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平板式膜生物反应器净化有机废气的传输降解特性

作　者: 曹明福
导　师: 朱恂；王永忠
学　校: 重庆大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 膜生物反应器传输特性净化效率生物降解甲苯
分类号: X701
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

大气污染是我国目前最突出的环境问题之一。近年来,有机化工、油漆喷涂、橡胶再生以及废水处理等工业过程排放的挥发有机废气(VOCs)已经严重危害生态环境和人类健康。对这类废气通常的处理方法有:冷凝、催化燃烧、活性炭吸附及生物净化等方法。与传统的物理或化学方法相比,微生物法处理VOCs以其净化效果好,操作稳定,投资运行费用低,能耗小,无二次污染等优点受到环保学者的青睐。近年来,将高效膜分离技术和生物膜反应器的结合产生了一项生物废气处理新技术——膜生物反应器(membrane bioreactors,MBR)。在MBR中,渗透膜将气相和液相回路分开,即解决了传统生物技术中液相传质阻力的问题,也避免了生物膜堵塞问题。因此,膜生物反应器日益受到关注。在MBR降解有机废气过程中涉及到由多组分气体、液体、生物膜和渗透膜组成的多元多相体系的流动、传质以及微生物的生化反应过程,影响因素多而复杂,因此,深入和系统地研究膜生物反应器内污染物的传输特性以及微生物降解污染物的生化反应特性,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,从实验和理论研究两方面研究了MBR处理废气的性能。在实验研究方面,系统地研究了膜生物反应器挂膜启动过程以及对MBR各操作参数对净化性能的影响,并改进气侧结构强化污染物的传输来提高MBR的性能。在理论研究方面,建立了污染物组分传输以及微生物生化反应的传输降解模型,研究了不同参数对净化性能的影响规律。主要研究成果如下:①设计了一套膜生物反应器处理有机废气系统,通过对从重钢焦化厂采集的活性污泥进行选育、筛选、驯化,得到一株具有较强甲苯降解能力的菌株,以此在PDMS/PA复合膜生物反应器中进行挂膜启动实验,挂膜启动获得成功。②通过膜生物反应器挂膜启动实验,提出了衡量膜生物反应器挂膜启动完成的宏观标准,即循环液吸光度、液相压力损失,甲苯降解效率和生物膜干重等参数的变化规律,作为MBR衡量挂膜启动进程的判据。③对平板PDMS/PA膜生物反应器降解甲苯废气的性能进行了可视化实验研究,系统地探讨了各主要操作参数对膜生物反应器性能的影响。实验结果表明:操作条件的改变会影响甲苯的传质特性和微生物的降解能力进而影响MBR的降解性能,而液体流量对反应器稳定运行期间的传质特性和微生物的降解能力影响很小。具体表现为:过大的甲苯进口浓度、过小的气体停留时间和顺流操作方式会降低反应器的降解性能;在高甲苯负荷时微生物对甲苯的有限降解能力是引起反应器降解效率降低的主要影响因素;pH值的改变会影响微生物细胞内酶的催化活性,中性条件最适宜微生物的生长代谢,偏酸或偏碱均会使微生物对甲苯的降解能力降低,进而降低反应器降解性能。④通过在气侧通道增加扰流柱形成扰动强化甲苯传输,结果表明气相空间的扰动能够强化膜生物反应器的气侧传质,能提高膜生物反应器降解甲苯废气的效率。⑤建立了平板膜生物反应器内含有生化反应的质量传输模型,获得了不同操作参数条件下膜生物反应器内的甲苯传输及降解特性和影响规律,并与实验值进行了对比发现模型计算结果与实验值曲线趋势基本吻合。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-11
1 绪论  11-27
  1.1 概述  11-12
  1.2 有机废气处理技术  12-18
    1.2.1 有机废气的来源及危害  12-13
    1.2.2 有机废气的处理方法  13-15
    1.2.3 生物废气处理技术  15-18
  1.3 膜生物反应器废气处理技术  18-21
    1.3.1 膜生物反应器处理废气的机理  18-19
    1.3.2 膜生物反应器处理有机废气的优点  19-21
  1.4 膜生物反应器处理废气研究现状  21-25
    1.4.1 渗透膜  21
    1.4.2 生物膜  21-22
    1.4.3 操作参数  22
    1.4.4 微生物菌种  22-23
    1.4.5 理论模型研究  23-25
  1.5 课题的主要工作  25-27
    1.5.1 已有研究工作的不足  25-26
    1.5.2 本文主要研究工作  26-27
2 膜生物反应器处理废气实验系统  27-37
  2.1 引言  27
  2.2 膜生物反应器的设计  27-29
    2.2.1 平板式膜生物反应器的设计要求  27
    2.2.2 平板式膜生物反应器的设计  27-28
    2.2.3 膜生物反应器实验系统  28-29
  2.3 降解甲苯菌种的选育  29-31
    2.3.1 采样  29-30
    2.3.2 增殖培养  30
    2.3.3 初筛  30-31
    2.3.4 甲苯降解菌的复筛与驯化  31
  2.4 主要仪器及检测方法  31-35
    2.4.1 气相色谱操作条件及设定  32-33
    2.4.2 蠕动泵的标定  33-34
    2.4.3 检测方法  34-35
  2.5 本章小结  35-37
3 膜生物反应器处理废气挂膜启动特性  37-45
  3.1 引言  37
  3.2 膜生物反应器启动步骤  37-38
  3.3 实验结果与分析  38-43
    3.3.1 循环液吸光度的变化  38-39
    3.3.2 压力损失的变化  39
    3.3.3 甲苯降解效率的变化  39-41
    3.3.4 生物膜形态的变化  41-42
    3.3.5 生物膜干重的变化  42-43
  3.4 本章小结  43-45
4 膜生物反应器处理甲苯废气传输及降解特性  45-71
  4.1 引言  45
  4.2 反应器性能评价  45-46
  4.3 实验结果与分析  46-63
    4.3.1 气体停留时间对降解效果的影响  46-50
    4.3.2 甲苯进口浓度对降解效果的影响  50-53
    4.3.3 操作方式对降解效果的影响  53-56
    4.3.4 液体流量对降解效果的影响  56-58
    4.3.5 pH 值对降解效果的影响  58-61
    4.3.6 槽道高度对降解效果的影响  61-63
  4.4 膜生物反应器甲苯传输及降解性能的强化  63-69
    4.4.1 气相空间带扰动的反应器结构设计  64
    4.4.2 实验结果及分析  64-69
  4.5 本章小结  69-71
5 膜生物反应器处理废气传输及降解模型  71-81
  5.1 引言  71
  5.2 物理问题描述  71-72
  5.3 甲苯传递及降解动力学模型的建立  72-75
    5.3.1 简化模型和基本假设  72-73
    5.3.2 反应器内甲苯传输及降解模型方程  73-74
    5.3.3 模型参数的数值求解  74-75
  5.4 结果与讨论  75-79
    5.4.1 反应器中甲苯浓度分布的预测  75-76
    5.4.2 不同气体停留时间下甲苯的降解效率计算结果  76-77
    5.4.3 不同甲苯进口浓度下甲苯的降解效率计算结果  77-78
    5.4.4 不同生物膜密度条件下甲苯的降解效率的预测  78
    5.4.5 不同生物膜厚度条件下甲苯的降解效率的预测  78-79
  5.5 本章小结  79-81
6 结论  81-83
  6.1 本文主要结论  81-82
  6.2 后续工作以及展望  82-83
致谢  83-85
参考文献  85-93
附录  93

平板式膜生物反应器净化有机废气的传输降解特性

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