膜生物反应器净化低浓度有机废气中生物膜生长与传输特性研究

摘要

大气环境污染已成为我国目前较为突出的环境问题之一。尤其在大型工业生产过程以及日常生活中产生的大量挥发性有机废气不仅严重破坏了自然生态环境并威胁到人类健康。目前，处理有机废气的方法有物理法、化学法、生物法等。而生物法处理有机废气以其流程和设备较简单，对有用原材料消耗少，运行能耗和费用低、安全可靠、能够有效降低二次污染等优点，成为环境治理研究的热点之一。
　　 膜生物反应器(Membrane Bioreactors，MBR)是膜分离技术和微生物生化降解作用相结合的一种的新型废气处理方式，它能有效避免传统生物反应器存在的液相传质阻力、堵塞等缺点。在MBR中，气相和液相由具有选择透过性的膜材料分离，生物膜附着在液相侧的膜材料表面，有机废物在浓度差的驱动下从气相侧透过膜材料传输到生物膜内；在生物膜内有机物在传输过程中被微生物代谢降解，产生的代谢产物从生物膜内传输到液相主流区。MBR的降解过程包括由气-液组成的两相流动、传质和生化反应等，其中生物膜结构和物质传输特性对MBR生化降解性能有着重要影响。
　　 本文从工程热物理学科角度出发，利用本实验室筛选的假单胞菌作为高效降解菌种，设计了便于生物膜生长结构观察和废气处理的可视化平板式膜生物反应器，研究了膜生物反应器启动过程过程生物膜结构的变化特性以及不同甲苯浓度、气相流量、液相流量条件下形成的生物膜结构，并讨论了不同生物膜结构对反应器内甲苯的传输和降解性能的影响。同时以碳布和纳米碳粉颗粒为材料，研发出新型膜材料MBR并进行了降解性能试验，主要研究成果如下：
　　 1.设计和制作可视化平板式MBR，并通过筛选和鉴定得到对甲苯具有较强降解性能的菌种，利用该菌种进行生物膜生长特性试验研究。生物膜细菌以短杆状为主，同时也存在长杆状菌；
　　 2.MBR生物膜成膜期间，生物膜厚度，生物量，生物膜干重都先呈一个明显的增长趋势，然后趋于平稳；成膜初期(2-6天)，循环液中无机营养物质充足，生物膜干重和生物量都有一个迅速的增加，使得底物甲苯的消耗量有了快速增长，甲苯的去除效率也快速提升。成膜后期(8-14天)整体菌落的分布越来越密集，导致传质阻力增加，使得生物量的增加减缓。稳定后的生物膜中微生物生成量与衰亡量相当，形成了一个较高且稳定的去除效率；
　　 3.通过对甲苯进口浓度对生物膜成膜影响的研究，发现生物膜的干重以及生物量首先随着浓度的增加而增长，继续增加甲苯浓度反而使其降低，最佳甲苯进口浓度为1.5g/m3。在该条件下形成了干重为3.35 mg/cm2，厚度为449.8μm的致密生物膜，且该条件下形成的生物膜有着最大的活性生物量11.05224μg，从而使整个膜生物反应器有着最好的降解性能，去除效率达到87.55％，且生化降解量达到10.61gmin-1·m-3。过低或过高的甲苯浓度形成生物膜有着较大的孔隙率，虽然利于甲苯传输，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.研究了进口甲苯气体流量对生物膜结构的影响，发现随反应器进口甲苯气体流量的增加，生物膜变得相对稀疏。生物膜厚度在进口气体流量为20 ml/min时最大，生物膜干重也达到最大值4.75g/cm2，且生物膜具有较大的生物量和适中的孔隙率，在该条件下形成的生物膜具有较高的生化降解性能；
　　 5.生物膜结构随反应器液相侧流量的减小变得更加致密，生物膜厚度在进口溶液流量为20 ml/min时达到最大，此时生物量也最高，细菌菌落分布均匀，该条件下形成的对于甲苯的去除效率最高：
　　 6.采用碳布作为基质，利用纳米碳粉颗粒对对其进行憎水处理，开发出一种新型膜材料作为MBR的渗透膜，实验发现微生物极易附着在该渗透膜表面形成稳定的生物膜，生物膜成膜周期较短，采用该新型膜材料的MBR最佳去除效率可达88.9%。