生物滴滤器净化甲苯废气工艺及机理研究

论文摘要

生物滴滤法净化挥发性有机物（VOCs）是有机废气治理领域的新兴技术,而反应器生物膜中微生物的特性与反应器的操作运行参数对生物系统的稳定运行与有机物的高效净化有着重要的影响。本论文以甲苯气体作为唯一碳源,在筛选出高效降解甲苯菌种的基础上,系统地研究了生物滴滤器净化甲苯过程中中间产物的形成与积累机制及气流配置方式对系统净化性能、运行稳定性与种群结构的影响,并深入探讨了微生物对甲苯及中间代谢产物的趋化性反应与滴滤器净化过程的内在关系,取得了以下的主要结果:以焦化废水活性污泥为菌源,甲苯为唯一碳源进行递进式诱导驯化,筛选得到3株甲苯高效降解菌株:Pseudomonas putida,Gordonia sp.和Ochrobactrum sp.。通过对菌株Pseudomonas putida降解甲苯的序批式实验和生物滴滤器净化甲苯废气试验的研究表明:生物降解甲苯过程中有邻苯二酚等中间产物积累,在试验条件下,邻苯二酚最大累积量可达0.045 mg·L-1。但当停止向生物反应体系供给甲苯气体时,体系中积累的邻苯二酚在510 h内可以完全矿化。基于生物降解甲苯过程与降解甲苯代谢中间产物过程的分离,并从中间产物的积累对酶的抑制作用出发,建立了甲苯消耗动力学和细胞生长动力学模型。采用双向流交替进气（FDS）方式,对生物滴滤器内的微生物种群进行选择,构建净化有机废气的高效生物滴滤新工艺。通过生物滴滤系统进气方式改变的平行对比试验研究表明:与单向进气（UF）运行方式相比,FDS运行方式可以显著提高滴滤器最大去除能力与停运恢复能力。FDS系统对甲苯的最大去除能力为480 g·m-3·h-1,且停运48 h后,经34 h系统就可以恢复稳定;而UF系统对甲苯的最大去除能力为410 g·m-3·h-1,停运48 h后,需要910 h才能恢复稳定。通过对FDS生物滴滤器中微生物群落的代谢特征研究表明: FDS运行模式下,可通过生物选择作用显著提高生物膜群落代谢活性、功能多样性和分布均匀程度,从而提高系统去除能力与稳定性。FDS系统出气段最高AWCD（每孔溶液平均吸光度）值、Mdntonch指数分别比UF系统高出46.8%和31.5%。考察了菌株Gordonia sp.和Ochrobactrum sp.对甲苯和邻苯二酚的趋化现象,结果表明:细菌对疏水性底物和中间产物的趋化作用可推动生物膜的形成,增强相间传质推动力和生物降解效果。建立了“固液相主动吸附-生物降解”生物膜理论与稳态条件下生物滴滤器净化苯系有机气体的动力学模型,利用该模型成功预测了不同进口浓度,床层体积与运行温度下的净化性能,模型计算值与实验测试值具有较好的一致性。该论文有图75幅,表21个,参考文献174篇。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 挥发性有机气体的来源与危害
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 生物法净化 VOCs 气体的处理技术
• 1.2.1 净化处理方法比较
• 1.2.2 生物法净化VOCs 工艺
• 1.3 生物滴滤法研究现状
• 1.3.1 工艺性能的研究
• 1.3.2 填料的优选
• 1.3.3 微生物及生物群落研究
• 1.3.4 生物量积累研究
• 1.3.5 生物组合工艺的性能研究
• 1.3.6 降解机理的研究
• 1.3.7 降解动力学模型的研究
• 1.4 课题的提出及论文主要研究内容
• 1.4.1 现有研究存在的主要问题
• 1.4.2 课题的提出
• 1.4.3 主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 高效甲苯降解菌的筛选及鉴定
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 降解菌菌源
• 2.1.2 培养基
• 2.1.3 菌种的筛选和保藏方法
• 2.1.4 细菌DNA 提取
• 2.1.5 16S rDNA 菌种鉴定
• 2.2 影响甲苯降解菌增长及活性的因素
• 2.3 菌种筛选与降解实验
• 2.3.1 混合菌群的驯化
• 2.3.2 细菌分离纯化
• 2.3.3 单菌降解实验
• 2.4 菌种鉴定
• 2.4.1 生化试验鉴定
• 2.4.2 16S rDNA 的PCR 扩增和序列分析
• 2.5 本章小结
• 3 生物滴滤法净化甲苯作用机理及其中间产物控制
• 3.1 研究目的
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 菌株与培养基
• 3.2.2 序批式反应试验
• 3.2.3 生物滴滤试验系统
• 3.2.4 监测项目与分析方法
• 3.3 中间代谢产物对甲苯矿化的影响
• 3.3.1 甲苯降解菌的生长特性分析
• 3.3.2 甲苯好氧降解规律
• 3.3.3 中间产物的作用机理分析
• 3.4 生物滴滤器内中间产物降解变化规律
• 3.4.1 生物滴滤器内中间产物的积累
• 3.4.2 稳定条件下中间产物降解的影响因素
• 3.4.3 生物滴滤系统内中间代谢产物的控制
• 3.5 本章小结
• 4 不同气流配置方式的生物滴滤工艺性能研究
• 4.1 研究思路与设计方法
• 4.1.1 研究思路
• 4.1.2 双向流交替进气模式
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验装置
• 4.2.2 运行条件
• 4.2.3 实验方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 不同气体配置方式对系统启动的影响
• 4.3.2 双向流交替进气方式生物滴滤器稳定运行净化性能
• 4.3.3 不同气体配置方式对生物滴滤器去除能力的影响
• 4.4 本章小结
• 5 不同气流配置方式的生物滴滤工艺稳定性研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 试验装置
• 5.1.2 试验方案
• 5.2 不同气流配置方式系统停运恢复性能对比
• 5.2.1 系统停运后净化性能影响对比
• 5.2.2 系统停运后净化性能恢复能力对比
• 5.3 生物滴滤器连续运行稳定性对比
• 5.3.1 填料层压降随时间的变化
• 5.3.2 双向流交替进气生物滴滤系统连续运行稳定性
• 5.4 本章小结
• 6 生物滴滤器中微生物群落的功能多样性研究
• 6.1 研究目的
• 6.2 试验装置与方法
• 6.2.1 试验装置
• 6.2.2 生物膜的形貌特征观测方法
• 6.2.3 群落功能多样性BIOLOG 研究方法
• 6.2.4 数据处理及统计分析
• 6.3 不同填料层的生物膜形貌特征分析
• 6.4 微生物群落功能多样性解析
• 6.4.1 单向流进气生物滴滤器微生物群落功能多样性分析
• 6.4.2 交替进气生物滴滤器微生物群落功能多样性分析
• 6.4.3 不同气流配置方式微生物群落功能多样性比较
• 6.5 本章小结
• 7 甲苯生物降解中间产物抑制动力学模型
• 7.1 甲苯生物降解过程特征
• 7.1.1 降解过程酶的抑制
• 7.1.2 降解过程复杂性
• 7.2 甲苯降解的中间产物抑制动力学模型
• 7.2.1 模型简化
• 7.2.2 模型建立
• 7.2.3 动力学参数预测
• 7.3 模型仿真
• 7.3.1 仿真结果
• 7.3.2 模型仿真与实验结果拟合
• 7.4 本章小结
• 8 生物滴滤器净化有机废气作用机制及动力学模型
• 8.1 降解菌对环境污染物的趋化性作用研究
• 8.1.1 研究背景与内容
• 8.1.2 环境微生物趋化的机理
• 8.1.3 细菌对甲苯及其中间产物的趋化研究方法
• 8.1.4 细菌趋化性试验结果
• 8.1.5 生物滴滤器生物膜形成中的趋化作用探讨
• 8.2 细菌趋化性与相间的传质过程
• 8.3 “固液相主动吸附-生物降解”生物膜理论的建立
• 8.3.1 生物膜表面的水膜与模型类型
• 8.3.2 生物膜理论的建立依据
• 8.3.3 生物膜形成过程分析
• 8.4 生物滴滤器净化有机废气动力学模型建立
• 8.4.1 条件假设与模型推导
• 8.4.2 数学模型参数确定
• 8.5 动力学模型验证
• 8.5.1 双向流交替进气生物滴滤器生化降解甲苯动力学模型
• 8.5.2 模型验证与结果分析
• 8.6 本章小结
• 9 结论与建议
• 9.1 结论
• 9.2 创新点
• 9.3 建议
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集