表面活性剂对生物过滤器多相微环境内传质与反应的调控机制与方法研究

Surfactants can enhance removal of hydrophobic volatile organic compounds (VOCs) in gas biofilters. Our earlier experimental results shows that the optimal concentration of a surfactant in the liquid nutrient solution is about 1/10 of it critical micelle concentration (CMC) when VOC removal efficiency is improved most significantly, and VOC removal efficiency drops when surfactant concentration is in the order of CMC. Therefore, mechanisms for the enhancement of surfactants for hydrophobic VOCs removal need studying. In this study, biotrickling filters and tubular biofilters will be applied, and following investigations will be conducted. First of all, the spatial dynamic distribution and biodegradation of surfactacts and contaminants in gas biofilters. Secondly, mechanisms of adjustment of the micro-environment with the present of surfactants, and characterization of enhancement of mass transfer and bioreactions within the micro-environment of the biofilms. Thirdly, the effects of surfactants on the growth of biofilms, activity of bioreactions, enzymes, and gene mutations in biofilters. At last, methods of enhancement of biofiltratoin in the presence of surfactants. These results will help elucidate the mechansims of mass transfer and reactions within biofilms with the present of surfactants, and will help solve the problem of low removal efficiency for hydrophobic VOCs in gas biofilters.

表面活性剂可强化气相生物过滤器对疏水性挥发性有机物的去除，但我们前期的研究发现当生物过滤器喷淋营养液中表面活性剂浓度仅为其临界胶束浓度的约1/10时，其强化效果最好；大于临界胶束浓度时生物过滤器对有机物的去除效率反而降低。因此，对表面活性剂强化生物过滤的机理研究尚有待深入。本项目采用滴滤池和管式生物过滤实验装置，重点研究（1）表面活性剂和污染物在反应器内的动态分布特征与降解规律；（2）表面活性剂对生物膜内微环境中物质传递与生化反应的强化作用机理，以及强化作用的表征方法；（3）表面活性剂对生物膜微环境及微生物的生长、生化反应活性、酶学、基因突变性的影响；（4）表面活性剂强化生物过滤过程的调控方法。研究结果可望深入阐明表面活性剂条件下生物膜内的传质与反应过程机理，促进进一步解决现有生物过滤技术难以对疏水性挥发性有机物去除效率不够高的难题。

气相生物过滤技术是应用前景广泛的去除挥发性有机物的技术。采用生物过滤技术处理疏水性VOCs的过程中，疏水性VOCs因其较低的溶解性和气-液传质速率限制难以进行有效处理。本项目针对这一关键问题，选择生物滴滤器作为研究对象，系统地研究了多种表面活性剂对多种有机废气的降解性能的强化作用的性能特征；深入研究了表面活性剂对疏水性VOCs的生物过滤的强化作用机制及过程调控方法；深入研究了表面活性剂作用下反应器内微生物相的复合效应，表面活性剂对生物膜相多聚物的影响；研究了生物膜基对重金属的吸附作用及机理；系统分析讨论了影响疏水性有机废气的可生物利用率的因素，总结了强化生物过滤降解有机废气的措施。研究结果表明：大部分表面活性剂都可促进疏水性有机废气的降解，表面活性剂的最佳添加浓度因表面活性剂的而不同；混合表面活性剂也可用于促进疏水性有机废气的降解；一定浓度的锌离子可促进表面活性剂对疏水性有机废气的降解；氮源的浓度也可影响有机废气的降解效率；不同的表面活性剂对微生物的毒性不同，可生物降解率也不同；反应器长期运行过程中生物膜相变化特征以及表面活性剂对生物膜上胞外多聚物的组成的有很大的影响；废弃的生物膜是一种良好的重金属吸附剂。上述研究深入阐明了表面活性剂强化生物过滤器降解有机废气的特征，并进一步阐明了表面活性剂条件下生物膜内的传质与反应过程机理，进一步解决了疏水性有机废气降解效率低的难题，有效控制了长期运行生物膜过度蓄积的难题。这些研究方法和结果为通过添加表面活性剂强化疏水性有机废气的生物过滤技术的应用和推广提供了科学依据。