随着社会和经济地不断发展,挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds,VOCs）污染已成为人们关注的重大环境问题之一。生物过滤技术被广泛应用于工业VOCs的控制,该技术具有效率高、运行成本低、维护方便、环境友好等优点。然而,生物过滤塔长期过程中填料层堵塞会影响其运行稳定性。本论文首先考察了生物过滤塔长期运行过程中的去除性能,揭示了填料层堵塞的产生机制;然后以碳酸钙和三维网格材料为添加剂强化填料层结构,控制长期运行过程中的填料层堵塞;此外,开发了一种可控制膨胀的水凝胶填料,实现了填料层结构和生物量的协同控制;最后,建立了数学模型,实现了对生物过滤塔长期运行的去除性能模拟和填料层堵塞时间预测。通过200天的连续运行实验,考察了以传统装填方式（乱堆,填料为珍珠岩）的生物过滤塔（Typical Biofilter,TBF）在长期过程中对氯苯的去除性能。连续运行过程中由于填料层压实和生物量积累,TBF的填料层逐渐堵塞。此外,氯苯生物降解过程中产生的酸性物质会消耗珍珠岩,导致填料层压实,进而加剧填料层堵塞。进一步研究填料层堵塞的产生机制发现,填料层压实和生物量积累导致的填料层结构劣化是造成堵塞的主要原因。填料层结构劣化增大了气流通过填料层时的阻力,进而影响VOCs在塔内的传质过程。因此,运行过程中TBF的压降不断上升,同时对氯苯的去除率逐渐下降且出现明显波动。建立了两座与珍珠岩生物过滤塔配置相同的生物过滤塔,考察了控制填料层压实对堵塞的影响。缓冲生物过滤塔（p H Buffering Biofilter,BBF）的装填方式与TBF相同,但填料层内加入了颗粒碳酸钙调节p H的变化。三维结构生物过滤塔（3D matrix Biofilter,3DBF）内不仅加入了颗粒碳酸钙,还加入了高机械强度、耐腐蚀的三维网格材料强化填料层结构。在连续运行200天的过程中,BBF和3DBF的填料层压实有效控制,运行稳定性得到了明显提升。但BBF内添加的颗粒碳酸钙被酸性产物耗尽后,填料层压实将无法控制。而3DBF内将珍珠岩和颗粒碳酸钙装填到了三维网格材料的内部,无论碳酸钙是否被酸性物质耗尽,三维网格材料都能有效支撑填料层。因此,3DBF的填料层结构参数变化较小,运行稳定性更高。此外,控制填料层堵塞还能提高塔内微生物代谢活性和优势菌群的相对丰度。以吸水膨胀、失水收缩的聚丙烯酰胺（Polyacrylamide,PAM）水凝胶填料开发了一种新型的生物过滤塔（Hydrogel Pellets Biofilter,HPBF）,并考察了HPBF在长期过程中的去除性能和填料层结构。此外,调节喷淋控制HPBF内PAM水凝胶填料的含水率,能实现对填料层结构的有效调控。同时,PAM水凝胶填料的表面特性在优化填料层结构过程中会发生变化,还能实现对塔内生物量密度的控制。根据生物过滤塔内VOCs的传质过程,建立了生物过滤塔去除性能模型。根据实际运行过程中会出现的填料层堵塞,提出了模型的校正系数。校正后的模型能很好地模拟生物过滤塔启动后的去除性能（R~2＞0.89）。另一方面,根据修正的欧根方程建立了填料层压降模型,实现了填料层堵塞时间的预测。此外,上述两种模型还可用于为生物过滤塔的操作条件优化和填料层设计提供理论指导。