CN112058076A - 一种生物旋转球式反应器脱除氮氧化物的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物旋转球式反应器脱除氮氧化物的装置及方法，包括进气系统、密闭反应室、旋转球反应器和营养液输送系统；旋转球反应器为固定于密闭反应室内的空心球体，球体表面均匀布设筛孔，球体中心设有出气罩，球体的转轴穿过出气罩，一端连接发动机，另一端伸出密闭反应室，出气罩通过出气通道与密闭反应室外连通；球体内装有圆形填料，填料在球体内可随球体的转动而滚动；密闭反应器内有营养液，旋转球反应器的球体下部浸泡在营养液中。本发明球形结构可提高填料的有效体积利用率，球体内翻滚运动的填料有利于防止生物系统堵塞；本发明装置可使烟气脱硝效果可以达到80％以上，且能减少水力负荷和发动机的耗电，进一步提高经济效益。

Description

一种生物旋转球式反应器脱除氮氧化物的装置及方法
技术领域
本发明属于工程技术领域，具体涉及一种生物旋转球式反应器脱除氮氧化物的装置及方法。
背景技术
氮氧化物主要为NO、NO2的气体，会造成一系列环境问题，包括光化学烟雾、雾霭、臭氧层空洞和酸雨等一系列环境问题，严重影响了人类和动植物的健康。目前氮氧化物脱除的技术包括括选择性催化还原(SCR)，选择性非催化还原(SNCR)、生物法、电子束或化学吸收法。生物法由于其成本低、环境友好、无二次污染等特点，在研究和工程应用中不断被关注。生物法包括生物过滤塔、生物洗涤塔和生物滴滤塔，广泛适用于低浓度，大气量的废气处理系统。然而，污染负荷、养分和生物量等分布不均的问题一直困扰着传统生物处理系统，阻碍系统的稳定运行，其中大量微生物处理亚活性状态，没有发挥作用，另一方面由于生物量的过量生长，系统堵塞的致命问题不断困扰着生物塔的持久运行，严重时能造成生物塔瘫痪。传统生物处理系统在面对中浓度负荷的气体，仍存在巨大的缺口。
有学者曾提出不断转移去填料上的过于生物量，减少堵塞问题，同时运用翻转性填料的观点和假设，以改善分布不均的情况。于是在1900年，生物转盘技术首次出现在废水处理领域。随着废气处理技术的发展，翻转性填料出现在废气处理领域，辛辛那提大学的Kim等人将“生物转鼓”的新概念首次提出在在美国的一个学术年会上，生物滤床的填料固定在转盘上，轴向两端封闭，构成一个类似转鼓结构，生物转鼓浸泡在营养液中，生物转鼓保持翻转状态，气态污染物从转鼓外面透过填料层，进入内轴空间，由轴向排气管排出，完成一次气态污染物的去除，转鼓每运行一圈，填料能与营养液充分接触一次(The Air&Waste Management Association 95th annual conference.2002.Baltimore,USA)。
在美国，生物转鼓在废气VOCs的治理已做了大量的应用，并做了工业化的中试装置。然而对于NO的治理和应用，未有涉及。生物转鼓在NO的处理，已有专利申请，包括CN100369658C、CN109721412A。生物转鼓在氮氧化物的去除，国内也有少量学者研究，发现生物转鼓在氮氧化物脱除仍表现出较好的效果。然而国内生物塔系统处理烟气缺乏广泛而深入的尝试，生物转鼓的工程技术应用更处于萌芽阶段，受到各界学者和工程师的关注。生物转鼓反应器能解决生物塔中填料堵塞，以及分布不均的实际应用问题。然而，生物转鼓的废气去除效果，受到多种因素的影响，包括盘片材料与结构，转速，浸没比，水力停留时间，氧传递速率，运行工艺，其中浸没比、转速和结构是影响效果最重要的限制因素。例如，浸没比高的情况下，会导致填料有效体积大量减少，导致转鼓翻转电能的消耗，浸没比低的情况下，有效体积大，但是会导致填料微生物生长速率降低，处理效率降低。高转速会增加生物转鼓装置的电能消耗，由于与水面大面接触，增加旋转负荷，低转速则会影响微生物的活性。
因此，建立一种利用生物旋转球式反应器脱除氮氧化物的装置及方法极为重要。
发明内容
为解决现有生物反应器技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种低成本、能耗小、不易堵塞和处理能力强的一种生物旋转球式反应器脱除氮氧化物的装置及方法，以实现氮氧化物脱除。该方法通过化学吸收剂将烟气中的NOx转移至液相，通过生物旋转球式反应器实现氮氧化物脱除。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种生物旋转球式反应器脱除氮氧化物的装置，包括进气系统、密闭反应室、旋转球反应器和营养液输送系统；
所述旋转球反应器为固定于密闭反应室内的空心球体，球体表面均匀布设筛孔，球体中心设有出气罩，球体的转轴穿过出气罩，一端连接发动机，另一端伸出密闭反应室，所述出气罩通过出气通道与密闭反应室外连通；球体内(出气罩外)装有圆形填料，填料在球体内可随球体的转动而滚动；
所述进气系统和营养液输送系统均与密闭反应室连通；密闭反应器内有营养液，旋转球反应器的球体下部浸泡在营养液中。
优选地，所述出气通道为，至少自出气罩至伸出密闭反应室的一段转轴为空心轴，出气罩内的转轴上设有进气口，伸出密闭反应室的转轴上设有出气口。
优选地，所述填料为轻质耐磨多面空心球，多面空心球的每一平面均打孔(0.1-0.3mm)。孔隙中会填充生物膜，提高生物膜在运动型多面穿孔空心球的附着能力，并增加生物膜厚度。生物膜厚度的增加，进一步提高烟气高效脱硝过程。多面空心球的直径为25-40mm，孔隙率达到0.81，密度为0.14g/cm3，比表面积为300-800m2/m3。圆形的填料球体，在填料挂膜后，重力密度大于水，更有利于填料的运动，在旋转球工作时，填料随之发生翻滚，填料之间的摩擦，以及营养液对填料的冲刷，填料表面衰老的生物膜和过多的生物质，会随之脱落下来，进入营养液中，沉淀在营养液水底，所述的沉淀，可以半年排泥一次。
由于本发明的填料在球体反应器中不断摩擦碰撞，因此本填料优选超耐磨工程塑料，选用聚醚砜(PES)、尼龙(PA66，聚酰胺)、改性聚苯醚(MPPO)，同时用硅酸钙改性，使用寿命可达1年以上。
所述的工程塑料聚醚砜，韧性、硬度好及显著的长期承载特点、在温度-100℃～190℃内性能稳定，耐酸耐碱。所述的尼龙比重低、抗拉强度高、耐磨、自润滑性好、冲击韧性优异、具有刚柔兼备的性能，同时加工简便。所述MPPO为聚苯醚(PPO)与聚苯乙烯(HIPS)共混制得的改性材料，是一种高强度工程塑料，目前市面上的材料均为此种材料。所述的聚苯醚又称聚氧二甲苯，是一种便宜的耐高温塑料之一，通过与聚苯乙烯共混制得可减少应力开裂的现象。所述的工程塑料便宜易得，均可在市面上商业购买得到。
优选地，所述填料为经硅酸钙改性的工程塑料。填料的改性方法：通过在原材料细粉末中，添加硅酸钙粉末比例为1-5％，通过机械共混法，按照聚合物干混料制备生产的标准，在混合设备中，依靠桨叶的剪切和摩擦升温，温度在40-60度之间，充分混合，作为塑料加工的干粉料，最后按照工程塑料成熟的标准化制备工序，通过加压熔融注塑、挤出成型多面空心球。本发明的硅酸钙改性能显著强化填料表面的耐磨性能，传统的填料用碳酸钙改性，但是由于在氮氧化物生物处理环境中，会逐渐形成硝酸类强酸性的环境，在酸性环境下，碳酸钙会被溶解，使得填料的结构性能下降，寿命减短，2个月内大量填料破碎，因此本发明使用硅酸钙代替传统的碳酸钙进行改性，能在酸性环境中保持稳定不会被溶解，能强化填料表面的耐磨性能，增加填料的使用寿命，使用时间可延长至1年。
优选地，填料在球体内，处于未填充满的状态，如图2，所述填料在球体竖直方向上半径1/5留有空间；所述旋转球反应器的浸泡深度为竖直方向下半径的1/2-4/5。
优选地，所述的密闭反应器内设有恒温加热装置，密闭反应器设有压差计，出气口设有气闸调节。
所述生物旋转球式反应器采用硬质材料。所述的硬质性材料可以为不锈钢、硬质塑料。所述的硬质塑料可以使用乙烯-四氟乙烯共聚物。
利用所述装置脱除氮氧化物的方法，包括如下步骤；
(1)旋转球反应器挂膜：将好氧反硝化菌接种于旋转球反应器；
(2)将烟气通入密闭反应室内，旋转球反应器保持旋转，烟气进入旋转球反应器透过附有生物膜的填料，烟气中的氮氧化物被营养液中的络合剂吸收进入生物膜中被还原，处理后的气体从旋转球反应器中心的出气罩连通的出气通道排出。
优选地，营养液为反硝化菌提供生长，所述营养液和生物膜中含有铁还原菌(Ochrobactrum)、假单胞菌属(Pseudomonas)、副球菌属(Paracoccus)、产碱杆菌属(Alcaligenes)；所述营养液由以下成分组成(每升)：葡萄糖0.5-10g，K2HPO4，5g，KH2PO4，1g，MgCl2，0.05g，GaCl2，0.0111g，FeSO4·7H2O，0.005g，维生素，1mL，微量元素，1mL，络合剂5-60mM。
优选地，所述络合剂为二价铁络合物Fe(Ⅱ)EDTA。
优选地，步骤(1)所述挂膜是将旋转球反应器50％浸泡在营养液中，转速为0.1-1r/min，接种菌种于密闭反应室的营养液中，挂膜完成。
优选地，步骤(2)所述旋转球反应器的转速为0.1-2r/min。
优选地，所述废气氮氧化物进气中含有浓度1％-10％的氧气。
优选地，所述的烟气正压是通过气体电子流量计控制进气维持而形成的正压。
本发明烟气通入密闭反应室中，由于烟气中一般含有一定的氧气浓度，氧气会与Fe(Ⅱ)EDTA发生氧化反应，如(1)-(2)反应式，形成Fe(Ⅲ)EDTA，Fe(Ⅲ)EDTA失去对氧气的络合能力。营养液会形成一个厌氧池，在厌氧微生物和电子供体(electron donor)的作用下，Fe(Ⅱ)(EDTA)(NO)被还原成氮气并释放Fe(Ⅱ)(EDTA)，Fe(Ⅲ)(EDTA)会被还原成Fe(Ⅱ)(EDTA)，如反应式(3)-(4)所示。密闭反应室设有水位计，排水口，进气口、营养液进水口。密闭反应室与恒温控制器连接，在密闭反应室的底部有加热装置，维持营养液的温度在45-59度之间。
Fe(Ⅱ)(EDTA)+NO→Fe(Ⅱ)(EDTA)-NO (1)
4Fe(Ⅱ)(EDTA)+2O2+4H+→4Fe(Ⅲ)(EDTA)+H2O (2)
2Fe(II)EDTA-NO+electron donor→2Fe(II)EDTA+N2 (3)
Fe(Ⅲ)EDTA+electron donor+OH-→Fe(II)EDTA+H2O (4)
优选地，所述的密闭反应室可以根据地理位置和季节的变化，既是室外温度的变化，在反应室外部可附加保温层。所述的保温层可以是保温棉、空心板。
与现有生物塔技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用硅酸盐改性多面穿孔空心球，作为运动型填料，填料能保持运动翻滚状态，有利于填料上衰老的生物膜脱落和新生物膜的生长。同时减少堵塞，能保持长期稳定运行的优势，能有效应对中浓度或中负荷的氮氧化物废气处理。
(2)本发明球形结构，可以减少浸没比的影响，提高填料的有效体积利用率，球形体内翻滚运动的填料，在防止生物系统堵塞的表现上更为出色。球体或椭圆形表面的结构，更有利于球体在水上旋转，减少水力负荷和发动机的耗电，节省电能，进一步提高经济效益。
(3)密闭反应室内的营养液，更有利于保持厌氧状态，减少空气中的氧气对二价铁EDTA络合剂的影响。
(4)旋转球同时具备生物转鼓的优势，解决生物塔在污染物，营养液、微生物分布不均的问题，烟气脱硝效果可以达到80％以上。
(5)相比现有的生物处理系统，本技术可以应用于中高浓度和中高负荷的废气处理。
附图说明
图1为本发明生物旋转球式反应器脱除氮氧化物的装置的结构示意图。
图中：1一氧化氮气体；2氮气(惰性气体)；3空气压缩机；4耐压气体混合滚；5尾气吸收装置；6氮氧化物分析仪；7压差计；8进气流动方向；9排水和排泥出口；10营养液液面；11旋转球反应器；12固定骨架；13营养液储液池；14密闭反应室；15恒温加热装置；16营养液进水泵；17发动机；18恒温控制器。
图2为旋转球反应器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种生物旋转球式反应器脱除氮氧化物的装置，包括进气系统、密闭反应室14、旋转球反应器11和营养液输送系统，所述进气系统和营养液输送系统均与密闭反应室连通。
所述旋转球反应器11为固定于密闭反应室14内的空心球体，球体表面均匀布设筛孔，球体的转轴，一部分为空心轴，一部分为实心轴，空心轴与密闭反应室外连通，用于氮氧化物处理后的气体排放管，实心轴连接齿轮、发动机，齿轮传动，用于球体的旋转。
旋转球反应器11的球体中心设有圆球形出气罩，球体的转轴穿过出气罩，位于出气罩内的空心轴上设有出气口，出气罩可以防止填料堵塞出气口。圆球形出气罩与球主体骨架连接，骨架数量为2-8根，可以根据反应器的大小和实际工程的需要适当增加。所述骨架为强度大、耐磨、耐腐蚀的金属或塑料，可以为不锈钢或乙烯-四氟乙烯共聚物。
球体内装有圆形填料，填料在球体竖直方向上半径1/5留有空间，填料在球体内可随球体的转动而滚动；密闭反应器11内有营养液，旋转球反应器11的球体下部浸泡在营养液中，旋转球反应器的浸泡深度为竖直方向下半径的1/2。
实施例2
生物旋转球挂膜
从广州市某市政污水处理厂曝气池取活性污泥，分别接种于三个3L的烧杯中，各接种1L的活性污泥，配置1.5L的营养液。以葡萄糖作为碳源，硝酸钠为氮源，代替NO接种驯化反硝化菌，进行驯化培养，以间接式曝气来驯化反硝化微生物，进水0.5h，曝气1h，静置1h，排水0.5h用溶解氧便携式探头测水溶液中的溶解氧，溶解氧保持在2-4mg/L左右，用雷磁pH探头测定水中的pH，PH控制在6.6-7.4之间。每天测定出水总氮浓度和亚铁浓度，在营养液中第一天加入0mM的Fe(Ⅱ)EDTA，每隔一天增加一个Fe(Ⅱ)EDTA0.5mM，总氮脱除率不断增加，第15天下降，停止增加Fe(Ⅱ)EDTA，此时Fe(Ⅱ)EDTA为7mM，驯化第三周后，出水总氮脱除率稳定达到85％，烧杯中可见污泥颜色从黑色变成黄褐色，用鼻子闻具有土腥味，污泥状态似絮绒颗粒，颗粒粒径为0.02-0.2mm，污泥中栖息的微生物以好氧反硝化微生物为主，是一个以细菌为主体的群体，除此之外还有酵母菌、放线菌、霉菌，以及原生动物，驯化完成。
将驯化好的反硝化污泥，接种于生物旋转球模型装置中，装置为直径20厘米的球体，材料结构用不锈钢，球体表面有排列的长条形孔，体积为4.2L，启动阶段，继续以硝酸钠作为氮源，葡萄糖作为碳源进行挂膜，生物旋转球50％浸泡在营养液中，营养液成分不变，Fe(Ⅱ)EDTA为7mM，转动球体，转速为0.5r/min，球体中含有Fe(Ⅱ)EDTA，填料在球体内，处于未充满状态，球体旋转过程中，填料在不断的翻动，不断的和营养液冲刷，运行5天后，生物膜开始附着于填料表面，并不断减少硝酸钠的浓度，每天降低1mg/L硝酸钠，同时通入300ppm模拟工业烟气，烟气成分1.5％NO+20％空气+78％N2，是按照常规工业烟气的成分，进行配置而来，大量的小型燃煤工业锅炉调查研究发现，烟气成分中的氮氧化物，NO占比90％以上，同时含有微量的氧气。实际应用中燃煤锅炉烟气，经过湿法脱硫后，温度在60度左右，因此在这个滴滤塔的外侧壁上，水浴锅的保温水套将维持滴滤塔温度为55度左右。实验中采用的氧气浓度为3％，气体流速为300mL/min。运行30天后，肉眼可见的生物旋转球中的填料表面有棕色生物膜形成，驯化挂膜结束，脱硝效率稳定85％，装置驯化挂膜结束。
实施例3
模拟工业烟气，烟气成分NOx 1mg/L、O2 3％，CO2 18％，废气平均体积流量为12m3/h。
(1)营养液组分为：葡萄糖5g/L，K2HPO4，5g，KH2PO4，1g，MgCl2，0.05g，GaCl2，0.0111g，FeSO4·7H2O，0.005g，维生素，1mL，微量元素，1mL。用于细菌生长的金属微量元素包含以下组分(每升)：次氮基三乙酸，1.50g，MgSO4·7H2O，3.00g，MnSO4·H2O，0.5g，NaCl，1.00g，FeSO4·7H2O，0.10g，CoSO4·7H2O，0.18g，CaCl2·2H2O，0.10g，ZnSO4·7H2O，0.18g，CuSO4·5H2O，0.01g，KAl(SO4)2·12H2O，0.02g，H3BO3，0.01g，Na2MoO4·2H2O，0.01g，NiCl2·6H2O，0.03g，Na2SeO3·5H2O，0.30mg，Na2WO4·2H2O，0.40mg。细菌生长的维生素溶液包含以下成分(每升)：生物素，2.00mg，叶酸，2.00mg，吡哆醇-HCl，10.00mg，硫胺素-盐酸盐·2H2O，5.00mg，核黄素，5.00mg，维生素B12，0.10mg，D-Ca-泛酸盐，5.00mg，对氨基苯甲酸，5.00mg，烟酸，5.00mg，硫辛酸，5.00mg，蒸馏水，1000.00mL。
(2)填料采用聚氨酯泡沫球，直径为30mm，孔隙率、堆积密度和比表面积分别为为92％、110g/L和0.6m2/g。填料填充球体内，上部空间留有竖直方向，上半部分半径的1/5。
(3)将培养好的活性污泥，接种到填料上，球体浸泡1/2，定期测定废气处理效率，接种驯化挂膜，两周后挂膜成功。
(4)球体浸泡在营养液中，深度为竖直方向下半部分半径的2/3，转速为0.5r/min，温度很稳控制在55度，一个月后废气脱硝效率可达到90％。
实施例4
用于工厂燃煤锅炉烟气，将该装置用于某15t/h的燃煤热水锅炉，烟气流量为40000m3/h，NO含量为800mg/Nm3，烟气温度为60度，按照本发明的工艺，接着通入本发明的工艺系统中。
(1)旋转球直径3米，密闭反应室为3.5*3.5*3.5的正方形容器，转速为0.6r/min。
(2)营养液组分为：葡萄糖5g/L，K2HPO4，5g，KH2PO4，1g，MgCl2，0.05g，GaCl2，0.0111g，FeSO4·7H2O，0.005g，维生素，1mL，微量元素，1mL。
(3)填料采用多面空心球，采用50％浸泡结合硝酸盐挂膜，使得微生物很好的负载在填料表面后，然后升高旋转球，浸泡深度为下半径的3/4，在通入废气驯化挂膜一段时间适应环境。
(4)运行后2个月后，烟气离开滴滤塔排出口时，NO为50mg/Nm3，NO脱硝效率可以达到91.25％。
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)

1.一种生物旋转球式反应器脱除氮氧化物的装置，其特征在于，包括进气系统、密闭反应室、旋转球反应器和营养液输送系统；
所述旋转球反应器为固定于密闭反应室内的空心球体，球体表面均匀布设筛孔，球体中心设有出气罩，球体的转轴穿过出气罩，一端连接发动机，另一端伸出密闭反应室，所述出气罩通过出气通道与密闭反应室外连通；球体内装有圆形填料，填料在球体内可随球体的转动而滚动；
所述进气系统和营养液输送系统均与密闭反应室连通；密闭反应器内有营养液，旋转球反应器的球体下部浸泡在营养液中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述出气通道为，至少自出气罩至伸出密闭反应室的一段转轴为空心轴，出气罩内的转轴上设有进气口，伸出密闭反应室的转轴上设有出气口。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述填料为多面空心球，多面空心球的每一平面均打孔。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述填料为经硅酸钙改性的工程塑料。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述填料在球体竖直方向上半径1/5留有空间；所述旋转球反应器的浸泡深度为竖直方向下半径的1/2-4/5。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的密闭反应器内设有恒温加热装置，密闭反应器设有压差计，出气口设有气闸调节。
7.利用权利要求1～6任意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)旋转球反应器挂膜：将好氧反硝化菌接种于旋转球反应器；
(2)将烟气通入密闭反应室内，旋转球反应器保持旋转，烟气进入旋转球反应器透过附有生物膜的填料，烟气中的氮氧化物被营养液中的络合剂吸收进入生物膜中被还原，处理后的气体从旋转球反应器中心的出气罩连通的出气通道，排出密闭反应室。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述营养液和生物膜中含有铁还原菌(Ochrobactrum)、假单胞菌属(Pseudomonas)、副球菌属(Paracoccus)、产碱杆菌属(Alcaligenes)；所述营养液由以下成分组成(每升)：葡萄糖0.5-10g，K2HPO4，5g，KH2PO4，1g，MgCl2，0.05g，GaCl2，0.0111g，FeSO4·7H2O，0.005g，维生素，1mL，微量元素，1mL，络合剂5-60mM。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述络合剂为Fe(Ⅱ)EDTA。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述挂膜是将旋转球反应器50％浸泡在营养液中，转速为0.1-1r/min，接种菌种于密闭反应室的营养液中，挂膜完成；步骤(2)所述旋转球反应器的转速为0.1-2r/min。
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