凈化低濃度有機廢氣生物膜滴濾塔傳輸及降解特性.pdf

1、近年來，有機化工、煤化工、橡膠再生以及油漆噴涂等工業(yè)過程排放的低濃度揮發(fā)有機廢氣（VOCs）以及惡臭氣體已對一些地區(qū)的大氣環(huán)境造成了很大污染。這類低濃度有機廢氣回收利用價值低，用傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法處理，不僅難度高投資大，而且效果不好。微生物法處理低濃度有機廢氣以其凈化效果好，操作穩(wěn)定，能耗小，投資少，運行費用低，無二次污染等優(yōu)點成為世界工業(yè)廢氣凈化研究的前沿?zé)狳c課題之一。處理氣態(tài)污染物的生物反應(yīng)器主要分為三類：生物濾塔，生物滴濾塔和生

2、物洗滌塔。由于生物膜滴濾塔具有獨特的易控制系統(tǒng)酸堿度以及塔內(nèi)微生物生存環(huán)境參數(shù)，同時對較高濃度的氣體污染物均有較好的處理效果，所以從上世紀(jì)末到本世紀(jì)初世界各國研究學(xué)者對其爭相進行研究。深入和系統(tǒng)地研究生物膜滴濾塔內(nèi)多相流體流動特性，污染物組分傳輸特性以及微生物降解污染物組分的生化反應(yīng)特性將為生物膜滴濾塔的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，具有重要的工程價值和學(xué)術(shù)意義。 本文從工程熱物理學(xué)科角度出發(fā)，針對采用具有規(guī)則形狀的陶瓷球填料生物膜滴濾塔

3、凈化甲苯廢氣，對生物膜滴濾塔掛膜啟動工藝以及對生物膜滴濾塔各操作參數(shù)對凈化性能的影響進行了系統(tǒng)的實驗研究，并對生物膜滴濾塔填料床內(nèi)的溫度分布特性進行了實驗研究。結(jié)合氣、液兩相流理論，建立了一個能夠完整描述滴濾塔內(nèi)氣液流體流動、污染物組分傳輸以及微生物生化反應(yīng)的毛細(xì)管模型，同時建立了能夠描述塔內(nèi)代謝產(chǎn)熱及傳熱的生物膜滴濾塔代謝產(chǎn)熱模型。主要研究成果如下： 1) 對采集回的活性污泥中的微生物進行選育馴化，得到對甲苯具有高降解性能的

4、菌株，通過鑒定，該菌株屬于假單胞菌屬。 2) 對影響生物膜滴濾塔掛膜啟動的因素進行了實驗研究，首次提出了衡量生物膜滴濾塔掛膜啟動完成的宏觀標(biāo)準(zhǔn)。實驗結(jié)果表明：生物膜滴濾塔掛膜啟動可分為3個階段：成膜期、膜生長期和穩(wěn)定期。在整個掛膜期間循環(huán)液吸光度、填料塔壓力損失、滴濾塔甲苯生化去除量以及氣體進出口溫差的變化規(guī)律基本相同，這幾個參數(shù)可以作為衡量掛膜完成的綜合評價指標(biāo)。在掛膜初期，進口甲苯濃度、循環(huán)液吸光度以及氣、液流量等因素對掛

5、膜啟動有很大影響。 3) 分別對由三組填料粒徑為 8 mm， 18 mm和 25 mm的規(guī)則形狀陶瓷球填料組成的生物膜滴濾塔降解甲苯廢氣的性能進行了實驗研究，系統(tǒng)地探討了各主要操作參數(shù)對塔凈化性能的影響以及高濃度下微生物降解甲苯的生化反應(yīng)特性，并對掛膜前后生物膜滴濾塔填料床的兩相流動阻力特性進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明：滴濾塔凈化效率隨著液體流量、氣體流量以及進口甲苯濃度的增大而降低；當(dāng)循環(huán)液pH值等于7時，滴濾塔降解效率最高

6、；滴濾塔所用陶瓷球填料粒徑越大，滴濾塔凈化效率就越低；系統(tǒng)逆流操作時滴濾塔凈化效率明顯高于順流操作時的凈化效率；滴濾塔掛膜并穩(wěn)定運行后填料床壓力損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于掛膜前填料床壓力損失。當(dāng)進口甲苯濃度較低時，滴濾塔內(nèi)傳質(zhì)代謝反應(yīng)屬于擴散控制，滴濾塔生化去除量會隨著進口甲苯負(fù)荷的增大而增大；當(dāng)進口濃度繼續(xù)增大進入反應(yīng)控制區(qū)后，滴濾塔生化去除量保持穩(wěn)定。 4) 首次對生物膜滴濾塔填料床內(nèi)溫度分布特性進行實驗研究。實驗結(jié)果表明：滴濾塔進口循

7、環(huán)液溫度對滴濾塔凈化性能也有很大影響。當(dāng)?shù)螢V塔系統(tǒng)順流操作時，填料床內(nèi)溫度沿著液體和氣體流動方向升高。填料床內(nèi)軸向溫升隨著液體流量的增大而減小，而隨著氣體流量的增大而增大。當(dāng)進口濃度較低時，滴濾塔內(nèi)生化降解反應(yīng)處于擴散控制區(qū)，填料床溫升隨著進口濃度的增大而增大；而當(dāng)進入反應(yīng)控制區(qū)后，填料床溫升也趨于穩(wěn)定。操作方式對滴濾床內(nèi)軸向溫度分布影響也較大。獲得了滴濾塔順流操作和逆流操作時滴濾塔凈化效率的實驗關(guān)聯(lián)式。 5) 將生物膜滴濾塔

8、內(nèi)多孔填料床通道簡化為豎直毛細(xì)管通道，結(jié)合氣－液兩相流理論，通過建立填料床內(nèi)氣體流動和液體流動的動量守恒控制方程，計算得到滴濾塔順流操作和逆流操作時液膜和氣體中的速度分布理論分析解，引入氣液界面和液膜內(nèi)的傳質(zhì)阻力以及生物膜內(nèi)污染物擴散、生化反應(yīng)，建立了一個穩(wěn)態(tài)的生物膜滴濾塔凈化廢氣的理論模型。模型計算結(jié)果與實驗值基本吻合。模型計算結(jié)果還表明：生物膜滴濾塔凈化效率隨著填料比表面積、生物膜覆蓋率以及填料床高度的增大而增大，并且存在一個對應(yīng)于