工业规模生物过滤系统处理白肋烟加工尾气的研究

论文摘要

随着人们对环境质量的要求同益提高以及环保法规的同趋严格,国内烟草企业对加工尾气的处理也越来越重视。生物过滤技术作为一种运行成本低和环境友好的大气污染控制技术,目前已在国内外不同行业中得到了广泛应用,但是该技术在烟草行业中应用的报道却不多。不同于烤烟的加工,白肋烟在加工过程中会产生极强的刺激性异味。工业规模白肋烟加工产生的混合性污染物,大致可分为三大类:总颗粒物（TPM）、异味成分（尼古丁和氨气）、以及总挥发性有机化合物（TVOC）。本文针对一套安装在某卷烟厂的工业规模组合式洗涤塔及生物过滤池,进行了系统、深入的研究。分离鉴定了尼古丁降解菌并研究了其生长及降解特性、考察了影响大型生物过滤池尾气处理效果的因素和工业规模组合式洗涤塔及生物过滤池的性能、建立了描述生物过滤动力学的数学模型,获得了如下主要结果。从大型生物过滤池中分离得到了一株尼古丁高效降解菌——ZUT5菌株。经形态学、生理生化特征、Biolog鉴定系统及16S rDNA序列比对测定表明,该菌株属于假单胞菌属,将此菌株命名为Pseudomonas sp.ZUT5。该菌株的生长及尼古丁降解特性实验表明,Pseudomonas sp.ZUT5的最适生长温度为30℃、最适pH值为7.5,能够耐受高浓度的尼古丁。添加氯化铵和葡萄糖对尼古丁的降解有促进作用。通过GC-MS分析了尼古丁的降解中间产物,检测到有3-（2,3,4-三氢-5-吡咯基）-吡啶、2,3′-吡啶、可天宁和3-羧基-吡啶等4种物质的积累。考察并分析了影响大型生物过滤池运行的因素,通过对大量现场数据的整理分析,确定了主要工艺参数的适宜范围,可以为生物过滤池中的微生物提供最适的生长环境。分别研究了不同的空床停留时间、填料的水分含量、尾气的温度、pH值以及生产间歇期等因素,对大型生物过滤池操作的影响。结果表明,大型生物过滤池的最适尾气流量在21,000～25,000 m3/h之间,即空床停留时间范围为38～45 s;填料的初始水分含量应维持在40～55%（湿重）;过滤池的进气温度应不超过40℃;过滤池底部填料的pH值应该控制在8以下。分别对工业规模白肋烟加工尾气处理系统中不同单元的性能进行了研究。在组合式洗涤塔单元,总颗粒物的去除效率在93.39～96.30%之间。结果表明,组合式洗涤塔既能去除尾气中的颗粒物,又可避免可能引起的大型生物滤床堵塞问题,对滤床起了一种很好的保护作用。另外,在组合式洗涤塔中,尾气中的尼古丁、氨气和TVOC也可通过物理或化学的方法得到处理,有超过一半的尼古丁和氨气被水沈或酸滴定系统中和,有效地防止了滤床填料的碱化。在大型生物过滤池单元,随着进气负荷的提高,过滤池对尼古丁、氨气和TVOC的去除能力,最高可分别达到81.57 mg/m3·h,1032.90 mg/m3·h和33791.10 mg/m3·h。在整个尾气处理系统,尼古丁、氨气和TVOC的总的去除效率范围分别为85.76～99.30%、73.33～91.71%和94.10～100%。建立了一个拟稳态的生物过滤模型来描述生物滤池中物质传递和生物降解过程。通过偏最小二乘法,得到了模型参数。模型显示:污染物的去除能力与进气浓度线性相关。根据获得的实验数据,对数学模型进行了关联和验证,结果表明:模型回归值与实验值能够基本吻合。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 文献综述
• 1.1 大气污染控制技术概述
• 1.1.1 大气污染治理的策略和方法
• 1.1.2 国内外烟草行业对废气污染治理概况
• 1.2 生物法去除废气中有机污染物
• 1.2.1 生物处理技术概述
• 1.2.2 生物洗涤塔
• 1.2.3 生物滴滤床
• 1.3 生物过滤池
• 1.3.1 生物过滤技术概述
• 1.3.2 基本结构
• 1.3.3 生物过滤池性能
• 1.3.4 运行因子
• 1.3.5 生物过滤动力学模型
• 1.4 论文的研究目的、意义和主要内容
• 1.4.1 目的和意义
• 1.4.2 主要内容
• 2 材料与方法
• 2.1 材料
• 2.1.1 工业规模试验装置
• 2.1.2 生物填料
• 2.1.3 菌种
• 2.1.4 培养基
• 2.1.5 主要试剂
• 2.1.6 主要仪器
• 2.2 方法
• 2.2.1 取样方法
• 2.2.2 尼古丁的测定
• 2.2.3 氨气的测定
• 2.2.4 总挥发性有机化合物（TVOC）的测定
• 2.2.5 总颗粒物（TPM）的测定
• 2.2.6 尾气流量的测定
• 2.2.7 各形态氮的测定
• 2.2.8 填料水分含量的测定
• 2.2.9 温度的测定
• 2.2.10 pH值的测定
• 2.2.11 细胞干重的测定
• 2.2.12 生物量的测定
• 2.2.13 葡萄糖含量的测定
• 2.2.14 蔗糖含量的测定
• 3 尼古丁降解菌的分离、鉴定及其降解特性的研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 方法
• 3.2.3 培养条件
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 尼古丁降解菌的分离
• 3.3.2 形态结构观察及生理生化实验
• 3.3.3 碳源利用的Biolog分析
• 3.3.4 16S rDNA的序列测定和序列比对
• 3.3.5 尼古丁浓度对菌株生长的影响
• 3.3.6 温度和pH值对菌株生长及尼古丁降解的影响
• 3.3.7 不同碳氮源对菌株生长及尼古丁降解的影响
• 3.3.8 全波长扫描法检测降解产物
• 3.3.9 降解中间产物的GC-MS分析
• 3.4 本章小结
• 4 大型生物过滤池处理白肋烟加工尾气的影响因素研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 大型生物过滤池的运行情况
• 4.3.2 填料不同初始水分含量的影响
• 4.3.3 尾气温度变化的影响
• 4.3.4 尾气或填料pH值变化的影响
• 4.3.5 生产间歇期的影响
• 4.4 本章小结
• 5 组合式洗涤塔与大型生物过滤池的性能试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 在组合式洗涤塔单元中,不同污染物成分净化效率与进气浓度的关系
• 5.3.2 在大型生物过滤池单元中,不同污染物成分的处理效果
• 5.3.2.1 在过滤池顶部不同的径向排气位点,氨气净化效率与进气浓度的变化关系
• 5.3.2.2 在过滤池顶部不同的径向排气位点,氨气去除能力与进气负荷的变化关系
• 5.3.2.3 在过滤池顶部不同的径向排气位点,尼古丁净化效率与进气浓度的变化关系
• 5.3.2.4 在过滤池顶部不同的径向排气位点,尼古丁去除能力与进气负荷的变化关系
• 5.3.2.5 在过滤池顶部不同的径向排气位点,TVOC净化效率与进气浓度的变化关系
• 5.3.2.6 在过滤池顶部不同的径向排气位点,TVOC去除能力与进气负荷的变化关系
• 5.3.3 在整个尾气处理系统中,不同污染物成分净化效率与进气浓度的关系
• 5.4 本章小结
• 6 生物过滤池处理白肋烟加工尾气的动力学研究
• 6.1 引言
• 6.2 模型的建立
• 6.2.1 模型的描述
• 6.2.2 模型基本方程的建立
• 6.3 模型的验证
• 6.3.1 模型参数a的计算
• 6.3.2 生物净化效率公式的验证
• 6.3.3 去除能力公式的验证
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论和创新点
• 7.1.1 结论
• 7.1.2 创新点
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 博士期间发表论文