微波强化低温等离子体氧化-生物降解耦合净化含氯VOCs的机理

Nowadays, combination of a bioreactor with some physical-chemical approaches for the treatment of recalcitrant volatile organic compounds (VOCs) has attracted increasing attentions, due to its few byproducts, high-efficiency, stability, and low energy consumption. In this study, an innovative biotrickling filter (BTF) system coupled with microwave-assisted dielectric barrier discharge (DBD) pretreatment will be set up to study the mechanism for chlorinated VOCs removal, as follows: 1) Research on electrochemical behavior and adjustment method of radicals oxidation generated by integrating DBD with microwave radiation is to identify the transformation pathways of chlorinated VOCs in the hybrid bioreactor system; 2) Changes of microbial community and biofilm formation will be investigated under the circumstances of DBD and microwave-assisted plasma, respectively; 3) Furthermore, in order to obtain the quantitative relationship between process parameters and degradability of chlorinated VOCs, kinetics analysis will be used to evaluate the coupling mechanism between chemical oxidation and biodegradation. Finally, the removal performance and mechanism for chlorinated VOCs removal using the biotrickling filter system coupled with non-thermal plasma oxidation will be revealed. These results will provide theoretical basis on developing a promising technology to help the biodegradation of recalcitrant VOCs.

化学氧化-生物降解耦合工艺具有无二次污染、高效稳定、能耗低等优点，是当前毒害性有机废气治理领域的研究热点课题。本申请在已有研究的基础上，建立新型微波辐射强化DBD氧化-BTF降解耦合净化工艺，进行含氯VOCs净化去除的机理研究：明确微波辐射低温等离子体产生活性基团的累积规律及调控方法，从而探究含氯VOCs在化学-生物耦合净化过程中的转化机制与代谢途径；解析微波辐射与低温等离子体作用下，生物处理装置中微生物群落、生物量的变化规律；在此基础上，考察不同工艺参数下含氯VOCs去除效果，通过建立动力学模型对目标污染物去除规律进行数值拟合，明确不同工艺参数与目标污染物去除能力的定量关系，探讨化学氧化与微生物代谢之间的内在协同机制，从而揭示化学氧化-生物降解耦合净化含氯VOCs的运行模式及机理，旨在实现含氯VOCs的高效净化，为低温等离子体氧化-生物降解耦合净化疏水性、难降解VOCs的应用奠定基础。

目前，医药化工行业排放的大气量低浓度的毒害性有机废气已严重危害人体健康。本研究以生物净化关键技术为核心，通过新型生物反应器的开发，强化微生物群落结构多样性，提高对难降解VOCs的降解能力。辅以微波辐射手段耦合DBD强化HO2·、O·、OH·等强氧化性活性自由基的生成，促进VOCs分子的电离，诱导/调控目标污染物分子结构的“极性转化”，提高其水溶性和可生化性。在向DDBD反应器中增加微波辐射后，与不进行微波辐射相比，进气浓度100 mg m-3和500 mg m-3的甲苯最高去除效率分别提升了42%和33%；进气浓度100 mg m-3和500 mg m-3的二氯甲烷去除效率分别提高了45%和34%。对甲苯和二氯甲烷的降解机理进行了分析，明确化学氧化与生物降解之间的内在协同机制。此外，开发了一种新型气升式填料生物反应器，气升式生物填料反应器对二氯甲烷的最大去除能力达到96 g m-3 h-1，远高于常规气升式反应器的最大去除能力44 g m-3 h-1。在饥饿实验、pH变化、温度变化、停留时间变化和瞬时进气浓度变化的条件下，该气升式填料生物反应器均表现出良好的稳定性。最后，构建一套微波辐射强化DDBD氧化-生物降解耦合装置，在总停留时间12.0 s，甲苯去除效率为85%~92%，较单一生物法平均提升28%，二氯甲烷去除效率为88%~97%，较单一生物法平均提升27%，且该体系能长期高效处理二氯甲烷、甲苯的混合废气。对微生物群落变化的研究表明，在耦合体系中，Hyphomicrobium和Pseudomonas取代原本的Rhodococcus菌属成为优势菌属。本研究为化学氧化-生物净化耦合工艺的应用及医药化工行业多组分含氯VOCs及其他疏水性有机废气的稳定、高效净化奠定基础。