煙氣中氮氧化物的生物處理技術(shù)（課堂PPT）

1、1煙氣中氮氧化物的生物處理技術(shù)2煙氣中氮氧化物的生物處理技術(shù) 氮氧化合物及其危害 NOx 形成的機(jī)理 煙氣中氮氧化合物的處理 煙氣中生物脫氮技術(shù) 應(yīng)用實(shí)例 生物脫氮技術(shù)的展望3氮氧化合物及其危害 氮氧化物是造成大氣污染的主要污染源之一，在大氣中主要是以NO和NO2平衡共存。 通常所說的氮氧化物（NOx）主要包括NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等幾種, 此外N2O也是污染大氣特別是高層大氣的污染物之一。 氮氧化物會(huì)引起多種呼吸道疾病，是形成光化學(xué)煙霧的主要污染物，也是形成酸雨的主要酸性物質(zhì)之一，二氧化硫和氮氧化物還能形成無機(jī)鹽的細(xì)顆粒物，加重空氣中的細(xì)顆粒物污染。4NOx 形成的機(jī)理

2、到目前為止人們對NOx 形成的熱力學(xué)機(jī)理還不十分清楚。目前，對NOx 的生成有三種得到接受的機(jī)理： 熱機(jī)理（Thermal ： N2+O2=NO、NO2） 認(rèn)為NOx 是空氣中得N2和O2在高溫（1100）下反應(yīng)生成的。產(chǎn)量隨溫度的升高成指數(shù)增長。 瞬時(shí)機(jī)理（Prompt ：CH4+O2+N2=NO、NO2、CO2+H2O） 認(rèn)為NOx 是N2、O2和碳?xì)浠衔锏淖杂苫鄬焖俚姆磻?yīng)生成的（較低溫度）。 燃料機(jī)理（Fuel ：R3N+O2=NO、NO2、CO2+H2O） 認(rèn)為NOx 是由燃料中得含氮有機(jī)物直接氧化生成的（較低溫度）。5煙氣中氮氧化物的治理方法 由于染料燃燒是NOx 的主要來源（

3、占人類排放的90%），因此NOx 的治理方法也主要是根據(jù)燃燒過程的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)的，所以可以簡單的把NOx 的治理方法分為三種方法：燃燒的前處理燃燒方式改進(jìn)燃燒的后處理6煙氣中氮氧化物的治理方法 燃燒的前處理 主要是指染料的脫氮，從而減少染燒過程N(yùn)Ox 的生成量。 燃燒的該進(jìn)方式 燃燒的改進(jìn)方式目前還未全面達(dá)到使用的階段，原因是燃燒方式的改進(jìn)通常會(huì)帶來燃燒效率的降低，而且NOx 的減少率也不高。 7燃燒的后處理 燃燒的后處理也就是對燃燒后產(chǎn)生的含有NOx 的煙氣進(jìn)行處理的方法，因此亦稱為煙道氣脫硝或廢棄脫硝，也是當(dāng)前治理NOx 中最重要的技術(shù)。其方式包括： 選擇性非催化還原法（SNCR） 選擇性催

4、化還原法（SCR） 液體吸收法 吸附法 等離子體法 微生物法8生物脫氮技術(shù)微生物脫氮技術(shù)的發(fā)展 微生物處理廢水和廢物已經(jīng)有較悠久的研究歷史，而利用微生物處理廢氣得研究開始于20世紀(jì)80年代。自荷蘭和德國的工作人員發(fā)現(xiàn)微生物在凈化大氣的污染物具有練好的效果，隨后該方法引起美國、日本和歐洲許多國家的重視。該方法已經(jīng)成為世界各國凈化工業(yè)廢氣研究的重點(diǎn)之一，主要集中在有機(jī)廢氣、臭氣和氮氧化物凈化處理這三個(gè)領(lǐng)域。 利用微生物凈化氮氧化物廢氣的思路是建立在利用微生物凈化有機(jī)廢氣、臭氣以及用微生物進(jìn)行廢水反硝化脫氮獲得成功的基礎(chǔ)上。9生物脫氮技術(shù)微生物脫氮的優(yōu)缺點(diǎn)目前，生物脫氮與傳統(tǒng)的物理化學(xué)法相比，生物法

5、具有工藝設(shè)備簡單、耗能少、處理費(fèi)用低、二次污染少等特點(diǎn)，且具有很大的發(fā)展?jié)摿?，已受到越來越多研究人員的重視。 微生物脫氮在工業(yè)上應(yīng)用化程度低，主要出于實(shí)驗(yàn)室研究階段。目前對微生物法脫氮的研究大多是再很小的氣體流量下進(jìn)行的，或者僅以響度易溶于水的NO2為研究對象。 煙氣處理的實(shí)際流量通常很大，且煙氣中得NOx 主要以NO 的形式存在，而NO 水體溶解度很小，幾乎無法進(jìn)入道液相介質(zhì)中區(qū)，難以于微生物進(jìn)行有效接觸。 微生物表面的媳婦能力很差，從而降低NO的實(shí)際凈化率。10生物脫氮技術(shù)生物脫氮的原理 氣相中得NOx（NO和NO2），首先通過溶解或吸附等傳質(zhì)過程轉(zhuǎn)移至液相（如NO2通過形式NO3-或NO

6、-2而溶于水中，NO被吸附在液相中的微生物或固體物表面而進(jìn)入液相）。 然后在外加碳源的情況下，借助于微生物的生命代謝活動(dòng)，通過微生物對分布于液相中的含氮化合物的吸收和微生物體內(nèi)的氧化、還原、分解等微生物代謝作用，把部分吸收的含氮化合物轉(zhuǎn)化為微生物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，組成新的細(xì)胞，使微生物生長繁殖；另一部分含氮化合物則被微生物分解為無害的氮?dú)?，或容易處理的NO3-或NO-2，并釋放出微生物生長活動(dòng)所需的能量。11生物脫氮技術(shù)生物脫氮的具體機(jī)理 微生物凈化NOx 有反硝化、硝化和真菌凈化三種機(jī)理。 反硝化機(jī)理（異樣反硝化菌和自養(yǎng)反硝化菌） 異樣反硝化菌以有機(jī)物為電子供體，以NO3-、NO2-、NO

7、為電子受體，進(jìn)行缺氧呼吸，氧化有機(jī)物來獲取生長所需的能量，講NO、NO3-、NO2-還原為N2，同時(shí)生成與好氧呼吸相比少得ATP和生物質(zhì)。 自養(yǎng)反硝化菌能以無機(jī)質(zhì)（如H2、H2S、S、S2O4-）作為氫供體，以NO、NO3-、NO2-作為氫受體，以無機(jī)碳為碳源，將從NO、NO3-、NO2-還原為N2中獲取微生物生長所需的能量。12生物脫氮技術(shù) 凈化NOx 在反硝化細(xì)菌作用下的轉(zhuǎn)化過程可用下式表示： NON2 2NO2+H2OHNO3+HNO2 3HNO2HNO3+HNO2 NO3-NO2-NON2+e氧化氮還原酶+e+e+e硝酸鹽還原酶亞硝酸鹽還原酶氧化氮還原酶13生物脫氮技術(shù) 硝化機(jī)理 硝化

8、過程處理NOx 是再硝化細(xì)菌的作用下，在有氧條件下將氨氮氧化成硝酸鹽氮。硝化菌為自養(yǎng)菌，它們以CO2為碳源，通過氧化NH4+獲得能量。 硝化過程一般分兩個(gè)階段，分別由硝化菌和亞硝化菌完成。 第一階段：由亞硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽 第二階段：由硝化菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽 NONO2-NO3-14生物脫氮技術(shù) 真菌凈化機(jī)理 近年來得研究表明：真菌的反硝化能力是普遍存在的，真菌反硝化與細(xì)菌反硝化有顯著的區(qū)別。 細(xì)菌反硝化產(chǎn)物是N2 大多數(shù)真菌由于缺乏N2O還原酶，反硝化產(chǎn)物主要是N2O 研究表明：有少量的真菌反硝化可以產(chǎn)生N215生物脫氮技術(shù)生物脫氮技術(shù)及難點(diǎn) 反硝化處理技術(shù)：是利用厭氧微生物在

9、厭氧條件下分解NOx 的一種處理方法。 技術(shù)難點(diǎn)：盡管采用反硝化路徑去除NO，在實(shí)驗(yàn)室條件下去除率尚可，但保持厭氧的生長環(huán)境和外加有機(jī)碳源是實(shí)現(xiàn)該過程的必要條件，特別是缺氧條件，在過程放大或在未來可能的工程應(yīng)用時(shí)，就意味著投資費(fèi)用的激增。16生物脫氮技術(shù)生物脫氮技術(shù)及難點(diǎn) 硝化處理技術(shù)：是在硝化細(xì)菌作用下，在有氧條件下將氨氮氧化成硝酸鹽氮，然后再通過反硝化過程，將硝酸鹽氨轉(zhuǎn)化成N2的處理過程。 技術(shù)難點(diǎn)：采用硝化菌去除NOx 的研究還處于起步階段，但從土壤微生物的研究結(jié)果和反應(yīng)過程的數(shù)據(jù)看，已初步解釋了在大氣環(huán)境下，采用消化過程去除NO 的可行性。根據(jù)初步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和生物膜的顯微觀察，造成NO

10、x 去除率低得原因可歸結(jié)于傳質(zhì)速率的限制和生物量的不足。17生物脫氮技術(shù)生物脫氮技術(shù)及難點(diǎn) 真菌凈化處理技術(shù)：是利用真菌的反硝化作用去除氮氧化物，但具體的機(jī)理尚不能明確。 采用真菌處理氮氧化物的過程還仍需要研究。18應(yīng)用實(shí)例生物脫氮實(shí)驗(yàn)研究 生物凈化塔內(nèi)徑105mm，高1000mm，內(nèi)裝爐渣灰填料。填料層高度280mm，填料容積2.42L。 來自硝酸車間堿吸收后的含當(dāng)氧化物尾氣自塔下部進(jìn)入，與塔上部噴淋的含營養(yǎng)鹽的水溶液逆流接觸，經(jīng)生物凈化后的氣體由上部排空，噴淋液由下部排入循環(huán)槽在經(jīng)循環(huán)泵抽至塔頂噴淋循環(huán)使用。 流程見下圖所示： 郭斌，馬一太.生物法凈化含NOx尾氣的研究J環(huán)境工程，2003

11、，（21）2:37-39.19應(yīng)用實(shí)例 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行 裝置安裝在某化肥廠硝酸車間。每天連續(xù)運(yùn)行6h ，間隔18h 后在運(yùn)行，并添加適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)，水通過噴頭灑下，循環(huán)使用，間歇操作和連續(xù)操作結(jié)合研究其去除率及影響因素。20應(yīng)用實(shí)例 尾氣中NOx濃度對NOx脫出效率的影響 在空間速度、液氣比不變時(shí)，NOx進(jìn)氣濃度對NOx脫去效率的影響如圖所示。 當(dāng)C在0.1%0.39%時(shí)，NOx脫除效率為60%85%，且隨著C的增加而下降。21應(yīng)用實(shí)例 循環(huán)液PH值對NOx脫除效率的影響 PH值對微生物的表面電荷、酸活性、對營養(yǎng)的吸收都會(huì)產(chǎn)生影響，不同的脫氮菌其最適PH值得范圍略有不同。 下圖表示：PH值為7.5時(shí)

12、NOx脫除效率最高，當(dāng)PH8時(shí)，會(huì)出現(xiàn)N2-的積累，并且PH值越高，NO2-積累約嚴(yán)重。因此，PH值控制在7.08.2效果最佳。22應(yīng)用實(shí)例 循環(huán)液中NO3-濃度與NOx脫除效率的關(guān)系 NO2先溶于水再被微生物還原為N2，而NO則被吸附在微生物表面后還原N2。所以，當(dāng)進(jìn)氣NOx濃度不變時(shí)，循環(huán)液中濃度可間接反應(yīng)NOx的脫除效率。 當(dāng)循環(huán)液NO3-濃度1.12g/L時(shí)，NOx脫除效率隨著NO3-濃度的增加而下降。NO3-濃度1.12g/L時(shí)，可維持較高的NOx的脫除效率23應(yīng)用實(shí)例 脫除NOx的脫氮菌 尾氣中氧的含量3.0%3.9%之間，脫氮菌以兼性菌為主。 脫氮微生物多位球狀菌，分析可知菌屬為

13、短桿菌屬、棒桿菌屬、微球菌屬和葡萄球菌屬等。電鏡放大倍數(shù) 1.0k24應(yīng)用實(shí)例 其他因素對NOx 脫除效率的影響 在填料用量一定的條件下，空間速率越低，脫出率越高。 液氣比大，可使填料上的微生物充分獲得營養(yǎng)，正常生長，脫除率較高。 根據(jù)進(jìn)氣濃度、處理氣量和靜態(tài)培養(yǎng)時(shí)的營養(yǎng)鹽添加為依據(jù)，適時(shí)加入一定量的營養(yǎng)鹽。 本脫氮過程適宜的溫度范圍在527。25應(yīng)用實(shí)例生物脫氮應(yīng)用 日本的Okuno等人在以生物土壤裝填的濾塔中，當(dāng)進(jìn)口為2.1mg/m3的低濃度時(shí)，NO的去除率為60%左右。 生物法凈化NOx 已有工程應(yīng)用的實(shí)例。土壤凈化法通過室內(nèi)試驗(yàn)、室外小規(guī)模試驗(yàn)，已在日本進(jìn)入工程實(shí)用初期階段。該法易于管

14、理，處理過程無廢棄物，同時(shí)還能去除懸浮顆粒物(SPM)和CO等污染物。但存在著使用臭氧氧化NO則增加投資和運(yùn)行費(fèi)用，土壤凈化系統(tǒng)占地面積很大，負(fù)荷低等缺，因此，該法還在不斷的改進(jìn)之中 張華，趙由才.生物法處理氮氧化物廢氣的原理與技術(shù)研究進(jìn)展J山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（20）3:69-74.26應(yīng)用實(shí)例27生物脫氮技術(shù)的展望存在的問題 自20世紀(jì)80年代以來，雖然國內(nèi)外在利用微生物技術(shù)控制廢氣中的氮氧化物進(jìn)行了大量的研究工作，但目前的研究工作仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用還有一定距離。 微生物的生長速度相對較慢，要處理大流量的煙氣，并且煙氣的流速快，導(dǎo)致微生物與煙氣的接觸時(shí)間短。 煙道

15、氣的溫度一般較高，且不同煙道氣的成分差別很大，對低碳源含量的煙道氣需要外加碳源，導(dǎo)致工藝復(fù)雜。28生物脫氮技術(shù)的展望存在的問題 微生物的生長需要適宜的環(huán)境，如何在工業(yè)應(yīng)用中營造合適的培養(yǎng)條件，將是必須克服的一個(gè)難題。 微生物的吸附能力差，使得NO的實(shí)際凈化效率低。 微生物的生長，會(huì)造成塔內(nèi)填料的堵塞。29生物脫氮技術(shù)的展望生物脫氮技術(shù)的發(fā)展趨勢 由于NO難溶于水，使其處理起來較為困難，需要較長的停留時(shí)間。為了提高NO的處理效率，一些研究轉(zhuǎn)向采用生物法與其他物化法相結(jié)合。 如在生物法處理NO之前，先用活性炭吸附濃縮NO，以增加NO濃度，提高傳質(zhì)動(dòng)力。 將絡(luò)合吸收與生物法結(jié)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，近年來引起研究人員的關(guān)注（如加入Fe ( ) -( EDTA)）。 目前已通過可行性論證，該法具有流程短、投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、操作管理簡便等優(yōu)點(diǎn)。