挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)排放已严重危害环境质量和威胁人体健康,并引起了人们的高度重视。生物过滤法以其经济高效、环境友好等优点,已被成功应用于恶臭和有机废气的处理。然而,传统生物过滤器和生物滴滤器往往存在占地面积大和长期运行后处理效率降低等问题。新型的转鼓生物过滤器(rotating drum biofilters, RDBs)能有效克服上述问题,但是也存在建造运行费用仍然较高的问题。因此开发研究高性能低成本反应器显得尤为必要。本论文依据生物过滤过程机理划分的新理论,充分利用表面生物过滤作用机制,自主研制了管状构型、从外至内进气、薄层填料的管式生物过滤器(tubular biofilters, TBFs);并分别以甲苯、异丁醇、乙醚和甲基异丁基甲酮(methyl isobutyl ketone, MIBK)为模型VOCs,采用气相色谱等常规方法进行分析测试,在设置的参考条件下成功启动后考察了TBF在不同有机负荷、气体空床停留时间(empty bed contact times, EBCTs)、进气量等操作条件下的长期运行性能,还对长期运行后反应器内的微生物相进行了初步研究；最后分别对多层RDB和TBF去除VOC进行了动力学数学模拟研究,探究生物过滤过程的降解机理。以甲苯作为模型VOC, TBF启动初期的去除效率低于50%并随时间升高,第52天达到95%以上；增大有机负荷至2.8、5.6、11.2 kg COD m-3 d-1时,去除效率分别降至54.1%、37.4%、11.4%,约30天后分别对应最大去除效率为89.7%、78.4%、55.6%；在有机负荷为1.4 kg COD m-3 d-1时,EBCT分别调至10、7.5、5和30 s,短时间(1～3天)内甲苯去除效率都可以稳定在97%以上；保持进气甲苯浓度不变而增大进气量,甲苯最大平均去除效率随进气量的增大而减小,而降解容量增大；TBF能长期稳定运行在5.6 kg COD m-3 d-1的较高有机负荷下,甲苯最大平均去除效率为74.9%,甲苯降解容量为4.2 kg COD m-3 d-1;长期运行后黄褐色的生物膜在填料上分布比较均匀并发现能存活3个月以上的大型昆虫。TBF能够成功启动,并具有长期、稳定、高效去除甲苯废气的性能。TBF处理异丁醇废气能在60天内实现成功启动,去除效率稳定在98%以上；改变有机负荷至2.0、2.8、3.0、4.0 kg COD m-3 d-1,异丁醇去除效率一直稳定在97%以上；长期运行后填料内蓄积生物膜量较少,一定时期在填料表面发现飞蚊；飞蚊数量与温度有关,中温时较多,同时反应器性能出现紊乱现象；正常运行的TBF能长期、稳定、高效地去除异丁醇废气。TBF对进口浓度强烈波动的乙醚废气表现出一定的降解性能,启动阶段的乙醚去除效率随时间呈上升趋势,启动后运行的77天内乙醚去除效率小于80%；只改变目标污染物为MIBK,7天后的去除效率稳定在80%以上,TBF在较短时间内即可达到较高的MIBK去除效率；随有机负荷增大,MIBK去除效率下降；长期运行后填料外层、底部和内层均蓄积了较多的黄色生物膜。TBFs对这三种VOCs可降解的难易程度为：异丁醇>MIBK>甲苯。对多层RDB去除VOCs的动力学模拟表明,在不同有机负荷和气体EBCT,在不同时间和空间位置的甲苯降解效率、介质内孔隙率和和生物膜蓄积率是不同的；外层单位介质内的甲苯降解量和生物膜蓄积率大于内层介质；模拟结果与实验数据具有较好的一致性,也就在一定程度上证明了表面生物过滤机制的存在。在RDB模拟研究的基础上,推导出了TBF去除VOCs的过程模型,对去除甲苯的动力学数学模拟研究结果表明,甲苯去除效率和填料内生物膜厚度随时间和空间位置发生动态变化。本论文针对转鼓生物过滤过程模拟、管式生物过滤的开发及其降解不同VOCs的长期运行性能、管式生物过滤动力学模型等关键问题进行了研究,有望解决气相生物过滤技术中占地面积大和长期运行后处理效率降低的问题,有助于理解理解转鼓生物过滤和管式过滤过程机理,为管式生物过滤器的开发和应用提供实践基础和理论依据。