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真菌过滤法净化挥发性有机废气研究

侯晨涛  
【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600~1000m~2·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。


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