生物還原耦合化學(xué)吸收法脫氮影響因素

林建國，宰菲

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430000）

熱電廠通過燃煤發(fā)電，這種以原始的燃燒低熱值的化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu),對環(huán)境的影響巨大。其中，氮氧化物（NOX）是礦物燃料燃燒的主要污染物之一，其對于人類乃至生態(tài)系統(tǒng)都有很大的危害，會造成光化學(xué)煙霧、酸雨、霧霾，破壞臭氧層，危害動植物等等一系列環(huán)境污染問題及人體健康風(fēng)險[1]。因此，研究生物還原耦合化學(xué)吸收脫氮技術(shù)，具有重大作用和意義。

1 生物還原耦合化學(xué)吸收法脫氮的原理

生物還原耦合化學(xué)吸收法綜合了吸收法與生物法的優(yōu)點，是在50℃條件下（煙氣通過濕法脫硫后的溫度），利用絡(luò)合吸收劑Fe（Ⅱ）EDTA對一氧化氮的絡(luò)合吸收作用，加快NO的氣液傳質(zhì)過程，并利用微生物將絡(luò)合吸收下來的NO轉(zhuǎn)化為N2[5]。在化學(xué)吸收過程中，絡(luò)合吸收劑的消耗包括兩部分：（1）絡(luò)合吸收的消耗產(chǎn)物為Fe（Ⅱ）EDTA-NO；（2）Fe（Ⅱ）EDTA易被氧氣氧化為Fe（Ⅲ）EDTA，形成副反應(yīng)產(chǎn)物，其不具備吸收一氧化氮的能力，導(dǎo)致絡(luò)合吸收劑失效。上述兩部分的吸收產(chǎn)物Fe（Ⅱ）EDTA-NO和Fe（Ⅲ）EDTA均可在微生物作用下將其還原為有效吸收成分Fe（Ⅱ）EDTA，從而實現(xiàn)絡(luò)合劑的再生利用。根據(jù)上述過程分析可知，生物還原耦合化學(xué)吸收法處理煙氣中氮氧化物的關(guān)鍵技術(shù)之一，就在于如何高效還原吸收液在化學(xué)吸收過程中產(chǎn)生的兩種主要吸收產(chǎn)物Fe（Ⅱ）EDTA-NO和Fe（Ⅲ）EDTA。

生物還原耦合化學(xué)吸收法脫除NO工藝的原理如圖1。

圖1 生物還原耦合化學(xué)吸收脫除NOX過程工藝原理圖

2 生物還原耦合化學(xué)吸收技術(shù)影響因素研究

混合功能菌具有防止雜菌污染、生長速度快、微生物群體穩(wěn)定、混合底物利用率高、培養(yǎng)條件易掌握和控制等優(yōu)點。本文采用混合功能菌建立生物還原耦合化學(xué)吸收體系，經(jīng)過混合功能菌的培養(yǎng)和掛膜過程，在穩(wěn)態(tài)運行條件下，探究不同工況和工藝參數(shù)對集成系統(tǒng)最終脫除NO效率的影響。NO還原速率和Fe（Ⅲ）還原速率受多種因素的影響，主要是碳源添加量、菌體接種量、pH值、溫度等，下面就這些因素對微生物還原性能的影響分別進行考察。

2.1 碳源添加量的影響

實驗結(jié)果如圖2所示，當碳源量不超過200mg/L時，F(xiàn)e（Ⅱ）EDTA-NO的還原速率隨碳源量的增加而增加，碳源量超過200mg/L后，F(xiàn)e（Ⅱ）EDTANO的還原速率基本穩(wěn)定，不再隨碳源量的增加而變化。對于Fe（Ⅲ）EDTA的還原速率，碳源量低于1 000 mg/L時，還原速率隨碳源量的增加而增加；碳源量超過1 000 mg/L后，F(xiàn)e（Ⅲ）EDTA的還原速率基本穩(wěn)定。由此可說明，要保證快速的絡(luò)合NO和Fe（Ⅲ）EDTA的還原速率，需要有一定量的碳源量才能滿足還原需求，碳源量超過一定量后，不再對還原速率有促進作用。從工業(yè)應(yīng)用成本上來說，碳源量適量即可。

2.2 菌體接種量的影響

以上述的碳源量為基礎(chǔ)，實驗測得結(jié)果如圖3所示，菌體接種量以80mg/L為界點，當菌體接種量小于80mg/L時，絡(luò)合NO的還原速率隨菌體接種量的增大而增大；當菌體接種量大于80mg/L時，絡(luò)合NO的還原速率不再隨菌體接種量的增大而變化。并且在前30 h內(nèi)，當菌體接種量很小時，微生物未充分繁殖生長，微生物的量很少，此時絡(luò)合NO的還原速率很慢，表明微生物量需達到一定的量后才能有效還原NO。

圖2 碳源量對Fe（II）EDTA-NO和Fe（III）EDTA還原的影響

對Fe（Ⅲ）的還原速率，菌體接種量以150mg/L為界點，當菌體接種量小于150mg/L時，F(xiàn)e（Ⅲ）的還原速率隨菌體接種量的增大而增大；當菌體接種量大于150mg/L時，絡(luò)Fe（Ⅲ）的還原速率不再隨菌體接種量的增大而變化。菌體接種量的多少直接影響Fe（Ⅲ）的還原速率。

圖3 菌體接種量對絡(luò)合NO和Fe（III）還原速率的影響

2.3 溫度和pH的影響

混合功能菌的培養(yǎng)和絡(luò)合物的還原都會受到各種環(huán)境因素的影響，特別是溫度和pH值。若沒有合適的溫度和pH值，微生物原生質(zhì)膜的電荷會發(fā)生不可知的變化，從而進一步影響微生物酶的活性以及對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，微生物的酶促反應(yīng)的速率也會受到影響。實驗是在碳源量和菌體接種量充足的情況下，分別考察溫度和pH值對絡(luò)合NO還原速率和Fe（Ⅲ）還原速率的影響。

從圖4可以看出，溫度在30～40℃對微生物還原絡(luò)合NO和Fe（Ⅲ）是比較適宜的溫度區(qū)間，當溫度高于40℃時，絡(luò)合NO的還原速率快速下降，F(xiàn)e（Ⅲ）的還原速率也會隨著溫度升高而下降，下降幅度較絡(luò)合NO的還原速率來說較緩，原因可能是絡(luò)合NO還原菌對溫度的變化更為敏感。

從圖5可以看出，絡(luò)合NO的還原速率在pH值為4～7區(qū)間時，隨pH值的增大而增大，F(xiàn)e（Ⅲ）的還原速率pH值為4～6時，隨pH值的增大而增大。若pH值大于7，絡(luò)合NO的還原速率和Fe（Ⅲ）的還原速率都急劇下降，說明絡(luò)合NO的還原菌和Fe（Ⅲ）的還原菌比較適宜在偏酸環(huán)境生長。

圖4 溫度的影響

圖5 pH的影響

3 結(jié)論

本文建立穩(wěn)態(tài)生物還原耦合化學(xué)吸收體系的前提下，探究體系各因素對絡(luò)合NO脫除率和Fe（Ⅱ）濃度的影響。要保證快速的絡(luò)合NO和Fe（Ⅲ）EDTA的還原速率需要有一定量的碳源量，才能滿足還原需求，實驗證明當碳源量大于200mg/L，F(xiàn)e（Ⅱ）EDTA-NO能被完全還原。對于Fe（Ⅲ）EDTA的還原速率，碳源量為1000mg/L時，F(xiàn)e（Ⅲ）EDTA還原速率不再增加。菌體接種量的多少直接影響Fe（Ⅲ）的還原速率，當菌體接種量小于150mg/L時，F(xiàn)e（Ⅲ）的還原速率隨菌體接種量的增大而增大，當菌體接種量大于150mg/L時，F(xiàn)e（Ⅲ）的還原速率不再隨菌體接種量的增大而變化。溫度在30～40℃對微生物還原絡(luò)合NO和Fe（Ⅲ）是比較適宜的溫度區(qū)間，pH值在4～7對微生物還原絡(luò)合NO和Fe（Ⅲ）是比較適宜的范圍。