低温等离子体-生物净化氯苯废气的耦合作用机制研究

The efficient removal of chlorobenzenes has become a big challenge in the field of waste gas purification. This study intend to employ dielectric barrier discharge (DBD) as the pretreatment and couple it with biopurification for the treatment of chlorobenzene (CB) as the model pollutant, meanwhile their coupling mechanism is also investigated. The mechanism for CB degradation by DBD will be revealed through the detection of the relationship among the specific input energy, active substance and intermediates under different reaction conditions in the DBD. Based on the results of bioactivity, metabolic characteristics and biodiversity affected by intermediates and remaining activate particles from the pretreatment DBD unit, the stimulated or induced effect on the related enzyme for CB degradation could be evaluated as well as control of excessive biomass growth or low-activity microorganisms initiated by the remaining activated particles. In addition, the degradation pathway of CB in the DBD-biopurification coupling system would be clarified using 14C-CB as the isotope tracer. The rate limited step of the coupling system will be determined through a developed mathematical model with the mass transfer and reaction. Based on all the above result from this study, an efficient removal and thorough mineralization for CB would be achieve, thus laying a sound foundation for the application of coupling system to treatment of waste gas containing CBs compounds and other pollutants with lower solubility and less biodegradability.

氯苯类有机物的高效去除是废气净化领域的一大难题。本申请采用介质阻挡放电（DBD）低温等离子体耦合生物法净化氯苯（CB）废气，开展耦合作用机制研究。调控DBD反应过程，研究能量密度、活性粒子和CB降解产物之间的关系，揭示DBD单元降解CB的机理；研究DBD单元产物与残余活性粒子对生物活性、代谢特性、生物群落结构等的影响，探索DBD单元产物对CB降解酶可能的刺激或诱导效应以及残余活性粒子在控制过量或低活性微生物生长方面的作用；利用放射性同位素示踪技术（以14C-CB为示踪剂）解析耦合体系内CB的降解途径，建立传质-反应动力学模型；在此基础上，调控DBD-生物耦合体系，实现CB的高效去除与矿化，为该耦合体系去除废气中氯苯类VOCs及其他低水溶难生物降解污染物的应用奠定基础。

研究了在DBD反应器中不同反应气氛（空气、氮气和O2）下，放电特性对CB去除的影响。N和O含量的比值是影响工艺参数的主要因素。通过测定不同自由基清除剂对CB去除效果的影响，得出空气、氮气和O2的放电模式是造成CB去除和固体沉积产生差异的原因。.通过对反应关联进行统计分析，改进等离子体零维动力学模型，研究主要活性物质的产生过程以及对这些物质有重要影响的元素反应，阐明DBD中活性物质的产生和相互作用。建立了REM模型，并通过逐步回归分析阐明了活性物质的作用，研究结果可以为研究活性物质在等离子体放电过程中的行为，或活性物质对VOC去除的影响提供参考。.探讨了干、湿条件下，DBD放电去除CB的路径：电子碰撞被认为是CB开环的主要途径。干空气条件下产生的较高温度的电子，很好地解释了干空气条件下产生较少的苯环型产物。湿空气条件下产生的活性物质（如OH）有助于CB的深度氧化过程和含氯有机物降解形成HCl，从而产生较少的开环副产物和较少的含氯有机物。.分析了不同能量密度输入的条件下CB转化产物的水溶性和可生化性。当峰值电压4kV、废气停留时间3s，转化产物的水溶性较好，出气中可溶性成分占CB转化量的50%以上；此时转化产物的可生化也较好；DBD作为生物处理的前处理，出气温度等宏观参数方面并不会对后续的生物产生不利影响。等离子体会增加中间产物的生物毒性，但添加某些自由基去除剂（如特定工艺下的SOD、MnO2）之后，出气的生物毒性将会降低。.DBD耦合BTF和单一BTF相比，两个系统分别在13d和15d内完成挂膜，CB的去除率分别达到100%和97%。EBRT相同时，单一BTF在处理低进气浓度CB废气时，去除效果和耦合系统的去除效果差不多，但若进气浓度较大时（>900 mg·m-3），耦合系统要明显优于单一BTF。当EBRT缩短时，无论CB进气浓度高低，耦合系统的处理效果均优于单一BTF。高通量测序表明，耦合DBD的BTF内微生物要丰富于单一BTF，单一BTF下层填料及上层填料、耦合了DBD的BTF下层填料及上层填料的Shannon指数分别为3.13、3.11、3.89和3.38。.