真菌过滤法净化挥发性有机废气研究

论文摘要

生物过滤技术净化挥发性有机物（VOCs）由于费用低、操作简单、不产生二次污染等优势已成为研究热点。真菌过滤法相对于传统的细菌过滤法来讲具有真菌可在酸性、干燥环境中操作、真菌丝状体可以和气体直接接触降低传质阻力、去除效率高等优势。本文以陶粒、活性炭为填料，以苯、甲苯、二甲苯（“三苯”）混合废气为目标污染物，首次筛选出了能有效降解“三苯”混合废气的真菌；对生物过滤塔进行了挂膜研究，以陶粒、活性炭及陶粒与活性炭的三种混合填料分别研究了入口污染物负荷、入口浓度、空塔停留时间、填料特性及填料层含水率等对真菌过滤塔净化含“三苯”废气效率的影响；对真菌过滤塔运行过程中的压降进行了分析；建立了“三苯”废气生物降解过程的动力学模型，并用试验数据进行了验证。试验研究结果表明：（1）通过改变pH值可以筛选出适合降解“三苯”废气的真菌菌种，经鉴定为丛梗孢科木霉属绿色木霉（Trichoderma viride Pers．ex Fr）。该真菌生有大量气生菌丝，在填料表面形成复杂的网状结构，使微生物与有机气体直接接触并降低传质阻力成为可能。真菌生长的最佳C：N为5：1，微量元素的最佳加入量为24mL·L-1营养液，最佳温度为25℃、最佳pH为5．5，最佳生物接种量为0．002mL菌悬液·mL-1。陶粒表面较活性炭粗糙，亲水性也较好，在挂膜特性上优于活性炭滤塔。气态循环挂膜法可以使驯化和挂膜同时进行，与其它启动方式相比，对气相“三苯”适应性强，接种速度快。本试验中真菌滤塔的启动时间至少需要28天左右，与通常净化“三苯”的细菌滤塔启动时间要长。（2）真菌滤塔对于三种目标污染物的净化能力由高到低依次为甲苯、苯、二甲苯。（3）不同填料真菌滤塔的净化效果由高到低分别为活性炭、陶粒／活性炭为1／2、陶粒／活性炭为1／1、陶粒／活性炭为2／1、陶粒滤塔。各滤塔对于入口污染物负荷低于100g·m-3·h-1的“三苯”废气可以达到接近100％的净化效果。当气体停留时间为84．8s、42．4s，五种滤塔入口污染物负荷分别小于97～200g·m-3·h-1、80～144g·m-3·h-1时，对“三苯”的去除负荷可以达到88～180g·m-3·h-1、72～130g·m-3·h-1及90％以上的净化效率。当停留时间为21．2s时，各滤塔对“三苯”的净化效果难以保证。与其它细菌过滤塔相比，在保证同样净化效率的情况下，本试验真菌过滤塔的去除负荷要高3倍左右。（4）随着入口污染物浓度的增加，净化效率不断降低。当气体停留时间为84．8s、42．4s，入口污染物浓度小于7～14g·m-3、1．5～5．5g·m-3时，各滤塔对“三苯”的净化效率可以达到90％以上。当停留时间为21．2s时，生物过滤塔的净化效率随入口污染物浓度的增加而迅速下降，净化效果难以保证。（5）不同高度填料层含水率不同，导致不同高度填料层的净化效果不同，200～400mm高度填料层净化效果最好。本试验最佳填料层含水率为35％～55％，表明真菌对于干燥环境的适应能力要强于细菌。合适的填料比表面积为600～1000m2·m-3左右，空隙率为0．5左右。（6）陶粒滤塔压降较低，活性炭滤塔压降过大。二者混合后净化效果无显著差别，优于陶粒，比活性炭略低，其中陶粒/活性炭为1／2时最接近活性炭，但压降却大大低于活性炭滤塔。说明大颗粒填料的加入可以大大改善滤塔压降过大的情况。在上述试验的基础上，对以往的数学模型进行了如下改进：将单一底物的Monod方程延伸为多种底物的Monod方程，建立了多种污染物混合处理的真菌降解模型；摒弃了以前将生物降解过程从Monod方程简化为零级或一级反应的做法，保留了其原始形式，求出了方程的数值解。对“三苯”废气的模拟结果表明，本文提出的模型模拟值相对误差基本在20％以内，效果较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景与意义
• 1.1.1 VOCs气体污染的危害
• 1.1.2 本研究的意义
• 1.2 VOCs气体处理技术
• 1.2.1 处理技术分类与比较
• 1.2.2 生物处理技术原理及应用
• 1.2.3 生物过滤工艺的原理与应用
• 1.3 生物过滤塔处理VOCs气体的研究现状
• 1.3.1 生物过滤塔处理VOCs气体的运行性能
• 1.3.2 影响生物过滤塔VOCs去除能力的因素
• 1.4 废气生物处理过程的模拟研究
• 1.4.1 “扩散—生物降解”模型
• 1.4.2 “吸附—生物降解”模型
• 1.5 模型参数的估算
• 1.6 目前研究存在问题及本研究目标
• 1.7 研究内容
• 2 滤塔启动及生物生物学特性研究
• 2.1 目标污染物的选取
• 2.2 实验装置和方法
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 营养液与培养基
• 2.2.3 菌种选择
• 2.2.4 填料选择
• 2.2.5 测试方法
• 2.3 滤塔启动及影响因素研究
• 2.3.1 液态驯化后挂膜
• 2.3.2 气态循环法挂膜
• 2.3.3 影响挂膜启动完成的主要因素分析
• 2.4 生物学特性研究
• 2.4.1 实验方案
• 2.4.2 结果与分析
• 2.5 小结
• 3 真菌过滤去除三组分混合气体性能研究
• 3.1 生物过滤净化处理BTX现状
• 3.2 实验装置及运行条件
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验材料
• 3.2.3 测试方法
• 3.2.4 滤塔运行条件
• 3.3 滤塔性能表示方式
• 3.4 滤塔运行性能
• 3.4.1 去除负荷与入口污染物负荷的关系
• 3.4.2 净化效率与污染物入口浓度的关系
• 3.4.3 填料与净化效率间的关系
• 3.4.4 停留时间对净化效率的影响
• 3.4.5 填料层含水率的影响
• 3.5 生物塔压降分析
• 3.6 真菌生物过滤塔降解BTX的途径及难易分析
• 3.7 小结
• 4 真菌滤塔稳态净化性能的模拟研究
• 4.1 生物过滤塔运行性能模型的建立
• 4.1.1 生物膜内生物净化VOCs废气子模型
• 4.1.2 生物塔内物料平衡子模型
• 4.2 参数确定及预测
• 4.2.1 模型的简化求解
• 4.2.2 模型参数的确定
• 4.2.3 模型验证与分析
• 4.4 小结
• 5 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 生物过滤塔净化模型主程序
• 附录B 攻读学位期间发表相关论文