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37200字硕士毕业论文膜生物反应器过滤低浓度有机废气生物膜生长及输送特性分析。

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:37200字
论点:生物,废气,降解
论文概述:

MBR 处理有机废气过程涉及到气相内有机物质的扩散、有机物质在渗透膜内的传递以及有机物质渗透到液相生物膜内等多种流动传输,还有微生物的生化降解效效应,有机物质及氧分在 MBR 内的传

论文正文:

单线理论

1.1概述
随着全球工业和经济的快速发展,环境问题给人类带来的危害越来越明显,人们对环境的意识越来越强烈,渴望生活在更清洁的环境中。结果,人们把注意力集中在环境污染控制上。近年来,中国经济快速增长,但随着经济的增长,污染和排放问题日益严重。一些发达国家曾经遭受的环境问题也在我国出现,威胁着人民的基本生存。国内只有不到一半的城市达到了基本生活水平,更多的环境质量处于较低水平,而且情况在不断恶化。尽管中国目前把环境保护作为经济建设的指导原则,但环境恶化问题仍然影响着中国的可持续发展和人民生活。党和国家不断提出新的建议,引导中国未来发展成为环境友好型经济,将现有的经济发展模式转变为低碳、节能、减排模式,走可持续发展之路。因此,环境污染控制的研究已经成为一个热门的研究课题,并引起了大量学者[1-3]的关注。空气污染一直是困扰世界各国的长期环境问题。工业过程产生的污染物已经成为空气环境污染的罪魁祸首。挥发性有机废气因其毒性强、水溶性低而成为最难处理的废气之一。这种有机废气通过人体呼吸或皮肤接触进入人体,对人体内脏器官和神经系统造成损害。更严重的是,苯、硫、氯等一些有毒污染物的化合物对人体有更强烈的刺激,并且空气体的含量超过一定指标,甚至直接导致死亡。因此,有机污染物的处理迫在眉睫。这种废气能否得到有效处理以减少其对人类健康的威胁已成为[4-8]的研究热点之一。
有机废气排放时浓度通常较低,但容易扩散,造成广泛污染,在自然环境中不易降解。有机废气的处理方法主要有以下几种:物理方法,如吸附、吸收、冷凝等。化学方法——如光解、燃烧和等离子体分解[9-15]。然而,在工业应用过程中,这些方法存在一定的缺点。例如,吸附法中的吸附剂容易失效,投资和运行成本高,存在二次污染;大多数化学方法存在催化剂失活或污染等问题,二次污染更严重,[16,17]。因此,研究人员正在寻找一种能够有效降解有机废气并避免二次污染的废气处理方法。随着生物科学技术的发展,生物法处理废气的应用逐渐进入我们的视野,并引起了科学家的关注。与物理和化学方法相比,生物法具有设备投资少、操作简单、二次污染少、净化效果好等优点,是一种更有效、更有前途的有机废气处理方法[18,19]。有机废气的生物处理已在荷兰、德国、日本和美国得到广泛应用。目前,生物技术的应用主要是除臭。以生物滤池为例,荷兰、美国和德国有500多个生物处理单元。国内对有机废气生物处理技术的研究和开发始于20世纪90年代左右。从反应器的基本原理出发,研究和开发设备,改进操作和加工技术,筛选和分离菌株,建立相关的动力学模型[20]。传统的有机废气生物处理装置包括:生物滴滤床、生物滤池和生物洗涤塔[21]。这些传统的处理方法也有其自身的缺陷:填充床酸化、湿度控制困难、不能长时间运行以及填充床堵塞[22,23]。同时,受液体传质阻力的影响,水溶性较低的有机污染物会增加处理难度。因此,一种新的环境处理技术——膜生物反应器,已迅速成为[环境处理领域的研究热点。

1.2有机废气处理技术

1.2.1物理方法
物理方法主要包括吸附法、冷凝法、膜分离法等。吸附法是一种重要的物理方法。它主要利用吸附剂的物理性质来有效吸附和固定有机气体,达到废气处理的目的[25]。工业应用中吸附剂种类繁多,相应的吸附剂有活性炭纤维、分子筛、活性炭等。需要对不同的有机废气采用[26]。吸附剂的吸附效果在吸附方法中起着主导作用,提高吸附剂的吸附性能是吸附剂选择的重点。然而,增加吸附剂的表面粗糙度和表面积以及改变孔结构将增强吸附效果。同时,操作条件、污染物类型、环境温度、气体流速等。都将影响吸附剂的吸附,在使用吸附方法时应考虑到这一点。目前,该方法主要用于处理低浓度挥发性有机废气。吸附法在挥发性有机物处理中具有能耗低、处理工艺成熟、去除效率高等明显优势。然而,吸附法也有一些缺点,如吸附剂吸附微孔堵塞、吸附剂容易失效等。对有机废气处理要求较高,容易造成二次污染,增加投资成本。冷凝法[27]是另一种更好地去除和回收挥发性有机化合物的物理方法。各种有机废气在特定温度下具有相应的饱和蒸汽压。冷凝法利用有机废气的特性来调节系统中的温度或压力,从而将挥发性有机化合物从污染物中分离出来,并对其进行净化和再利用。冷凝法能有效净化有机废气,应用设备简单易操作,[28]。然而,冷凝法的最大缺点是在应用过程中要求严格的分离条件和较低的经济效益。为了获得较高的经济效益和处理效率,通常采用冷凝法作为预处理方法,并与其他处理方法相结合。

2膜生物反应器降解有机废气的实验系统及方法

2.1简介
为了观察膜生物反应器中生物膜的生长和微观结构,设计制造了一种结构简单、操作方便、在线测量方便、可反复拆卸离线测量的新型平板膜生物反应器,研究假单胞菌生物膜的生长形态和微观结构对膜生物反应器降解性能的影响。本章主要介绍可视化平板膜生物反应器的设计和测试系统的构建,甲苯降解菌的筛选和鉴定,以及实验中使用的实验参数测量仪器和方法。

2.2平面膜生物反应器系统

2.2.1平板膜生物反应器的设计
在有机废气处理的膜生物反应器实验中,需要在线观察和离线测量渗透膜表面形成的生物膜。因此,为了更好地达到实验效果,连续观察假单胞菌从吸附到在渗透膜表面形成稳定生物膜的全过程,本实验选用透光率好的聚甲基丙烯酸酯(PMMA)作为反应器的主要材料,PMMA具有很强的热稳定性、刚性和适中的硬度。通过膜组件的模块化设计,便于组装和拆卸,从而测量生物膜厚度和密度等结构参数。反应器由气侧盖板和液侧盖板组成。空气侧盖板内侧开有20厘米(长)×2厘米(宽)×0.2厘米(高)的凹槽作为气腔,盖板开有8毫米孔径的螺纹孔作为气相进出口,如图2.1所示。液侧盖板内侧开有20厘米(长)×2厘米(宽)×0.5厘米(高)的凹槽作为液腔,同一盖板钻有8毫米孔径的螺纹孔作为液相进出口,如图2.2所示。气室和液室由PDMS/聚酰胺有机复合膜隔开,形成两个独立的封闭气室和液室,如图2.3所示。此外,渗透膜不仅将气体室与液体室分开,还为微生物的吸附生长提供载体表面。气体和液体两侧的盖板周围形成14个螺栓孔,使得上盖板和下盖板可以通过螺栓连接和橡胶垫密封,最终形成总尺寸为27厘米×8厘米×2.5厘米的反应器。在操作过程中,气相和液相的入口和出口相反,形成气相和液相的逆流,增强传质。

3膜生物反应器生物膜生长特性实验……42-54[/比尔/] 3.1导言...................42
3.2反应器性能参数...................42[/比尔/] 3.3生物膜生长特性试验...................42-51 [/BR/] 3.4本章总结了...................51-54
4生物膜形成的操作参数...................54-82
4.1导言...................54
4.2甲苯浓度对生物膜形成和降解的影响...................54-65
4.3甲苯气流对生物膜形成的影响...................65-72
4.4循环流体流动对生物膜生长和形成的影响...................72-79 [/BR/] 4.5本章概述...................79-82
5新型膜材料膜生物反应器生物膜形成...................82-92
5.1简介...................82[/溴/] 5.2膜材料...................82-83[/比尔/] 5.3的实验结果和分析...................83-90
5.5...................本章第90-92节

结论

在前人对有机废气膜生物反应器降解研究的基础上,本文旨在研究气液流动和污染物迁移对膜生物反应器生物膜生长、生物膜结构和有机物降解代谢的影响,设计可视化实验装置,对生物膜形成特性和运行参数的影响等进行研究。提出了新型膜材料在有机废气膜生物反应器降解中的应用。在生物膜生长特性的研究中,在生物膜形成的各个阶段测量生物膜形态、降解性能和生物量等参数,从宏观和微观两个方面考虑生物膜生长特性对膜生物反应器降解性能的影响。在运行参数的影响研究中,选择不同浓度的进口甲苯、甲苯气体流量和循环液体流量进行生物膜形成实验。从生物膜的微观形态结构和活性生物量出发,监测生物膜形成过程中膜生物反应器的降解性能,反映不同生长条件对生物膜形成的影响以及与降解性能的耦合关系。在新型膜材料实验中,对碳纤维布进行处理,使碳纤维布对有机气体具有较强的渗透性和疏水性,并对新型膜生物反应器的降解性能进行了实验研究。以上工作得出以下结论:
1)根据实验要求和测量要求,设计制造了一种可灵活拆卸的可视平板膜生物反应器。同时,设计并制作了有机废气膜生物反应器降解可视化实验系统。分离纯化甲苯降解性能高的假单胞菌菌株,确定生物膜特征参数(生物膜干重、生物量、生物膜厚度、微生物群落分布)和甲苯气体浓度的测量方法。
2)在生物膜形成的初始阶段(2-6天),循环液中有足够的无机养分,生物膜的干重和生物量迅速增加,导致底物甲苯消耗量的快速增加和甲苯去除效率的快速提高。生物量的增加对去除效率的变化起主导作用。此后,由于无机养分和甲苯的缺乏,微生物生长减慢,生物膜干重和生物量缓慢增加。14天后,当微生物的生长和衰退大致平衡时,生物膜的干重和生物量基本保持不变,并且由于生物量大,去除效率保持在87.6%的高水平。
3)在膜生物反应器生物膜形成期间,初期微生物主要通过吸附生长,生物膜结构相对疏松,膜厚度小,生物膜生长迅速;到第10天,微生物菌落生长并相互连接,一些短杆菌通过分泌物粘附在一起形成较长的菌落。14天后,生物膜成熟并形成致密的三维结构,生长和衰退基本平衡,生物膜厚度达到184微米·
4)扫描电镜显示生物膜中的细菌主要为短杆,少数短杆菌为胞外细菌形成的长杆,不粘连。进口甲苯浓度为1.5 g/m3条件下形成的生物膜均匀致密,具有最大厚度和最大活性生物量。甲苯可以在生物膜中充分扩散,并被降解和吸收。实验中,在1.5 g/m3的条件下,成熟生物膜对甲苯的最大降解能力(生化降解量)可达636.45gmin-1?m3,最大降解率可达87.55%。表明膜生物反应器在此条件下对有机废气具有良好的降解效果。
5)在微观状态下,可以发现在20毫升/分钟的低流速条件下,气体停留时间长,甲苯可以充分渗透到液相侧,为微生物提供碳源,生物膜生长更充分,生物膜具有321微米的较大生物膜厚度和活性生物质,延长了甲苯在生物膜中的传输路径,使甲苯得到充分降解,去除效率保持在85%。
6)高循环液体流速下生物膜生长颜色较浅,低流速下生物膜生长更充分。生物膜厚度和干重在低流量条件下也分别达到最大值334.9微米和0.176克。低循环液体流速使生物膜稳定生长,大量活性生物质也使膜生物反应器的最终生物降解性保持在80%以上。
7)通过碳纤维布材料的疏水处理,获得了一种新型的渗透膜材料。它对有机气体和氧气具有高渗透性。与复合膜膜生物反应器的降解性能相比,当进口甲苯浓度为1.5 g/m3时,疏水性碳纤维布膜生物反应器的性能优于复合膜膜生物反应器。反应器中生物膜生长充分,易于在碳纤维布表面形成。反应器性能实验发现,随着气体流量的增加,不同浓度条件下的去除效率下降,但生化降解量有增加的趋势。生物膜本身的生物降解能力会影响过高的浓度和流速,这会减缓生物降解能力的增长并趋于饱和。

参考
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