膜生物反應(yīng)器凈化低濃度有機(jī)廢氣中生物膜生長與傳輸特性研究.pdf

1、大氣環(huán)境污染已成為我國目前較為突出的環(huán)境問題之一。尤其在大型工業(yè)生產(chǎn)過程以及日常生活中產(chǎn)生的大量揮發(fā)性有機(jī)廢氣不僅嚴(yán)重破壞了自然生態(tài)環(huán)境并威脅到人類健康。目前，處理有機(jī)廢氣的方法有物理法、化學(xué)法、生物法等。而生物法處理有機(jī)廢氣以其流程和設(shè)備較簡單，對(duì)有用原材料消耗少，運(yùn)行能耗和費(fèi)用低、安全可靠、能夠有效降低二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為環(huán)境治理研究的熱點(diǎn)之一。
　　 膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactors，MBR)是膜分離

2、技術(shù)和微生物生化降解作用相結(jié)合的一種的新型廢氣處理方式，它能有效避免傳統(tǒng)生物反應(yīng)器存在的液相傳質(zhì)阻力、堵塞等缺點(diǎn)。在MBR中，氣相和液相由具有選擇透過性的膜材料分離，生物膜附著在液相側(cè)的膜材料表面，有機(jī)廢物在濃度差的驅(qū)動(dòng)下從氣相側(cè)透過膜材料傳輸?shù)缴锬?nèi)；在生物膜內(nèi)有機(jī)物在傳輸過程中被微生物代謝降解，產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物從生物膜內(nèi)傳輸?shù)揭合嘀髁鲄^(qū)。MBR的降解過程包括由氣-液組成的兩相流動(dòng)、傳質(zhì)和生化反應(yīng)等，其中生物膜結(jié)構(gòu)和物質(zhì)傳輸特性對(duì)MB

3、R生化降解性能有著重要影響。
　　 本文從工程熱物理學(xué)科角度出發(fā)，利用本實(shí)驗(yàn)室篩選的假單胞菌作為高效降解菌種，設(shè)計(jì)了便于生物膜生長結(jié)構(gòu)觀察和廢氣處理的可視化平板式膜生物反應(yīng)器，研究了膜生物反應(yīng)器啟動(dòng)過程過程生物膜結(jié)構(gòu)的變化特性以及不同甲苯濃度、氣相流量、液相流量條件下形成的生物膜結(jié)構(gòu)，并討論了不同生物膜結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)甲苯的傳輸和降解性能的影響。同時(shí)以碳布和納米碳粉顆粒為材料，研發(fā)出新型膜材料MBR并進(jìn)行了降解性能試驗(yàn)，主要研究成

4、果如下：
　　 1.設(shè)計(jì)和制作可視化平板式MBR，并通過篩選和鑒定得到對(duì)甲苯具有較強(qiáng)降解性能的菌種，利用該菌種進(jìn)行生物膜生長特性試驗(yàn)研究。生物膜細(xì)菌以短桿狀為主，同時(shí)也存在長桿狀菌；
　　 2.MBR生物膜成膜期間，生物膜厚度，生物量，生物膜干重都先呈一個(gè)明顯的增長趨勢，然后趨于平穩(wěn)；成膜初期(2-6天)，循環(huán)液中無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)充足，生物膜干重和生物量都有一個(gè)迅速的增加，使得底物甲苯的消耗量有了快速增長，甲苯的去除效率也快

5、速提升。成膜后期(8-14天)整體菌落的分布越來越密集，導(dǎo)致傳質(zhì)阻力增加，使得生物量的增加減緩。穩(wěn)定后的生物膜中微生物生成量與衰亡量相當(dāng)，形成了一個(gè)較高且穩(wěn)定的去除效率；
　　 3.通過對(duì)甲苯進(jìn)口濃度對(duì)生物膜成膜影響的研究，發(fā)現(xiàn)生物膜的干重以及生物量首先隨著濃度的增加而增長，繼續(xù)增加甲苯濃度反而使其降低，最佳甲苯進(jìn)口濃度為1.5g/m3。在該條件下形成了干重為3.35 mg/cm2，厚度為449.8μm的致密生物膜，且該條件下形

6、成的生物膜有著最大的活性生物量11.05224μg，從而使整個(gè)膜生物反應(yīng)器有著最好的降解性能，去除效率達(dá)到87.55％，且生化降解量達(dá)到10.61gmin-1·m-3。過低或過高的甲苯濃度形成生物膜有著較大的孔隙率，雖然利于甲苯傳輸，但活性生物量的降低，抑制了生化降解甲苯速率，降低MBR的去除效率；
　　 4.研究了進(jìn)口甲苯氣體流量對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)隨反應(yīng)器進(jìn)口甲苯氣體流量的增加，生物膜變得相對(duì)稀疏。生物膜厚度在進(jìn)口氣體流

7、量為20 ml/min時(shí)最大，生物膜干重也達(dá)到最大值4.75g/cm2，且生物膜具有較大的生物量和適中的孔隙率，在該條件下形成的生物膜具有較高的生化降解性能；
　　 5.生物膜結(jié)構(gòu)隨反應(yīng)器液相側(cè)流量的減小變得更加致密，生物膜厚度在進(jìn)口溶液流量為20 ml/min時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)生物量也最高，細(xì)菌菌落分布均勻，該條件下形成的對(duì)于甲苯的去除效率最高：
　　 6.采用碳布作為基質(zhì)，利用納米碳粉顆粒對(duì)對(duì)其進(jìn)行憎水處理，開發(fā)出一種