磁性生物微球两级还原系统耦合化学吸收脱除NO的研究

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NOx是造成大气污染的重要物质,燃煤锅炉烟气排放是大气中NOx的主要来源之一,随着其排放量的增加和人们对环境质量要求的不断提高,如何控制固定源NOx的排放日益受到人们重视。络合吸收结合生物还原法具有操作条件温和、经济成本较低等优点,是一种很有应用前景的烟气脱硝新方法。目前该法多采用的游离混合菌种存在温度和pH适应能力不强、系统中优势菌种密度小、杂菌易大量繁殖导致系统运行不稳定等缺陷,而固定化微生物具有密度高、反应迅速、对抑制物的耐受能力强等优点,能够克服游离混合菌种的诸多缺陷。磁性微球作为一种新型固定化载体,因制备的微球颗粒小,可有效克服常规固定化微生物存在的传质路径长、机械强度不够、易溶胀破裂等问题,并且可在外加磁场作用下发生定向移动,易于回收分离。本文采用化学共沉淀法制备出磁性Fe3O4-壳聚糖微球,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅利叶红外光谱仪(FT-IR)、热重分析仪(TGA)、磁学测量系统(MPMS)等对其进行了表征。将反硝化菌和铁还原菌分别固定于自制微球表面制得磁性生物微球,通过静态实验研究磁性生物微球还原吸收液的特性,并构建两级生物还原耦合化学吸收脱除NO的集成工艺,考察各运行参数对NO去除效率的影响。采用化学共沉淀法制备得到磁性Fe3O4-壳聚糖微球,其d(0.1)、d(0.5)和d(0.9)分别为4.24、79.65和113.81μm,比表面积为79.47m2/g;XRD测试表明微球中的磁性物质是Fe3O4,且为反式尖晶石结构;热重分析表明微球中的Fe3O4含量约为45%;磁学测量得到其饱和磁化强度为20.0emu/g,矫顽力和剩磁都几乎为0,具有良好的超顺磁性;SEM分析可看出反硝化菌和铁还原菌被大量吸附固定在磁性Fe3O4-壳聚糖微球表面。静态还原特性实验表明,固定化反硝化菌的还原性能略低于游离反硝化菌,耐温性和耐酸性未产生明显改变;SO32-对反硝化菌还原Fe(II)EDTA-NO2-存在明显的促进作用;S2-对反硝化菌还原Fe(II)EDTA-NO2-存在明显的抑制作用;实验考察浓度范围内,磁性固定化反硝化菌还原Fe(II)EDTA-NO2-的过程符合一级反应动力学,其反应速率常数为0.2123h-1。固定化铁还原菌的还原性能高于游离铁还原菌;无论是采用磁性固定化铁还原菌还是游离铁还原菌,低浓度的NO2-和NO3-对Fe(III)EDTA-的还原均表现出促进作用,而高浓度时均表现出抑制作用;SO32-对Fe(III)EDTA-的还原具有抑制作用,且抑制作用随着SO32-浓度的增大而增强;在添加S2-的情况下,Fe(III)EDTA-的还原是生物还原和化学反应共同作用的结果;实验考察的浓度范围内,Fe(III)EDTA-的微生物还原符合一级反应动力学,磁性固定化铁还原菌和游离铁还原菌的反应速率常数分别为0.1494h-1和0.0905h-1。通过集成工艺实验确定了工艺运行的基本条件:流化床液体上升流速为156mL/min,模拟烟气进气流速为1.0L/min,NO进气浓度为360mg/m3、O2含量为5.0%、SO2浓度为2500mg/m3、CO2含量为15.0%、电流强度为3A。当烟气中含有O2和SO2时,NO的去除效果有所下降,而CO2的存在对脱除烟气中的NO没有明显的影响;在稳态运行的条件下增大进气量、增加进气中的O2含量和NO的浓度都会使NO的去除率降低。连续运行10天,系统对NO的去除率都能维持在80%以上。
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