微量臭氧强化生物滴滤降解VOCs废气的作用机制

针对生物滴滤降解VOCs废气长期运行过程面临的填料层堵塞这一共性科学技术难题，本项目旨在利用微量臭氧化技术调控生物膜相控制反应体系的填料层堵塞，深入探讨利用微量臭氧强化生物膜相传质和生物降解过程的综合作用机制，具有重要的学术意义和应用价值。首先研究生物滴滤长期运行过程中生物膜相变化导致填料层堵塞的相关效应和作用规律，揭示填料层堵塞和运行性能恶化的本质原因；在此基础上，提出并建立微量臭氧化调控生物膜相控制填料层堵塞的技术方法，研究微量臭氧化强化生物滴滤反应体系的宏观运行性能；着重分析微量臭氧化调控生物膜相生长与分布、结构与特性、微观组成与代谢活性等的表观和微观作用效应；基于气、液和生物相的质量平衡和Monod方程，建立微量臭氧化强化生物滴滤降解VOCs废气的多孔介质数学模型，深入解析微量臭氧化调控生物膜相强化反应体系降解VOCs的作用机制，为该技术的应用奠定理论基础。

生物滴滤反应体系长期运行过程中的填料层堵塞和运行性能恶化一直是该工艺应用中所面临的和需要不断解决的共性科学技术难题。本项目提出了利用微量臭氧化技术调控生物膜相控制反应体系的填料层堵塞的新方法，分析了微量臭氧对生物滴滤反应器运行性能的作用效应和规律，深入探讨利用微量臭氧强化生物膜相传质和代谢活性的作用机制，具有重要的学术意义和应用价值。通过4年的研究，取得了如下成果：（1）研究了长期运行过程中生物滴滤反应器运行性能的变化模式，分析了生物量积累和分布规律及生物膜相特性变化，揭示了生物膜相变化导致填料层堵塞的相关效应和作用规律，揭示了生物量过度生长和非均匀分布以及生物膜表面EPS分泌量和表面疏水性增加是导致填料层堵塞和运行性能恶化的直接和本质原因。（2）在此基础上，建立了微量臭氧氧化调控生物膜相进而控制填料层堵塞的技术方法，获得了微量臭氧强化生物滴滤反应体系运行性能的作用效应，证明了微量臭氧是控制生物膜分布及强化反应体系长期高效运行的可行技术方法，确定5-10mg/m3可有效调控生物膜相并强化反应体系长期稳定运行的最优强化模式，高于20 mg/m3的臭氧会严重抑制微生物膜生长而影响反应体系运行性能。（3）深入分析了微量臭氧调控生物膜相强化生物滴滤降解VOCs的作用机制，研究了微量臭氧影响生物膜相生长与分布、结构特性、微观组成与代谢活性等作用效应和作用规律，确定微量臭氧可实现有效调控长期运行的生物滴滤反应体系填料层生物量及其沿床层的分布，抑制生物量过度生长，实现相对均匀化分布；发现微量臭氧可降低长期运行体系生物膜相胞外多聚物EPS分泌量和生物膜表面相对疏水性，XPS、FTIR及平均分子量分析均表明微量臭氧的作用未显著破坏其化学组成；不同微量臭氧作用的反应体系生物膜高通量测序和基因克隆测序的结果分析表明，微量臭氧会对微生物种群的相对含量产生一定影响，但对主体群落结构未产生显著影响，从微观领域可证明该技术手段的可行性。上述研究成果为该技术的应用奠定了理论基础。（4）发表SCI论文6篇，EI论文1篇，中文核心期刊论文4篇，在投SCI论文2篇，培养硕士研究生8名。