生物法净化低浓度NOx废气的基础应用研究

摘要

NOx废气是造成大气污染的主要污染物之一，不仅对人体健康造成危害，同时也是造成酸雨、光化学烟雾和引起气候变化的主要原因之一。NOx排放面广，传统的NOx治理方法复杂、难度大、费用昂贵。本研究将生物法废气净化技术与NOx控制技术结合起来，依据生物硝化反应的原理，研究在好氧条件下采用生物膜填料塔净化低浓度NOx废气。主要内容与研究结果如下： 本实验采用活性污泥驯化液，在生物膜填料塔内只需40天就可获得以自养硝化细菌为优势菌种的生物膜，NOx的净化效率可保持在86％-91％之间。实验表明证明NaHCO3是较好的缓冲剂。 生物膜填料塔对浓度变化的NO2和NO净化效率较为稳定。NO2和NO的生化去除量与进气浓度的增加而线性增加，呈良好的线性关系。随气体流量的增大，生物膜填料塔对NO2和NO的净化效率迅速下降。随液体喷淋量增加，NO2和NO的净化效率逐渐增大，但当喷淋量过大时NO的净化效率反而会减小。pH值在短时间内由9.0降至5.3对NO2和NO的净化影响较小。废气中CO2浓度由0％增加至10％，循环液pH值已从8.0降到6.7，NO的净化效率略有减小。 在室温条件下，在气体流量为0.2m3/h、气体空塔停留时间为90秒、pH值为8.0-8.3、循环液喷淋量为7-15L/h的条件下，生物膜填料塔对NO2和NO的最大净化效率分别可达96.8％和89％。生物膜填料塔对NO2和NO的生化去除量最大分别可达179g/m3.h和69g/m3.h。 在好氧条件下硝化法净化NOx废气的反应产物主要为NO2-和NO3-。其中约80％为NO3-，其余主要为NO2-。NO3-浓度高达81.70～91.99g/L。硝化细菌对高浓度的NO3-和NO2-表现出了较强的耐受能力。填料上的生物膜经取样鉴定其优势菌种为产碱假单胞菌(Pseudomonasalcaligenes)，是一种以自养硝化为主兼性异养的细菌。 研究发现在挂膜成功后的实验中和重新挂膜实验中发现：当不投放有机物时，NOx的净化效率呈下降趋势；当定期投放微量有机物时，NOx的净化效率得到稳步提高，自养硝化作用的活性得到激发；但当有机物投放量增加时，又反而会抑制自养硝化作用，短期可促进异养硝化作用。异养硝化可降解NOx废气，但这种作用在本实验条件范围内非常不稳定，最终反而会破坏生物膜填料塔的自养硝化微生态环境，造成反应器性能下降。 在厌氧条件下生物膜填料塔净化NO实验结果表明：当气体空塔停留时间为90秒时，NO的净化效率最高可达65％。反应器的净化效率随NO浓度的增加有明显减小的趋势。对比研究表明，在本实验条件范围内，生物膜填料塔在好氧条件下硝化法净化NOx废气的处理效果明显优于厌氧条件下应用反硝化法净化NOx废气的净化效果。 通过物料衡算得到硝化法净化NOx废气时，去除每公斤NOx-N需消耗6.4公斤NaHCO3。最佳的C-有机物/N-NOx的摩尔比应为1：31。 动力学模式验证研究表明，课题组前期建立的“吸附-生物膜”理论的动力学模式对好氧条件下硝化法净化低浓度NO废气也同样具有很好的适用性。利用该动力学模式对NO浓度以及NO生化去除量的模拟计算值和实验值之间均有很好的拟合性(R＞0.98)，因此可以在实际工作中利用该动力学模式来描述在好氧条件下在生物膜填料塔中应用硝化法来净化低浓度NOx废气的生物净化处理过程。 本研究的创新之处在于：1.首次用生物膜填料塔硝化净化NOx废气；2.首次提出微量有机物对自养硝化净化NOx的促进作用；3.首次发现当有机物量增加时，自养硝化作用遭到破坏，NOx的净化主要由异养硝化承担；4.首次验证“吸附-生物膜”理论对硝化法净化低浓度NO废气的适用性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章课题研究的目的及意义

1.1 NOx的来源

1.2 NOx的危害

1.2.1氮氧化物对人体的危害

1.2.2对植物的危害作用

1.2.3 NOx与光化学烟雾

1.2.4形成酸雨酸雾

1.2.5 NOx能参与臭氧层的破坏同时还是重要的温室气体

1.3本课题研究的目的和意义

第二章NOx废气治理技术和生物法废气净化技术综述

2.1 NOx的结构和物理化学特征

2.2 NOx的生成机理

2.3 NOx的控制技术与应用介绍

2.3.1 NOx抑制技术

2.3.2烟气脱硝技术及NOx废气治理技术概要

2.4生物法废气治理技术简介

2.4.1生物法废气净化技术的主要设备、净化废气的原理及工艺简介

2.4.2填料

2.4.3生物法废气净化技术微生物菌种的选择和接种方法

2.4.4污染物的特性对生物法废气净化技术的影响

2.4.5操作问题

2.4.6生物法废气净化技术治理废气的发展和应用情况

2.5生物法净化NOx的研究进展

2.5.1生物法治理NOx废气的原理

2.5.2生物法治理NOx的进展

第三章课题研究内容、实验装置与测定方法

3.1本课题研究内容

3.2实验流程及装置

3.2.1好氧条件下净化NOx废气的实验装置

3.2.1厌氧条件下净化NOx废气的实验装置

3.3试验的测定方法：

第四章生物法净化NOx废气的实验研究

4.1生物膜填料塔净化NOx废气的菌种培养和挂膜研究

4.1.1操作方法

4.1.2缓冲剂的选择

4.1.3挂膜情况及NOx净化效率

4.2生物膜填料塔净化低浓度NOx废气的性能研究

4.2.1气相NO2、NO和NOx浓度对净化效率以及生化去除量的影响

4.2.2气体流量对NO2和NO的净化效率的影响

4.2.3循环液喷淋量对NO2和NO净化效率的影响

4.2.4循环液pH值对NO2和NO净化效率的影响

4.2.5废气中加入CO2对净化效率的影响

4.3反应产物及优势菌种的鉴定

4.4长时间运行情况

4.5有机物添加量增加对硝化法净化NOx废气的影响

4.6厌氧条件下生物法净化NO废气的对比实验研究

4.6小结

第五章生物膜填料塔净化低浓度NO废气的动力学模型研究

5.1动力学模型研究目的

5.2相关动力学理论及模型概要

5.3吸附-生物膜理论模型

5.3.1吸附-生物膜理论

5.3.2动力学模型的建立

5.4动力学模型验证

5.4.1动力学模型参数的求取

5.4.2对出口气体浓度的计算及相关验证

5.5小结

第六章问题讨论

6.1挂膜期间有机物对好氧条件下生物法净化NOx的影响

6.2好氧条件下硝化法净化NOx的最佳操作条件的确定

6.3好氧条件下生物法净化NOx的微生物物种和可能途径的探讨

第七章结论

致谢

参考文献

附图

附录(攻读硕士学位期间发表论文目录)