磁性生物微球两级还原系统耦合化学吸收脱除NO的研究

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。