低温等离子体-生物氧化处理含氯含苯类VOCs工艺研究

摘要

随着社会和工业的持续发展，大气污染问题日益突出，在国家大力推行减排政策和治污手段的前提下，虽然NOx、PM2.5、SO2排放量逐年下降，但VOCs的排放量却逐年上升。其中医药化工行业是VOCs的主要排放源之一，而氯苯最初是用作生产军用炸药所需的苦味酸，目前主要用于制造苯酚，硝基氯苯，苯胺以及杀虫剂DDT，是医药化工等领域的重要中间体。传统VOCs治理技术（吸收法、吸附法等）均存在治理效果差，无法长期运行，易产生二次污染等弊端，不同行业行业的VOCs排放又有其特殊性，针对不同行业的VOCs排放要“因地制宜”、对症下药才能高效稳定的处理VOCs。生物法处理VOCs碳化率较高，运行从成本较低，对大气环境无二次污染，但是因为其毒性承受能力仅能处理浓度较低的VOCs，低温等离子体处理范围广，而碳化率较低，但如果以低温等离子体为预处理手段，可以降低生物系统的毒性从而提高整体系统降解效率。本研究利用低温等离子体耦合生物滴滤技术处理医药化工行业的VOCs排放，选取医药化工行业典型有机污染物氯苯作为处理目标。　　在进行生物滴滤系统研究以氯苯为唯一碳源，利用快速排泥法经过600h的运行挂膜成功运行挂膜成功；挂膜成功后系统对氯苯实现了高效稳定降解。在进口浓度为1000mg·m-3时，滴滤塔的降解效果仍可以超过70%，通过扫描电镜观察反应器挂膜效果，发现反应器下层的挂膜度比上层更致密。　　对生物滴滤系统的工艺参数进行研究，发现生物滴滤系统的最佳运行条件为：氯苯进口浓度700mg·m-3，停留时间80s，喷淋密度10.36L·m-3·s-1，pH在7-8之间，氧气浓度10%。因为二甲苯广泛用于医药等行业做合成单体或溶剂，是医药化工的特征有机污染物之一，所以引入二甲苯考察生物系统在降解复合VOCs的过程中，不同有机物之间的相互影响，研究二甲苯对氯苯降解效率的影响发现，氯苯与二甲苯废气浓度为1:1时，生物滴滤塔对混合废气降解效果达到87.6%，通过生物降解宏观动力学分析，生物滴滤塔在通入二甲苯时，对氯苯的降解存在抑制，相反对二甲苯自身的降解存在促进作用。与此同时在进行氯离子平衡分析时发现氯苯可被生物系统完全降解，含氯部分进入循环液中全部以氯离子形式存在，并且随着离子体的不断积累，生物系统呈现出较高的耐受性，仍然可以正常运行。　　对生物滴滤系统进行高通量分析发现，在以不同底物作为微生物碳源时，生物系统的微生物群落有较大差异，通过生物滴滤系统中微生物菌种丰度分析，得到系统挂膜完成阶段，微生物在不同分类水平上有12个门、18个纲、34个目、53个科、60个属、6个种；在以二甲苯为唯一碳源时，在不同分类水平上有9个门、13个纲、15个目、17个科、17个属、1个种；在以氯苯、二甲苯为混合碳源时，在不同分类水平上有17个门、22个纲、45个目、71个科、84个属、43个种；而运行到后期再次以氯苯为唯一碳源，滴滤塔营养液pH维持在偏酸性化境情况下，在不同分类水平上有9个门、12个纲、20个目、25个科、29个属、17个种，氯苯和二甲苯的降解特征菌科分别为噬几丁质菌科和丛毛单胞菌科。　　最后，本文研究低温等离子体的工艺参数及低温等离子体-生物集成系统对氯苯的降解效果。低温等离子体的最佳运行条件为：放电电压7kV，进口浓度700mg·m-3，停留时间为5.5s，此时等离子体的降解效果达到80%，能量效率也可以达到550mg·kWh-1。并且耦合系统对氯苯的降解效率和去除负荷相比于单一的生物滴滤系统均有提高，进口浓度从50mg·m-3逐渐提高至1500mg·m-3，耦合系统的降解效果均要高于单独的生物系统，降解效率在不同条件下可以提高10%~20%。

目录

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第一章 引言

1.1 挥发性有机物（VOCs）的概述

1.1.1 VOCs的定义以及分类

1.1.2 VOCs的来源及危害

1.1.3 VOCs排放现状

1.2 VOCs控制技术

1.2.1 回收法

1.2.2 消除法

1.2.3集成技术的研究发展

1.3课题研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

1.3.3研究创新点

第二章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验药品

2.1.2 实验仪器

2.1.3 营养液配制

2.1.4 实验装置

2.2 实验方法

2.2.1 测试方法

2.2.2 工艺参数分析方法

第三章 生物滴滤塔挂膜启动研究

3.1挂膜启动

3.1.1 菌种采集

3.1.2 菌种驯化

3.2 滴滤塔挂膜结果分析

3.2.1 挂膜期间降解效果分析

3.2.2 电镜扫描分析

3.3 本章小结

第四章 生物滴滤塔工艺特性研究

4.1进口氯苯浓度对生物滴滤塔降解效果的影响

4.2 停留时间对生物滴滤塔降解效果的影响

4.3 喷淋密度对滴滤塔降解效果的影响

4.4 pH大小对滴滤塔降解效果的影响

4.5 氧气浓度对滴滤塔降解效果的影响

4.6 复合有机组分对滴滤塔降解效果的影响

4.7生物降解宏观动力学分析

4.8氯离子平衡分析

4.9本章小结

第五章 生物滴滤塔高通量分析

5.1 高通量测序深度分析

5.1.1 测序数据分析

5.1.2 α多样性分析

5.1.3 Rank-Abundance曲线分析

5.2 滴滤塔生物群落分析

5.2.1滴滤塔生物系统在门水平的菌落结构分析

5.2.2滴滤塔生物系统在纲水平的菌落结构分析

5.2.3滴滤塔生物系统在目水平的菌落结构分析

5.2.4滴滤塔生物系统在科水平的菌落结构分析

5.3本章小结

第六章 低温等离子体耦合生物滴滤系统工况研究

6.1 放电电压对单一等离体子降解氯苯的影响

6.2 进口浓度对单一等离体子降解氯苯的影响

6.3 停留时间对单一等离体子降解氯苯的影响

6.4等离子体降解氯苯能量效率分析

6.6 耦合系统降解氯苯效果分析

6.7本章小结

结论与展望

参考文献

致谢