净化低浓度有机废气生物膜滴滤塔传输及降解特性

摘要

近年来，有机化工、煤化工、橡胶再生以及油漆喷涂等工业过程排放的低浓度挥发有机废气（VOCs）以及恶臭气体已对一些地区的大气环境造成了很大污染。这类低浓度有机废气回收利用价值低，用传统的物理和化学方法处理，不仅难度高投资大，而且效果不好。微生物法处理低浓度有机废气以其净化效果好，操作稳定，能耗小，投资少，运行费用低，无二次污染等优点成为世界工业废气净化研究的前沿热点课题之一。处理气态污染物的生物反应器主要分为三类：生物滤塔，生物滴滤塔和生物洗涤塔。由于生物膜滴滤塔具有独特的易控制系统酸碱度以及塔内微生物生存环境参数，同时对较高浓度的气体污染物均有较好的处理效果，所以从上世纪末到本世纪初世界各国研究学者对其争相进行研究。深入和系统地研究生物膜滴滤塔内多相流体流动特性，污染物组分传输特性以及微生物降解污染物组分的生化反应特性将为生物膜滴滤塔的工程应用奠定基础，具有重要的工程价值和学术意义。 本文从工程热物理学科角度出发，针对采用具有规则形状的陶瓷球填料生物膜滴滤塔净化甲苯废气，对生物膜滴滤塔挂膜启动工艺以及对生物膜滴滤塔各操作参数对净化性能的影响进行了系统的实验研究，并对生物膜滴滤塔填料床内的温度分布特性进行了实验研究。结合气、液两相流理论，建立了一个能够完整描述滴滤塔内气液流体流动、污染物组分传输以及微生物生化反应的毛细管模型，同时建立了能够描述塔内代谢产热及传热的生物膜滴滤塔代谢产热模型。主要研究成果如下： 1) 对采集回的活性污泥中的微生物进行选育驯化，得到对甲苯具有高降解性能的菌株，通过鉴定，该菌株属于假单胞菌属。 2) 对影响生物膜滴滤塔挂膜启动的因素进行了实验研究，首次提出了衡量生物膜滴滤塔挂膜启动完成的宏观标准。实验结果表明：生物膜滴滤塔挂膜启动可分为3个阶段：成膜期、膜生长期和稳定期。在整个挂膜期间循环液吸光度、填料塔压力损失、滴滤塔甲苯生化去除量以及气体进出口温差的变化规律基本相同，这几个参数可以作为衡量挂膜完成的综合评价指标。在挂膜初期，进口甲苯浓度、循环液吸光度以及气、液流量等因素对挂膜启动有很大影响。 3) 分别对由三组填料粒径为 8 mm， 18 mm和 25 mm的规则形状陶瓷球填料组成的生物膜滴滤塔降解甲苯废气的性能进行了实验研究，系统地探讨了各主要操作参数对塔净化性能的影响以及高浓度下微生物降解甲苯的生化反应特性，并对挂膜前后生物膜滴滤塔填料床的两相流动阻力特性进行了实验研究。实验结果表明：滴滤塔净化效率随着液体流量、气体流量以及进口甲苯浓度的增大而降低；当循环液pH值等于7时，滴滤塔降解效率最高；滴滤塔所用陶瓷球填料粒径越大，滴滤塔净化效率就越低；系统逆流操作时滴滤塔净化效率明显高于顺流操作时的净化效率；滴滤塔挂膜并稳定运行后填料床压力损失远远高于挂膜前填料床压力损失。当进口甲苯浓度较低时，滴滤塔内传质代谢反应属于扩散控制，滴滤塔生化去除量会随着进口甲苯负荷的增大而增大；当进口浓度继续增大进入反应控制区后，滴滤塔生化去除量保持稳定。 4) 首次对生物膜滴滤塔填料床内温度分布特性进行实验研究。实验结果表明：滴滤塔进口循环液温度对滴滤塔净化性能也有很大影响。当滴滤塔系统顺流操作时，填料床内温度沿着液体和气体流动方向升高。填料床内轴向温升随着液体流量的增大而减小，而随着气体流量的增大而增大。当进口浓度较低时，滴滤塔内生化降解反应处于扩散控制区，填料床温升随着进口浓度的增大而增大；而当进入反应控制区后，填料床温升也趋于稳定。操作方式对滴滤床内轴向温度分布影响也较大。获得了滴滤塔顺流操作和逆流操作时滴滤塔净化效率的实验关联式。 5) 将生物膜滴滤塔内多孔填料床通道简化为竖直毛细管通道，结合气－液两相流理论，通过建立填料床内气体流动和液体流动的动量守恒控制方程，计算得到滴滤塔顺流操作和逆流操作时液膜和气体中的速度分布理论分析解，引入气液界面和液膜内的传质阻力以及生物膜内污染物扩散、生化反应，建立了一个稳态的生物膜滴滤塔净化废气的理论模型。模型计算结果与实验值基本吻合。模型计算结果还表明：生物膜滴滤塔净化效率随着填料比表面积、生物膜覆盖率以及填料床高度的增大而增大，并且存在一个对应于最大净化效率的最佳孔隙率。 6) 结合生化反应代谢产热理论，首次建立了一个稳态的生物膜滴滤塔废气净化的代谢产热毛细管模型。模型计算结果与实验结果基本吻合。计算结果表明：生物膜中温度在靠近液膜的生物膜表面迅速升高，之后就趋于稳定。在填料床内，温度沿气液流动方向呈抛物线分布。填料床进出口温差随着填料比表面积和生物膜覆盖率的增大而增大；随着填料床孔隙率的变化，填料床进出口温差存在一个最大值。