CN105032168A - 一种脱除氮氧化物的装置及方法 - Google Patents

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李涵
张永清
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Abstract

本发明公开了一种脱除氮氧化物的装置及方法，该装置包括生物滤塔、电极系统和微生物活性再生系统，所述生物滤塔内设有套管其上均匀布满通孔，且套管上包裹一层选择性透过膜，套管内设有阳极棒，套管外为阴极区，阴极区内装有填料和阴极棒，所述阳极棒和阴极棒分别与电源的正、负极相连接形成电极系统；生物滤塔底部设有出液口，顶部设有雾化喷头，生物滤塔外设有装再生液的储液槽，该储液槽与生物滤塔的出液口以及雾化喷头管路连通，形成微生物活性再生循环系统。本发明可实现氮氧化物的快速高效去除，还可以同时去除烟气和废水中的氮氧化物，装置及方法绿色节能无二次污染，经济成本低，占地小。

Description

一种脱除氮氧化物的装置及方法
技术领域
本发明属于环境工程，涉及一种可快速高效脱除中温烟气中氮氧化合物的装置及方法，其主要应用于快速脱除中温烟气中氮氧化物也可应用于废水中脱除水中的铵根、硝酸根与亚硝酸根。
背景技术
由于火力发电、供热锅炉、交通运输等行业的快速发展，大气中的氮氧化物(NOx)含量急剧增加，我国NOx年排放量已经超过了2300万吨，为大气环境恶化、生态破坏和人类健康危害的主要因素之一。因此，烟气脱硝受到了广泛关注，政府正逐步加大对NOx的污染控制原理与技术开发的投入。
传统脱硝工艺有技术较为成熟的氨催化还原SCR(适用温度350℃左右)和氨非催化还原SNCR(适用温度950℃左右)等。目前部分燃煤锅炉的烟气经除尘和湿法脱硫后的温度在50℃左右(中温环境)，并含有较高浓度的氧气(4％-18％)，世界范围内对于中低温以下的烟气脱硝缺乏有效的技术手段，这也是导致NOx污染控制不力的原因之一。传统的生物法脱硝被认为是在厌氧条件且常温(15-40℃)下进行，导致生物法脱硝的发展常被忽视。随着好氧反硝化菌的发现，为生物法去除中温烟气中的NOx奠定了基础。利用好氧反硝化菌进行烟气脱硝，可为中温烟气中的NOx脱除提供切实有效的处理技术。生物脱除烟气中NOx技术也因为其投资运行成本低、无二次污染等优点，越来越受到重视。
中温烟气环境下的生物脱硝，是具有发展前景的绿色高效污染控制技术。然而生物法脱硝还需进一步提高效率、缩短烟气停留时间、减少碳源消耗和降低烟气中残留二氧化硫引起的溶液酸化现象的危害。
发明内容
本发明之目的是提供一种可快速高效脱除中温烟气中氮氧化合物的装置及方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种脱除氮氧化物的装置，包括生物滤塔、电极系统和微生物活性再生系统，所述生物滤塔内设有分隔阴阳极的套管其上均匀布满通孔，且套管上包裹一层选择性透过膜，阻止填料进入其中，溶液可进入；套管内设有阳极棒，套管外为阴极区，阴极区内装有填料和阴极棒，所述阳极棒和阴极棒分别与电源的正、负极相连接形成电极系统；生物滤塔底部设有出液口，顶部设有雾化喷头，生物滤塔外设有装再生液的储液槽，该储液槽与生物滤塔的出液口以及雾化喷头管路连通，形成微生物活性再生循环系统。
所述阳极棒位于生物滤塔中心轴，周围均布至少两根阴极棒,并在阴极棒周围填充导电颗粒构成粒子电极。
所述阴极棒为6-8根，阴极棒均匀环绕于阳极棒四周。
所述阴极材料为活性多孔炭纤维电极棒；阳极材料为活性炭。
所述储液槽中的再生液含有碳源、好氧反硝化菌和胞外聚合物。
所述再生液中还含有EDTA二钠盐。
所述生物滤塔的有效高度与内径之比为8-10:1。
所述生物滤塔底部设有进气口，顶部设有出气口。
利用上述装置脱除氮氧化物的方法，包括如下步骤：
(1)生物挂膜
(2)将阴阳极接通电源，烟气由生物滤塔底部进入，与生物膜及电极反应，反应后的烟气由顶部的出气口排出；和/或将含氮废水加入储液槽，通过雾化喷头喷入生物滤塔与生物膜和电极反应。
所述生物挂膜是将微生物干粉接种于灭菌的种子培养基中培养后，以5％的接种量接至灭菌的反硝化培养基中，于50℃恒温振荡培养器中培养将培养液喷入生物滤塔，经过培养，直至在生物滤塔的填料表面形成棕色生物膜。
步骤(2)反应期间启动微生物活性再生循环系统：再生液经雾化喷头喷入生物滤塔，喷头的出水以雾状充满整个滤塔，为填料表面生长的好氧反硝化菌补加碳源和微量元素。
在本发明中，将具有高比表面积以及高导电性多孔碳复合电极作为电极材料，有利于微生物的附着，降低阻抗的同时也保证了高催化面积。本系统将直接在有外加电场的生物滴滤塔中通入烟气，利用高比表面积的填料负载致密生物膜，结合化学与生物吸附络合过程，在生物过滤系统内，实现对NOx的化学与生物吸附络合过程，以及电催化还原与生物还原过程的同步和相互促进，实现在电场促进环境下的生物过滤方法对烟气中NOx的快速脱除。
本发明涉及的装置中的微生物系统和电极系统可在好氧条件下快速氧化氨氮为硝酸盐和亚硝酸盐，并能够继续在好氧条件下还原硝酸盐和亚硝酸盐为氮气等气体产物，使废水中氮化合物降低，达到脱氮的目的。可在好氧条件下还原硝酸盐为亚硝酸盐，并能够继续在好氧条件下还原亚硝酸盐为氮气气体产物，使废水中氮化合物降低，达到脱氮的目的。
所述装置及方法不仅能在硝酸盐为氮源和电子受体的条件下实现好氧反硝化，将硝酸盐还原为气体N2，也可用于好氧硝化污泥中，从而实现含氮废水的同步硝化反硝化作用，适用于各种含氮废水的脱氮处理。更重要的是该系统可以NO为氮源和电子受体的条件下实现快速好氧反硝化，并最终将NO还原为无污染的N2，从而实现脱除烟气中NO的目的。系统中微生物活性系统中的好氧反硝化菌可在滤塔内形成高效的好氧反硝化生物膜，该生物膜对温度的耐受性强，在70℃温度条件以下，均具有高效的好氧反硝化能力，从而无需经过降温就可实现中温烟气的生物过滤脱除NOx，降低运行成本。既可在常温(5-40℃)下生长，高效进行脱氮处理；也可以在中温条件下(40-70℃)具有高效好氧反硝化能力，可以在低温和中温条件70℃以下高效脱除烟气和各种废气中的氮氧化物。
本发明可实现氮氧化物的快速高效去除，还可以同时去除烟气和废水中的氮氧化物，装置及方法绿色节能无二次污染，经济成本低，占地小。
附图说明
图1是本发明电极生物滤塔装置图；1烟气2气体流量计3保温套4直流电源5气体质量调节器6温度控制器7进气8生物滤塔9阴极棒10阳极棒11套管12雾化喷头13蠕动泵14储液槽。
图2电极生物滴滤塔挂膜期间硝酸盐的去除效率。
图3是电极生物滤塔与普通生物滤塔对硝酸盐去除的对比。
图4是电极生物滤塔运行情况。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
1好氧反硝化菌种的驯化培养
从广州市某污水厂A2/O污水处理系统的好氧处理段取污泥和水样、农田的土壤及学校东湖的底泥和水样分别取少量接种到3个2L的广口瓶。广口瓶底部有微孔曝气头，流量是1-2L/min。采用间歇曝气的方法能有效驯化兼性厌氧反硝化菌，使其呼吸类型转化成好氧硝化。有学者对好氧反硝化菌长期研究表明自然界不存在单一的好氧反硝化菌，只有通过选择条件如间歇曝气，好氧反硝化代谢功能会得到强化。1号、2号和3号反应器间歇曝气培养，具体操作模式为：进水→曝气→沉降(0.5h)→排水(0.1h)，初始曝气时间为6h，每3d将曝气时间增加1-2h。驯化初始，以富集培养液作为进水，在驯化过程中逐渐增加筛选分离培养液的含量。运行过程中，使溶解氧(DO)维持在5mg/L左右，温度为室温(25-30℃)。运行40d后，3个反应器对COD的去除率都达到80％以上，对TN的去除率都达到70％以上，在驯化过程中，甚至出现过TN去除率达到100％的情况。1号、2号和3号反应器内的污泥原来为深黑色，散状，40d后污泥呈浅灰色，絮状，污泥状态良好，至此认为污泥驯化结束。
2好氧反硝化细菌的筛选
从3个反应器内分别取10mL新鲜污泥至装有90mL无菌水、并装有玻璃珠的三角瓶中，然后将三角瓶放入空气振荡器中，把污泥充分摇匀打碎。打碎后的污泥经倍比稀释，采用混均平板法和涂布平板法分离，经3次划线分离后得到105株菌。将上述分离纯化后得到的纯分离物斜面用灭菌后的反硝化培养液洗到装有100mL反硝化培养液的三角瓶中，并在每个三角瓶内加入几粒灭过菌的玻璃株(尽量减小厌氧微环境对实验结果的影响)，用9层纱布包好瓶口，放入空气振荡培养器，具体参数如下：温度50℃，转速140r/min，培养时间40h。取培养后的菌液检测TN，考察其对TN的去除率。经初筛最后得到35株反硝化能力较强的菌株，用于挂膜。接种体包括好氧反硝化菌、兼性反硝化菌和硝化菌，三种菌液大约以8：1：1的比例混合。筛选出的菌种用于脱除中温烟气中氮氧化物的装置中。
3好氧反硝化复合微生物的挂膜
取保存在冰箱中的斜面单菌落接种于灭菌的种子培养基中培养12h，以5％的接种量接至含有灭菌反硝化培养基的三角瓶中，于50℃恒温振荡培养器中培养12h，而后加入到放大培养箱中培养2天，培养箱中培养液用于生物过滤系统接种，把一定浓度的菌悬液(OD480≈1.6)300mL接种到循环液里，在挂膜阶段不通入NO气体，氮源以KNO3代替NO，起初的10天循环液流动和循环液浸泡填料循环间隔一天，在11-20天内循环液连续回流量是200mL/min，每天更换50％的循环液，在气体的出入口安装0.45μm的微孔滤膜。当反硝化效率稳定达到80％及肉眼可见的棕色生物膜形成，表明挂膜结束。
实施例1
用于中温烟气脱除氮氧化物的装置如图1所示。装置的运行：根据气体停留时间确定适当的进气流量，经气体质量调节器5从生物滤塔8底部进入，控制方式结合生物滤塔8外周覆盖的控温层，调节烟气温度在50℃左右，之后烟气经生物过滤及电化学作用后再外排。生物滤塔8的气体流速、填料规格、填料体积和滤塔的有效体积，可以根据具体情况进行调整，最终完成烟气的快速脱硝过程。滤塔外建一微生物(反硝化菌)活性再生系统。通过蠕动泵13将储液槽14中的好氧反硝化复合微生物体系的培养液不断投加入生物滤塔8，确保系统内的好氧反硝化微生物体系的反硝化活性，并促进滤塔内填料表面快速形成生物膜；滤塔与微生物活性再生系统间水体用水泵进行循环，循环水经喷头喷入滤塔，喷头的出水以雾状充满整个滤塔，由于水雾中含有碳源、好氧反硝化菌和胞外聚合物(EPS)等，可在填料表面生长出致密的好氧反硝化微生物膜。通过在生滤塔8内布置阴极棒9和阳极棒10，引入外加电场。阳极棒10为一根直径10mm的碳棒，位于反应器中心轴，周围均布多根直径10mm阴极棒9,并填充导电颗粒于阴极棒9周围构成粒子电极，生滤塔8内设有分隔阴阳极的圆形塑料套管11，其上均布小孔，孔以离子交换膜覆盖，可使溶液充满套管11，将导电粒子填料固定在阴极区域。填料表面生物膜促进对NOx的吸收和反硝化脱除，没有被生物膜脱除的NO可以多次被雾粒中胞外聚合物(EPS)与同时添加的EDTA二钠盐等络合吸收，并回到生物膜表面被反硝化脱除，由于填料(活性炭)具有较高的比表面积，不仅能有效附着多样的微生物体系，还能够加速反硝化过程，提高烟气负荷，因此能够实现NOx的高效脱除。微生物挂膜完成后，装置运行情况比较稳定，整体的氮氧化物去除率稳定在70％-92％间，气体停留时间约50s，说明该装置对中温烟气中氮氧化物可快速有效的将其脱除。
实施例2
用于废水生物脱氮
将该装置用于某化肥厂废水的脱氮处理。其原水水质检测数据为COD182.25mg/L，NO3 --N288.45mg/L，NH4 --N96.37mg/L，pH7.8，水温45-47℃。取一定量的废水加入到本发明装置中的微生物活性再生系统中进行处理，处理后水质为COD23.39mg/L，NO3 --N17.67mg/L，NH4 --N3.02mg/L，相应的污染物去除率为87.16％，93.87％，96.87％。该系统可有效的用于实际废水中的脱氮。
实施例3
用于市政供水脱氮处理
将该系统用于处理某自来水厂的供水，水质含亚硝酸盐氮1.2mg/L，氨氮2.8mg/L，溶解氧含量在7.5mg/L左右；测得处理后水质含亚硝酸盐氮0.023mg/L，氨氮0.17mg/L，与对照组的处理后水质(亚硝酸盐氮0.15mg/L，氨氮0.42mg/L比较，亚硝酸盐氮与氨氮含量均有所下降。所以，该菌对低浓度的亚硝酸氮也能起到脱除效果，该菌的投加能够提升自来水供水水质，达到供水水质标准(《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006规定，亚硝酸盐≤1mg/L，氨氮≤0.5mg/L，硝酸盐氮≤10mg/L)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脱除氮氧化物的装置，其特征在于，该装置包括生物滤塔、电极系统和微生物活性再生系统，所述生物滤塔内设有分隔阴阳极的套管其上均匀布满通孔，且套管上包裹一层选择性透过膜，套管内设有阳极棒，套管外为阴极区，阴极区内装有填料和阴极棒，所述阳极棒和阴极棒分别与电源的正、负极相连接形成电极系统；生物滤塔底部设有出液口，顶部设有雾化喷头，生物滤塔外设有装再生液的储液槽，该储液槽与生物滤塔的出液口以及雾化喷头管路连通，形成微生物活性再生循环系统。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阳极棒位于生物滤塔中心轴，周围均布至少两根阴极棒,并在阴极棒周围填充导电颗粒构成粒子电极。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述阴极棒为6-8根，阴极棒均匀环绕于阳极棒四周。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述阴极材料为活性多孔炭纤维电极棒；阳极材料为活性炭。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的装置，其特征在于，所述储液槽中的再生液含有碳源、好氧反硝化菌和胞外聚合物。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述再生液中还含有EDTA二钠盐。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的装置，其特征在于，所述生物滤塔的有效高度与内径之比为8-10:1。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的装置，其特征在于，所述生物滤塔底部设有进气口，顶部设有出气口。
9.一种利用权利要求1～8任一项所述装置脱除氮氧化物的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)生物挂膜
(2)将阴阳极接通电源，烟气由生物滤塔底部进入，与生物膜和电极反应，反应后的烟气由顶部的出气口排出；和/或将含氮废水加入储液槽，通过雾化喷头喷入生物滤塔与生物膜和电极反应。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述生物挂膜是将微生物干粉接种于灭菌的种子培养基中培养后，以5％的接种量接至灭菌的反硝化培养基中，于50℃恒温振荡培养器中培养将培养液喷入生物滤塔，经过培养，直至在生物滤塔的填料表面形成棕色生物膜；
步骤(2)反应期间启动微生物活性再生循环系统：再生液经雾化喷头喷入生物滤塔，喷头的出水以雾状充满整个滤塔，为填料表面生长的好氧反硝化菌补加碳源和微量元素。
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