（环境工程专业论文）新型复合生物填料开发及其性能评价.pdf

浙江工业大学 删删删 y 17 7 6 坩g 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：全，慢矛f日期：列矿年步月z 多日 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。本人授权浙江工业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 、不保密艮 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：纠p 年 日期：j 7 年 户月影日 朋彤日 浙江工业大学硕士研究生学位论文 新型复合生物填料开发及其性能评价 摘要 填料是废气生物净化装置的核心组件，其性能直接影响污染物去 除效果。本研究采用浸渍法，通过胶膜固定、包埋，使一定量的低水 溶性有机矿粉均匀负载到聚丙烯网状纤维表面，开发出一种具有缓释 功能、适用于废气生物过滤系统的复合生物填料。同时建立了填料特 性参数测定方法，分析了该填料理化性能；并以甲苯模拟废气，对其 污染物去除性能进行评价。 填料开发过程中选用聚丙烯网状纤维为骨架，以1 撑风化褐煤为主 要养分，混合胶黏剂( p u 、1 j f i p a 和2 拌p a ) 为附着和增强剂。经试验 获得复合填料的合适配比，p u 胶、1 撑p a 胶和2 撑p a 胶三种胶粘剂最佳 的混合比例为3 0 7 ：3 8 6 ：3 0 7 ( 质量比) ；有机矿粉与混合胶粘剂的 最佳配比为1 ：1 5 ( 质量比) ；最佳加水量与矿粉的比例为l ：1 ( 质量 比) 。 开发的新型生物填料性能评价结果表明，缓释填料的空隙率为 8 8 ，堆密度为1 6 4 3 埏m 一，压缩强度2 2 4l 【p a ，比表面积为9 9 1 0 4 m 2 m 一，p h 为7 9 ；其营养结构与泥质填料相近，有机质、有机碳、总 氮、总磷含量分别为7 2 2 、5 4 7 、1 6 3 、o 0 7 ；缓释填料能长期 在潮湿环境中保持良好的粘结强度，并具有营养缓释功能；缓释填料 b f 系统挂膜启动周期约为1 3d ，填料层平均干、湿生物量分别为1 1 6 k g m 。3 和2 8 7 4k g m 一，阻力系数为1 3 1 0 4 8 9 1 0 4m ；正常运行阶段， 对进气流量和污染负荷波动的适应性较强，当进气流量由8 8m 3 h - 1 增 至1 6 0m 3 h - 1 时，去除效率由近1 0 0 降至7 3 ；当甲苯进气负荷由4 8 o 浙江工业大学硕士研究生学位论文 g m 一h 。1 增加到1 2 3 8 1 3 5 3g m 一h - 1 时，去除负荷基本保持在1 0 3 g m 一h 以左右，平均去除效率为8 1 6 。系统闲置停运1 2d 后需性能恢 复时间为2d 。 关键词：缓释功能，复合填料，生物过滤，废气处理 浙江工业大学硕士研究生学位论文 a bs t r a c t s u p p o r tm e d i u m i so n eo ft h em o s tc r i t i c a le l e m e n t so fab i o f i l t r a t i o n s y s t e mf o rw a s t eg a s ，s i n c ei t sn a ：t u r ea f i e c t sm er e m o v a lp e r f o n 】：1 a n c eo f c o m 锄i n a t i o nd i r e c t l y i nt h i st h e s i s ，an o v e lc o m p o s i t em e d i aw i t ha 如n c t i o no fs l o wr e l e a s ew a sd e v e l o p e da 1 1 dw a sp r o v e ds u i t a b l ea sa s u p p o r tm e d i u mi nt h eb i o f i l t r a t i o np r o c e s s b r i e n y ，ap r o p e ra m o u n to f l o w w a t e r - s o l u b l eo 玛a n i cm i n e r a lp o w d e rw a se m b e d d e da n df i x e db ya p o l y m e ra d h e s i v e ，t h e nh o m o g e n e o u s l yd is p e n s e do nt h es u “a c eo fa r e t i c u l a rf i b e rb ym e a n so fi m p r e g n a t i o n ad e t e m i n a t i o nm e t h o do ft h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sw a se s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h ep h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e so ft h em e d i a ，a n ds i m u l a t e dw a s t eg a sw i t ht o l u e n ew a sc h o s e n t oe v a l u a t ei t sp e r f o 加：1 a i l c e sf o rw a s t eg a sb i o f i l t r a t i o n t h es u p p o i r tm e d i u m 、a sm a i n l yc o m p o s e do fp 0 1 y p r o p y l e n er e t i c u l a r 邱e ra c t i n ga sa 毹瞄e w o r k ，1 群l e o n a r d i t ep o w d e rc h o s e da l st h em 萄o r n 嘶e n t s ，a n dam i x e da d h e s i v eu s e da s 叭a c h i n ga n dr e i n f o r c i n ga g e n t ， w h i c hw a sp r e p a r e d b yb l e n d i n gp u ，1 群p aa n d2 撑p aa d h e s i v e st o g e t h e r 1 1 1 e nt h eo p t i m a lm a s sr a t i o so f 3 0 7 ：3 8 6 ：3 0 7f o rp u ，1 拌p aa n d2 撑p a a d h e s i v e s ，1 ：1 5f o ro 曙a n i cm i n e r a lp o w d e ra n dm i x e da d h e s i v e ，a n d1 ：l f o rw a t e ra n dm i n e r a lp o w d e rw e r eo b t a i n e d t h er e s u l t so fp e 墒m a n c ee v a l u a t i o no ft h en o v e lc o m p o s i t em e d i a d e v e l o p e di nt h i ss t u d ys h o w e dt h a t ，t h es l o 、- r e l e a s em e d i ap r e s e n t e da p o r o s i t yo fo 8 8 ，b u l kd e n s i 哆o f16 4 - 3k g m 一，c o m p r e s s i v es t r e n g t ho f2 2 4 l a s u r f a c ea r e ao f9 9 l0 4m 2 - m 一，a n dp ho f7 9 t h eo 玛a n i cm a t t e r o 玛a n i cc a r b o n ，n i t r o g e na n dp h o s p h o rc o n t e n to ft h em e d i a w e r e7 2 2 ， 5 4 7 ，1 6 3 a n do 0 7 ，r e s p e c t i v e l y w h i c hw a ss i m i l a u rt oa 玛i l l a c e o u s i ； 浙江f t 业大学硕士研究生学位论文 m e d i a t h em e d i ac o u l dm a i n t a i l l g o o d c o h e s i v e s t r e n g t h i nm o i s t e n v i r o m n e m ，a n dn u t r i e n t sc o u l dr e l e a s ei ns l o wa i l ds t a b l ew a yt h e s t a r t u pt i m eo fs l o w - r e l e a s em e d i ab i o f i l t e rs y s t e mw a sa b o u t13d 7 i h e a v e r a g ed 巧w e tb i o m a s si m m o b i l i z e do nt h em e d i ab e dw e r e11 6k g 。m 。 a n d2 8 7 4 埏m jr e s p e c t i v e l y ，a n dm er e s i s t a l l c ec o e m c i e n tw a s1 3 l0 4 8 9 10 4m d u r i n gt h en o m a lo p e r a t i o no fb i o f i l t e re x p e r i m e n t ，t h e s l o w - r e l e a s em e d i ab i o f i l t e rs h o w e dah i g ha d 印t a b i l i 够t ov a r i a b l ei n l e tg a s f l o wr a t e sa n di n l e tl o a d s t h er e m o v a le 衔c i e n c yg r a d u a l l yd e c r e a s e d 仔o m 浙江丁业大学硕士研究生学位论文 目录 第一章课题背景与研究目的1 1 1 课题背景。1 1 2 研究内容和目的2 1 3 课题的创新之处2 1 4 课题来源2 第二章文献综述3 2 1 废气生物净化技术概述3 2 1 1 发展历程。3 2 1 2 技术特点3 2 1 3 过程机理5 2 2 生物填料研究状况。6 2 2 1 泥质类填料6 2 2 2 木质类填料。8 2 2 3 烧结类填料9 2 2 4 有机合成类填料1o 2 2 5 组合填料1 1 2 3 生物填料开发发展方向1 2 2 3 1 机械结构方面1 2 2 3 2 具缓释功能的填料1 3 2 3 3 固定化生物颗粒填料1 3 第三章生物填料的研制1 4 3 1 研制思路1 4 3 2 胶黏剂的选择1 5 3 2 1 选择依据1 5 3 2 2 胶黏剂的收集1 5 3 2 3 胶黏剂配方试验方法16 3 2 4 胶黏剂配方试验结果1 6 3 3 有机矿粉的选择18 3 3 1 选择依据1 8 3 3 2 矿粉的收集19 3 3 3 矿粉筛选试验方法1 9 3 3 4 矿粉筛选试验结果。2 0 3 4 网状纤维的选择2 0 3 5 粉胶配比的优化21 3 5 1 粉胶配比试验方法2 l 3 5 2 粉胶配比试验结果2 2 3 6 负载工艺的选择2 2 3 6 1 矿粉负载试验方法2 2 浙江r t 业火学硕j ：研究生学位论文 3 6 2 矿粉负载试验结果2 3 3 7 本章小结2 4 第四章性能评价装置与方法2 5 4 1 性能测试装置2 5 4 2 实验仪器与试剂2 6 4 2 1 实验仪器2 6 4 2 2 实验试剂2 7 4 3 生物填料特性参数2 7 4 3 1 堆积个数刀。2 7 4 3 2 堆积密度如2 8 4 3 3 真密度p 2 9 4 3 4 空隙率3 0 4 3 5 单位填料生物量z 3 0 4 3 6 压缩强度田d 31 4 3 7 阻力系数t 一3 2 4 3 8p h 值3 2 4 3 9 比表面积口3 2 4 3 1 0 养分分析一3 2 4 4 营养缓释性测试3 6 4 4 1 溶出率3 6 4 4 2 溶解性营养释放3 7 4 5 分析方法3 7 4 5 1 甲苯分析3 7 4 5 2 压力降测定3 7 4 5 3 电镜分析3 7 4 5 4 其它参数测定3 7 4 6 实验方案3 7 4 6 1 菌液培养3 7 4 6 2b f 系统运行参数3 8 4 6 3 系统相关参数计算3 9 第五章缓释复合生物填料性能评价。4 0 5 1 填料理化特性4 0 5 2 营养缓释性4 3 5 3 填料阻力特征4 4 5 4 填料生物量4 6 5 5 去除负荷研究。4 8 5 5 1 系统挂膜与启动4 8 5 5 2 稳定运行性能4 9 5 5 3 闲置恢复性能5 l 5 6 本章小节5 2 第六章结论与建议。5 4 6 1 结论5 4 浙江工业大学硕士研究生学位论文 6 1 1 填料开发5 4 6 1 2 性能评价5 4 6 2 建议5 5 参考文献。5 6 弱【 谢6 3 攻读学位期间发表的学术论文目录。6 4 浙江工业大学硕士研究生学位论文 浙江t 业大学硕十研究生学位论文 1 1 课题背景 第一章课题背景与研究目的 废气生物净化技术( b i o l o g i c a lf i l t e rp 嘶f i c a t i o i l ，b f p ) ，实质是利用微生物 以废气中的污染物作为其生命活动的能源和碳源，把污染物转化为简单的无机物 ( c 0 2 、水和矿物质等) 及微生物细胞的过程【1 3 】。与传统的废气处理技术相比 ( 如焚烧、吸收等) ，b f p 技术具有如下优点：处理费用低廉，运行过程对环境 友好，不生成诸如n o x 之类的副产物而引进二次污染；在常温下处理，能耗低， 安全可靠。因而，废气生物净化技术越来越受到人们的关注，是废气净化领域中 的一项高新技术。 b f p 技术最主要的形式包括生物过滤( b i o f i l t e r ，b f ) 和生物滴滤( b i o 仃i c k l i n g f i l t e r ，b t f ) 两种，填料是该技术装置的核心部件，是微生物附着生长、物质传 递的载体，其性能直接影响着废气净化效果。因此，开展填料特性研究，开发适 合微生物生长、传质效果良好的高效生物填料是十分必要的。 根据众人多年实践【】，理想的生物填料载体应具有下列特性：( 1 ) 表面性质， 如附着性、持水性。附着性好利于微生物生长和污染物吸附，一般地，填料表面 正电荷利于微生物附着。液相环境是微生物生存的关键，一定的持水性可保持微 生物良好的生物活性；( 2 ) 比表面积。以尽可能大地提供微生物的附着面积，提 高单位体积填料的生物量，从而尽可能地提高单位体积的有机污染物降解量；( 3 ) 空隙率。目的是防止滤床中微生物增长引起床层堵塞、压损增大、气流短路( 包 括沟流) ，去除效率下降：( 4 ) 结构强度和防腐蚀能力。确保在长期使用情况下， 填料床层不被压实，始终保持微生物生长的良好环境。 然而，现有的单一材料往往不能同时具备以上特点，高效生物填料的开发必 要兼顾各方面性能及成本费用之间的平衡，有机组合不同特性的材料，发挥各自 优势，以使填料有最佳的挂膜、传质性能及合理的成本费用。土壤、堆肥等传统 的b f 填料直接取材于自然，受自然因素影响明显，不能保证滤床长期高效运行， 对其进一步加工、改性，加强人工控制过程，将是今后的研究重点。多数研究者 主要采用化工填料来作为b t f 填料，但生物挂膜后填料表面的性质会发生改变， 容易引起传质面积减小和堵塞问题。研究生物滴滤的专用填料，是提高其净化性 浙江工业大学硕士研究生学位论文 能的重要手段。 1 2 研究内容和目的 ( 1 ) 以低溶性有机矿粉、耐水性胶黏剂、网状纤维等材料为原料，采用适 宜的工艺将一定量的有机矿粉负载到网状纤维表面，研制出一种新型复合生物填 料。重点是展开有机矿粉、胶黏剂、网状纤维等原料的收集与筛选，优化有机矿 粉、胶黏剂等组分的使用比例，及探索有机矿粉的负载工艺等。 ( 2 ) 建立一套废气生物填料特性参数( 包括堆积个数、堆积密度、真密度、 空隙率、持水量、比表面积、阻力系数及单位填料生物量等) 测定方法并对填料 营养缓释性、阻力特征、表面形貌等特性进行评价。 ( 3 ) 采用甲苯模拟废气，考察复合填料生物滤塔污染物去除性能以及运行 过程中填料层阻力和生物量的变化。并研究进气流量、进气浓度、进气负荷、闲 置停运等运行工况对去除效果的影响，为填料工业化应用提供实验数据。 1 3 课题的创新之处 本课题创新之处主要体现在以下两点： ( 1 ) 实现无机、有机材料组合，开发出具有营养缓释功能的废气生物过滤 填料，为生物填料的开发改性提供一条新的思路。 ( 2 ) 建立一套废气生物填料特性参数测定方法，测定生物填料的特性参数。 1 4 课题来源 本课题为浙江省重大科技专项“废气生物净化技术的工程研究与应用 ( 2 0 0 6 c 1 3 0 4 5 ) 的高效生物填料开发部分研究内容。 2 浙江工业大学硕上研究生学位论文 第二章文献综述 弟一早义陬综尬 2 1 废气生物净化技术概述 2 1 1 发展历程 生物法处理空气中的污染物是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一项新型大气污染 控制技术。1 9 5 7 年美国的r d p o m e o y 就申请了利用土壤过滤法处理h 2 s 的专 利【6 1 ，1 9 5 9 年德国的一个城市污水处理厂也出现了生物脱臭装置。在随后的2 0 年中，这一技术在生产实践中有了较好的推广应用，但以土壤脱臭为主，废气处 理负荷有限。2 0 世纪8 0 年代相继出现作物秸秆、泥炭、堆肥等填料代替土壤处 理臭气，取得很好的除臭效果，对h 2 s 等恶臭物质的去除率可达9 0 以上。至 此废气生物净化技术开始引起人们的重视并普遍应用于工业，1 9 9 0 年仅德国便 有5 0 0 余座生物滤床投入运行。2 0 世纪9 0 年代至今主要从新型多孔填料的开发、 高效降解菌的选育、新型生物反应器的研制、微生物反应机理的研究等方面对 b f p 技术进行发展、完善【7 1 2 1 。处理对象也从易生物降解的恶臭物质发展到苯系 物、卤代挥发性有机物等难降解物质，从单一废气的处理发展到多组分废气的同 时处理。已经作过具体研究的污染物有：硫化氢【1 3 1 4 1 、氨15 1 、苯【1 “1 7 1 、甲苯【1 8 2 1 1 、 二甲掣2 2 2 3 1 、苯乙烯【2 牝5 1 、三氯乙烯【2 6 l 、丙烯腈0 2 7 1 、甲基异丁基甲酮【2 8 1 、吡啶 【2 9 1 、二甲基硫【3 0 3 1 1 、正己烷【3 2 】、二氧化氮【3 3 】、甲乙酮【3 4 】、乙酸乙酯和甲苯混合 废气3 5 。7 】、异丁醛和2 戊酮混合废气3 8 1 、甲醛和甲醇混合废气【3 9 】等。 我国b f p 技术的研究和应用起步较晚，在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初才 开始相关的研究报道。目前，国内已有中国科学院生态环境研究中心【删、同济 大学4 1 4 2 1 、浙江大掣4 3 4 5 1 、大连理工大学h 6 1 、浙江工业大学【4 7 4 9 1 、云南大学5 0 5 1 】 等单位开展了这一技术的研究，并成功应用于市政污水处理厂、污水泵站、石油 石化、医药化工、食品加工、喷涂、印刷等行业生产过程的异味控制。 2 1 2 技术特点 气态污染物的常规治理技术有焚烧、吸收、冷凝、吸附等物理化学方法， 这些方法各有特点，但均存在着定的应用限制，详见图2 1 、表2 1 。 浙江工业大学硕上研究生学位论文 车 毒 晦 嫣 l0 0 0 0 l o d o l o 0 1 0 0 0 1 0 0 o 1 01 0 0 浓度g m 。3 图2 1 各种技术适用范围 表2 1 气态污染物处理方法比较1 5 2 1 黧警淼删淼可瑟孽票兰莩 ，。 将污染物溶于溶剂或与溶剂停留时间短，设备体积存在吸收液的二次污染及 “ 发生化学反应，实现净化分离小，效率高处理问题、运行费用高 。 利用废气中各组分冷凝温度投资低，可回收有用组效率低、对入口v o c s 要 冷群法 “”“ 不同，将有害组分分离出来分求严格、运行费用高 利用电晕放电生成低温等离工艺简单、占地小、过还处于研究阶段，能量消 一 子体，对污染物进行氧化降解程容易控制、效率高耗大，投资、运行费用高 生物法 蓁翕微生物降解废气中的污妻蓁兰菱篓篓褰，二蒿篓? 差芸：茎芸妥磊i 喜 由图2 1 、表2 1 可见，常规的物理化学方法主要适合于净化含中、高浓度 污染物的废气，对于低浓度质量浓度废气的净化效果较差，且能耗大，成本高， 易带来二次污染，很难得到推广。针对工业废气常常具有气量大、浓度低、成分 浙江1 = 业大学硕士研究生学位论文 复杂，且污染物大都无回收价值等特点，生物法的技术优势主要体现在以下几点： ( 1 ) 处理气量大，设备紧凑投资小，在常温常压下处理，安全可靠，能耗 少，运行费用低；工艺简单，可实现全自动控制。 ( 2 ) 净化装置适应能力强，能有效处理不同污染物质、不同浓度的废气， 操作弹性大，可以同时处理含有多种成分的废气。 ( 3 ) 运行过程对环境友好，污染物在微生物作用下转化成c 0 2 、h 2 0 等无 机物质，基本没有二次污染。 ( 4 ) 微生物能自行繁殖，新陈代谢速度快，每天可更换几代甚至几十代， 使微生物群体保持高的生物活性。微生物生长适宜的温度一般为常温( 2 0 一3 5 ) 。 当前，限制生物法废气处理技术进一步推广应用的最主要因素是现有的生物 填料易老化、堵塞，导致废气气流短路，影响废气污染物的去除效果。尤其是 b f 工艺主要采用的堆肥、泥炭等有机填料，易被压实，阻力系数大，湿度控制 困难；使用一段时间后养分大量消耗，填料发生板结、塌陷，必须更换，从而增 加了工程投资费用。因此，开展填料特性研究，解决废气生物装置长期运行出现 的生物填料堵塞、压实和性能下降等难题，开发适合微生物生长、传质效果良好 的高效生物填料是十分必要的。 2 1 3 过程机理 b f p 技术的原理是利用微生物以废气中的污染物作为其生命活动的能源和 碳源，把污染物转化为简单的无机物( c 0 2 、水和矿物质等) 及微生物细胞。目 前人们对b f p 技术的动力性模型研究己经做了大量的工作，其中影响较大的是 荷兰学者锨e n g r a f 依据传统的气体吸收双膜理论提出的生物膜吸收理论【5 3 巧5 1 。 该理论认为气态污染物的生物净化一般要经历以下三个阶段： ( 1 ) 废气中污染物在浓度差推动下由气相转移到生物相表面液膜或填料固 相表面，此过程遵循亨利定律； ( 2 ) 污染物在浓度梯度的推动下进一步扩散到生物膜，进而被其中的微生 物捕获并吸收； ( 3 ) 微生物对污染物进行氧化分解和同化合成，产生的代谢物一部分溶入 液相，一部分作为细胞物质或细胞代谢能源，还有一部分( 如c 0 2 ) 则析出到空 浙江工业大学硕士研究生学位论文 气中。废气中的污染物通过上述过程不断减少，从而得到净化。 生物膜吸收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与 实验结果比较吻合，但该理论还是存在一定的局限性： ( 1 ) 填料层生物量、生物膜厚度随处理负荷等因素呈动态变化，而不是常 且 里； ( 2 ) 高负荷情况下，废气中的氧含量可能成为生化反应速率的限制因素； ( 3 ) 气相并非完全处于单向活塞流状态，存在局部沟流、堵塞现象。 ( 4 ) 微生物活性受环境条件( 温度、湿度、p h ) 影响较大，处理装置运 行并不稳定等【5 6 1 。 近年来，生物处理过程机理的研究着重对o t t e n 伊a f 等的生物膜吸收理论进 行补充、改进。z a r o o k 等5 刀提出了气态污染物轴流扩散理论；d e m o m e n i e 等【5 8 】 认为填料的尺寸与比表面积是影响气态污染物生物降解的主要因素；d e s h u s s e s 等酬建立了一个描述瞬态情况下生物膜内扩散过程的数学模型。在国内，孙佩 石等【删针对低浓度气态污染物生物净化过程建立了吸附一生物膜理论及相应的 动力学模式；廖强等【6 1 1 将生物膜滴滤塔内的多孔填料简化为由多个管内覆盖有 生物膜的竖直毛细管并行排列构成的填料，建立了一个净化低浓度有机废气的毛 细管模型。 2 2 生物填料研究状况 填料是废气生物净化装置的核心部件，是微生物附着生长、物质传递的载体， 其性能直接影响污染物去除效果。按照生物填料的材质特点及其加工方式，可将 现有的废气生物填料分为泥质类、木质类、烧结类、有机合成类和组合填料五类。 2 2 1 泥质类填料 泥质类填料是土壤或类土壤( 如堆肥、泥炭) 经过一定的工序制成的 机填料。常用泥质类填料性能参数数据如表2 2 所示。 由表2 2 可知，三种泥质类填料以土壤堆积密度最大( 8 3 8 5 埏m o ) 次之，堆肥最小；三者有机质含量差异大( 7 9 9 5 ) ，其中泥炭含量最 壤最小；三种填料持水性良好( 6 0 8 8 9 ) ，阻力系数大( 1 2 1 0 5m 5 m 。) 。从堆积密度、比表面积、持水性、有机质含量及阻力系数评价，泥 6 浙江工业大学硕= j ：研究生学位论文 料中纤维泥炭性能最佳，堆肥次之，土壤最劣。 表2 - 2 泥质类填料性能参数 ( 1 ) 土壤 以土壤为填料的生物过滤，是最原始的生物脱臭系统。土壤中存在土壤胶粒 和种类繁多的微生物群落，对送入土壤中的废气污染物具有吸附、过滤和生物降 解作用。土壤生物滤床具有投资小等优点，但堆积密度大、空隙率低，导致床层 高度低、压降大，气体处理负荷小。a l v a r e z 等【删的研究发现，采用富含有机质 ( 3 5 ) 的颗粒化土壤，能显著提高滤床处理能力和透气性能，其阻力系数仅 是泥炭的3 4 ，是改善土壤滤床性能的有效途径。 ( 2 ) 堆肥 与土壤填料类似，堆肥也是利用其中微生物进行降解有机废气，区别在于堆 肥具有堆积密度小、持水量大、渗透性能好、微生物含量高等特点，故处理效率 大于土壤填料，且占地面积小于土壤滤床，停留时间一般仅为土壤填料的 0 2 5 0 5 倍，可用于处理易生物降解、气体产生量大的场合【6 5 】。 ( 3 ) 泥炭 泥炭填料具有比表面积大、湿度范围广、压降低等特点，与土壤、堆肥相比， 泥炭填料有机质含量可达到9 5 以上，但天然泥炭并不含很多微生物群，需要用 活性污泥接种。此外，泥炭填料p h 值较低，使其比土壤、堆肥更容易酸化，应 注意及时调整p h 或更换填料。a i z p 唧等【鲫分别以泥炭、活性炭为填料处理有 机废气，结果表明泥炭生物滤床具有更高的净化效率，并且启动快，生物量大； o h 和c h o i 【6 7 】的研究表明，泥炭生物滤床净化单环芳烃废气的性能优于树皮、蛭 石和水力球( h y d r o b a l l ) 。 7 浙江- t 业大学硕士研究生学位论文 2 2 2 木质类填料 木质类填料包括谷壳、秸秆、玉米芯、木屑、树皮、碎木块等农林业副产品， 资源丰富，便宜易得，具有较好的保湿性和通透性，有机质含量高，是一种较好 的生物过滤装置填充材料。此外，木质生物填料的应用开辟了木质废弃物综合利 用的新途径，现实意义大。部分木质类填料性能性能参数数据见表2 3 。 表2 3 木质类填料性能参数 由表2 - 3 可知，木质类填料堆积密度( 5 2 2 5 8k g m 。) 明显低于土壤填料 ( 8 3 8 5 埏m 刁) ，与堆肥和泥炭接近，持水性略低于泥质类填料。阻力系数较大 ( 2 4 1 0 5 1 2 1 0 6m 。1 ) 。同样，这类填料适合于生物过滤系统。 ( 1 ) 作物残余物 木屑及植物纤维、秸秆等作物残余物表面积较大，空隙率高，具有较好的吸 附性和通气性，适合于微生物生长和繁殖。填装木屑的生物滤床能长期保持中性 的环境，并且压降小于传统的土壤、堆肥滤床，对h 2 s 的转化能力高于泥炭【7 2 1 ， 是较为经济有效的生物填料。s i n g h 等7 3 】的研究表明作物秸秆具有较好的甲苯去 除能力，但填料易老化、压实，压降大，不能长期使用。 ( 2 ) 树皮 树皮具有较高的持水量，及抗压实能力，其粗糙多孔的表面易于微生物挂膜， 与泥质类填料相比，树皮填料的压降最小。l u o 等硎的研究表明，填装松树皮的 生物滤床能够保持低压降、高效稳定运行5 年以上，是性能最好的生物过滤填料 之一。 ( 2 ) 碎木块 碎木块是体积稍大的木材加工废料，质地坚硬，常作为填充剂添加到其他填 料中。由于碎木块没有很大的表面积，单独使用时，需经过一段时间的腐化或炭 8 浙江丁业大学硕士研究生学位论文 化处理，以形成适于微生物生长的多孔表面。 2 2 3 烧结类填料 烧结类填料是各种矿物材料在人为或自然条件下经高温烧结等理化过程形 成的一类具有多孔结构的填充介质，常见的有焦炭、煤渣、陶瓷、活性炭、沸石 及珍珠岩、蛭石、多孔熔岩等，是生物滴滤床常用填料。因其良好的机械强度和 吸附性能，近年来也被用于生物过滤床。部分填料图片和性能参数数据见表2 4 。 表2 4 烧结类填料性能参数 由表2 - 4 可知，烧结类填料堆积密度( 4 5 0 1 9 7 2k g m 。3 ) 大于木质类填料和 堆肥、泥炭填料，个别甚至大于土壤填料。不同填料比表面积相差很大( 4 0 1 1 1 0 9m 2 m 3 ) ，在应用时需注意选择。 ( 1 ) 焦炭及锅炉煤渣 同好氧生物膜法广泛采用的塑料填料相比，焦炭具有价格便宜，材料易得， 吸水性强，较易生物挂膜等优点。由于焦炭的吸附性能较差，主要依靠物理吸附， 吸附容量易饱和，导致滤床抗冲击负荷较差。此外，焦炭不具有大量的微孔结构 和生物附着表面。锅炉煤渣虽然有很多细小凹坑供微生物附着生长，但结构强度 不好，易破碎造成堵塞。 ( 2 ) 陶瓷填料 陶粒和瓷环通常为粒径稍大的球形或圆柱形填料，有较大的空隙率，特别是 瓷环中空，其空隙率更大，有利于气流、液流的传质和流动。但瓷环表面光滑， 无毛细微孔结构，不易挂膜。陶粒虽然有微孔结构，其吸附能力和亲水性要强于 瓷环，但陶粒内部的孔隙大多是封闭的，生物膜仅覆盖在陶粒的表面或浅表面， 因此陶粒的生物量较少，挂膜缓慢【删。 9 浙江工业大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 活性炭 活性炭具有巨大的表面资源和开放的孔穴，使其吸附性能大大优于其他填 料，促使生物滤床启动快速，对冲击负荷适应性强。此外，活性炭能够吸附降解 产物过量的矿离子，进而起到协助控制滤床p h 值作用7 7 ，8 1 1 。受颗粒粒径小的影 响，活性炭生物增量弹性范围较窄，容易发生堵塞。活性炭的微孔孔径过小，微 生物只能在其外表面挂载，随着生物膜的增厚其空隙率进一步降低。另外，昂贵 的价格也限制了其广泛应用。 ( 4 ) 沸石 沸石具有吸附力强、比表面大、易挂膜、吸水性强等特点，其净化机理与活 性炭相似，是吸附作用与生化作用相互促进的过程，因此沸石生物滤床的抗冲击 负荷能力较强。但是沸石的堆积密度大，空隙率较低，易发生堵塞，沸石填料层 的压降要远远大于其它填料。 2 2 4 有机合成类填料 有机合成类填料是化工中常用的轻质填料，包括聚丙烯( p p ) 、聚乙烯( p e ) 、 聚氯乙烯( p v c ) 等有机高分子化合物材料制成，种类繁多，其中适于生物滤床的 可分为硬质塑料、半软性填料和网状聚氨酯泡沫三种。部分有机合成类填料性能 参数数据见表2 5 。 表2 5 有机合成类填料性能参数 由表2 5 可知，有机合成类填料密度低于前述的泥质类填料、烧结类填料和 木质类填料，空隙率高( 9 l 9 8 ) ，阻力系数低( 2 7 1 0 5 3 7 1 0 5m 1 ) ，性能 稳定。 ( 1 ) 硬性塑料 硬性塑料填料是鲍尔环、阶梯环、空心多面球、花环、共轭环、浮球等散堆 填料的统称，具有性质稳定，机械强度高，结构不易被微生物破坏，使用寿命长， l o 浙江工业大学硕j ：研究生学位论文 透气性能好，比表面积大等优点，常用于处理含腐蚀性及酸性气体的生物滴滤床。 由于塑料填料表面光滑，亲水性差，缺乏微孔结构，对h 2 s 等气体不具有吸附 性能，造成挂膜启动缓慢。采用陶粒、塑料小球、沸石作为填料的试验结果表明， 这三种填料的净化性能顺序为：陶粒 塑料小球 沸石【7 引。 ( 2 ) 半软性填料 半软性填料( 或弹性填料) 是由塑料单片、塑料套管、中心绳和针状丝条等 部分组成，有一定的刚性及柔性，空隙率大( 9 6 ) ，堆积密度小，丝条材质 略带粗糙的表面及小毛刺使其比硬性塑料有更好的挂膜性能。但填料比表面积 小，微生物可附着表面有限。 ( 3 ) 网状聚氨酯泡沫 网状聚氨酯泡沫是由聚氨酯软泡沫经网化处理加工而成的。其特点是密度 低，亲水性好，孔径大小适中，非常有利于微生物尤其是真菌类微生物的挂载、 依附和大量生长，同时其开放型三维结构有利于老化微生物细胞的脱落。在同等 条件下，聚氨酯泡沫的压降小于珍珠岩颗粒【8 4 1 。李慧丽等【8 5 】用聚氨酯泡沫代替 木片、树皮填料来改造生物滤床，气体的去除率明显提高。 2 2 5 组合填料 组合填料是将具有不同特性的填料原料通过一定方式组合、改性后制成，其 组合方式主要包括机械混合、人工造粒和基材附着三种。部分组合填料性能参数 数据见表2 6 。 表2 - 6 组合填料性能参数 填料 黧警等7 鬟爹7 空铲7空淼降 蠢塞黧阱2 5 7 6 。 m 。镢j 。嚣m j 泥炭造粒【8 7 】b f2 4 巧6 9 0 霎篙冀蒿 b t f 活性炭1 8 8 】 ”“8 7 5 7 0 09 t 0 3 5 芝袅篇暑晡1 ( 1 ) 机械混合 机械混合型填料是将泥炭、堆肥及泡沫块等软性材料与刚性材料按一定比例 混配或嵌套组装而成。如添加填充剂的天然有机填料、半软性填料等都可归为这 种组合填料。通过机械混合，保证了填料的使用强度，又使软性材料比表面积大、 浙江工业大学硕士研究生学位论文 易挂膜、营养丰富等优势得到发挥，但填料原料的理化性质没有改变，不能从根 本上改进填料性能。据报道，传统堆肥滤床压降为6 0 0 1 2 0 0p a ，而堆肥木屑生 物滤床压降仅为3 0 0 4 0 0p a 。专利c n l 9 3 5 3 3 2 【8 6 1 公开的一种组合填料，将植物 纤维或泡沫塑料嵌套在球形支撑架内，具有空隙率高、压降小、微生物挂载量大 等特点，对甲苯去除率高于聚氨酯泡沫和空心多面球。 ( 2 ) 人工造粒 人工造粒填料通常将粉末状泥炭、污泥和褐煤等富含营养的填料原料和一些 辅助材料( 如n 、p 、k 及碳酸钙等无机矿物) 粘结、挤压后成型，有利于组成 不同规格、形状的生物填料，具有机械强度好，耐磨损，抗挤压的优点，较好地 解决了填料易压实、压降大的问题。填料中养分的种类、数量可以人为控制，且 具有缓释功能，微生物活性得到提高。c l l a i l 等【8 9 】开发的聚乙烯醇粘结泥炭造粒 填料已有报道，据测试，其抗压性、持水量及空隙率等性能均优于泥炭和堆肥。 ( 3 ) 基材附着 基材附着型填料是用粘合剂将填料原料粘结到网状纤维或泡沫块等多孔基 材上，与人工造粒填料相比，更具有多孔结构，有利于气体和液体在床层内分布 均匀，在进行生化反应时，通透性好，传质阻力小。同济大学开发的纤维附着活 性碳( a c o f ) ，既为微生物提供了广阔的生长空间，又具有良好的吸附性能，研 究表明其对有机污染物去除能力高于阶梯环、聚乙烯小球和煤渣【4 】。 2 3 生物填料开发发展方向 2 3 1 机械结构方面 优良的b f p 填料在机械结构方面一般要求有强度高、空隙大、比表面积大， 不堵塞等特点。然而，现有的单一材料往往不能同时具备以上特点，高效生物填 料的开发必要兼顾各方面性能及成本费用之间的平衡，有机组合不同特性的材 料，发挥各自优