络合吸收-生物还原两段式烟气脱硝系统的性能研究与参数优化

摘要

随着经济的发展和物质生活水平的不断提高，人民对环境质量的要求也越来越高。作为大气主要污染物之一的氮氧化物，会造成包括酸雨、雾霾、臭氧层破坏等在内的一系列环境问题，因此它的治理也日趋得到各级政府的高度重视，国家也为此出台了一系列政策法规来限制氮氧化物的排放。针对火电厂大气污染物的排放，要求新建锅炉（65t/h以上）的氮氧化物排放浓度不超过100mg/m3。针对工业锅炉烟气的排放，新建锅炉的氮氧化物排放限值提出了更高的要求，一般地区要求不高于300mg/m3（特别地区要求不高于200mg/m3）。因此，如何研究并开发具有脱销效率高，投资运行费用低的烟气脱硝技术一直是我国脱硝技术研发需要努力的方向。
　　化学吸收-生物还原技术(CABR)是当前很有应用前景的生物脱硝技术。其原理是利用Fe(Ⅱ) EDTA吸收烟气中的NO，生成含氮络合物Fe(Ⅱ) EDTA-NO。生成Fe(Ⅱ) EDTA-NO需要通过脱氮菌将其还原为N2，并实现Fe(Ⅱ)EDTA的再生。由于烟气中一般含有一定量的氧气，部分Fe(Ⅱ)EDTA会被氧化为Fe(Ⅲ) EDTA，因此生物还原过程还包括铁还原菌将Fe(Ⅲ)EDTA还原为Fe(Ⅱ)EDTA。基于光照对铁还原过程的影响，本文开展了一部分光照对铁还原菌生物还原过程的影响研究，另外，为了让CABR技术能更好地运用于实际生产中，本文建立了一套新型的络合吸收-生物还原两段式脱硝系统，并对其挂膜时间和最大处理负荷与传统的一体式脱硝系统进行了对比研究。最后本文就如何从削减运行成本的角度来对两段式脱硝系统的运行参数优化进行了探讨。主要得到了以下一些结论:
　　1.对比了光照培养与无光照培养下的Fe(Ⅲ)EDTA生物还原过程，无光照培养下的还原效率和还原速率更高。对造成两者生物还原效率的差异性的原因进行探究，发现EDTA降解不是导致光照条件下还原效率下降的主要原因。利用分子生物学技术对比研究了两者的微生物群落结构，高通量测序的结果显示，无光照和光照培养的菌群有了较大差异;无光照培养下，菌群中的优势菌种中包含三种具有铁还原能力的菌属Bacteroides，Klebsiella，Desulfovibrio，三者合计占全部菌群的47.09％。光照条件下，菌群中的优势菌种中只有一种具有铁还原能力的菌属Desulfitobacterium，占全部菌群的12.4％。
　　2.采用混合菌对新的络合吸收-生物还原两段式脱硝系统进行挂膜，比传统的相继用铁还原菌和脱氮菌进行挂膜的时间更短。并且，新型的两段式脱硝体系抗氧气冲击能力已大大提升，且在同等烟气工况下处理负荷有较大提升。对高进气量下NO脱除效率不高的原因进行分析，确定主要原因是体系中的脱氮菌和铁还原菌的量不足。
　　3.从削减运行成本的角度对新型的两段式脱硝系统的运行参数优化，确定葡萄糖采用连续补加方式优于间歇补加方式，可以有效提高NO脱除效率，降低体系运行成本;系统在初始Fe(Ⅲ)EDTA浓度高于4mM的情况下，出口NO的浓度可以维持在40ppm以下;降低初始Fe(Ⅲ) EDTA浓度可以减小Na2EDTA的损耗速率，从而降低为补充Na2EDTA损耗所需的运行成本。

目录

声明

致谢

摘要

绪论

第一章 文献综述

1．1 我国氮氧化物排放现状及减排紧迫性

1．1．1 氮氧化物的危害及排放现状

1．1．2 我国工业锅炉概述

1．1．3 我国工业锅炉烟气氮氧化物排放标准

1．2 烟气NOx主要控制技术

1．2．1 烟气NOx的典型治理技术

1．2．2 生物法处理NOx

1．3 络合吸收-生物还原处理烟气NOx研究进展

1．3．1 络合吸收-生物还原法的基本原理

1．3．2 CABR脱硝系统的发展历程

1．4 铁还原菌

1．4．1 光照对铁还原菌还原性能的影响

1．5 CABR脱硝系统的主要影响因素

1．5．1 影响CABR系统脱硝性能的关键因素

1．5．2 CABR系统中的EDTA降解

1．6 微生物群落结构的分析方法——高通量测序技术

1．7 立题依据

1．8 研究内容

第二章 CABR系统中微生物菌株的优化和光照的影响

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验试剂及制备

2．2．2 光照与无光照条件下铁还原菌的驯化培养

2．2．3 光照与无光照条件下Fe(Ⅲ)EDTA还原过程的EDTA测定

2．2．4 分析测试方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 光照与无光照条件下的Fe(Ⅲ)EDTA还原过程对比

2．3．2 光照对Fe(Ⅲ)EDTA生物还原过程的影响分析

2．3．3 光照条件下的铁还原过程分析

2．3．4 微生物群落结构分析

2．3．5 光照培养体系中Fe(Ⅲ)还原和Fe(Ⅱ)氧化的竞争反应机制

2．4 本章小结

第三章 两段式CABR脱硝系统的建立与性能评估

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验试剂及制备

3．2．2 混合功能菌培养

3．2．3 两段式CABR脱硝系统的启动

3．2．4 两段式CABR脱硝系统的最大进气负荷考察

3．2．5 实验装置

3．2．6 分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 混合功能菌培养

3．3．2 两段式CABR脱硝系统的启动

3．3．3 两段式CABR脱硝系统的最大进气量考察

3．3．4 高进气量下NO脱除效率不高的原因分析

3．4 本章小结

第四章 基于削减运行成本的两段式CABR脱硝系统的参数优化

4．1 引言

4．2 几个概念的定义

4．2．1 气体的ppm与mg／m3的转换

4．2．2 体积浓度

4．2．3 质量-体积浓度

4．2．4 排放标准中氮氧化物浓度的mg／m3与ppm转换

4．3 材料与方法

4．3．1 实验试剂及制备

4．3．2 葡萄糖间歇添加和连续添加下的运行情况对比

4．3．3 不同初始总铁浓度下的运行情况

4．3．4 葡萄糖添加速率对体系运行情况的影响

4．3．5 低成本条件下系统的连续运行

4．3．6 分析方法

4．4 结果与讨论

4．4．1 葡萄糖间歇添加和连续添加下的运行情况对比

4．4．2 不同初始总铁浓度下的运行情况

4．4．3 总铁浓度与葡萄糖添加速率对体系运行情况的影响

4．4．4 NOx削减运行成本核算

4．4．5 低成本条件下体系的连续运行情况分析

4．5 本章小结

第五章 建议与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 建议

参考文献

附录

作者简历及在学期间取得的科研成果