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氮氧化物废气的生化处理技术

来源: 作者: 发布时间:2007-10-07  

    含氮氧化物(NOx)废气是指含有N2ONONO2N2O3N2O4等气体的废气。这类废气由于对人体有致毒作用,损害植物,形成酸雨、酸雾,与碳氢化合物形成光化学烟雾及参与臭氧层的破坏等,因而如不对其加以处理直接排入大气中,将给自然环境和人体健康带来严重危害。

目前,处理氮氧化物废气的方法主要有吸收法、催化还原法、燃烧法、吸附法、膜法、电化学法、脉冲电晕法及生化法等,其中生化法是近10多年才发展起来的一种处理方法,因它是模仿自然界的自然净化过程而建立起来的一种处理方法,具有流程短,投资少,运行费用低,管理简便等特点而具有极大的发展潜力,已受到越来越多研究人员的重视。

1、氮氧化物废气的产生及特性

氮氧化物的产生主要来自于两个方面:自然界本身和人类活动。据统计,由自然界本身变化规律产生的NOx每年约500×106t,人类活动产生的NOx每年约50×106t。从数据来看,虽然人类活动产生的NOx较自然界本身产生的NOx少得多,但由于人类活动产生的NOx往往比较集中,浓度较高,且大多在人类活动环境区域内,因而其危害性更大。

人类活动产生的氮氧化物主要来源于两个方面:

(1)含氮化合物的燃烧;

(2)亚硝酸、硝酸及其盐类的工业生产及使用。据美国环保局估计,99%NOx产生于含氮化合物的燃烧,如火力电厂煤燃烧产生的烟气、汽车尾气等。在亚硝酸、硝酸及其盐类的工业生产及使用过程中,由于它们的还原分解,会放出大量的NOx,其局部浓度很高,处理困难,

害大。 在含NOx废气中,对自然环境和人类生存危害最大的主要是NONO2NO为无色、无味、无臭气体,微溶于水,可溶于乙醇和硝酸,在空气中可缓慢氧化为NO2,与氧化剂反应生成NO2,与还原剂反应生成N2NO2溶于水和硝酸,和水反应生成HNO3HNO2,和碱及强碱弱酸盐反应生成硝酸盐和亚硝酸盐,和还原剂反应还原为N2

2、生化法处理含NOx废气的原理

NOx废气生化法处理的基本原理是气相中的NOxNONO2首先通过溶解或吸附等传质过程转移至液相,NO2通过形成NO3—或NO2—而溶于水中,NO被吸附在液相中的微生物或固体物表面而进入液相;然后在外加碳源的情况下借助于微生物的生命代谢活动,通过微生物对分布于液相中的含N化合物的吸收和微生物体内的氧化、还原、分解等生物谢作用,把部分吸收的含N化合物转化为微生物生长所需的营养物质,组成新的细胞,使微生物生长繁殖;另一部分含N化合物则被微生物分解为简单而无害的氮气或容易处理的NO3—或NO2,同时释放出微生物生长和活动所需的能量。 

3 NOx的生化处理

由于在含NOx废气中对自然环境和人类生存危害最大的主要是NONO2,NO2易溶于水,处理比较容易,所以目前国内外关于生化法处理氮氧化物的研究,主要是针对含NO废气的处理。关于NO的处理归纳起来主要有反硝化处理和硝化处理两类。

3.1 反硝化过程处理NOx

反硝化作用是利用厌氧性微生物如脱氮假单胞菌、铜绿假单胞菌、荧光假单胞菌、脱氮硫杆菌等在厌氧条件下分解NOx的一种处理方法。它有两条处理途径:

(1)异化反硝化作用,NO3-NO2-NON2ON2;

(2)同化反硝化作用,使NO3-最终转化为菌体的一部分。生化法去除NO主要是利用反硝化细菌的异化反硝化作用,使其最终转变为N2,在这个过程中要求额外提供微生物生长所需要的基质。此外,由于微生物是在厌氧条件下利用NO3-中的氧氧化有机物质并获得能量,因此废气中NO3-所含氧的浓度将对反硝化过程产生重要影响。Apel等人采用生物滤塔,通过添加蜜糖,在停留时间2 min、进气NO体积分数为500×10-6、氧气体积分数小于3%的条件下处理含NO废气,NO的去除率为90%。但当进气氧气体积分数达5%,废气中NO体积分数为250×10-6,NO的去除率只有40%~45%Lee B D等人研究发现,在生物滤塔中分别通入含氧体积分数为0%2%4%NO废气,含有氧气的两个生物滤塔的NO的去除率急剧下降,进气氧气体积分数为2%的生物滤塔在15 dNO去除率开始恢复,而氧气体积分数为4%的生物滤塔的NO去除率下降到15%后再也没有恢复。K Thomas等人用生物滴滤塔处理含NO废气,在厌氧条件下,停留时间为7.5 min,NO的转化率接近100%,而当进气中氧气体积分数从0.5%升高到4.5%,NO的去除率由75%降至45%Brady D Lee等人用生物滤塔处理含NO废气,温度控制在55,停留时间为13 s,进气NO体积分数为500×10-6的厌氧条件下,NO的去除率为50%以上,发现进气中氧气的浓度对NO的去除率有很明显的影响,当氧气体积分数达到2%,NO去除率已下降至10%~20%。由此可见,废气中氧气的含量对反硝化法处理NO有很大的影响。

Chris A, Du Plessis等人采用生物过滤器,用废气将甲苯和营养液雾化,当进气NO体积分数为60×10-6O2体积分数大于17%、停留时间为3 min,净化后废气中NO体积分数可降至15×10-6。试验过程中通过增加甲苯供给,获得了97%NO去除率。这是因为营养液和甲苯经雾化后加入使通过过滤器的液流量非常小,因而填料上的生物膜可以长得非常厚,促使在优先去除甲苯的好氧生物层内形成了厌氧反硝化层,同时减少了压力降的影响,从而避免了生物滴滤塔中生物膜的空隙被水堵塞而导致压力降升高。该项研究还表明,为使反硝化在有氧条件下进行,可提高盐的浓度,从而减少O2在水中的溶解度,改善厌氧条件;同时通过切换进气方向,即使在生物数量较大时,也能使生物滤塔保持较稳定的操作条件。J R Woertz等人研究了采用真菌处理NO的反硝化过程。该研究以甲苯为碳源,当甲苯的供应量为90 g/m3·h,在有氧条件下,进气NO的体积分数为250 mg/m3,停留时间为1 min,NO的去除率高达93%。该研究表明,真菌在降解甲苯的中间产物时为真菌反硝化降解NO提供碳源和能源。该研究还表明,当进气O2体积分数降为5%,甲苯的供应量为54 g/(m3·h),NO的去除率达到85%,而在同样条件下当进气中O2体积分数为21%,NO的去除率只有65%。此数据表明,用真菌去除NO,当混合气中O2的含量下降时,真菌反硝化处理NO的能力相应增强。因此,真菌有可能成为反硝化去除NO的重要菌种,但真菌在有氧条件下如何进行反硝化的机理仍不清楚。

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