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目錄 1 引言 1 2 研究的方法 2 2 1 可行性研究 2 2 1 1 微生物與培養(yǎng)槽條件 2 2 1 2 微生物活性與生物反應(yīng)器的啟用 2 2 1 3 實(shí)驗(yàn)裝置 2 2 2 實(shí)際過程操作應(yīng)用研究 3 2 2 1 實(shí)驗(yàn)裝置 3 2 2 2 開始動(dòng)作與實(shí)際環(huán)境 4 2 3 分析方法 4 3 結(jié)果與探討 4 3 1 可行性研究 4 3 1 1 微生物生長和 VFA 降低率在化學(xué)反應(yīng)中的變化 4 3 1 2 淹沒式 FB 凈化效能 5 3 2 探討操作步驟 5 3 2 1 反應(yīng)器啟動(dòng) 6 3 2 2 生物反應(yīng)器雷動(dòng)時(shí) VFA 的濃度 6 3 2 3 生物反應(yīng)器表現(xiàn)中氣流量速率的結(jié)果 6 3 2 4 反應(yīng)器壓降和長期穩(wěn)定 7 4 結(jié)論 7 譯 文 生物滴管處理發(fā)臭揮發(fā)性脂肪酸 摘要 本文研究一種新型纖維生物反應(yīng)器 用于牌被污染的空氣中的臭味化合物 卻除臭味揮發(fā)性脂肪酸 VFA 的實(shí)用性 VFA 是一種覺的臭味污染物 產(chǎn)生于 有機(jī)化合物的厭氧降解中 及潛在生物反應(yīng)器在不同 VFA 大眾載體中的表現(xiàn) 95 以上的 VFA 去除效率在大眾載體高達(dá) 22 4g m3 h 第二階段中 臭味處理 程序進(jìn)入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施階段 我們采用帶有人造綜合纖維包介質(zhì) 調(diào)查研 究放入 VFA 濃度物和 EBRT 時(shí)的去除效果 生物反應(yīng)器的效率達(dá)到 32 g m3 h 除了這些 VFA 在再流通液體中又開始聚集 這證明了 生物膜并不 能分解所有的 VFA 雖然 VFA 在液體聯(lián)合體聚集 但是去污效果仍達(dá)到 99 以上 這說明了是生物化學(xué)反應(yīng) 而不是氣轉(zhuǎn)液在處理過程中更為有用 除此 之外 生物滴濾器在長期操作中更為穩(wěn)定 需要的壓強(qiáng)也比較低和穩(wěn)定 在四 個(gè)月的研究中 打包的物質(zhì) 沒有發(fā)生堵塞與降解 1 1 引言 臭味放出在環(huán)境問題中比較常見 它導(dǎo)致周圍環(huán)境的困擾 不適 它關(guān) 系國家與國際社會的利益 特別是在人口稠密的地區(qū) 臭味化合物的排放 并 不只是關(guān)系到公眾的健康 也關(guān)系到個(gè)人的舒適度 臭味化合物 包括酚類 VFA 氨氣 硫化氫和硫醇 主要通過各式各樣 的活動(dòng)中的有機(jī)排泄物的碰厭氧分解 比如說 糞池 堆肥池和污水處理廠 正如前面所提及的氣體污染物的危害性在增加 在許多工作不同國家 如 澳 大利亞 新西蘭 荷蘭 美國的工業(yè)面臨著嚴(yán)格的條約和標(biāo)準(zhǔn)來約束各種活動(dòng) 排放出的污染的空氣 為了符合排放標(biāo) 他們戌并應(yīng)用了各種各樣的污氣處理 技術(shù) 從物理 化學(xué) 生物 幾方面入手 在這些處理技術(shù)里 生物技術(shù)從九 十年代開始得到極大的關(guān)注 因?yàn)樗鼈兊母咝?投入成本有效性高 穩(wěn)定性 高 可信度高 操作簡單 能量消耗最少 二次污染低 生物過濾是最覺的利用生物處理臭味方法 廢氣通過一個(gè)具有生物活性的 多孔過濾介質(zhì) 污染物則通過生物手段被微生物降解 生物過濾器的性能絕大 部分是由作為載體的物質(zhì)的特性所決定的 不同類型的介質(zhì)曾被用于實(shí)驗(yàn) 如 自然的 惰性珠 合成的 或任意兩種的混合物 被實(shí)驗(yàn)過的介質(zhì)有 絲狀炭 活性炭 聚氯化 聚氨酯泡沫塑料 多孔陶瓷及耐火磚 燒氣 泥炭 活樹皮和堆肥 過 濾器填料不僅僅作為一個(gè)自由微生物生長的載體 也提供吸收污染物的地方 被吸收的污染物將用于進(jìn)一步的生物降解 而吸收點(diǎn)的更新?lián)Q代取決于微生物 活動(dòng)的反應(yīng)速率 雖然傳統(tǒng)的生物過濾器與泥土和混合肥料混在一起也能夠達(dá)到有效去除臭 味的效果 但是仍有一些操作上的問題經(jīng)常出現(xiàn) 因?yàn)榇虬奈镔|(zhì)材料少孔太 緊湊導(dǎo)致阻力太大與易從一部分流失管涌這些生物過濾在長時(shí)間工作后 容易 堵塞及變得干燥 第 2 5 年對打包的介質(zhì)維護(hù)而進(jìn)行的物質(zhì)材料的更換也占了 操作成本很大的一部分 在更換介質(zhì)時(shí) 正常的操作也會被打斷 另外 更換 介質(zhì)材料后 新的材料也需要一定時(shí)間才能夠達(dá)到以前的去除效果 而且 傳 統(tǒng)生物過濾器的體積也限制了他們只能在寬敞的空間里面使用 近年來出現(xiàn)了一種有螺旋纏繞的多孔纖維層物質(zhì) 材料 的打包基座的新 型生物反應(yīng)器 多孔 90 表面積大的纖維基座為微生物 生物化學(xué)反應(yīng) 2 提供了一個(gè)理想的環(huán)境 生長進(jìn)行這種纖維基座的生物反應(yīng)器 曾成功地應(yīng)用 于 BTE 地面污水的處理 本次研究的主要目標(biāo)是 1 研究調(diào)查纖維基座的生物反應(yīng)器 對臭味 控制的實(shí)用性 2 研究 在實(shí)際操作條件下 理論參數(shù) 的處理效果 其中 包括 氣流率 內(nèi)鑲濃縮物大小和體積的測量 3 優(yōu)化處理臭味的纖維反 應(yīng)器的設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu) 2 研究的方法 2 1 可行性研究 2 1 1 微生物與培養(yǎng)槽條件 從 Tai Po 污水處理廠 香港 收集來的活性污泥用作第一次培養(yǎng)槽 活 性微生物則由 3 個(gè) VFA 用震蕩燒瓶培養(yǎng)槽選出來 微生物挑選其中使用的介質(zhì) 包括 2 5 g l 的 NH 4 SO 4 1g l 的 KH2PO4 1g l 的 K2HPO4 1g l 的 MgCL2 7H2O 0 5g l 的 CaCl2 1g l 酵母菌提取物 6 67g l 醋酸 丙酸 和 6 67g l 的基丁酸 3 種 VFA 用作微生物與一共 20g l 的 VFA 濃縮物的碳源 2 1 2 微生物活性與生物反應(yīng)器的啟用 把 1ml 的活性污泥放入一個(gè)裝有 100ml 接著媒介的 500ml 在的燒瓶中 保持在 300C 和 200rp 三天的生長期過后 反 100ml 的細(xì)胞培養(yǎng)液 注入 41ML 到攪拌罐中 生長的環(huán)境控制在 300C 及 PH 值在 75 到 80 之間 用 VFA 作碳 源的污泥的生長活性也在此次培養(yǎng)中研究 在微生物生長停止后 在攪拌罐中的培養(yǎng)液在介質(zhì)以每分鐘 200ml 的速度 滴漏 15 天后 液體循環(huán)不斷循環(huán)流動(dòng)直到攪拌罐中的細(xì)胞濃縮物趨于穩(wěn)定 圖 1 再把三種氣態(tài) VFA 導(dǎo)入生物反應(yīng)器 2 1 3 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)用的生物過濾系統(tǒng)如圖 2 這個(gè)系統(tǒng)包括了一個(gè)圓柱體狀的玻璃 X 子 內(nèi)直徑 5cm 高 73cm 大小為 52 30cm 的棉花狀 X 包物質(zhì) 材料 與同樣大 小的不銹鋼線布螺旋形纏繞在一起 反應(yīng)器最佳的反應(yīng)容積是 11ml 孔隙度 0 9 所選的醋酸 丙酸和基丁酸是用作模似臭味實(shí)據(jù)中的臭味污染物 模擬的臭 3 氣是由空氣吹入 20 v v VFA 溶劑產(chǎn)生的 不同的氣流量是用于在入口處 產(chǎn)生不同的 VFA 濃縮物 圖 2 生物反應(yīng)器系統(tǒng) 1 壓縮的空氣 2 用于可行性研究中的控制總氣體 流速的流計(jì) 3 用于控制 VFA 濃縮的流量計(jì) 4 6 VFA 溶劑 7 混合的 VFA 的 污氣 8 纖維基座的生物反應(yīng)器 9 11 取樣點(diǎn) 分別是氣體入口 氣體出口 液 體內(nèi)部反應(yīng)器 臭味 VFA 從反應(yīng)器的底部引入 而處理過的氣體從頂部出去 攪拌罐是用于培養(yǎng)選擇并作為在微生物停止流動(dòng)階段的再渡過容器 在停 止流動(dòng)階段之后 這個(gè)容器就與柱狀反應(yīng)器斷開連接 打包的媒介 介質(zhì) 則 放在液體中以維持微生物 細(xì)菌 的溫度 氣體取樣點(diǎn)位于反應(yīng)器的入口與出 口 而液體取樣器則位于反應(yīng)器的下方 氣體流量范圍在 1 41 min 同等的 EBRT 則為 15 60s VFA 濃縮物的速度在 0 1 0 43g m3 之間波動(dòng) 而同樣的 VFA 則在 5 1 104 2g m3 h 范圍內(nèi) 2 2 實(shí)際過程操作應(yīng)用研究 2 2 1 實(shí)驗(yàn)裝置 這個(gè)生物反應(yīng)器與可行性研究中的那個(gè)相似 系統(tǒng)包括了一個(gè)丙烯酸 壓 克力 圓柱形柱狀物反應(yīng)裝置 內(nèi)直徑 74mm 高 120cm 纖維打包物質(zhì)大小為 為 60 70cm 與同樣大小的不銹鋼線布 螺旋狀地纏繞在一起 反應(yīng)器的最佳 反應(yīng)容積是 31 孔隙度 0 95 基丁酸和甲 酰 酸用來模擬臭味空氣中的臭味污染物 氣態(tài)的 VFA 從底部引入而處理過 的氣體從反應(yīng)器頂部排出 生物反應(yīng)器在氣流與液體流流動(dòng)反方向作為一個(gè)生物滴濾器動(dòng)作著 瑞系 統(tǒng)比可行性研究中的系統(tǒng)多了兩個(gè)泵與一個(gè)再流通容器 再流通液體從打包的 基座上面的 200m min 的速度滴漏 再從底部流出回到再流通容器中 再流通 液體不僅出回到再流通容器中 再流通液體不僅保持為纖維基座保持溫度 也 為我行我素生長提供養(yǎng)傷 再流通容器也作為一個(gè)沉淀用的容器 沉淀那些生 物反應(yīng)器去除的超額生物量 4 2 2 2 開始動(dòng)作與實(shí)際環(huán)境 本階段的培養(yǎng)槽選擇與反應(yīng)器啟動(dòng)過程 與可行性研究階段相似 除了甲 酰酸用來代替可行性研究中的醋酸與丙酸 每種酸的濃縮物在實(shí)際操作階段的 乃是是 10g l 反應(yīng)器啟動(dòng)后 氣狀 VFA 的引入速度為 2 到 61 min EBRT 則 為 30s 到 90s 濃縮物的速度在 0 01g 到 0 86g m3 間波動(dòng) 同樣的 VFA 在 3 2 至 103 2g m3 h 波動(dòng) 2 3 分析方法 在氣體階段的 VFA 的濃縮程度是由裝備有 HP FFAP 和火焰離子探測器的 HP5859 氣體色析 層離 機(jī)決定的 實(shí)驗(yàn)中用氮?dú)庾鬏d體 流量 20ml min 注射器與探測器的溫度分別是 280oC 和 300oC 爐的溫度控制 80oC 到 200oC 之 間 每分鐘溫度變化不超過 20oC 氣體探測管在 0 125 25ppm 與 1 100ppm 周 期性使用 根據(jù) Levett 的說法 VFA 在再流通液體中的濃度必須一定的 液體櫚首 先用 12000rpm 離心分離 5 分鐘 之后 沒有細(xì)胞的樣品用嘗試 50 的 H2SO4 酸化 然后與 diethylether 細(xì)胞的密謀是波長 6m 的分光溶解度計(jì)決定的 結(jié)果 顯示光學(xué) 1u 等于細(xì)胞密度 0 685g h 纖維基座上的生物反應(yīng)器的壓力是壓力計(jì) 測量的 打包的基座的 PH 值由含 10 過濾介質(zhì)的調(diào)勻溶劑的 PH 值決定的 而過濾介質(zhì)的溫度是由 105Co 干燥后的減少重量多少來計(jì)的 在電子掃描顯微鏡 SEM 觀察纖維打包介質(zhì)和包裹著的薄膜 樣品的周圍包 裹著一層 25nm 的金 鈀混合物 用電子掃描顯微鏡放大 1000 3000 倍觀察 3 結(jié)果與探討 3 1 可行性研究 此項(xiàng)研究的目的是調(diào)查帶來活性污泥中精選出來的微生物的纖維基座反應(yīng) 器在臭味 VFA 處理中的實(shí)用性 同時(shí)也研究了培養(yǎng)槽階段中的微生物生長活性 與 VFA 降解 3 1 1 微生物生長和 VFA 降低率在化學(xué)反應(yīng)中的變化 圖 1 所顯示的是微生物在攪拌器中的生長率和 VFA 濃度在肉湯培養(yǎng)中的變 5 化率 具體的微生物生長率是 0 05 h 觀察所得的最高細(xì)胞濃度是 12 6g h 在 條件不變的情況下 微生物在生長率達(dá)到 100h 就停止生長 但加入 1g h 的發(fā) 酵菌后 微生物繼續(xù)生長 然而 由于 VFA 的衰竭 細(xì)胞又停止生長 在肉湯培養(yǎng)中 乙酸是以 0 13g l h 的揮發(fā)性脂肪酸 在 48 小時(shí)以后 乙酸 就消失了 相對于乙酸來說 丙酸和丁酸的揮發(fā)速度比較慢 他們的速度分別 是 0 007g h l 和 0 005g l h 但乙酸揮發(fā)完以后 丙酸和丁酸的揮發(fā)速度就迅速 增加 總的來說 它們在 100 小時(shí)以后就消失 在實(shí)驗(yàn)中 乙酸 丙酸和丁酸 的最高揮發(fā)率分別是 0 30g l h 0 05g l h 0 06g l h 根據(jù)上述數(shù)據(jù) 乙酸在 VFA 處理過程中是最快消失 3 1 2 淹沒式 FB 凈化效能 圖 3 和表格 1 所顯示的是在生物反應(yīng)器中承載量的結(jié)果 在以下條件中 VFA 的份量是 22 4g m3 h PH 值不變 在揮發(fā)的氣體中和生物反應(yīng)器的液體中 的 VFA 濃度幾乎為零 在這樣的條件下 我們也沒有發(fā)現(xiàn) VFA 的堆積 這意 味著 在生物反應(yīng)器里面的微生物能夠降解被被引進(jìn)的 VFA 當(dāng) VFA 的份量 超過 22 49g m3 h 的時(shí)候 VFA 開始在再流通液體里積聚 在 VFA 的份量是 104 2g m3 h 里面含有 37 2g m3 h 的乙酸 36 6g m 3 h 的丙酸和 30 4g m3 h 的丁 酸 PH 值在半穩(wěn)定的情況下 VFA 的降解能力下降為 87 8 具體數(shù)據(jù)如下 乙酸為 94 4 丙酸 85 4 丁酸 82 7 同時(shí) 這三種酸溶于反應(yīng)器液體里的 程度分別為 0 54g l 3 06g l 3 08g l 綜觀上述三種情況 VFA 能在乙酸存在 的狀況下得到理想的降解效果 同時(shí) 根據(jù)表格上所示 乙酸與其他揮發(fā)酸相 比 其溶解于液體的程度是最低 這與微生物成長動(dòng)力學(xué)中的理論相符 乙 酸能夠生物降解 3 2 探討操作步驟 在該項(xiàng)研究中 反應(yīng)器根據(jù)系統(tǒng)配置和操作的需要而調(diào)整設(shè)置 從而優(yōu)化 處理氣體的能力 在長期的調(diào)查研究中 我們不是使用棉料 而使用合成纖維 當(dāng)包裝材料 生物滴濾床能夠去掉多余的微生物 此次研究中 我們利用生物 滴濾床做實(shí)驗(yàn) 利用其結(jié)果與浸沒式生物濾池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比較 同時(shí) 我們 6 也研究犧牲滴濾床在不同份量情況下的反應(yīng) 3 2 1 反應(yīng)器啟動(dòng) 在實(shí)驗(yàn)前期 濃度為 0 2g m3 的 VFA 被引進(jìn)生物滴濾床 同時(shí) EBRT 被設(shè) 置為 90s 在這種情況下 犧牲反應(yīng)器能夠去除 99 的 VFA 這表明 微生物 它們已經(jīng)在培養(yǎng)選擇期里適應(yīng)了 VFA 的消耗程度 能完全發(fā)揮作用 并不需 要適應(yīng)期 我們從浸沒式生物濾池所拍的圖片中了解到細(xì)菌被膜的情況 如圖 4a 4b 21 天后 我們所了解的細(xì)菌被膜發(fā)生在纖維基座上 3 2 2 生物反應(yīng)器雷動(dòng)時(shí) VFA 的濃度 在實(shí)驗(yàn)中 我們把 EBRT 調(diào)整為 90s 60s 45s 和 30s 從而觀察 VFA 濃度在 生物反應(yīng)器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的變化 如圖 5 所示 當(dāng) EBRT 為 90s 時(shí) VFA 的降解率為 99 當(dāng) VFA 的進(jìn)入濃度增加到 0 86g m3 時(shí) 生物反應(yīng)器在再流通液體中積累 VFA 而不是有效降解 VFA 當(dāng) EBRT 被調(diào)整為 60s 時(shí) VFA 的進(jìn)入嘗試為 06 2g m3 而且 VFA 液化積聚在反應(yīng)器的液體里 當(dāng) EBRT 是 45 和 30s 時(shí) 我 們得到相似的情況 所不同的是 其氣體進(jìn)入濃度分別是 0 42g m3 和 0 31g m3 液體階段 VFA 化合物的聚集表明了生物膜是能夠降解引入的全部 VFA VFA 在液體階段以大概一樣的速度 34 4 37 8g m3 h 加載著 3 2 3 生物反應(yīng)器表現(xiàn)中氣流量速率的結(jié)果 本次研究也調(diào)查了氣體在處理時(shí)的停留時(shí)間 當(dāng)入口濃度設(shè)置在 0 08 0 2 0 4 和 0 7g m3 時(shí) 通過加快氣體表面流動(dòng)速度或者減少 EBRT 來實(shí)現(xiàn) 的 如圖 6 所示 入口濃度為 0 08 和 0 2g m3 時(shí) 去除效果高達(dá) 99 以上 并 且在液體再循環(huán)階段沒有 VFA 聚集 即便 EBRT 短到 30s 時(shí)操作 表面流動(dòng) 速度為 88 1m3 m2 h 當(dāng)入口濃度增至 0 4g m3 VFA 在液體中開始聚集 表面 流動(dòng)速度為 55 8 m3 m2 h 當(dāng) VFA 濃度進(jìn)一步增至 0 7 g m3 時(shí) VFA 出現(xiàn)在液 體階段在更長的 EBRT 中 60s 表面流動(dòng)速度為 41 9 m3 m2 h 這表明了當(dāng)濃度 增加時(shí) 充分降解需要更長的保留時(shí)間 結(jié)果顯示生物反應(yīng)器的性能很大程度上是由承載量 承載量與入口濃度在 7 EBRT 時(shí) 相等 而入口濃度或 EBRT 不只影響處理速度 VFA 開始在承載 量達(dá)到 32g m3 h 時(shí) 在再循環(huán)液體中匯集 這個(gè)承載量是非常重要的 但是 去除效果仍在 99 以上 這暗示著 VFA 化合物從氣體階段到液體階段的大轉(zhuǎn) 變并不是處理過程中最重要的 VFA 的去除速度主要是由生物膜中生物化學(xué)降 解速度限制住的 3 2 4 反應(yīng)器壓降和長期穩(wěn)定 生物反應(yīng)器的壓降呈直線上升 從 973 到 2921 帕 米當(dāng)氣體速上升至 29 4 為 88 1m3 m2 h 相當(dāng)于 ebrts 之間 30s 和 90s 相對于傳統(tǒng)的生物凈化 纖 維床生物反應(yīng)器中有一個(gè)相對低的壓降 此外 調(diào)查結(jié)果顯示 該壓降穩(wěn)定在每 速 并沒有隨著時(shí)間而增長 它總是出現(xiàn)在常規(guī)生物滴濾由于積累的裂縫而形成 集群萎縮的濾床 此外 經(jīng)過了 4 個(gè)月的考察 如果這個(gè)過程中沒有堵塞或老化 的問題出現(xiàn) 低壓降和長期穩(wěn)定的纖維床反應(yīng)器表現(xiàn)優(yōu)秀 而這樣的表現(xiàn)就歸 功于它高度多孔纖維基而卷繞包裝得當(dāng) 這些配置 可使其有一個(gè)理想的水環(huán)境 和使菌群有效的大規(guī)模轉(zhuǎn)移 可以防止形成集群且量又維持較高的標(biāo)準(zhǔn) 此外 微生物細(xì)胞在纖維床不斷地被新的細(xì)胞所替代 從而避免了常見的問題發(fā)生在 常規(guī)生物滴濾的諸如衰老和坍塌的生物膜的缺陷 4 結(jié)論 在可行性研究報(bào)告中 纖維床生物反應(yīng)器固定化細(xì)菌選自活性污泥法 成功地 處理了臭味揮發(fā)性脂肪酸 為大量承載 22 4g m3 h 以下 實(shí)現(xiàn)了 95 以上去除效 率 但是 由于壅塞及退化性包裝材料 浸沒配置反應(yīng)器是不適于的長期運(yùn)作 比較浸沒和滴濾這兩種的運(yùn)作模式 生化過濾更能有效分解惡臭揮發(fā)性脂肪酸 在尾氣排放和獲得較高的去除能力 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示 反應(yīng)器的處理表現(xiàn) 主 要是受承載濃度 由進(jìn)料濃度或氣體流量的多少來決定的 雖然上級去除效果 達(dá)到 99 分別實(shí)現(xiàn)了揮發(fā)性脂肪酸的上述臨界質(zhì)量載荷 32g m3 h 的狀態(tài) 揮 發(fā)性脂肪酸卻開始在液相中累積 這表明揮發(fā)性脂肪酸降解是屬于有限的微生 物活動(dòng)的反應(yīng) 而非氣液傳質(zhì) 新型纖維反應(yīng)器也顯示低氣壓處理和長期處理 的穩(wěn)定性 證明這種工藝是適用于惡臭處理的全面應(yīng)用