CN101107061A - 用于减轻环境污染的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于降低大气污染水平、降低细粉尘和氮氧化物浓度的方法和设备。所述的除污染系统基于在适当的载体上的硝化微生物和反硝化微生物的协同组合。所述产品可以在城市和工业水平上内在或外在使用。

Description

用于减轻环境污染的方法和设备
背景技术
普遍出现在大型城市的烟雾中的大量污染，例如细粉尘(PM10 e PM2.5)和氮氧化物(NOx)，造成了严重的社会问题和公共行政问题。
迄今为止，工业研究主要集中在减少污染物质排放的水平上，但是尚未特别注意到吸收或减少已经存在于大气中的污染物质。
其原因是，任何位于室外的使用现有传统技术的过滤设备都需要非常昂贵的连接和高的运行成本。
目前已有一些工业应用能够降低空气中存在的污染水平，例如特殊涂料罩面漆、瓦，或者特殊防烟雾污染的沥青。
然而，这种类型材料的应用受到它们的低效率水平(由于试剂部分不足一微米厚)以及烟雾吸收产品成本非常高的局限。
附图说明
图1是表示本发明的污染消除物质作用原理的流程图；
图2表示使用自然光能量供应的活动结构；
图3表示具有太阳电池板的活动结构。
发明内容
本发明涉及硝化微生物和反硝化微生物的协同关联，能最有效地减少在大气中存在的环境污染，并且随着时间的延续稳定性最高。该系统能自再生、对人类无害、高效率、基本上不受大气中存在的正常温度和湿度变化的影响。本发明可以应用在封闭环境以及户外，通常是接近于污染源的位置。
具体实施方式
本发明的目的是，提供一种减少大气中存在的环境污染物质的方法，特别是减少大气中存在的氮氧化物、氨、细粉尘和CO2的方法，其特征在于，将需要处理的大气适当输送，并与含有至少一种反硝化微生物和至少一种硝化微生物的消除污染的物质接触，所述的反硝化微生物和硝化微生物都是好氧的。所述反硝化微生物优选选自：黄杆菌(Flavobacterium sp.)(ATCC 29790)、脱氮假单胞菌(Pseudomonas denitrificans)(ATCC 13867)、泛养副球菌(Paracoccus pantotrophus)(ATCC 13543)、微分枝气脱氮菌(Microvirgulaaerodenitrificans)(DSM15089)、冷水黄杆菌(Flavobacterium frigidarium)(ATCC700810)和真养亚硝化单胞菌(Nitrosomonas eutropha)。所述硝化微生物优选为欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonas europaea)(ATCC 197181)。
所有上述微生物对人类都是无害的，因此，为本发明目的使用它们不会危害健康。上面列举的微生物，表现出具有不同的最佳工作温度的优点，因此提供了用于不同气候和季节的非常好的系统多样性；还已证明它们还原氮的氧化物非常有效。不过，有用的微生物不限于上述列出的那些，任何在相关环境条件下保持存活的其他好氧的硝化微生物和反硝化微生物都可以用于本发明的目的。
优选地，对于每一类(硝化和反硝化)使用一种以上的具有不同的最佳工作温度的微生物，这表现出在很宽的环境热量或湿度范围条件下，整体上非常好的系统稳定性和多样性的优点。特别优选使用至少两种反硝化微生物，其中，一种是NO3-敏感的(脱氮假单胞菌(Pseudomonas denitrificans)、泛养副球菌(Paracoccus pantotrophus)、冷水黄杆菌(Flavobacterium frigidarium))，另外一种是NO2/NO-敏感的(真养亚硝化单胞菌(Nitrosomonas eutropha))。在一个优选的实施方式中，同时使用上面列出的所有微生物。
下表展示了所述不同微生物的最佳工作温度表。
黄杆菌(Flavobacterium sp.)(ATCC 29790) 30℃
脱氮假单胞菌(Pseudomonas denitrificans)(ATCC 13867) 30℃
泛养副球菌(Paracoccus pantotrophus)(ATCC 13543) 26℃
微分枝气脱氮菌(Microvirgula aerodenitrificans)(DSM 15089) 28℃
冷水黄杆菌(Flavobacterium frigidarium)(ATCC 700810) 15℃
欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonas europaea)(ATCC 197181) 26℃
真养亚硝化单胞菌(Nitrosomonas eutropha) 25℃
硝化微生物和反硝化微生物相互之间的比例可以在宽的范围内变化，优选的是在60％和40％之间变化。每种微生物的量可以根据不同操作条件在很宽范围内变化。当使用所有上述微生物时，总量100％的亚硝化单胞菌(真养亚硝化单胞菌(Nitrosomonas eutropha)+欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonaseuropaea))以及另外100％的其余微生物(即非亚硝化单胞菌)最适宜比例如下：
亚硝化单胞菌
欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonas europaea)(ATCC 197181) 60％
真养亚硝化单胞菌(Nitrosomonas eutropha) 40％
非亚硝化单胞菌
黄杆菌(Flavobacterium sp.)(ATCC 29790) 20％
脱氮假单胞菌(Pseudomonas denitrificans)(ATCC 13867) 30％
泛养副球菌(Paracoccus pantotrophus)(ATCC 13543) 10％
微分枝气脱氮菌(Microvirgula aerodenitrificans)(DSM 15089) 20％
冷水黄杆菌(Flavobacterium frigidarium)(ATCC 700810) 20％
上述百分比指微生物的量之间的比率，是根据硝化/反硝化活性的相关国际单位(IU)测定的。
图1显示了根据优选实施方式本发明所起的作用，包括一种硝化微生物、一种NO3-敏感的反硝化微生物、以及一种NO2/NO-敏感的反硝化微生物。
NO3循环：环境中的NO3被NO3-敏感的微生物脱氮成为NO2，进一步被NO2/NO-敏感的微生物脱氮成为N2。
NO2/NO循环：环境中的NO2/NO被NO2/NO-敏感的微生物脱氮成为N2。
NH3循环：环境中的NH3以及在所述过程中产生的NH3被硝化微生物转化为NO2，所得NO2随后被NO2/NO-敏感的微生物脱氮成为N2。
CO2循环：环境中的CO2以及在所述过程中产生的CO2被转化成有机化合物。该有机化合物随后作为反硝化微生物(特别是P.denitrificans、P.pantotropus、F.frigidarium)的新陈代谢物质，其中有机物质再氧化成CO2，使之可供再一次用于硝化反应。
H2O循环：NH3的硝化反应导致由NH3和氧形成水。如此形成的水提供了必需的系统增湿作用，因此有利于所有上述细菌种的新陈代谢。
基本上，通过吸收通常在大气中存在的污染物质以及形成水和有机物质，所述的系统自我运行，无需另外的外界营养维持该系统运转。
欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonas europaea)表现出的另一优点是形成粘液表面，起到吸收细粉尘(PM10，PM2.5)的作用，有利地与本发明主要目标-脱氮反应联合。
因此，所述系统可以提供多方面优点：
-由于上述不同的微生物，对所有氮氧化物和氨具有广谱污染消除能力；
-由于硝化微生物和反硝化微生物之间的协同作用，增强了污染消除效率；
-通过欧洲亚硝化单胞菌(N.europaea)的特殊作用，可能附加减少细粉尘的活性；
-由于具有不同最佳工作温度的微生物的联合，在不同或变化的环境条件下、通常在10和35℃之间，用途的广泛多样性和响应稳定性；
-由于氮氧化物吸收循环以及产生相关微生物新陈代谢所需要的水和有机物质，系统具有自我维持能力。
系统的整体污染消除能力变化与所用微生物的浓度和所接触空气的流量有关。作为参考，300g的上述七种微生物，以上述优选的比例，在空气流大于或等于3000cfm的情况下，每24小时能够将240g NOx转化成氮。
适于实施上述污染消除方法的设备以及它们的制备方法构成了本发明的另一目标。该设备的特征在于，它具有上面所述的微生物，这些微生物附着在适于接触被污染的空气流的合适的载体上，所述的载体任选地置于适合暴露于环境中的容器内。
构成所述载体的材料，可以是具有足够刚性、同时能以稳定和有活力的方式固定上述细菌种的任何类型的材料。通常，可以使用多孔或纤维材料，例如织造布、无纺布、棉花、玻璃纤维、纤维素纸浆、用于细菌培养的材料诸如琼脂、纸、纸板、聚合物材料。在聚合物材料中，聚四氟乙烯(PTFE或特纶(Telon))特别有效：将能生存的有活力细菌稳定固定在PTFE上是本领域中公知的技术(cf.Appl.Env.Microbiol.，1991，p.219-222)。
所述载体可以根据暴露的环境条件以各种不同形式和结构使用。所有载体的共同特征是，它们能够拦截被处理的空气流以及可以在空气和被固定的微生物之间提供大的接触表面。例如，所述载体具有板结构(panel structure)，诸如由上述材料构成的1m2的板，其表面层和/或内层含有稳定附着的微生物。
例如，包含总共300g上述微生物的板，暴露于大于或等于3000cfm的空气流时，平均脱氮240g NOx/24hr。
所述载体可以单独使用或成套装配使用；例如可以使用50块平行板，排成一列，各板之间有2cm间隙，形成1m3体积的单独单位，预定接收沿所述间隙切线空气流动的流；假设每块板的微生物含量例如是300g，这一单位的每立方米的转化能力将是12(＝0.240×50)Kg NOX/24hr。
所述的载体，无论单独的还是成套的，都可以被插入方便的保护容器中，该容器适于抵抗环境因素、对光透明和/或装备有载体光照系统；无论是天然的还是人工的，载体光照是实现本发明目的的必要条件，因为上述微生物反应是在存在光的情况下发生的。优选地，所述的容器包括保护格栅和/或空气预过滤系统，以使任何潜在破坏活性表面的物质颗粒保持在外面；所述预过滤系统还可以用适当流体物质加湿和/或处理，或者可以充静电以拦截灰尘、特别是细粉尘(PM10 PM2.5)：该活性有效地协同增强了本发明的脱氮作用，并且利用欧洲亚硝化单胞菌(N.europaea)的抗PM活性，甚至还起到净化被处理空气的作用。优选地，所述容器还包括用于增加/引导空气流向污染消除方向的合适系统：这些系统可以是静态的或者是动态的。静态系统包括(例如)喇叭形状或漏斗形状的空气换流器、涡管、蜗壳等。动态系统包括风扇、涡轮、移动板、叶片等。当本发明被安装固定在一个运动结构上(例如处理进入到汽车和其它一些运输工具中的空气)时，优选使用静态系统。动态系统有利于用于固定结构例如家用空气过滤器，或者靠近工业排水或在拦截汽车排气管排放的NOx的道路覆盖物附近的消除污染结构，。
在一个具体的实施方式中，所述载体可以不用在容器中，自身形成一个动态单元，如果以风扇为例来说明的话，该风扇的扇叶用PTFE制成，包含有附在扇叶表面的本发明的微生物。
所述容器还可以装备附属系统，例如空气预热系统、处理前和处理后的污染分析检测器、旨在防止微生物意外释放到环境中的系统等。
图2和图3以非限定的方式图解说明了本发明的两个实施方式，这两个实施方式可以用在运动结构中，例如用在汽车外表面上以净化进入汽车内部的空气。这两个图的不同之处仅仅在于脱氮作用室(11)的光照系统：在图2中，自然光通过不透明有机玻璃盖(1)传播；在图3中，环境光通过太阳能电池板(2)作为能量得到存储，向位于污染消除载体附近的低消耗照明(3)供电。对于图2和图3来说相同的其它系统要素如下：引入的空气(4)通过静态运送装置(5)导向结构内部；然后空气通过阻挡环境中的水和湿气的格栅(6)；入口传感器(7)分析引入的空气中的NOx含量，并将数据传送到合适的读出器(图中未示出)。然后，空气经过预过滤器(8)，该预过滤器阻挡所有大粒度的物质颗粒；接下来是带有电阻器(9)的预热室，该电阻器加热空气至脱氮反应的最适宜温度；然后是普通静电过滤器(10)，用于消除细粉尘(PM10，PM2.5)；然后空气进入脱氮室(11)，其中安置了含有前述微生物的载体(未在附图中出现)；输出的空气进入通过UVA射线照射的灭菌室(12)；该室用于灭活任何可能已从载体意外释放出的细菌。将适当的光分离器(13)插入(11)和(12)两室之间，防止载体和UVA射线之间的接触。输出的空气然后经过出口检测器(14)分析污染物质，并且通过与入口数据进行比较，实时提供系统除污染效率方面的数据；以这种方式，经过处理的输出的空气(15)就可以释放到它将被利用的环境中。
具有保护格栅(在出口处)和通向用于控制、清洁、保养、维修等的各种系统元件的入口的开口机构(16)，所述系统就最终完成了。
本发明可以用于降低污染水平，特别是以非限定的方式降低下列区域中的氮氧化物(NOx)、NH3、细粉尘(PM10 e PM2.5)和CO2的水平：
-家庭和办公室内部、移动交通工具内部、特别是城市环境中的消除污染；
-进一步减少存在于来自燃烧器和焚烧炉的燃烧烟尘中的污染颗粒；
-进一步减少来自内燃机的污染气体排放。

Claims (21)

1.用于减少大气中存在的环境污染物质，特别是氮氧化物、氨、细粉尘和CO2的方法，其特征在于，将需要处理的大气适当输送，并与含有至少一种反硝化微生物和至少一种硝化微生物的消除污染的物质接触，所述的反硝化微生物和硝化微生物都是好氧的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的反硝化微生物选自黄杆菌、脱氮假单胞菌、泛养副球菌、微分枝气脱氮菌、冷水黄杆菌和真养亚硝化单胞菌。
3.根据权利要求1至2所述的方法，其中，所述的硝化微生物是欧洲亚硝化单胞菌。
4.根据权利要求1至3所述的方法，其中，使用至少两种反硝化微生物，一种是NO3-敏感的，另外一种是NO2/NO-敏感的。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述的NO3-敏感的微生物选自脱氮假单胞菌、泛养副球菌、冷水黄杆菌。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述的NO2/NO-敏感的微生物是真养亚硝化单胞菌。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，同时使用下列的所有微生物：黄杆菌、脱氮假单胞菌、泛养副球菌、微分枝气脱氮菌、冷水黄杆菌、欧洲亚硝化单胞菌、真养亚硝化单胞菌。
8.根据权利要求1至7所述的方法，其中，所述硝化微生物和反硝化微生物相互之间的比例范围在60％和40％之间。
9.根据权利要求1至8所述的方法，其中，所述的微生物以下列的量使用：
亚硝化单胞菌
欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonas europaea)(ATCC 197181) 60％ 真养亚硝化单胞菌(Nitrosomonas eutropha) 40％
非亚硝化单胞菌
黄杆菌(Flavobacterium sp.)(ATCC 29790) 20％
脱氮假单胞菌(Pseudomonas denitrificans)(ATCC 13867) 30％ 泛养副球菌(Paracoccus pantotrophus)(ATCC 13543) 10％ 微分枝气脱氮菌(Microvirgula aerodenitrificans)(DSM 15089) 20％ 冷水黄杆菌(Flavobacterium frigidarium)(ATCC 700810) 20％
10.用于减少大气中存在的环境污染物质，特别是氮氧化物、氨、细粉尘和CO2的设备，其特征在于，它包含至少一种好氧反硝化微生物和至少一种好氧硝化微生物，所述的两种微生物都附着在适于与被处理的空气流接触的一个或多个载体上。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述的反硝化微生物选自黄杆菌、脱氮假单胞菌、泛养副球菌、微分枝气脱氮菌、冷水黄杆菌和真养亚硝化单胞菌。
12.根据权利要求10至11所述的设备，其中，所述的硝化微生物是欧洲亚硝化单胞菌。
13.根据权利要求10至12所述的设备，其中，所述的载体由多孔或纤维材料例如织造布、无纺布、棉花、玻璃纤维、纤维素纸浆、纸、纸板或者聚合物材料例如聚四氟乙烯构成。
14.根据权利要求10至11所述的设备，其中，所述的载体由一块板组成，或者由装配成套的多块板组成，。
15.根据权利要求10至14所述的设备，其中，所述的载体被安装在容器内，该容器适合暴露于环境中并且装备有用于该载体的光照系统。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述的容器包括：保护格栅和/或空气预过滤系统，所述空气预过滤系统可以用适当的流体物质加湿和/或处理，或者充静电以拦截灰尘、特别是细粉尘(PM10，PM 2.5)；能增加/引导空气流向载体方向的静态或动态系统；空气预热系统；处理前和处理后的污染分析检测器；旨在防止微生物意外释放到环境中的系统等。
17.根据权利要求16所述的设备，设计用于内部环境例如家庭、办公室、车辆隔间的处理。
18.根据权利要求16所述的设备，设计用于外部环境的处理，例如减少由车辆或工业设备排放到大气中的污染物。
19.权利要求10的设备用于降低污染水平，特别是降低氮氧化物(NOx)、NH3、细粉尘(PM10 e PM2.5)和CO2水平的用途。
20.根据权利要求19所述的用途，用在下列区域中：
一家庭和办公室内部、移动的交通工具内部、特别是城市环境中的消除污染；
一进一步减少存在于来自燃烧器和焚烧炉的燃烧烟尘中的污染颗粒物；
一进一步减少来自内燃机的污染气体排放。
21.用于减少在大气中存在的环境污染物质，特别是氮氧化物、氨、细粉尘和CO2的装置的制造方法，其特征在于，将至少一种好氧反硝化微生物和至少一种好氧硝化微生物附着在适于与被处理的空气流接触的一个或多个适当的载体上，任选地，将所述载体置于适合暴露于环境中的适当容器内。
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