（环境工程专业论文）错流式生物滴滤床净化挥发性有机物（vocs）的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p e n to fc o a lt a ri n d u s t r ya n d p e t r o c h e m i c s ，t h e c o n t r o io nt h ev o l a t i l eo r g a n i cc o n l p o u n d s 0 c s )c a t c h e sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n a sb i o l o g i c a lt r e a t m e n to fv o c s ，e s p e c i a l l yb i o f i l t r a t i o ni s m u c bs u p e r i o ra n ds a f e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a la i rt r e a t m e n tt e c h n 0 1 0 9 y ， i tb a sb e c o 曲eo n eo ft h eh e a t e dr e s e a r c h i n ga r e a si ne v e r yc o u n t r yi nt h e w o r l d t h e f e a s i b i l i t y o ft 0 1 u e n ed e g r a d 8 t i o ni n c r o s sf l o wp a t t e r n b i o f i l t e ra n ds o m ei n f l u e n t i a lf a c t o r sw e r ed i s c u s s e di nt h ee x d e r i i 丑e n t s w i t ht 0 1 u e n ea st h ea i mp 0 1 1 u t a n t 。 t h ei 乃f l u e n c ed f t e h l p e r a t u r e ， c o n c e r t r a t i o n ， e m p t yb e dr e s i d e n c yt i m ， t h ep a k i n gm e d i a ， v o l u m e t r i c l o a d i n g ， t h eq u a n t i t yo fn u t r i e n ts 0 1 u t i o nf e e d i n gt ot h et b a bw e f e s t u d i e da sw e l la st h ed e s i g na n di m p r o v e m e n to nt h ec r o s sf l a wp a t t e r n t r i c k l eb e da i rb i o f i l t e r ( t b a b ) t h ef e a 8 i b i l i t yo ft 0 1 u e n ed e g r a d a t i o n b yac r o s sf l o wp a t t e r nt b a bw a sp r o v e d ： t h em a x i n l u mo ft h er e m o v a l v 0 1 u m e t r i cl o a d i n gi s2 8 0 1 ( g m 3 h ) t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r e a c h i e v e d ：，r e p e r a t u r ei sav e r 了i i p o r t a n tf 8 c t o rt ob i o d e g r a t i o n ，a1 0 啊e r t e m p e r a t u r e ( 轻质陶 块 陶粒 瓷环 不锈钢环 煤渣 塑料环。 1 2 3 4 运行的关键参数和作用 1 气体流速对去除效率的影响 一般而言，表观气速增大有利于加快传质过程，同时也会减少单位床层高度 的停留时间，使净化效率下降。 2 营养液对去除效率的影响 营养液的主要作用是提供给微生物所必需的氮、磷及其他一些微量元素和维 生素，并提供微生物生存的湿度环境。孙瑕石的研究表明汹1 ：c ：n ：p 一2 0 0 ：5 ： 1 是适宜的， 适宜的喷淋量是重要的，实验表明：在喷淋液量较大时反而不利于有机物的 降解。 营养元素影响的研究主要集中在氮元素的补充上。研究表明，氮元素浓度的 提高有助于净化效果的改善：z h u 等。”在去除含酯废气的研究中发现提高硝态氮 的量对净化能力有显著的改善；s i t h 等发现加入氮的形态对生物过剩物质的 产量影响较大。m a t t h e w 等。”研究表明高负荷时更加需要保持设备内一定的氮的 含量。刘强等嘲使用提高浓度的n 仉一n 源时得到了超出原来1 5 的净化效率。王 丽萍等】力口人z n ，f e 等微量元素也取得良好效果。 对于磷元素的研究主要集中在控制生物膜的生长策略。研究表明哪! ：不含磷 元素的营养液会在一定程度上降低生物错流式生物滴滤床的效率，在低有机负荷 时可以作为成功控制生物膜生长的策略之一。 其它微量营养元素对净化效果影响的研究则未见报道。 3 相对湿度和营养液供给量对去除效率的影响 李国文等人。”认为当相对湿度大于6 5 时，由于h ：o 分子的亲合作用，使生 物膜和滤料对甲苯的吸附力大大减小，引起滤料阻力增加，导致去除率和降解能 力的下降。c h u n g s y i n gl u m l 等在研究同时降解苯，甲苯，乙苯和二甲苯时发现 在滴滤床底部相对湿度维持在8 0 9 0 之间时，生物滴滤床取得最高净化效率。 与相对湿度相比，营养液供给量更为人关注，报道较多。其表示方法用喷淋 第1 章绪论 密度表示，单位为m 3 ( 寸h ) ，目前报道的喷淋液密度最小的是z h u 等蛳报道的 o 0 0 9 1 m 3 ( m 2 h ) ，并且取得了良好的净化效果。 1 2 3 5 温度去除效率的影响 温度对生物反应器内的传质和生物降解过程都有着重要的作用。微生物净化 有机废气的过程取决于微生物的生命活动，适宜的温度有利于微生物的降解代 谢。不同的菌种对应不同的适宜温度，报道的最高温度为5 0 。目前研究的生 物滴滤床中微生物的温度适宜范围大致在2 0 3 5 左右。d e e b 等人进行的 b e t x 降解研究结果表昵：3 5 时的降解速率最离。而y a n i c k 等人哪! 的研究表明： 高温下( 5 0 ) 生物对甲苯的消除能力可达2 8 9 9 ( 一h ) 。 1 2 3 6p h 值对去除效率的影响 微生物的活动都有其最佳的p h 值范围，当p h 值为7 8 ，是细菌和放线菌 龄最适宣钓范国。僵在进行含硫、氮及氯成份化合物的代谢时往往会产生酸性中 间产物，因此生物滴滤床一般需要用缓冲溶液来控制循环液的p h 值，提高p h 值 的方法通常是在营养液中加入可溶性碱或者无机盐。”。 1 2 3 ，7 生物膜 生物膜是生物滴滤床中核心部分，生物滴滤床中生物膜厚度要适宜，存在l 临 界生物膜厚度。当生物膜厚度超过临界生物膜厚度时，生物膜活性不会增加。”。 微生物过度增长，导致生物膜变厚，压降增加，处理效果降低，是生物滴滤法向 实际工业应用推广的制约因素之一。 为了保持生物浦滤床熬长期稳定运行，蔫采取措施防止微生物过度繁殖雨堵 塞填料，对此国外学者提出了不同的方法，归纳起来主要包括采用反冲洗和采用 化学方法冲洗这两种方法。s m i t h 等研究了用水反冲洗填料床的实验，证明这 项技术是有效的，但是要求高速流动的水和填料具有悬浮性。h h jc o x 等“” 研究了用n a c l o 去除过多的生物量，取得了具有恒定生物量浓度且稳定的生物滴 滤床，其对生物量的去除率达到7 7 ，并认为n a c l d 溶液是一种有前途的生物量 清除剂。w e b e r 等人“也尝试了用0 1 m 0 1 n a o h 溶液冲洗生物滴滤床，得到较为 满意的结果。用化学方法清洗较用水清洗的一个优点是只需要较低的液体流速。 北京工业大学工学硕士论文 但化学方法清洗可能会使微生物活性丧失，所以在化学清洗后，生物膜活性恢复 就变得尤为重要了。 1 2 3 8 错流式生物滴滤床类型 目前所有的生物滴滤床的形式都为立式。一般认为逆流式的净化效果要优于 顺流式错流式生物滴滤床，但前者压降要大于后者，许多研究也都证实了这一点。 但是z h u 等认为应视污染物特性而定，有顺流式净化效果优于逆流式错流式生 物滴滤床的可能性存在。 1 3 实验研究方案的确定 1 3 1 目标污染物的选择 在生物滴滤塔净化有机废气的过程中，一般认为有两个主要过程，即污染物 由气相转移到生物膜的传质过程和生物膜中污染物的降解过程。因此，这两个过 程的反应直接决定了污染物的最终去除效果。 一般而言，由于微生物生存在具有一定湿度的环境中，所以对于易溶于水的 有机物，其相应的降解菌种较多，生物降解过程也相对较为容易。而对于难溶于 水的有机物，其生物降解过程则相对困难。因此，对于含有难溶挥发性有机物的 废气，采用生物法处理是具有一定难度的。本研究从填料的优选，适宜菌种的培 养和富集两方面入手，强化传质和生物降解过程，以期提高生物滴滤塔的性能。 本研究选取甲苯作为目标污染物，研究其在生物滴滤塔中的净化情况。 1 3 1 1 苯系化合物的物理化学性质 苯系物是石油化工过程的产物，广泛应用于化工生产中。对世界很多城市空 气中的平均浓度进行汇总，结果表明甲苯浓度通常为1 1 2 5 1 5 0 弘g m 3 以上，世 界上很多国家均将苯系物质列入环境优先污染物名单。苯系物具有较高的蒸气压 和较低的水溶性，从而决定了其易挥发的特性，同时它又微溶于水，为生物降解 提供了可能。 1 3 1 2 苯系化合物的生物降解性 判断化合物可生物降解性主要依据是化合物的化学组成和结构。对于有机化 l o 第1 章绪论 合物，一般来说，环烃比链烃难降解，高级烷烃比低级烷烃难降解，支链烃比直 链烃难降解，饱和烃比不饱和烃难降解，芳烃比酯烃、杂环烃难降解，多环烃比 单环烃难降解。苯系化合物中生物降解性能一般是，甲苯 苯 乙苯 硝基苯 二甲苯。估髯有机化合物生物降解性的一秘方法是基于b o d ( 或b o d 5 ) 和c o d 的比 值。一般而言，b o d c o d 设计及改进错流式生物滴滤床 甲苯优势降解菌的培养，富集 生物滴滤床净化甲苯废气的性能和影响因素 填料对滴滤床净化含甲苯废气效果的影响 错流式与逆流式错流式生物滴滤床净化甲苯效率的对比 第2 章第一阶段实验研究 本实验以陶瓷矩鞍环作为生物滴滤床的填料，以纯菌种对生物滴滤床进行挂 膜，研究滤床的净化效果。在实验中，采取气、液两相错流流动的方式。其中气 相为连续相，液相为分散相。 2 1 错流式生物滴滤床净化v o c s 的实验装置和方法 2 1 1 实验装置 2 1 1 1 错流式生物滴滤床的设计 相对于传统的立式错流式生物滴滤床( 包括顺流和逆流) 而言，错流式错流 式生物滴滤床在结构上要复杂的多。立式错流式生物滴滤床，不管是顺流还是逆 流，营养液的流向与气流的方向始终是在同一轴线上的，即其内部的流体运动可 视为一维流动。但是错流式的复杂在于营养液的流动方向与气体的流动方向是垂 直的，也就是说其内部的两种流体呈二维流动，这就为错流式生物滴滤床的设计 带来了一个难题短流的问题。 实验第一阶段的设计示意图，见图2 1 。 图2 一l 一次布液部分 f i g2 - 1m ep a r to f t l l ef i 璐tn u n i e n ts o l u t i o nd i s m b l l t i o n 布液：采用双层分布，第一层为管道布液；第二层为孔板布液，即在水平板 上开小孔布液。实验了数种板厚与孔眼分布以及孔眼大小不同的方式，测其分布 状况。 孔板布液共进行了下列实验： 5 m 厚有机板： 2 l ，o 6 珊小孔 第2 章第一阶段实验研究 2 1 ，o 8 i d i i l 小孔 2 l ，1 0 姗小孔 1 l ，o 6 姗小孔 l 1 ，o 8 啪小孔 1 1 ，1 o m 小孔 1 衄厚有机板： l l ，0 6 岫小孔 l 1 ，0 8 胁小孔 1 1 ，1 0 哪小孔 最终确定了孔板布液的形式：5 咖厚有机板，1 1 ，1 0 咖小孔的方式：后期 改用l m m 厚有机板，l 1 ，1 o 蛆f l l 小孔的形式。 液封：如果各反应单元下方无任何设施的话就会使得气体直从该处逸出而不 被后面部分处理，造成短路现象。故在排水部分末端将管道抬升一定高度，以控 制各反应单元下方液面高度，起液封作用。 最终确定错流式生物滴滤床形式如图2 2 所示。 图2 2 错流式生物滴滤床( 实验第一阶段) f i 9 2 2 c r o s s n o w p 8 n e m 打i c e b e d 心b b f i l t e r e 丘r s t e x p 盱i m e n t s 嘴e ) 2 1 1 2 实验流程 错流式生物滴滤床净化甲苯废气的实验流程见图2 3 。 北京工业大学工学硕士论文 1 空气压缩机2 排空阀3 转子流量计4 阀门5 甲苯液体挥发瓶6 气体混合瓶 7 错流式生物滴滤床8 循环水槽9 循环水泵1 0 高位水槽 图2 3 错流式生物滴滤床净化甲苯废气的实验流程 f i 9 2 3 t h e 唧e r i m e n t n o wo f c m s s h g n o w p a 仳m 妞c h e b e da i r b i o - 慰e f t e m o v 堍甲苯 含甲苯气体采用动态配气法配制，从空气压缩机出来的气流分成2 股，辅气 流经甲苯液体挥发瓶，带出含甲苯的气流进入气体混合瓶与主气流充分混合，形成 含甲苯废气。含甲苯废气的浓度通过改变辅气流与主气流的比例来控制，实际浓 度则通过检测来确定。废气的流量通过气体转子流量计来控制。生物滴滤床的上 部有液体喷淋装置，营养液由高位水榷喷淋而下，经由生物滴滤床后流入循环水 槽。 实验用的生物滴滤床由厚度为5 册的透明有机板制成，填料层长度为2 0 0 咖， 高度为1 5 0 衄。生物滴滤床内装的填料为陶瓷矩鞍环。实验采用气液错流操作。 进气口在生物滴滤床的左端，出气口在右端。 生物滴滤床的基本尺寸如表2 一l 所示。 表2 1 错流式生物滴滤床基本尺寸 h b l e 2 - 1 1 1 l es l o f 吐mc r 0 髂m g 丑o wp a 枷釉埘c i d e b 醯a i r b i o - f n t e r 总长总宽总高壤料层长填料层宽填料层高气流横截面积喷淋液横截面积 c mc m c m锄锄c mc m 2c 砰 3 51 0 2 0 2 5 1 01 5 1 5 02 5 0 生物滴滤床中填料的物性参数如表2 2 所示。 生物滴滤床的循环营养液由自来水中加入一定量的营养元素配置而成，营养 液的p h 值控制在7 左右，其成分如表2 3 所示。 第2 章第一阶段实验研究 表2 - 2 填料的物性参数 ! ! ! ! 氅：i 塾z ! i ! 型塑! 生! p ! 型! ! 竺巫塑p 墼坐g 翌! 生! 填料规格m堆积密度k g 町3比表面积r 3空隙率 陶瓷矩鞍环 1 66 8 63 6 87 1 表2 3 循环营养液成分配比 ! ! ! ! ! ：! ! 竖e 翌p ! 尘! ! ! ! 型型! 塑型! ! 必! ! 营养液名称营养液配置浓度循环液中营养液用量 2 1 2 实验方法 2 1 2 1 微生物的培养和驯化 菌种从中国微生物研究所购得，学名为恶臭假单胞菌。在无菌条件下，先将 处于休眠状态的干菌种置于斜面培养基上，在2 5 的培养箱内复苏，1 周后再转 接到斜面培养基上，在2 5 的培养箱内继续培养1 周，然后将菌种置于摇床内富 集，时间为1 5 2 天，最后取出离心制成菌悬液。 2 1 2 2 微生物的挂膜和生物滴滤床的启动 将制备好的菌悬液均匀喷洒到由营养液浸泡后的填料上，喷洒时，为保证均 匀性，铺一层填料喷洒一部分菌悬液直至全部菌悬液均匀喷洒到填料上。按照循 环营养液的成分配比加入营养物质，从生物滴滤床的顶部喷淋而下，流经填料表 面，同时，含甲苯气体也从填料层流过，生物滴滤床也随之开始启动。 液相中的微生物在填料表面附着，逐渐增长、繁殖，最终形成完整的生物膜。 其形成的过程如图2 4 所示。 北京工业大学工学硕士论文 掖相中悬浮的徼生物 l 糊一蚴向蛔 l 赫蹬槠 不可逆附着 i 附着微生物的l 曾长、形成生物膜 图2 4 生物膜在填料表面形成的过程 f i 9 2 4 t h ep f o c e s s 也a t 也eb i 确1 n l f o 珊e d o n 饥s 1 】r f a c ed f 血e p a c k m g m 甜i a 在挂膜初始阶段，系统的处理能力十分低，十天后，生物膜逐渐形成，基本 为无色，这对，错流式生物消滤床的去除能力逐渐提高；随后，生物膜的颜色逐 渐变成浅黄、深黄、棕褐色，在这期间，生物滴滤床表现出稳定的性能。见图2 7 。 图2 8 。 2 1 2 3 测试项目和分析方法 气相中甲苯的浓度：气相色谱法； 营养液出水的p h 值：p h 试纸； 生物滴滤床床层压降：u 型管压力计； 气体流量：转子流量计。 2 1 2 4 蠕动泵 蠕动泵用来控制喷淋液流量，其型号为b t 0 0 3 0 0 m 。由于其上的刻度不阮准 确说明喷淋液的真实流量，所以在使用之前要进行校准，得到转速与流量之间的 关系，见图2 5 和表2 4 。 表2 4 蠕动裂转速与流量关系 f i 窑2 5n 他托l a t i o m i l i po f n 埔r o t g t es p e e d 船df l u x 转速r p m 0 3 06 09 01 2 01 5 0 流量l - h - 】o 6 。8 4 01 3 3 22 0 5 22 8 8 03 3 9 6 第2 章第一阶段实验研究 2 1 1 4 7 0 04 0 8 0 1 2 0 1 6 0 转速( r d m ) 图2 - 5 蠕动泵的转速与流量关系图 f i 醇5 强er c l 娟o n s h i po f 恤r o t a t es p e c d dn 1 1 ) 【o f m ep c r i s 伽右cm n p 2 1 3 甲苯标准曲线的绘制 气样中的甲苯浓度由气相色谱仪( h p 6 8 9 0 n ) 测定。色谱柱类型为h p 5 毛细管 柱，柱温5 0 ，迸样口温度1 0 0 ，检测器类型f i d ，温度3 0 0 。 甲苯标准曲线，见图2 6 。 1 8 0 0 】5 0 0 9 0 0 6 0 0 3 0 0 0 4 0 8 0 1 2 01 6 0 峰面积 图2 6 甲苯标准曲线 f i 9 2 - 6t h es t a | 1 d a r dc u r v eo f t 0 i u e 1 7 _【v删蕊 目dd)|鹊鞋精睁 北京工业大学工学硕士论文 根据原始测出数据，计算进甲苯浓度、体积负荷、去除负荷和净化效率。 3 月2 1 日开始通气运行生物滴滤床，9 天内没有观察到明显的生物膜。但是循 环液中可以闻到一些轻微腥味，表明可能有微生物生长。第1 2 天观察到生物膜的 出现，在填料表面出现淡黄色粘稠附着物见图2 7 。随着运行时间的增长，生物 膜颜色逐渐变深，覆盖面积逐渐增加直至覆盖整个填料。见图2 8 。 表2 - 5 实验数据处理 启动进口浓度出日浓度体积负荷去除负荷效率 天数 p p m vp p m v g ( m 3 h )g ( m 3 h ) 备注 循环液中有轻微腥 85 0 0 44 0 6 66 4 6 6 7 3 0 8 6 6 9 1 8 7 6 味。加热室温和循 环液温度 9 4 1 7 4 3 6 7 1 1 3 7 3 5 4 1 6 5 5 21 2 0 5 1 0 1 0 4 1 89 3 7 13 4 2 8 2 7 3 4 4 5 4 1 0 0 5 在填料表面观察到 1 2 1 2 7 1 09 8 6 54 1 8 2 5 1 9 3 6 2 i 2 2 3 8生物膜，淡黄色， 粘稠 1 36 3 0 85 5 3 8 2 0 7 5 7 8 2 5 3 3 9 1 2 2 1 1 52 7 0 35 0 0 8 8 9 4 8 7 2 4 9 5 8 1 5 1 6 4 0 7 6 3 0 4 91 3 4 1 2 93 3 7 9 6 2 5 1 9 下午更换营养液 生物膜颜色逐渐变 1 73 1 8 71 2 6 11 0 4 8 7 56 3 3 7 96 0 4 3深，循环液可以明 显闻到腥味 1 89 4 8 99 7 43 1 2 2 5 62 8 0 2 0 48 9 7 6 1 98 6 4 01 7 42 8 4 3 1 8z 7 8 5 9 19 7 9 8 2 05 2 1 23 6 0 21 7 1 5 1 25 2 9 8 13 0 8 9 更换营养液，生物 2 13 9 7 72 6 9 3 1 3 0 8 7 2 4 2 2 5 3 3 2 2 9 膜覆盖整个填料床 2 2 5 4 3 95 1 2 31 7 8 9 8 21 0 3 9 95 8 l 清洗填料 2 34 3 3 31 2 2 11 4 2 5 8 71 0 2 4 0 77 1 8 2 2 4 2 4 5 65 6 t58 0 & 1 97 8 9 s l9 7 7 2 5 1 8 9 36 7 46 2 2 9 36 0 0 7 59 6 4 4 2 6 1 4 1 82 4 54 6 6 6 23 8 68 2 7 2 更换营养液，冲洗 3 01 5 9 71 1 4 2 5 2 5 5 3 1 4 9 7 3 2 8 4 9 膜 3 l1 4 6 81 1 3 24 8 3 0 81 1 0 5 92 2 8 9 3 21 4 1 91 2 24 6 6 9 54 2 6 8 l9 1 4 3 31 5 9 61 1 9 l5 2 5 1 91 3 3 2 7 2 5 。3 8 前一天更换营养 4 1 1 5 9 61 4 3 85 2 5 1 95 1 9 9 9 9 液，错流式生物滴 滤床内堵 4 6 1 1 8 l8 5 84 0 9 2 l1 0 6 2 92 7 3 5 1 8 第2 章第一阶段实验研究 图2 - 7 第1 2 天生物膜生长情况 f i 9 2 - m eb i 池踟l h d m 眦0 f t h e 帆船d a y 图2 - 8 第1 7 天生物膜生长情况 f j 9 2 - 8 b i 硎m 鲫衲c 砌6 o f t h e 删嗍舶姆 2 2 实验结果与分析 在论述前，先阐释几个相关的概念： 去除效率，表示废气的净化程度，数学表达式为： 叩2 l e c 。 ( 2 1 ) 式中：叩净化效率 o 气体入口浓度，_ g 一 o 气体出口浓度，n g m 3 体积负荷，它表示在单位时间内单位体积滤料需要净化的污染物的质量，数 北京工业大学工学硕士论文 学表达式为： 上：! 监 1 0 0 0 ( 2 2 ) 式中：f 体积负荷，g ( m 3 h ) 醇气体流量，m 3 h r 填料体积，m 3 体积去除负荷，它表示单位时间内单位体积滤料去除的污染物的总量，数学 表达式为： l = ( c 一一c 口) + 级1 0 0 0 矿 ( 2 3 ) 式中： l 体积去除负荷，g ( 酽h ) 表面负荷，它表示在单位时问内，滤料单位表面积需要净化的污染物的质量， 数学表达式为： k 2 q 皱( 1 0 0 0 y + 口) ( 2 4 ) 式中： 厶。表面负荷。g ( 一h ) ， 口填料的挺表面积，m 2 一 表面去除负荷，它表示单位时间内，滤料单位表面积去除的污染物的质量， 数学表达式为： l 2 一c 口) 婊( 1 伪缈蜃) ( 2 5 ) 式中： 表面击赊负荷，g ( 礓2 h ) ， 液体喷淋密度，它表示单位时间内滤床单位横截面积上流过的营养液的体 积，数学表达式为t f = 4 q f 棚2 ( 2 6 ) 式中：，液体喷淋密度，m 8 ( m 2 h ) 0 营养液流量，3 h 口滤床的直径，m 空床停留时间( 以下简称为停留时间) ，数学表达式为： e 删r 2 吖q g ( 2 7 ) 本实验在室温( 1 8 2 8 ) 下进行，气体名义停留时间分别控制在3 2 5 s 、 4 8 8 s 和9 7 5 s ，气相中甲苯的浓度控制在o 3 5 0 0 i l l g m 3 ，液相喷淋密度控制在 o 0 4 l9 l m 3 ( 2 h ) 。 第2 章第一阶段实验研究 2 2 1 温度条件对挂膜情况的影响 实验开始没有进行温度的调节，实验温度即为室温，约1 0 ，本实验在一周 内还没有任何迹象表明生物膜生长的情况下，将室温增加，克服温度低对微生 物生长的限制，第1 0 天采用家用电加热器加热室温，温度上升到2 5 左右，同 时用电加热棒对循环液进行加热。第1 2 天在填料表面观察到生物膜的出现，颜 色为淡黄色，粘稠状。同时循环液腥味加重。随着时间推移，生物膜颜色逐渐 加重，覆盖面积也随之增大，直至覆盖整个填料床，循环液腥味也加重。因此 可见，温度是影响生物滴滤床运行的重要参数之一，1 0 不利于滴滤床中微生 物的生长，而2 5 时运行两天即出现淡黄色生物膜。表明有微生物生长现象。 2 2 2 营养液对生物膜的影响 营养液是生物滴滤床运行的另一个影响因素之一。实验分别在第1 6 天，第2 1 天，第3 0 天更换系统的营养液。系统的去除负荷呈波动的趋势，分别在第1 5 ，1 9 ， 2 4 ，3 2 天达到峰值，此间都有回落后上升的现象。1 5 日后去除负荷下降，1 6 日更 换营养液后直线上升；1 9 日后去除负荷直线下降，2 1 日更换营养液后又明显回升； 2 5 日又出现下降趋势，第3 0 目更换营养液再次回升。实验中虽然没有进行水相总 n ，总p 的测定，但是从错流式生物滴滤床效率曲线的反馈信息来看，明显可以看 到，营养液在错流式生物滴滤床中被不断消耗，定期更换营养液是错流式生物滴 滤床正常运行的必要条件之一。 2 2 3 体积负荷与体积去除负荷的关系 图2 9 是填料为陶瓷矩鞍环，气体停留时间为6 7 5 s 时，错流式生物滴滤床体 积负荷与体积去除负荷的关系。图中的直线为滤床的净化效率为l o o ( 即体积 去除负荷等体积负荷) 时数据点的集合。当体积去除负荷小于体积负荷时，数据 点则分布在直线的下方。从图中可以看出，以纯菌种为降解菌种的错流式生物滴 滤床表现出强大的降解能力，去除负荷随着体积负荷的上升而上升，在停留时间 为6 7 5 s 时，最大去除负荷达到2 8 0 1 9 ( m 3 h ) 。 2 l 北京工业大学工学硕士论文 毽 蓑1 6 0 0 髓 稍 体积负荷( 肿3 h ) 图2 9 去除负荷与体积负荷的关系图 f i 眵9t h er e i 硝0 1 1 s h i pb 咖啪t e m 肿a 1v 0 1 衄e1 0 a d i n ga n dv o l 嘲e1 0 a d i n g 2 2 4 气体入口浓度与去除效率的关系 图2 1 0 是气体入口中甲苯的浓度与填料为陶瓷矩鞍环，气体停留时间为 6 7 5 s 时，错流式生物滴滤床的净化效率随时间变化的关系。 誉爹爹梦移蓼爹爹 日期 图2 1 0 去除效率与气体入口浓度的关系图 f i 9 2 1 01 h er e l a t i d n s h i pb 掣附e 蛆r 锄o v a le c i c n c y 明d 廿埔c c e n t r a t i o nd fi n l e t 从图中可以看出，以纯菌种为降解菌种的错流式生物滴滤床表现出强大的降 解能力，入口浓度3 9 0 2 0 m g 一，出口浓度仅4 0 0 7 m g m 3 ，去除效率为8 9 ：入口浓 第2 章第一阶段实验研究 度3 5 5 3 9 m g 寸，出口浓度仅为7 3 1 l g m a ，去除效率可达9 8 。目前研究的生物法处 理甲苯多为低浓度条件下，在1 0 0 0 m g m 3 3 0 0 0 i i l g m 3 范围内，去除效率随入口浓 度与停留时间而变化。与其相比，本实验在停留时间为6 7 5 s ，入口浓度很高的 条件下，仍然取得了很好的去除效果。 2 2 5 填料层的压降分析 在生物滴滤床系统运行的过程中，实验还对填料层的压降进行了测定。结果 表明，错流式生物滴滤床的压降极小，正常运行情况下基本没有压降。即使在堵 塞的情况下，其压降只有1 0 p a 左右。有报道在操作方式为顺流式，停留时间3 2 5 s ， 填料孔隙率7 8 的陶瓷拉西环的条件下，正常运行时的压降为1 2 0 p a 。在操作方 式为逆流式，停留时间为1 8 3 s ，填料孔隙率不明的陶块，正常运行时的压降为 5 8 8 2 1 5 6 p a ，均远远大于本实验的1 0 p a 。 堵塞不仅弓l 起压强升高，也将引起效率的急剧下降 同时压强升高和效率的 急剧降低也是堵塞现象产生的标志。由于实验准备阶段没有考虑到会产生堵塞的 情况，所以在观察到压降上升同时效率下降时，只得采用了将填料用蒸馏水清洗 的方式，结果表明该方法是有效的。实验效率在第二天就得到了恢复。此后实验 将甲苯入口的浓度调低，堵塞产生的周期也随之延长。因此，错流式生物滴滤床 在处理高体积负荷的有机气体时，必须采用积极措施控制生物膜的生长，防止堵 塞现象的频繁发生。 2 3 本章小结 本阶段实验以陶瓷矩鞍环作为生物滴滤床的填料，以畜集后的纯菌种( 恶臭 假单胞菌) 制成的菌悬液对生物滴滤床进行挂膜，研究滤床的净化效果。实验结 果表明：以纯菌种( 恶臭假单胞菌) 为降解微生物，陶瓷矩鞍环为填料的错流式 生物滴滤床对甲苯具有极高的去除负荷，最大去除负荷2 8 0 1 9 ( m 3 h ) ，远远大 于目前国内外所有文献中的报道。 本阶段实验证明了： 1 _ 错流式生物滴滤床用于降解甲苯是有效的； 2 纯菌种( 恶臭假单胞茵) 用于降解甲苯是有效的； 3 温度对于生物降解过程有着极为重要的作用； 北京工业大学工学硕士论文 4 用蒸馏水清洗填料可以解决堵塞的问题，而且清洗后去除能力恢复很快； 5 在体积负荷变化很大的情况下，错流式生物滴滤床能够保持很高的去除效 率，证明该菌种具有很强的抗体积负荷冲击的能力。 需要解决的问题； 1 目前形式的错流式错流式生物滴滤床对于高体积负荷的高去除率不能维 持较长时间，所以在下一步实验中，如何解决高体积负荷条件下的高效降解时间 成为当务之急； 2 如何稳定进气的浓度； 3 错流式生物滴滤床存在的气体短路问题。 第3 章第二阶段实验研究 第3 章第二阶段实验研究 从第一阶段的实验结果可以看出，在高体积负荷条件下，生物滴滤床极易出 现堵塞的问题。所以在错流式生物滴滤床的设计上，增加了反冲洗的功能，见图 3 2 所示。为了进一步研究填料对净化效率的影响，该实验取两种结构和性能截 然不同的填料作对比。一种填料为散乱堆积的陶瓷小球，另一种填料为蹩形塑料 网状填料。表3 1 列出了两种填料的物性参数。 3 。1 生物滴滤床净化甲苯的实验装置与方法 3 ，1 1 错流式生物滴滤床设计的改进 在实验第一阶段的基础之上，对错流式生物滴滤床进行了改进。 改进的主要原因包括： ( 1 ) 第一阶段出现的高负荷条件下堵塞现象的发生； ( 2 ) 一次布液没有达到想要的均匀效果，进一步提高布液的均匀效果。 改进的方法： ( 1 ) 在错流式生物滴滤床底部加设反冲洗装置，具体为在底部加设两组平 行的矾2 0 的p v c 管各两根，在上面均匀开孔，孔闻隔为1 c m ，位于上部的两根管 用于水反冲，下部的两根用于气反冲；在顶部盖子侧面各连接一根d n 2 0 的p v c 管，用于反冲洗排水，排气。 ( 2 ) 增加一次布液的一根水管为二根，且在上面均匀开孔，孔间隔为1 c m ， 见图3 1 。 图3 1 一次布液部分( 实验第二阶段) f i 9 3 1t h e p a r t o f 也e 觚t 删埘e ms o l u 妇岫耐州咧蛳s e c o n d 唧础n e n t 她g e ) 最终确定错流式生物滴滤床的形式如图3 2 所示。 北赢工业大学工学硕士论文 u o ：鲁 o 犷 一 oe 0c 日 d 匕 一 u 0 吐 图3 2 错流式生物滴滤床( 实验第二阶段) f i 9 3 - 2c r o s sn o wp 毗c m 仃i c k l eb e da i rb i o ，f i l t c r ( 由es e c o n de x p e 血n 如t 咖g e ) 3 1 2 实验装置和实验方法 实验装置和实验方法与第二章基本相同。改进之处主要在于配气部分即用大 体积甲苯挥发瓶代替原来的小体积_ 甲苯挥发瓶；增设恒温水浴以衡定甲苯挥发瓶 的温度；改原来鼓泡为不鼓泡，仅带走挥发瓶中的甲苯蒸汽，调节进入甲苯挥发 瓶的辅气流与主气流的比例来调整进气中甲苯浓度，最后用气相色谱测得准确 值。本阶段的最终实验流程如图3 3 所示。 本实验采用的填料为陶瓷小球秘塑料网状填料，其物性参数见表3 1 所示。 表3 - 1 填料的物性参数 t 曲1 e 3 1p h ”i c a lc h a r 抛p a 姗e 瞬d f m e p k h l g m e d i a 实验中进行的主要检测项目有：气相中甲苯的浓度气相色谱法；营养液 出水的p h 值p h 试纸；生物滴滤床层压降一型管压力计；气体流量一转 予流量计。 第3 章第二阶段实验研究 1 空气压缩机2 排空阀3 转子流量计4 阀门5 甲苯液体挥发瓶6 气体混台瓶 7 1 # 错流式生物滴滤床8 2 艟* 流式生物滴滤床9 循环水槽l o 循环水泵 1 1 高位水槽1 2 蠕动泵 图3 3 错流式生物滴滤床净化甲苯废气的实验流程( 第二阶段) f i 9 3 - 3t h ee x p e r i m e n tn o wo f c f o s s i i l gn o wp d 岫1 l 们c k l eb e d a i rb i o f i l t e rr e m o v i n g 甲苯 ( 也es e c o n d 鼢币酬曲嘶g t a g e ) 3 2 实验结果与讨论 3 2 1 体积负荷与体积去除负荷的关系 图3 4 和图3 5 分别为填料为陶瓷小球和塑料网状填料的错流式生物滴滤床 在气体停留时间为6 7 5 s 时，滤床的体积负荷与体积去除负荷的关系。图中采用 了较多的数据点，如图所示，对于一定的体积负荷，其体积去除负荷往往有较大 的变化，尤其是在负荷较高的情况下。这是因为，在实验过程中，不同的实验条 件( 如温度、生物膜、营养液在填料中的分布等) 和不同的时期( 如生物膜的生 长期、脱落期等) ，滤床所表现出来的净化性能是不同的，图中所示为整个实验 过程( 2 个月) 的结果。 从图中可以看出，以陶瓷小球和塑料网状填料作为填料时，去除负荷随体积 负荷的增加而增加，其变化规律与第一阶段相同，其差别在于最大去除负荷不同。 对于填料为陶瓷小球的生物滴滤床，停留时间5 4 s 时，最大去除负荷为 9 8 9 ( m 3 h ) ；填料为塑料网状填料的生物滴滤床，停留时间5 4 s 时，最大去除 负荷为6 2 9 ( m 3 h ) 。但在挂膜完成后，生物滴滤床稳定运行时，降低体积负荷， 北京工业大学工学硕士论文 去除效率也不能达到1 0 0 ，滤床不能完全将其净化，证明了错流式生物滴滤床 内部存在短流的现象。 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 日期 图3 4 填料为陶瓷小球的生物滴滤床的体积负荷与去除负荷的关系图 f i 9 3 - 4t h er e l a 廿0 n s i l i po f v o l 岫el o a d i 】唱蚰d 崩n o v a ll o 丑d i n g 埘c k i i i l gb e da i rb i o f l l t e rw 油t l i e p a d d n gm e m bc 材啦i cp e l l e 虹 2 0 0 0 1 5 0 0 0 0 0 5 0 0 o 日期 图3 5 填料为塑料网状填料的生物滴滤床的体积负荷与去除负荷的关系图 f i 目一5t h er e l 砒i o m l l i po f v o l u n 他1 0 a d i n ga n dr e m o v a l l o a d i l l go f t l l e 埘d d 吨b e da i rb i o - t i l t e r w i ip 1 8 s t i c 埔d i m e m i 曲_ a ln e t 嚣也ep l d 】唱r n e d i a 3 2 2 填料的影响 本实验采用的填料为陶瓷小球填料和整型塑料网状填料。从表3 1 可以看 出，两种填料的比表面积相差很大。从实验结果来看，两座滤床的净化效果存在 n硼丑v棹 妒葛叹h妒n n 叹卜申o n 旺卜妒= 暖卜_ 鲁2 叹h妒一_ i 叹卜 _ 鲁。皿h妒卜叹| 已妒叹卜咿皿h _ 旨m n 叹口咿高吸。咿n 吸。妒n n 吣世 书叫咿_【n叹 咿o 皿。 妒9 i 吸。咿= 叹。申_【_【吸。 咿h 哎。 牛叫妒n叹。牛叫巾_【叹 十叫妒_【吸净q妒n皿 乏眦3耀蛙 巾n 畎h妒z 叹h申l z 吠上_ 旨_ i 叹h巾9 i 叹h妒= 叹h妒o _ 【叹h 申皿h申口叹h巾q 吸h巾_ 【吸h 巾o n 叹。妒上z 吸。妒n 叹口妒n n 吸口 牛叫申爵呶。 咿o 【吸o_ 鲁上t 叹。巾【皿。申n _ 【叹口 牛导妒“_i皿口 申o _ 【叹口 廿卜申“吣。牛卜妒_【吣 牛卜印磊叹牛q咿on叹 第3 章第二阶段实验研究 很大的差异。由于两中填料的材质不同，实验挂膜的菌种相同，其差别不仅与填 料的比表面积有关，而且与填料的材质也有关。 图3 6 为停留时间5 4 s 时，陶瓷和塑料立体网状填料的生物滴滤床的体积负 荷与去除负荷关系图。从图中可以看出，对于基本相同的体积负荷，两座滤床的 去除负荷并不相同。填料为陶瓷小球的滤床的去除负荷要大于填料为塑料网状填 料的滤床。塑料网状填料挂膜时间较长，而且在实验后期由于布液系统中的二次 布液孔板上小孔堵塞，造成积液，最高时可达2 3 c m 高，而此时塑料网状 填料的效率急剧下降，几近为零。这与塑料网状填料的性质是密不可分的，塑料 表面光滑，导致微生物难以在其表面附着进而生长繁殖。从该角度看，塑料网状 填料作为生物滴滤床的填料是不合适的。 3 0 0 2 4 0 2 龟1 8 0 、一 框 曩1 2 0 稍 6 0 0 06 01 2 01 8 02 4 03 0 0 体积负荷( g m 3 h ) 图3 6 陶瓷和塑料立体网状填料的生物灌滤柬的体积负荷与去除负荷关系图 f i 9 3 6n er e l 撕o n s h i po f v o l u m el o a d h l g 拍dr e i n o v a lv o h m el o a d i n go f t l 豫廿i c k l eb e d8 i r b i o f i l t e rw i t l lm ec e r 锄i cp e l l e t s 锄dp l a s t i c 研d i l n e m i o t l a lm t 船t l l ep k i n gm e d i a 3 2 3 营养液量的影晌 在生物滴滤床中，由于营养液要从填料表面流过，因此，在污染物从气相到 生物膜的传递过程中，必然涉及到液相。因此，营养液的流量( 喷淋密度) 对净 化效果的影响一直是生物滴滤床研究中的重点。本实验对此也进行了研究。 实验研究了两种营养液量。前期为2 4 1 h ，后期为1 1 l h 。在后期污染物 北京工业大学工学硕士论文 的净化效率和去除负荷有了较大的提高，但是由于生物相的变化是一个较为漫长 的过程，而本实验的主要目的在于进行两种填料的对比( 时间为2 个月) ，所以 并没有进行进一步的研究。 3 3 本章小结 本阶段实验以陶瓷小球和整型塑料网状填料作为生物滴滤床的填料，以纯菌 种( 恶臭假单胞菌) 进行挂膜，研究滤床的净化效果。对于填料为陶瓷小球的滤 床，停留时间为5 4 s 时，最大体积负荷为1 2 6 9 ( 寸h ) 时，最大去除负荷为 9 8 9 ( m 3 h ) ，对应效率为8 3 ；填料为整型塑料网状填料的滤床，停留时间为 5 4 s 时，最大体积负荷为1 2 6 9 ( m 3 h ) 时，最大去除负荷为6 2 9 ( m 3 h ) ，对 应效率4 9 。 从实验结果来看，以整型塑料网状填料为填料的滤床的净化效果较差，而且 数据波动较大，这可能与填料的性质有关。实验中填料袁面的生物膜是不断更新 的，由于整型塑料网状填料表面较为光滑，所以填料表面的生物膜脱落后再生长 的