gc o l l o c a t i o nm e t h o d ，a n a l y t i cm e t h o d ，a n dt h er u n g e k u t t am e t h o ds e p a r a t e l y a c o m p u t e rp r o g r a mw a sw r i t t e nd o w na sm a t l a bt os o l v et h i sm o d e l t h er e s u l t so fn u m e r i c a l s o l u t i o n ss h o wt h a tt o l u e n ef e m o v a le f f i e i e n e v i n c r e a s e dw i t ht h eg a sr e s i s t e n c et i m ei n c r e a s e da n dd e c r e a s e dw i t h t h eo r g a n i c l o a d i n gi n c r e a s e d ，t h ep o r o s i t yo ft h ep a c k i n gi nt h ei n l e td e c r e a s e dw i t ht h eg a s r e 8 1 s t e n c et i m ei n c r e a s e da n dd e c r e a s e dw i t ht h e o r g a n i cl o a d i n gi n c r e a s e d t h e b i o m a s sa c c u m u l a t i o nr a t ei nt h eb i o t r i c k l i n gf i l t e ri n c r e a s e dw i t ht h eg a s r e s i s t e n c e t l m ei n c r e a s e da n di n c r e a s e dw i t ht h eo r g a n i cl o a d i n gi n c r e a s e d t h ec o n c e n t r a t i o n p r o f i l eo ft o l u e n ei nb i o t r i c k l i n gf i l t e rr e v e a l e dt h a tt h ep a c k i n gl a v e rw h i c hi st h e c l o s e s tt oi n l e tp l a y e dt h em o s ti m p o r t a n tr o l ei nt o l u e n eb i o d e g r a d a t i o n t h ed y n a m i cr e m o v a le f f i c i e n c i e sf r o mt h i sm o d e lc o r r e l a t e dr e a s o n a b l vw e l l w i l | le x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rt o l u e n er e m o v a li na b t f i tp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h e i i i 生物滴滤箨经理挥发住有机物的模接研究 s p r e a d i n ga n da p p l i c a t i o no f b i o f il t r a t i o no nt h ew a s t eg a st r e a t m e n t k e y w o r d s ：b i o f i l t r a t i o n ；b i o m a s sd i s t r i b u t i o n ；b i o m a s sa c c u m u l a t i o nr a t e ；m o d e l ； n u m e r i c a lm e t h o d s ；b i o t r i c k l i n gf i l t e r ；v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s i v 生物浚滤器蹙理挥发性有机物的模拟研究 插图索引 图1 。lv o c s 污染的控制技术3 图l 。2生物过滤器流程示意图9 图1 3 生物洗涤塔流程示意图1l 图1 4 生物滴滤流程示意图。1 3 图1 5 多层转鼓生物过滤器示意图1 4 图1 6 生物过滤法机理示意图1 9 图2 1 生物滴滤器实验装置图2 7 图2 2 生物滴滤器系统流程示意图2 8 图2 3 生物滴滤器的生物膜模型示意图：。3 0 图3 。l 生物滴滤器填料模型示意图3 6 图3 。2m 觚l a b 流程图4 l 图4 1 停留时间为3 0 s 时不同有机负荷对4 3 生物滴滤器运行性能的影稚4 3 图4 2e b r t s 为1 5 s 时不同有机负荷对一4 4 生物滴滤器运行性能的影嘴4 4 图4 3e b r t s 为7 5 s 时不同有机负荷对4 5 生物滴滤器运行性能的影响4 5 图4 4 有机负荷为6 0k gc o dm 。d 1 时不同e b r t s 4 6 对生物滴滤器运行性笺的影响毒6 图4 5 有机负荷为8 0k gc o dm 刁d 。时不同e b r t s 4 7 对生物滴滤器运行性能的影响。4 7 图4 6 生物滴滤器长期运行状态下甲苯的去除效率4 8 图4 7 生物滴滤器内甲苯浓度的空间分布，4 9 图4 8 不同e b r t s 对填料孔隙率的影响5 0 图4 。9 不同有机负荷对填料孔隙率的影响。5 l 图4 1 0 系统长期运行状态下填料孔隙率的变化规律5 2 图4 1 1 生物滴滤器内填料孔隙率的空间变化规律5 3 图4 1 2 不同有机负荷对生物滴滤器内生物膜蓄积率的影响5 4 图4 1 3 不同e b r t s 对生物膜蓄积率的影响5 5 v i i l 硬土学位论文 附表索引 表1 1 传统生物过滤器的应用。l o 表2 。l 聚氨酯网状海绵各项性能指标2 6 表2 2 营养液的的配制成分2 9 表3 1 模型参数的选择。3 7 i x 生魏满滤器处理挥发瞧有撬物的模叛研究 主要符号表 x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果：除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：舅j 墨孑尹 日期：? 耐年7 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密函。 作者签名： 导师签名： 迅1 蔓谆 拗彳 e t 期：崂年7 月re l 日期：埘年7 月加日 嫒士学位论文 1 1前言 第1 章绪论 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 ) 是指在温度为2 5 、 压力为7 6 0m m h g 时饱穰蒸汽压大于0 1t o r r ( 1 3 。3 3 2 2p a ) 的有机化合物f l 】。从 环境监测角度来讲，指以氢焰离子检测器测出的非甲烷烃类检如物的总称，包括 烃类、氧烃类、含卤烃类、氮烃及硫烃类化合物，如苯、甲苯、二甲苯、萘、苯 乙烯、丙酮、正己烷等，广义的v o c s 还包括甲烷、丙烷以及一些硫烃、氮烃、 氯烃等【2 4 1 。 v o c s 种类繁多，分布面广。日本1 9 7 4 1 9 8 5 年环境普查表嬲，在检出的化 学毒物中，卤代烃类最多共5 2 种，一般烃类次之共4 3 种，含氮有机物( 主要是 硝基苯和苯胺类化合物) 共4 0 种，以上三类占总检出毒物豹7 0 。v o c s 的来源 主要有移动源和固定源两种。移动源主要有汽车、轮船和飞机等以石油产品为燃 料的交通工具的排放气；固定源的种类极多，主要为石油化工工艺过程和储存设 备等的排出物及各种使用有机溶剂的场合，如精细化工、石油化工、电子元件制 造、喷漆、印刷、制鞋、金属除油和脱脂、粘合剂、制药、塑料和橡胶加工等【3 。】。 v o c s 是具有强烈刺激性的无色有毒气体，其化学性质非常活泼，极易与其 它活泼氢原子的化合物反应，其最大的危害是能与人体的蛋白质反应，使蛋白质 变性，对细胞具有强烈的催泪作用，吸入后刺激呼吸系统，弓| 起干咳、喉痛，长 期吸入将引起头痛、支气管炎和哮喘，严重时会导致死亡。以甲醛为例，当室内 甲醛的浓度为0 0 6 0 0 7 m gm o ( 0 0 5 0 。0 6p p m ) 时，就能使歹0 童发生气喘病， 当其浓度在0 1 2 1 2m gm o ( 0 1 lp p m ) 时，会致使肝功能、肺功能异常、免 疫功熊异常【3 , 4 1 。v o c s 是一类重要的大气污染物，对环境有巨大的破坏作用【3 曲l 。 一些v o c s ( 如氯氟烃) 微量时就足以破坏臭氧层并导致形成臭氧空洞，引起紫 外辐射增多并吸收地表红外辐射引起温室效应；部分v o c s 与n o x 在阳光下会发 生光化学反应，并在一定的气象、地理条件下形成光化学烟雾。不仅如此，某些 v o c s 甚至具有致癌性和基因毒性，容易致癌和致畸变，给人类的生命和健康带 来严重威胁，还会导致农作物减产和损坏森林与生态系统【卜鞭。 v o c s 对环境的极大危害和人体健康的严重威胁，引起了世界各国政府的高 度重视。美国环保署u s e p a ( u s 。e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c y ) 定义的污染 物中v o c s 占了3 0 0 多种，而美国1 9 9 0 年的清洁空气法( c l e a n a i r a c t ，c a a ) 要求减少9 0 排放量的1 8 9 种毒性化学物中，其中7 0 属于v o c s 范畴泌】。我圜 生物滴滤器处理挥发性有机物的模拟研究 也陆续制定相应的标准，严格控制v o c 的排放。1 9 9 6 年l o 月l 豳实施的中华 人民共和国国家标准环境空气质量标准( g b t 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 规定环境空气中的苯 并【a 】芘的日平均浓度限值为0 。0 1 , u gm 弓( 标准状态) 1 0 l 。t 9 9 7 年1 月1 日开始实 施的中华人民共和国国家标准大气污染物综合排放标准( g b l 6 2 9 7 一1 9 9 6 ) 规 定了苯、甲苯、二甲苯、氯乙烯等1 4 种v o c s 的最高允许排放浓度、最高允许 排放速度和无组织排放限值【1 1 】。 为保护人体健康，预防帮控制室内空气污染，于2 0 0 3 年3 月1 西实施的中 华人民共和国国家标准室内空气质量标准( g b t 18 8 8 3 2 0 0 2 ) 中也规定了室内 空气中的甲醛、苯、甲苯、二甲苯、苯并【a 】芘( b ( a ) p ) 、总挥发性有机物的标准 值【1 羽。 炼焦行业排放的苯类物质等挥发性有机物严重污染了环境空气质量，在1 9 9 7 年1 月1 日实施的中华人民共和国国家标准炼焦炉大气污染排放标准 ( g b l 6 1 7 1 1 9 9 6 ) 中分别规定了现有和新建的机械化和非机械化炼焦炉大气污染 物排放标准】。 早在1 9 7 9 年联合国欧洲经济委员会在日内瓦召开国际大气污染会议，重点讨 论了v o c s 控制闯题。随着v o c s 污染范围的不断扩大和人们对其危害的逐步认 识，1 9 9 1 年l l 舅通过了( ( v o c s 跨国大气污染议定书，要求签字匿以1 9 8 8 年 v o c s 排放量为基准，到1 9 9 9 年每年削减3 0 。1 9 9 0 年，美国修订了清洁空气 法( c a a ) ，要求到2 0 0 0 年将v o c s 的排放量减少7 0 t 引。为了控制消费品和工 业产燕生产中v o c 的排敖量，u s e p a 于1 9 9 7 年至2 0 0 3 年闻逐步实行了控制消 费品和工业产品生产和使用中v o c s 排放的措施1 6 , 9 。为此，开发v o c s 替代产娲， 寻找v o c s 控制最优技术已成为解决v o c s 污染的必由之路。 1 2v o c s 污染治理技术 为了有效的控制与解决v o c s 对人类翻环境的影响，减少v o c s 带来的损失， 寻求有效的v o c s 治理技术迫在耀睫。墨前，v o c 排放控制技术的研究已经受到 重视，根据v o c s 的治理归宿可以分成将v o c s 治理技术分为两大类：回收法和 分解法，如图1 1 所示1 6 ，1 6 i 。 隧收法主要有活性炭吸附、变压吸附、吸收法、冷凝法及膜分离技术。一般 回收法是通过物理方法，改变温度、压力或采用选择j 陡吸附剂和选择性渗透膜等 方法来富集分离有机气相污染物。分解法有直接燃烧、热氧化、催化燃烧、生物 氧化、等离子体法、电晕法、紫钋光催化氧化法及其集成技术：消除法主要是透 过化学或生化反应，用热、光、催化剂和微生物将有机气褶污染物转变成为c 0 2 和水等无毒害的无机小分子化合物。基于以上原理，传统上有机气相污染物污染 2 硕士学位论文 治理常采用吸附或吸收去除、燃烧去除等方法，近年来生物氧化、半导体光催他 剂技术得到很快地发展。 图1 1v o c s 污染的控制技术 l 。2 。l吸附法 在处理有机废气的方法中，吸附法应用较为广泛。此方法是利用某些具有吸 附性质的物质，将废气中的有害物质吸附，然嚣再脱附，使吸附剂再生【l 们。与其 它的方法相比，该法具有处理效率高，能耗低，工艺成熟，易于推广使用的优点， 具有很好的环境和经济效益。缺点是处理设备庞大，流程复杂，当废气中有胶类 物质或其它杂质时，吸附剂易失效。吸附法主要应用于有机废气净化。成功应用 吸附法处理的有机废气有丙酮废气、沥青烟气、喷漆有机废气( 甲苯、二甲苯、 苯等) 、醋酸乙酯、涂料生产废气( 二甲苯) 、苯乙烯、有机溶剂。 吸附效果取决于吸附剂性质、气相污染物种类和吸附系统的操作温度、湿度、 压力等因素，常用的吸附荆有活性炭、活性氧化铝、硅胶、人工沸石、炉渣及粉 煤灰等。当需要回收有价值的原材料时，或废气中仅有少量的有机物需要被去除 时，可选用活性炭进行处理。滤性炭的再生设施需建立在同一场地中。如果场地 有限，异地再生的费用将会很是可观。对于难吸附的化合物，活性炭只能达到较 低的去除率。在有些情况下，废气水分或吸附性好的化学物质会占据有效表面积， 限制吸附性差的化学物质的去除。 为了提高净化效率，吸附法常和其它的方法联用。可采用液体吸附和活性炭 吸附法联合处理浓度过高，而艟可吸收的有机废气，如处理苯乙烯的工艺流程， 又如可采用吸附法和催化燃烧联合处理丙酮废气，避免了两种方法的缺点，具有 吸附效率高，无二次污染的优点。 1 2 2吸收法 吸收法是采用低挥发或不挥发溶剂对气相污染物进行吸收，再莆j 用有机分子 生物滴滤器处理挥发性有机物的模拟研究 和吸收剂物理性质的差异进行分离的气相污染物控制技术。该法适用于浓度较高、 温度较低和压力较高情况下气相污染物的处理。如“水一洗油 吸收剂处理含苯 疲气的吸收机理为：根据相似相溶原理，极性较弱或完全没有极性的有机化合物， 难溶或不溶于水，但可溶于一些有枕溶剂；苯系物属非极性物质，难溶于永，易 溶于非极性的矿物油，如洗油等而使废气中的苯系物得以去除。但该法存在后处 理过程复杂以及二次污染的闯题【l 8 1 。 l2 3冷凝法 冷凝法用来回收v o c s 中有价值的组分，实现资源化利用。其原理是利用气 态污染物不同的蒸气压，通过谖节温度和压力使某些有机物过饱和从丽发生凝结 俸用，使该成分得以净化和回收。对沸点在6 0 以下的v o c s ，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或焚烧法联合使用，以降低设备 的运行条件和运行成本1 19 1 。 1 2 4 膜分离法 膜分离法是利用各组分在压力推动下透过膜的传质速率不同进行分离的。膜 分离法是一种新型高效分离方法，具有流程简单、能耗小、无二次污染等特点。 2 0 世纪8 0 年代霜，膜分离技术广泛应用予海水淡化、食瑟工业、生物化工及化 学化工等领域的液相分离和v o c s 的回收，还用于石油化工中乙烷蒸汽、甲苯、 二氯甲烷、氯乙烯等的分离与回收。可以回收的v o c s 有脂肪类和芳香族碳氢化 合物、含氯溶剂、酮、醛、麓、醇、胺、酸等大部分v o c s t 2 羽。霹前，气体膜分 离技术已在空气中氧的富集与氮的浓缩以及天然气的分离提纯等方面得到应用。 根据材质的不同，膜可分为有机膜和无机膜。随着耐高温与耐酸碱的纳米级无机 微孔膜的制各成功，无枧膜用于气体分离孳| 起了人们的重视。以金属、金属氧化 物、陶瓷、碳、多孔玻璃等无机材料制成的膜，主要用于高温气体的净化处理和 不同组分气体混合物的分离与回收。作为气体分离的一个分支，无机膜材料的制 备与应用是近十年化学化工和材料科学的热点研究课题之一。研究较多的有 a 1 2 0 3 、t i 0 2 、z r o 、s i 0 2 、s i c 膜、复合膜等f 2 珀。膜分离方法适用予较高浓度v o c s 气体的分离与回收，一般要求体积分数在0 1 以上。无机膜分离技术欲实现工 业化，需要解决膜材料的稳定性、无机膜与金属构件的连接以及膜分离器的密封 等问题，提高膜的稳定性和合理设计膜分离反应器是暖前的研究重点【2 2 1 。 1 2 5燃烧法 燃烧法是利用有机气相污染物易燃烧性质进行处理的一种方法。其中，直接 燃烧法，又称火焰燃烧法，它是把可燃的有机气相污染物当俸燃料来燃烧的一种 方法。该法适合处理高浓度有机气相污染物，燃烧温度控制在l l o o 以上，去除 4 硬0 7 警使论文 效率达9 5 以上。 催纯燃烧是一种类似热氧纯的方式来处理霄枫气相污染物的，它净化有机物 是用铂、钯等贵金属催化剂及过渡金属氯化物催化剂来代替火焰，操作温度较热 氧化低半，透常为2 5 0 一5 0 0 。囱予溢度降低，允许使雳标准材料柬代替器 贵的特殊材料，大大地降低设备费用和操作费用。事实上催化燃烧是燃料在接近 诧学计爨情况下进行氧化反应，并放出大量热。溺此催化燃烧要求所用健纯裁的 首要条件，必须在高温氧化反应情况下具有高的活性，此外还需肖高的热稳定性、 高熬橇械强度以及对燃料中新含毒素有离的耐腐蚀性【2 粥。 1 2 6 光催化技术 光分解法剩麓了考视物酉在一定波长光照条件下分勰的原理。环境中主要瘦 用于废水净化处理，在有机废气污染物治理方面还不多。光分解有机物主要有两 种形式：一穗是壹接巍照，在波长合适时，有规物分解；另一种是在镗纯裁存在 下，光照气态有机物使之分解。由于气相中具有较高的分子扩散和质量传递速率 及较易进行的链反应，光催化荆对一些气楣化学污染物的活性般睨承溶热高的 多，一些气象反应的光效应接近甚至超过水相反应f 2 稚。 l 。2 。7电晕法 电荤法处理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 葛籍平衡悫v o c 离子嚣，辩产生大量鲶高麓电子或嘉麓魄子激发产生豹o 、o h 、 n 等活憾粒子，并且还可以产生窦氧，各种活性粒子和臭氯会与v o c 发生化学反 应，破坏v o c 分子中的e c 、c o 或c 珏等化学键，壶予o 、o h 基及臭氧 舆有强氧化熊力，结栗使c 、h 分解氧化产生c 0 2 和飘2 0 e 2 舅。 目前，产生甚暑热平衡等离子体的放咆形式主要有脉冲放电，沿面放电以及冤 声放电等，在时闻和空阕上，为了能篱草地得刘高密度黝等离子体，有时将菜两 种放电形式叠加，如沿面放电和无声放电的叠加等。由于反应器长时间操作存在 稳定性秘催纯效率低等方面原弱，该方法毽翦还未髓实溺纯煮商业亿。 1 2 8生物法 生物法是一种经济有效环境友好的v o c s 治理方法，主要适粥于低浓度有橇 废气的治理。它是利用微生物生命体的新陈代谢作用将污染物转化成无害简单的 光棍物和缁脆震。群2 l 整纪是徽生物靛邀纪努，毽前，生物法基广泛应用予环保行 业的各个领域，在生物法处理挥发性有机物方面，已成功的开发了生物过滤器、 生物洗涤塔、生物滴滤器、转鼓生物过滤器等系统，使撵发槛有枫物兹处理迈入 了个新纪元。下面将重点介绍挥发性有机物的生物法处理技术。 生物潞滤器处理挥发性宵机物的模拟研究 1 3v o c s 的生物处理技术 l 。3 。l生物处理技术原理 挥发性有机物的生物处理过程实质上是利用微生物的生命活动将废气中有害 物质转变成为简单的无机物( c 0 2 和h 2 0 ) 及细胞质等。生物法降解过程一般可 分为以下几个步骤 6 , 2 6 , 2 7 】： 1 ) 污染物e 1 1 气相到液相的传质过程； 2 ) 通过扩散和对流，污染物又从液膜表面扩散到生物膜中去； 3 ) 污染物与水中的有机化合物形成其他合成物，或吸附在生物膜上，也可 以被介质所吸附； 4 ) 微生物将污染物转化为生物膜、新陈代谢副产物或者二氧化碳和水。 1 3 2 生物法的适用范围及优缺点 该法最早应用于脱臭。近年来随着对有机气相污染物治理技术研究的不断深 入，该法逐步应用于有机气相污染物治理。可生物处理的挥发性有机物主要包括 脂肪烃( 低级脂肪烃( 汽油) 、氯乙烷、氯甲烷) 、芳香烃( 苯、甲苯、二甲苯、氯 苯) 、含氧有机物( 醇、醚、酮、醛) 、含氮有机物( 胺) 、含硫有机物( 硫醇、硫 醚) 等；可处理的还原性无机化合物主要包括氨、硫化氢等。该技术适用于涂料 与喷漆、有机原料及合成材料、农药、染料、石油化工、炼焦、制药、鞋厂、印 蓐l 厂、造纸厂、加油站、养殖厂、污永处理厂、堆肥厂等的废气与恶臭气体的处 理。该技术还适用于建材市场、家具城、批发城等大型公共场所的室内v o c s 处 理 6 , 3 0 1 。 与常规治理技术相比，生物法具有设备篙单，投资运行费用低，无二次污染 等优点，但只是在处理低浓度、易生物降解的有机气相污染物时才具其经济性， 即普适性较差。研究和实际应用结果显示，操作时可能遇到以下几个主要问题而 弓 起处理效果不好和故障 6 , 2 8 , 2 9 l ： 一1 ) 废气流量和浓度波动较大时，生物过滤器的设计负荷与实际负荷不匹配 容易造成废气停留时间不够，处理效果下降； 2 ) 废气中颗粒物在生物过滤器滤床的积累造成滤床堵塞，阻力增大； 3 ) 滤床湿度控制不当容易使萁干燥开裂造成气流短路： 4 ) p h 调节不当，下降幅度大，造成微生物数量下降，使处理效果降低。 1 3 3废气生物处理技术的发展概况 生物过滤技术最早于1 8 9 3 年即用予凌水的处理弼。邑知最早建议应用气体生 物过滤方法来处理废气的文献报道始于l9 2 3 年，该文献探讨了控制生活污水处理 6 醭圭学位论文 厂的h 2 s 排放的基本原理f 3 羽。其工业瘦翔最早燕美国的p o m e r o yrd ，纯于1 9 5 7 年以土壤床生物过滤的概念申清了专利授权1 3 轴。一些最晕的己知的气体生物过滤 系统是出敞开的坑填满疏松多孔的土壤。1 9 5 9 年德国的污水处理厂建立控制污水 输送管教发臭睐的土壤生物过滤床；上世纪8 0 年代后，它在德函、荷兰和冀本等 国得到了较广泛的应用，约有近千座装鼹投入实际运行；据1 9 9 1 年统计，欧洲有 5 0 0 座生物滤浊在运行，大部分处理效率在9 0 以上。螽二十氆纪夕十年代开始， 气体生物过滤技术开始在欧洲和北美发展起来；气体生物过滤技术的应用范围也 开始扩展到包括控制v o c s 弱有毒空气污染耪的摊放。在全世界范围内，气体生 物过滤技术的应用都将褥到快遽的增长泌】。 爱前，冒外的主要研究中心是在美国加州大学d e s h u s s e e s 教授研究室 6 , 2 7 , 3 2 - 3 4 ，加溺大学c h a n g 教授研究室 3 5 3 铗，南加髑大学d e v i n n y 教授研究室 6 , 3 8 , 3 9 ，辛辛那提大学的s u i d a n 教授研究室s o r i a l 教授研究室f 4 4 2 1 ，德少 | 大学爽 新汀分校k i n n e y 教授研究室f 霹3 q 弱，路易薪安娜娴立大学的m o e 教授研究室 2 9 , 4 6 - 5 1 】，加拿大多仑多大学a l l e n 教授研究室阻州】，和欧洲苏黎世联邦理工大学 【s 7 ，5 寒l 鹫 可# 在圜内，中因科学院生态环境研究中心f 5 弘6 羽，清华大学【6 3 6 们，大连理工大学 f 6 弘7 羽，啥尔滨工业大学【7 扣彳霸，舞济大学 7 8 , 7 9 1 ，瑗安建筑科技大学 8 0 , 8 1 】，云南大 学 8 2 , 8 3 】，浙江大学 8 4 , 8 5 l ，浙江工业大学f 8 “9 1 1 等单位也先后开展了废气生物处理技 术豹研究。这些实验促进了生物过滤技术在国内靛发展，势我豳v o c s 摊放控铡 提供了新的选择。 l 。3 4 生物过滤技术的主要磷究方向 十余年来，国内外气体生物过滤技术的研究和进展主要体现在以下六个方面： 1 ) 气体生物过滤反应器麴研究和应耀范溺不断拓宽。至今，气体生物过滤 技术的研究已经包括实验室规模，中试规模和工业规模的试验研究。研究过的气 体生物过滤反瘦器可分为传统生物过滤反应器，滴滤床生物反应器，生物洗涤塔 和转鼓生物过滤反应器 6 , 9 2 毋5 t 。麓前气褶生物爱应器麓够处理爨大范围的宥枫物 ( 包括一些无机物，如气态氨，氮氧化物，硫化氢气体等) ，采用更多种类的过滤 介质( 包括纤维床过滤器) 毅及有机混合物，开发了更多型号酶生耪爱疲器 2 8撅袭强度( m p a ) 2 2 0 拉伸强度( m p a ) 6 5 压陷2 5 9 6 时的硬度( h r ) 8 0 伸长率( )1 0 5压陷6 5 9 6 时的硬度( h r )1 4 0 7 5 援缩永久变形( 篱) 4 。0 比表面积m 1 ) 3 0 0 回弹率( ) 4 0 6 5 2 5 压缩比( ) 1 7 生物滴滤塔顶端有液体喷淋装置，喷头高度可自由调节，循环营养液的喷淋 量和喷淋频率由定时器和相应阀门调节控制，可满足营养液的定时、均匀滴加。 生物滴滤塔外部设有温度可自动控制的水浴套管恒温系统，由加热水槽、温 度自动控制器和套管组成。套管内径2 0 0 m m ，高6 5 0 m m ，一定温度的水流在套 管内循环流动，使塔内温度维持在适宣( 1 0 4 0 0 c ) 范围内，避免不利环境温度 对生物滴滤塔内微生物的影响。 甲苯挥发瓶置于水浴加热器中，控制一定温度，使甲苯稳定挥发，利于保持 模拟气体中甲苯浓度的相对稳定。 图2 1 生物滴滤器实验装置图 2 1 2 工艺流程 实验采用液体、气体同向流操作( 见图22 ) 。营养液由循环泵提升经阀门控 制，由塔顶向下喷淋到填料上在填料层内自上而f 流动，最后由塔底回流至贮 槽内，完成整个循环。喷淋量为2 l d 。甲苯模拟气体从塔顶进入，在填料层自上 而下运动时与填料表面的生物膜接触，经气液相j 传质，甲苯在液相( 或固体表 面生物层) 被微生物吸收降解，净化后的气体从塔底排出。 生物滴滤器处理挥发惶有机物的模拟研究 1 生物滴滤器2 填料3 营养液喷头4 气体取样口5 转子流量计 6 。增湿瓶( h 2 0 )7 气体混合瓶8 甲苯挥发瓶9 空气压缩泵 l o 髓瀣水浴1 1 。止回阕1 2 。水泵 图2 2 生物滴滤器系统流程示意图 2 1 3v o c s 源气 实验以液态嗲苯( ) 模拟挥发性有机废气，采用动态法配制。空压机供给 的空气分为主气流和辅气流两股，主气流进入甲苯挥发瓶，将甲苯溶液鼓泡挥发， 与经增湿的辅气流进入气体混合瓶充分混合后形成v o c s 源气。源气浓度通过调 整挥发瓶温度和主气流与辅气流的比例来控制，并通过取样监测来确定。 2 1 4 营养液 替养液以蒸馏水配制，包含供微生物正常生长所必须的无机盐和维生素，以 碳酸氢钠作p h 缓冲剂，具体成分及用量见表2 1 。 联学位论文 表2 2 营养液的的配制成分 2 1 5测定方法 甲苯浓度采用气相色谱法氢火焰离子化检测器( f i d ) 检器测定( a g i l e n t g c 6 8 9 0 ) ，测定条件如下： 色谱柱：h p 5 毛细管柱，5 3 01 tm * 2 6 5 ”m * 3 0 m ； ： 柱温：1 2 0 ： 进口温度：2 0 0 ； 检测器温度：l5 0 ； 载气( n 2 ) 流最：2 0 m l m i n ： 珏2 流量：3 0 m l m i n ； 空气流量：4 0 0 m l m i n 。 进样体积：l m l 。 2 。2模型建立 2 2 1条件假设 为了便于用数学模型来模拟生物滴滤器的运行状况，根据生物滴滤器实际运 行的特点和填料的特性，作出以下假设： 1 假定所有过程均是单向通过生物滴滤器，忽略墙和端效应； 2 生物滴滤器中的温度、气体和v o c 的物理参数都为常量； 3 。v o c 为微生物生长单一限制因子，生物膜增长遵循莫诺特动力学； 4 生物膜为不动相，生物膜浓度等其他动力学参数为常量； 5 。气相中没有v o e 的降解； 生物满滤器处理挥发性有机物的模拟研究 6 忽略轴向扩散现象，v o c 在浓度梯度的作用下传递至生物膜表面。 生物膜的模型示意图如图2 3 所示： 锎澜燃蝌 1 、 c g c w 甜 、 l wl f _ l ， 圈2 3 生物滴滤器的生物膜模型示意图 在生物滴滤器中，生物膜附着在填料介质表面，气体从介质、水和生物膜间 的空隙穿过各层介质的过程中，v o c 在气相与气水膜上的浓度分配遵循亨利定 律，在浓度梯度的推动下，v o c 不断向水膜内层扩散，当扩散至生物膜表面便被 生物膜悫的微生物捕获并降解，因此，v o c 在向生物膜内层扩教的过程中，浓度 不断降低，当v o c 传递至填料表面尚未完全降解完变会被填料吸附，填料的吸 附存在一个饱和值，当填料表面吸附饱和时，填料表面的v o c 分子便处于一个 吸附一解吸的动态过程中。 2 2 2气相方程 假定气相内部v o c 浓度始终均匀，且只存在对流传质；气液相界面通过扩 散传质，忽略对流的影响，则有： 净传质量= 一叠整，净扩散量：一疗r 域孥 彩 。 o x 戮此，气一液传递界面的v o c 浓度变化可表示为： 鲁。鲁一町域鲁 x = l f + l w 憾，c ；= h c w x 芝妒三w 时，拿：o o x ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中，c g 为气相中的v o c 浓度；h 为亨利常数； u 。为气体流速；誓气液 界面v o c 扩散的有效比表面积；白为生物膜厚度：厶，为水膜厚度；d w 为液膜传 硪上学位论文 蘧系霰；c w 刃气散夯圈_ 1 2v t o t c 缓楣列冰及。 若气相内部v o c 浓度不均，轴向存在扩散现象，则有： 净传质量一t l a c _ g ，净扩散酶量= 坟等 因此，气液传递界面的v o c 浓度变化可表示为： 鲁= 么丽a 2 c , 一k 警 x = 。+ 五。，g = h c w ，一d g 虿o c g i ，：。+ k = 一_ 习a c w l 。：k ( 2 4 ) ( 2 5 ) 瀚石：三，a c s _ g ：。( 2 6 ) 2 。2 。3水相方程 假设气体为单纯组分，液体为稀溶液，液相无化学反应，气液接触短暂，质 量传递靠z 向扩散和z 向对流传递。则水相内存在物料平德： 水相中的v o c 净变化量= 扩散进入水相中的v o c 量一扩散出水相中的v o c 的量+ v o c 的对流量 ， 净扩散的量：巩等，净传质的量= 警 因此，液相中v o c 浓度变化可表示为： 等= 见等一k 警 1。 亿7 ， x = t ，g = g ， 一哆挈。誓一一域警i 。：， ( 2 8 ) 式中，d w 为液膜传递系数；c w 为v o c 在液相中的浓度；为液相在z 方向 上的平均流速；为v o c 在液相中的浓度。 2 2 4 生物膜相方程 生物膜志的微生物是以微生物集圈的形式存在，微生物为脆闻凝胶，假设膜 内微生物均匀分布，菌龄分布、生物特征和微生物细胞功能是稳定的，气体为单 纯组分，液体为稀溶液，液相无化学反应，气液接触短暂，质基传递靠菇向扩教 和z 向对流。根据物料守恒定律可知： v o c 的净增长量= v o c 扩散进生物膜的量一v o c 消耗量 水膜生物膜界面的v o c 传递通量遵循f i c k 第一定律： a 2 r 水膜一生物膜界面扩敖量= d ，二：孚( 2 9 ) 生物滴滤器处理挥发性有机物的模拟研究 生物膜内c 降膊毕 南 因此，生物膜相的v o c 浓度变化方程可表示为： 翌o t = q 等一学 南k sc 融2y i+ ，i ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 国x ：o ，一兰：o ( 2 1 2 ) x = o ，一- 一o) 一 墩 式中，am 是微生物最大生长速率，凰为m o n o d 饱和常数，】，为产率系数， 墨为微生物浓度。 2 2 5 生物膜增长方程 生物滴滤器的运行过程中，微生物所需的营养成分通过营养液不断加入生物 滴滤器系统中，营养液在填料表面的流动过程中，水力剪切作用会带走一部分微 生物，医此，在生物滴滤器系统中，同时存在着微生物自身衰亡雩| 起的生物膜损 失和水力剪切作用引起的生物膜损失，用b 表示自身衰亡和水力剪切的复合系数， 则： 生物膜脱落量一三，b 生物过程过程中，微生物在降解v o c 的同时自身不断繁殖生长，表现为生 物膜厚度的不断增加，根据m o n o d 方程可知： 生物膜增长鞘珞域瓢誓) 考 因此，生物膜厚度的时间变化规律可表示为： 鲁= 卜刮砑号酗， 式中，r a 为生物膜相与水相中气体的扩散系数比；巩为v o c 在水相中的扩 散系数；y 为产率系数；巧为生物膜浓度；6 是单位骜切衰亡复合系数。 2 2 6 去除效率 使用