第一作者：韩梦非 (hanmengfei@tju.edu.cn)

通讯作者：王灿教授 (wangcan@tju.edu.cn)

通讯单位：天津大学

DOI: https://doi.org/10.1016/j.bej.2020.107829

研究背景

生物过滤塔净化VOCs废气具有环境友好、运行费用低等优点，受到了广泛关注。填料层是生物过滤塔的重要组成部分，为微生物提供了附着场所。但在生物过滤塔长期运行过程中，由于填料自重导致的填料层压实和生物过量积累，使得填料层结构发生变化，会引起填料层压降升高和去除率下降。因此，定量化生物过滤塔填料层结构特征，研究生物过滤塔填料层结构的变化与调控机制，阐明填料层结构对生物过滤塔运行性能的相关性具有重要意义。

文章亮点

1. 提出了定量化描述生物过滤塔结构特征的系列参数，包括填料层高度、压降、空隙率、能量损失系数、填料因子、比表面积和传质系数。

2. 量化比较了两种不同填料生物过滤塔（珍珠岩乱堆填料层和三维骨架填料层）填料层结构的差异。

3. 通过添加高机械强度三维骨架填料能显著改善生物过滤塔的填料层定量化结构参数，使生物过滤塔在长期运行过程中表现出更好的运行稳定性。

全文总结

1. 本研究中的对照生物过滤塔（Control biofilter）以传统的珍珠岩装填（乱堆）。另外实验生物过滤塔（3D matrix biofilter）以珍珠岩和三维骨架填料装填（层层组装）。三维骨架填料的添加是为了提高珍珠岩填料的机械强度。

图1 三维骨架填料实物图(a)及其装填方式示意图(b)

2. 在连续100天的长期运行过程中，低浓度启动期（Phase I），两座生物过滤塔的去除率均逐渐上升，且无明显差异（p>0.05）；之后的高浓度启动期（Phase II），由于进口浓度变化产生的冲击负荷，两座生物过滤塔的去除率先下降后上升，且出现差异（p<0.05）；在稳定运行期（Phase III），两座生物过滤塔的去除率出现了明显差异（p<0.01）。其中对照生物过滤塔（Control biofilter）的去除率波动明显，而实验生物过滤塔（3D matrix biofilter）的去除率稳定。

图2 两座生物过滤塔长期过程中的去除率

两座生物过滤塔的生物量在操作过程中虽然在不断积累，然而并未出现明显的差异（p>0.05）。由于两座生物过滤塔内生物量无明显差异，且两座生物过滤塔的唯一差别是填料层。因此两座生物过滤塔去除性能的差异是由于填料层结构导致的。

图3 两座生物过滤塔生物量的变化

3. 在操作过程中，两座生物过滤塔的填料层压降和高度都发生了明显的变化。两座生物过滤塔的压降（p<0.01）和高度（p<0.05）也出现了明显的差异。而3D matrix biofilter的填料层压降和高度变化明显小于Control biofilter，说明由高机械强度三维骨架填料和珍珠岩填料构建的三维骨架规整化填料层结构强度更高。

图4 两座生物过滤塔填料层压降与高度的变化

4. 空隙率可以反映填料层内部孔道的数量，空隙率越大说明填料层内部气体通路越多。两座生物过滤塔填料层的空隙率通过排水法测得，3D matrix biofilter的空隙率（0.57）明显高于Control biofilter（0.42）。这一结果说明3D matrix biofilter的填料层分布了更多的空隙。此外，当气体通过填料层时，会出现能量损失（包括粘性能量损失和动能损失）。因此在不同流速条件下测得了两座生物过滤塔的压降，并利用欧根公式进行拟合计算两座生物过滤塔的能量损失系数。结果表明，当气体通过两座生物过滤塔的填料层时，动能损失是主要的能量损失。而Control biofilter的粘性能量损失系数为1.70 × 10³ s m⁻¹，动能损失系数为7.16 × 10⁵ s² m⁻²；而3D matrix biofilter的粘性能量损失系数为1.95 × 10³ s m⁻¹，动能损失系数为4.91 × 10⁵ s² m⁻²。这些能量损失系数的差异主要是由填料层结构差异导致的。

图5 不同流速条件下填料层的压降

根据填料层压降曲线，还计算了两座生物过滤塔的填料因子。填料因子由填料层结构决定，数值越大说明填料层对气体通过时的阻力越大。Control biofilter和3D matrix biofilter的填料因子分别为7.59 × 10⁵ m⁻¹ 和 1.04 × 10⁵ m⁻¹，说明由于三维骨架填料的加入，气体通过3D matrix biofilter的填料层时受到的阻力更小。

图6 两座生物过滤塔填料层的填料因子

对两座生物过滤塔分别进行了分子停留时间分布（MRTD）实验，得到了两条MRTD曲线，并根据MRTD曲线的两个特征值求得了填料层的比表面积。由于三维骨架填料的支撑作用，3D matrix biofilter的比表面积（1754.8 m² m^-3）明显高于Control biofilter（1474.0 m² m^-3）。

图7 两座生物过滤塔的MRTD曲线

比表面积是与传质过程相关的一个重要参数，因此后续计算了两座生物过滤塔的传质系数（气相传质系数k_Ga和液相传质系数k_La）。生物过滤塔的液相传质系数明显高于气相传质系数，说明气相传质是主要的限制步骤。此外，3D matrix biofilter的传质系数明显高于Control biofilter（p<0.01），说明三维骨架填料的加入能明显改善生物过滤塔的传质过程。

图6 两座生物过滤塔的传质系数