凈化低濃度有機(jī)廢氣生物膜滴濾塔傳輸及降解特性.pdf

1、近年來(lái)，有機(jī)化工、煤化工、橡膠再生以及油漆噴涂等工業(yè)過(guò)程排放的低濃度揮發(fā)有機(jī)廢氣（VOCs）以及惡臭氣體已對(duì)一些地區(qū)的大氣環(huán)境造成了很大污染。這類(lèi)低濃度有機(jī)廢氣回收利用價(jià)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(jī)廢氣以其凈化效果好，操作穩(wěn)定，能耗小，投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)成為世界工業(yè)廢氣凈化研究的前沿?zé)狳c(diǎn)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(lèi)：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(dú)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(shí)對(duì)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(guó)研究學(xué)者對(duì)其爭(zhēng)相進(jìn)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(dòng)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(jià)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(duì)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(duì)生物膜滴濾塔掛膜啟動(dòng)工藝以及對(duì)生物膜滴濾塔各操作參數(shù)對(duì)凈化性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)生物膜滴濾塔填料床內(nèi)的溫度分布特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)合氣、液兩相流理論，建立了一個(gè)能夠完整描述滴濾塔內(nèi)氣液流體流動(dòng)、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(shí)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(duì)采集回的活性污泥中的微生物進(jìn)行選育馴化，得到對(duì)甲苯具有高降解性能的

4、菌株，通過(guò)鑒定，該菌株屬于假單胞菌屬。 2) 對(duì)影響生物膜滴濾塔掛膜啟動(dòng)的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，首次提出了衡量生物膜滴濾塔掛膜啟動(dòng)完成的宏觀標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：生物膜滴濾塔掛膜啟動(dòng)可分為3個(gè)階段：成膜期、膜生長(zhǎng)期和穩(wěn)定期。在整個(gè)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(jìn)出口溫差的變化規(guī)律基本相同，這幾個(gè)參數(shù)可以作為衡量掛膜完成的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。在掛膜初期，進(jìn)口甲苯濃度、循環(huán)液吸光度以及氣、液流量等因素對(duì)掛

5、膜啟動(dòng)有很大影響。 3) 分別對(duì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)地探討了各主要操作參數(shù)對(duì)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(duì)掛膜前后生物膜滴濾塔填料床的兩相流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)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(jìn)口甲苯濃度的增大而降低；當(dāng)循環(huán)液pH值等于7時(shí)，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(shí)滴濾塔凈化效率明顯高于順流操作時(shí)的凈化效率；滴濾塔掛膜并穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)口甲苯濃度較低時(shí)，滴濾塔內(nèi)傳質(zhì)代謝反應(yīng)屬于擴(kuò)散控制，滴濾塔生化去除量會(huì)隨著進(jìn)口甲苯負(fù)荷的增大而增大；當(dāng)進(jìn)口濃度繼續(xù)增大進(jìn)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(duì)生物膜滴濾塔填料床內(nèi)溫度分布特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：滴濾塔進(jìn)口循

7、環(huán)液溫度對(duì)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(shí)，填料床內(nèi)溫度沿著液體和氣體流動(dòng)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(jìn)口濃度較低時(shí)，滴濾塔內(nèi)生化降解反應(yīng)處于擴(kuò)散控制區(qū)，填料床溫升隨著進(jìn)口濃度的增大而增大；而當(dāng)進(jìn)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(duì)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(shí)滴濾塔凈化效率的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。 5) 將生物膜滴濾塔

8、內(nèi)多孔填料床通道簡(jiǎn)化為豎直毛細(xì)管通道，結(jié)合氣－液兩相流理論，通過(guò)建立填料床內(nèi)氣體流動(dòng)和液體流動(dòng)的動(dòng)量守恒控制方程，計(jì)算得到滴濾塔順流操作和逆流操作時(shí)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(kuò)散、生化反應(yīng)，建立了一個(gè)穩(wěn)態(tài)的生物膜滴濾塔凈化廢氣的理論模型。模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。模型計(jì)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(gè)對(duì)應(yīng)于