生物过滤塔治理废气技术研究报告
1、研究结论
本研究考察了关键操作参数对单一生物过滤工艺和单一紫外光降解工艺对氯苯去除性能的影响。在此基础上，考察和比较了紫外一生物过滤联合工艺和单一生物过滤工艺的氯苯去除性能，并研究了联合工艺中紫外单元对生物过滤单元的影响机理，最后建立了联合工艺运行性能的模拟模型。主要结论如下。
①进口氯苯浓度和无机氮源营养盐对于维持和提高生物过滤塔的氯苯去除性能有重要影响。高浓度氯苯气体对单一生物过滤塔内微生物产生抑制作用。当进口浓度大于1440mg/m3时，氯苯去除速率随进口浓度升高而显著下降。氨氮较硝酸盐氮更易被微生物利用，从而提高生物过滤塔的去除性能。在本研究的实验条件下，最佳的氨氮投加浓度范围为0. 55~l. 10gN/L营养液，去除氯苯所需的碳氮比（C/N）为7/1~14/1.
②单一紫外光降解工艺尾气的生物毒性显著升高。三维荧光光谱、离子色谱和GC-MS等分析结果表明，苯酚、氯酚等酚类物质和甲酸、乙酸等酸类物质是氯苯紫外光降解的主要产物。其中，氯酚的急性生物毒性明显大于氯苯，是紫外光降解工艺尾气中急性生物毒性上升的主要原因。
③紫外-生物过滤联合工艺的氯苯去除性能优于单一生物过滤工艺。在气体流量为0. lm-3时(单一生物过滤工艺和联合工艺的空塔停留时间分别为122s和203s)，单一生物过滤工艺存在最大的氯苯去除速率「约为40g/ (m3·h)]，而联合工艺氯苯去除速率随进口负荷呈线性增加(紫外单元的平均辐射能吸收速率为38 W/m3 )。在高氯苯浓度条件下(1000 ~ 2500mg/m3 )，联合工艺的去除率（40%~60%）高于单一生物过滤工艺（10%~30%）。
④联合工艺中紫外单元促进了生物过滤单元的氯苯去除性能。在相同过滤塔氯苯负荷条件下[大于50 g/ (m3·h)时〕，联合工艺中生物过滤单元的氯苯去除速率高于单一生物过滤工艺。当氯苯负荷大于100g/ (m3·h>时，单一生物过滤工艺的氯苯去除速率出现下降趋势，而联合工艺中生物过滤单元的氯苯去除速率仍随进口负荷的增加而增加。
⑤联合工艺较单一生物过滤工艺和单一紫外光降解工艺具有显著优势。紫外单元有效削弱了冲击负荷对后续生物过滤单元的影响。紫外单元产生的臭氧延缓了生物过滤单元生物量的积累，减小了填料层的压损。同时，紫外单元有效降低了生物过滤单元排放的生物气溶胶浓度。另一方面，生物过滤单元可以有效去除氯苯紫外光降解产物，降低了紫外单元尾气的急性生物毒性和臭氧浓度，从而降低单一紫外光降解技术带来的健康风险。
⑥氯苯紫外光降解产物酸类物质和酚类物质未明显改变生物过滤塔的氯苯去除性能。紫外副产物(臭氧:10 ~ 50mg/m3)显著促进了生物过滤塔对氯苯的去除性能，表明臭氧可能是紫外单元促进生物过滤单元运行性能的主要原因。
⑦联合工艺中紫外单元对生物过滤单元的影响机理如下。
a.紫外单元去除一部分氯苯，减小了冲击负荷对生物过滤单元的影响，保证了生物过滤塔的稳定运行。
b.氯苯紫外光降解产物导致了生物过滤单元填料层pH的小幅下降。
c.紫外单元产生的臭氧减小了生物膜厚度和胞外多聚物(EPS)含量，改变了生物膜特性。
d.紫外单元延缓了生物量的积累，增加了填料层比表面积，改善了生物过滤单元填料层的结构特性。
e.紫外单元改变了生物过滤单元微生物的代谢特性和群落结构。
⑧联合工艺和单一生物过滤工艺中微生物的代谢特性和群落结构存在显著差异。
a.联合工艺中微生物的平均代谢活性高于单一生物过滤工艺。微生物代谢特性的主成分分析结果表明，联合工艺开启紫外灯后的微生物代谢特征与单一生物过滤工艺中微生物存在显著差异。联合工艺中微生物优先利用醋类和胺类物质，而单一生物过滤工艺中微生物优先利用醋类和糖类物质。臭氧作用下微生物的代谢特性与联合工艺中微生物的代谢特性较为接近。
b.微生物醒指纹的分析结果表明，联合工艺和单一生物过滤工艺中微生物的群落结构存在显著差异。联合工艺中微生物的优势醒种类为Menaquinone-9 （ Hz2) ,而单一生物过滤工艺微生物的优势醒种类为Ubiquinone-8。臭氧作用下的微生物群落结构与联合工艺中微生物群落结构相似。
⑨本研究建立的联合工艺模型引入了增强因子参数，定量表征了紫外单元对生物过滤单元的影响，较好地模拟了联合工艺对氯苯的去除性能。模型的分析结果表明，进口氯苯浓度，紫外单元辐射能吸收速率和气体流量是影响联合工艺运行性能的主要因素。根据该模型，计算确定了紫外单元处理氯苯至200~700mg/m3范围时所需的最小辐射能和空塔停留时间。并在空塔气速为8. 8~17. 7m/h范围内，进一步计算确定了后续生物过滤单元处理氯苯达标运行所需的最小空塔停留时间和填料层高度。
⑩紫外一生物联合工艺成果应用于江苏某工程机械有限公司的零件喷涂车间排放的尾气处理工程，出口的TVOC浓度保持在50mg/m“以下，达到国家《大气污染物排放标准》(GB 16297-1996)主要VOCs物质(甲苯等)的排放浓度要求（60mg/m3)。
本研究的主要创新点包括以下几个方面
①建立了紫外一生物过滤联合工艺，证明联合工艺在提高氯苯去除效率和控制尾气生物毒性及生物气溶胶方面具有明显优势。
②揭示了紫外单元对生物过滤单元的影响机理，臭氧是促进生物过滤单元运行性能的主要原因。
③建立了适合紫外一生物过滤联合工艺的模拟模型，定量表征了紫外单元对生物过滤单元的影响作用。
2、生物过滤塔在VOCs治理方向未来展望
建议今后在生物过滤塔的研究工作的基础上，继续开展以下研究。
①提出联合工艺对尾气中生物毒性和臭氧浓度的控制策略。本研究发现联合工艺生物过滤单元可有效降低紫外单元尾气生物毒性和臭氧浓度。但联合工艺出口的尾气中仍具有一定的生物毒性和臭氧浓度。因此，需要进一步研究紫外单元尾气生物毒性和臭氧的产生规律及其影响因素。在此基础上，提出联合工艺对尾气生物毒性和臭氧浓度的控制策略。
②需要进一步研究紫外单元对生物过滤单元运行性能的影响因素及其定量表示方法，以更深人地认识紫外单元对生物过滤单元的作用机制，并更准确地模拟联合工艺的运行性能。
③本研究建立的紫外一生物过滤联合工艺实现了对氯苯的高效去除。建议进一步考察该联合工艺对其他难降解VOCs和混合VOCs的去除性能，进一步扩展联合工艺的应用范围。
④分离和鉴定联合工艺和单一生物过滤工艺中生物过滤单元的优势降解菌，分析和比较不同工艺优势菌的降解特性。
