臭氧辅助紫外-生物净化疏水性VOCs的强化机理研究

The introduction of ozone into the coupling system could effectively resolve the problems of the lower removal efficiency by direct photodegradation and the difficulty in control the microorganism growth in the biofilter. The strong oxidation of ozone could enhance the UV photodegradation while its inactivation could also control the microbial overgrowths. The development of integrated mechanisms for the double effects of ozone in the coupling UV-biopurification is of important academic significance and application value. First, the synergistic effect and mechanism of ozone-assisted photodegradation could be revealed through the study of direct UV photodegradation (the wave length of 254 nm) system in which ozone could be introduced. The detections of active substances and intermediates produced by the UV photodegradation could contribute to establishing the ozone-assisted degradation pathways for the typical hydrophobic VOCs. With the optimized photodegradation condition and ozone addition, the target VOCs could be directionally converted to more soluble and biodegradable intermediates, and the remaining ozone could be in the microbial tolerance range. Based on these results, the ozone-assisted coupling UV-biopurification system could be set up. The effects of remaining ozone and photodegradation intermediates on the subsequent microbial variation could be conducted, and the kinetic analysis for the conversion of hydrophobic VOCs also conducted based on the concentration distribution. Such results would illustrate the internal relation and mechanism among O3, UV photodegradation and biopurification, and provide a basis for the application of O3-assisted coupling UV-biopurification technology.

针对直接紫外光解净化效率低、废气生物净化过程中生物量不易控制这两个共性难题，本项目通过额外添加O3的方法，利用O3的强氧化性和灭活性强化紫外光解过程并同时控制微生物生长，深入探讨O3在光协同生物净化体系中的综合作用机制，具有重要的学术意义和应用价值。首先，在直接紫外（主波长254nm）体系中引入O3，研究O3辅助紫外光解的协同效应及作用机理，明晰各种活性物质的产生规律，建立典型疏水性VOCs的O3辅助紫外光解途径；在此基础上，优化光解条件和O3添加量，使目标VOCs定向转化为水溶性好、可生化性好的物质，并使剩余O3含量处于微生物耐受范围；基于上述获得的实验结果，建立O3辅助光协同生物净化装置，探讨O3和光解产物对滤塔内微生物的影响，并基于浓度分布对疏水性VOCs的转化进行动力学描述，探寻O3、紫外光解和生物净化三者之间的内在联系及相互作用机理，为O3辅助光协同生物净化技术的应用奠定基础。

针对直接紫外光解净化效率低、废气生物净化设备中生物量不易控制这两个共性技术难题，通过利用O3的强氧化性和灭活性强化紫外光解过程并同时控制微生物生长，实现了UV/O3预处理和生物净化工艺优化耦合。.在 UV254/O3体系中，相对湿度对乙苯和氯苯的转化效率的影响最为明显，CB随着相对湿度的增加，转化率不断增加，最适相对湿度为75~80%，最佳转化效率为70%；EB随着相对湿度的增加，转化率先增至最大随后下降，最适相对湿度为45~50%。适当的O3有利于最大转化效率的获得，过高或过低的O3浓度都不利于光降解。建立了湿度为45~50%条件下VOCs初始浓度与臭氧浓度之间的动力学关系。利用GC/MS以及IC对光解产物进行了分析，发现了11种主要EB光解中间产物以及5种主要CB光解中间产物，其中EB主要产物为乙酰苯，CB主要产物为氯代酚。通过实验调控光解工艺参数，可以促使EB、CB光解产物水溶性及可生化性的改变。EB主要产物乙酰苯、苯甲酸较底物具有更佳的可生化性以及更低的生态毒性， CB主要产物氯酚仍具有较高的生态毒性，需通过定向调控UV/O3工艺参数来减少其累积量。.O3/VOCs的适宜值在0.5-1之间，剩余O3量在5-40 mg·m-3。以EB为模拟废气源，建立了4套BTF装置，待挂膜启动成功后，其中三套分别通入5、15和30mg·m-3的O3。15 mg·m-3以下的O3不会对BTF的运行效果产生不利的影响，并且可以有效延长生物反应器的稳定运行时间。5mg·m-3O3能增强BTF对于EB的去除负荷和矿化效果，优于不通入O3的情形。未通入O3的BTF孔隙率下降明显快于通入O3的BTF，同时O3对生物量的均匀分布起到调节的作用。通入30mg·m-3的O3能改善生物量过量生长的BTF运行性能，通过增大循环液喷淋量的方法及时移去脱落的生物膜，并辅以UV/O3作为预处理工艺，BTF在较短时间内就能恢复去除性能。.采用CB作为模式污染物，建立了UV/O3-BTF和单一BTF工艺。控制合适的运行条件，耦合系统的去除性能要明显优于单一BTF系统，特别是对浓度较高的CB废气（接近400 mg·m-3），耦合系统的去除率在60-70%，而单一BTF系统只有30%左右。耦合系统中生物膜表面疏水性较低，说明O3能改变生物膜表面特性，有利于老化的生物膜及时脱落。