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技术文章

VOCs生物净化领域2020年度总结

2021-01-19 08:25:30 东莞市中仁环保科技有限公司 阅读

目前,在我国大气环境治理问题中,挥发性有机物(Volatile Organic Compounds, VOCs)产生的污染问题是最大问题之一。在众多的控制技术中,生物过滤因其去除性能好、维护方便、运行成本低、环境友好等优点而广泛地应用于VOCs的处理。天津大学王灿教授团队近年来致力于VOCs生物净化领域的研究,在过去的一年中取得一系列创新性成果。

1.添加pH缓冲材料和填料层支撑材料对生物过滤塔去除氯苯性能的强化作用

利用生物过滤技术处理含氯挥发性有机物(CVOCs)时,由于降解过程中氯离子的释放和酸性物质的产生,会导致生物过滤塔内酸碱环境发生变化,进而对去除效果、微生物群落和滤床结构(滤床高度、孔隙率、压降和比表面积)产生影响。

这项研究建立了三种不同填料层的生物过滤塔来处理氯苯气体,分别为珍珠岩(BF1),珍珠岩和碳酸钙(BF2),珍珠岩、碳酸钙和三维骨架材料(BF3)。其中,CaCO3作为pH缓冲材料,三维骨架材料作为填料层支撑材料。着重比较了三座生物过滤塔在长期处理氯苯的过程中,去除效果、pH变化、生物量积累和微生物群落结构的差异。此外,还比较了运行过程中填料层高度、压降、孔隙率和比表面积的变化,并对填料层结构进行了解析。

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图1 图文摘要

结果表明,在200天的长期运行过程中,添加碳酸钙和三维骨架填料的BF3具有更高、更稳定的去除性能。三座生物过滤塔在不同时间段的pH呈现不同的变化趋势,而添加碳酸钙可以明显缓冲pH的变化,使去除效果稳定,微生物群落稳定。此外,缓冲过程中二氧化碳的产生和释放可以限制滤床高度、孔隙率、压降和比表面积的变化。当缓冲作用减弱时,三维骨架填料仍能保持较高的滤层高度、孔隙率和比表面积,以及较低的压降。因此,添加碳酸钙和三维骨架填料能够强化生物过滤塔去除氯苯的性能。

原文:Performance enhancement of a biofilter with pH buffering and filter bed supporting material in removal of chlorobenzene

期刊:Chemosphere

DOI:10.1016/j.chemosphere.2020.126358

2.以包埋微生物的凝胶胶囊组合三维网格材料来提高生物过滤塔的性能

同样为缓解生物过滤塔处理含卤族元素的挥发性有机物(CVOCs)时,造成的塔内pH下降问题,开发了微生物包埋技术,相较于其他的微生物固定化技术具有较高的活性生物量浓度、对于有毒有害化合物较强的抗性、较高的质粒稳定性等优点。

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图2 凝胶胶囊封装技术固定化微生物操作示意图

此项工作中将包埋微生物的凝胶胶囊组装进入三维网格填料形成凝胶胶囊生物过滤塔(GEBF),同时,以珍珠岩填料作为传统填料填入另外一座生物过滤塔(BF)作为对照。反应器长期运行100天,主要评估微生物包埋技术对氯苯气体的长期运行处理效果以及对高浓度氯苯气体冲击负荷的抵抗性能。

在这项研究中,GEBF显示了优越的氯苯去除性能,特别是在高入口负荷和低pH值下。凝胶胶囊内部观察到丰富的孔隙和层状网络结构,保证了填料良好的透气性,为污染物的传质提供了必要的条件。Michaelise-Menten模型表明,GEBF的最大生物降解速率高于BF。并且由于凝胶胶囊可以起到抗冲击负荷的作用,GEBF的恢复时间比BF短,平均代谢活性和优势菌种的相对丰度明显高于BF。因此,凝胶包埋微生物是一种很有前景的VOCs生物过滤技术。

原文:Performance improvement of a biofilter by using gel-encapsulated microorganisms assembled in a 3D mesh material

期刊:Chemosphere

DOI:10.1016/j.chemosphere.2020.126618

3.应用微生物包埋技术来缩短生物过滤塔停歇运行后的恢复周期

在生物过滤技术处理废气的工程应用中,由于工厂运行中断、假期休息或设备故障,会导致VOCs的供应中断,生物过滤塔内的微生物进入饥饿期。长期的饥饿会使生物量减少,塔内的微生物活性受到抑制,微生物群落结构发生变化,进而延长微生物饥饿后的再启动周期。

这项研究利用包埋固定化技术自制可适用于生物过滤塔的凝胶胶囊填料,并组成凝胶胶囊生物过滤塔(GEBF)。该填料以聚乙烯醇,海藻酸钠为包埋载体,并且添加粉末活性炭强化填料的传质性能及机械强度。对照组为珍珠岩填料生物过滤塔(BF)。着重比较GEBF和BF两座生物过滤塔在短期饥饿和长期饥饿后的恢复能力的差异。

结果发现GEBF和BF在短期饥饿(6天)后分别需要3天和6天才能完全恢复。长期饥饿(20天)后,GEBF在9天后完全恢复了饥饿前的去除性能,而BF仅恢复饥饿前去除效果的70%。此外还对两座塔内饥饿前后微生物特性(微生物代谢活性、存活状态、群落组成结构)的变化进行比较和分析。流式细胞仪分析结果表明,饥饿条件下,GEBF的微生物种群生存状态优于BF。饥饿前和饥饿时GEBF的微生物平均代谢活性均维持在较高水平,而BF中微生物的平均代谢活性下降了30%。利用高通量测序和主成分分析研究和比较了GEBF和BF中微生物群落结构的变化,两种生物滤塔的微生物群落结构表现出不同的行为。表明微生物包埋技术对克服生物过滤器难以适应停歇运行的缺陷有很大的潜力。

原文:Gel-encapsulated microorganisms used as a strategy to rapidly recover biofilters after starvation interruption

期刊:Journal of Environmental Management

DOI:10.1016/j.jenvman.2020.110237

4.氯苯气体生物过滤塔填料层结构定量化解析及其对生物过滤塔运行性能的影响

填料层是生物过滤塔的重要组成部分,为微生物提供了附着场所。但在生物过滤塔长期运行过程中,由于填料自重导致的填料层压实和生物过量积累,使得填料层结构发生变化,会引起填料层压降升高和去除率下降。

这项研究建立了两组不同填料的生物滤塔,对照组填充珍珠岩(乱堆),实验组以珍珠岩和三维骨架材料装填,提出了定量化描述生物过滤塔结构特征的系列参数,包括填料层高度、压降、空隙率、能量损失系数、填料因子、比表面积和传质系数。

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图3 三维骨架填料实物图及其装填方式

结果发现,在100天的运行过程中,相较于对照组,实验组生物滤塔效率高,稳定性好;填料层压降和高度变化小,有更高的结构强度;填料因子较小,说明气体流动阻力更小;传质系数高,证明传质过程得到了改善。实验结果表明通过添加高机械强度三维骨架填料能显著改善生物过滤塔的填料层定量化结构参数,使生物过滤塔在长期运行过程中表现出更好的运行稳定性。

原文:Determination of filter bed structure characteristics and influence on performance of a 3D matrix biofilter in gaseous chlorobenzene treatment

期刊:Biochemical Engineering Journal

DOI:10.1016/J.BEJ.2020.107829

5.综述:气体生物滤塔排放生物气溶胶的健康威胁、影响因素和控制技术

生物过滤技术基于附着在填料载体上微生物的代谢能力,将污染物进行分解,以其绿色、经济和环保的特点被广泛研究和应用,但是仍然存在一些缺点,例如生物滤塔中生物气溶胶的排放会造成污染。

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图4 生物过滤中生物气溶胶的形成和排放

这篇综述首先总结了气体生物滤塔的生物气溶胶排放情况,由于生物滤塔的接种物大部分来自活性污泥和堆肥,可能含有多种致病微生物,能够对人体的呼吸道和肺部造成损害。

其次分析了生物气溶胶产生的机理和影响因素,认为操作条件包括生物量,入口气速,含水率,温度等都可以影响生物滤塔的生物气溶胶排放。高生物量积累导致高浓度的生物气溶胶排放;增大气速时生物气溶胶的排放量将增加,随着气速再增大,由于剪切力和稀释效应的存在排放量会降低。高含水率和高温将减少生物气溶胶的排放,并对生物气溶胶种类产生影响。此外,填料种类、接种来源以及营养物浓度都会影响生物气溶胶浓度,而对接种微生物进行包埋的策略能够减少生物气溶胶的排放。

最后对不同控制技术对生物气溶胶灭活效率与能耗进行了对比,发现化学药剂灭菌和紫外灭菌应用最广且能耗较低;微波灭菌能耗最高但能在短时间内快速灭活微生物;光催化技术是最有应用前景的生物气溶胶控制技术,具有二次污染少,能耗低并且灭活彻底的优点。

原文:A short review of bioaerosol emissions from gas bioreactors: Health threats, influencing factors and control technologies

期刊:Chemosphere

DOI:10.1016/j.chemosphere.2020.126737

6.综述:光降解—生物过滤联合技术处理挥发性有机物的研究进展

近年来,在VOCs处理技术中,光降解—生物过滤联合技术受到了广泛关注,因为相较于单一技术,联合技术能有效解决有毒副产物排放、过量生物量积累和冲击负荷等一系列问题。

这篇文章首先阐述了单一光降解和生物过滤技术在处理VOCs方面面临的挑战。光降解技术难以将VOCs彻底转化,并容易产生有害中间体和臭氧等副产物;而生物过滤技术面临着疏水性VOCs的处理、滤床堵塞、生物气溶胶排放和系统的不稳定性等一系列挑战。

然后,通过联合技术与单一光降解和生物过滤技术的比较,说明了联合技术的优点。相比于单一技术来说,联合技术提高了去除性能,并且缓解了上述单一技术存在的一系列问题。

最后讨论了光降解与生物过滤的相互作用机理。在联合系统中,光降解过程中产生的臭氧能通过氧化部分微生物和EPS,控制后续生物过滤过程中生物膜的厚度;臭氧作为一种消毒剂和强氧化剂,还能去除多余的生物质来改善过滤床的结构。光降解预处理通过改变VOCs生物降解的途径提高生物过滤性能,而引入生物过滤后的光降解,不仅提高了光降解性能,而且降低了光降解能耗。

原文:Comparison of separated and combined photodegradation and biofiltration technology for the treatment of volatile organic compounds: A critical review

期刊:Critical Reviews in Environmental Science and Technology

DOI:10.1080/10643389.2020.1854566

来源:VOCs前沿



标签:   生物净化 生物法