吸附-生物膜理論模型對鼓泡塔和生物膜填料塔凈化NOX的適用性研究

鄭超群，張艮林，孫珮石，吳志浩，鄒 平，畢曉伊，王 潔，任洪強，張徐祥

(1.云南大學建筑與規劃學院，云南 昆明650091； 2.云南大學材料科學與工程學院，云南 昆明650091；3.云南大學生態與環境學院，云南 昆明650091； 4.南京大學環境學院，江蘇 南京210023)

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吸附-生物膜理論模型對鼓泡塔和生物膜填料塔凈化NOX的適用性研究

鄭超群1，張艮林2，孫珮石3，吳志浩1，鄒 平3，畢曉伊3，王 潔3，任洪強4，張徐祥4

(1.云南大學建筑與規劃學院，云南 昆明650091； 2.云南大學材料科學與工程學院，云南 昆明650091；3.云南大學生態與環境學院，云南 昆明650091； 4.南京大學環境學院，江蘇 南京210023)

依據“吸附-生物膜”理論對煙氣同時脫硫脫氮用鼓泡塔和生物膜填料塔凈化NOX進行了模擬研究，結果表明，運用“吸附-生物膜”理論及其動力學模型模擬鼓泡塔和生物膜填料塔對低濃度的NOX凈化過程均具有良好的適用性。在進氣量為0.4 m3/h、循環液噴淋量為12～15 L/h、pH為0.5～2.0、入口氣體NOX濃度為1100～1700 mg/m3的操作條件下，兩類凈化塔NOx的出口濃度、生化去除量、凈化效率的模擬理論值和實驗值之間均具有良好的相關性，相關系數都>0.79。

吸附-生物膜理論；鼓泡塔；生物膜填料塔；凈化NOx；模擬研究

近年來，生物法凈化廢氣技術作為凈化低濃度工業廢氣的一項新技術，在國內外的研究已日趨廣泛[1-6]。目前，在采用生物法技術凈化煙氣中SO2和NOX方面的研究也快速增多[7-9]。同時，也有了一些關于生物法凈化廢氣相關動力學問題的研究探索[10-16]。本課題組前期在采用生物法凈化煙氣中SO2和NOX方面開展了一些課題研究[17-21]，并就生物法同時凈化煙氣中SO2和NOX的過程動力學問題做了一些探索研究[22]。由于實驗中兩類凈化塔的SO2凈化效率均為100%，故本文只針對煙氣同時脫硫脫氮用鼓泡塔和生物膜填料塔對NOX的生物凈化過程進行了動力學模擬研究，探索研究及驗證“吸附-生物膜”及其動力學模型的適用性。

1 實驗裝置和流程

本實驗采用的煙氣同時脫硫脫氮用凈化塔分別是鼓泡塔和生物膜填料塔(在兩個實驗系統中分別使用)，實驗系統裝置包含氣體配氣裝置、凈化裝置和循環裝置等。其中SO2和NOX廢氣經由氣體配氣裝置產生，然后由氣泵將產生的實驗用模擬廢氣自下而上輸送到凈化塔中，而高位槽中的循環液通過重力流入凈化塔之后從塔下部流入循環槽，在循環槽中混合后經由循環液泵輸送到高位槽實現循環過程，進而達到凈化廢氣的目的。本實驗均在室溫下進行，氣體流量為0.4 m3/h，循環液噴淋量及pH分別為12～15 L/h和0.5～2.0，煙氣中NOX濃度為1100～1700 mg/m3。NOX進、出口氣體濃度都采用英國產煙氣分析儀KM950進行測定。實驗裝置和流程如圖1所示。

2 吸附-生物膜理論模型的建立及適用性分析

2.1 建立吸附-生物膜理論的動力學模型[22-25]

吸附-生物膜理論的動力學模型是以凈化塔式煙氣凈化裝置為基礎，并建立凈化塔式的數學模擬系統(圖2)，運用數學方法得出動力學模型計算式，同時做出相關的條件假設[23]：

(1)在實驗過程中，凈化塔的酸性循環液中溶解的NOX為一常數(C)，由此得出CLin=CLout=C(其中CLin、CLout分別為入口、出口循環液體中NOX濃度)。

(2)凈化塔系統處于穩定且平衡狀態，構成生物膜的微生物對NOX的生化降解反應速率足夠快，NOX在生物膜表面的吸附速率等于其在生物膜內的生化降解反應速率，也即單位時間單位體積生物膜填料的NOX吸附量(q)與其在生物膜內的生化去除量(B)相等，q=B(mg/L·h)。

運用條件假設、NOX的生化去除量定義、經典的朗格繆爾(Langmuir)吸附公式及數學方法，建立NOX在凈化塔內生化降解的微分方程：

(1)

將亨利定律式Hc=Cg/CI(Hc為亨利系數)代入(1)式中得：

(2)

對上式經過積分整理得到模型計算式：

(3)

式中：Cgin為進口氣體濃度；Cgout為出口氣體濃度；H為填料層高度；HC為亨利系數；Cl為液相NOX濃度；Cg為氣相NOX濃度；Q為氣體流量；L為循環液流量；A為鼓泡塔或填料塔的橫截面積；b為生物膜填料塔的生化降解反應速率常數；λ為吸附系數。

2.2 吸附-生物膜理論模型適用性分析

本項目組前期開展了生物法凈化低濃度H2S、SO2、NOX、CS2、VOCS(甲醛、苯乙烯等)廢氣的應用基礎研究工作，在生物法凈化低濃度有機廢氣過程中提出了吸附-生物膜理論及模型[23]，而在此之后又對相關動力學問題進行了探討[24-25]。

由于煙氣同時脫硫脫氮用生物凈化塔的循環液pH一般為0.5～2.0，所以對于這類強酸性循環液來說，目標氣態污染物NOX屬于難溶或微溶氣體。這樣符合吸附-生物膜理論所描述的生物法凈化廢氣的動力學過程。本研究依據吸附-生物膜理論，對鼓泡塔和生物膜填料塔凈化NOX動力學過程和動力學模型進行了探索。

3 動力學模型的適用性驗證

3.1 吸附-生物膜理論動力學模型對鼓泡塔凈化NOX過程的適用性驗證

在進氣量Q=0.4 m3/h、循環液噴淋量為12～15 L/h 、pH為0.5～2.0的條件下，NOX入口氣體濃度在1200～1700 mg/m3范圍內，根據吸附-生物膜理論模型計算式模擬計算鼓泡塔的NOX出口氣體濃度、生化去除量和凈化效率，并將理論值和實驗值進行對比，結果見圖3。

對比圖3中鼓泡塔的NOX出口氣體濃度、生化去除量和凈化效率的理論值與實驗值可知，當鼓泡塔的操作條件分別為氣體流量Q=0.4 m3/h、循環液噴淋量為12～15 L/h、pH為0.5～2.0、入口氣體NOX濃度為1200～1700 mg/m3時，隨著NOX入口濃度的增大，NOX出口氣體濃度和生化去除量呈現上升趨勢，而其凈化效率則呈下降的趨勢。對應的NOX的出口氣體濃度、生化去除量和凈化效率的理論值與實驗值也顯示出了相同的變化趨勢。由圖3中的對比可以看出，依據吸附-生物膜理論動力學模型進行的模擬計算得出的NOX的出口氣體濃度、生化去除量及凈化效率的理論值和實驗值比較接近，相關系數分別為0.9991、0.8884、0.8303。這表明吸附-生物膜理論的動力學模型適用于描述鼓泡塔凈化NOX的過程。

3.2 吸附-生物膜理論動力學模型對生物膜填料塔凈化NOX過程的適用性驗證

在進口氣體流量Q=0.4 m3/h、循環液噴淋量為12～15 L/h 、pH為0.5～2.0的操作條件下，NOX入口氣體濃度在1100～1700 mg/m3波動時，依據吸附-生物膜理論模型計算式模擬計算生物膜填料塔的NOX出口氣體濃度、生化去除量及凈化效率，并將理論值和實驗值進行對比，結果見圖4。

從圖4中生物膜填料塔的NOX出口氣體濃度、生化去除量和凈化效率的理論值與實驗值的對比可知，在氣體流量Q=0.4 m3/h、循環液噴淋量為12～15 L/h、pH為0.5～2.0、入口氣體NOX濃度為1100～1700 mg/m3時，隨著NOX入口濃度的增大，NOX出口氣體濃度和生化去除量呈現上升趨勢，而其凈化效率則呈平緩下降趨勢。圖4中的對比結果顯示，生物膜填料塔的NOX出口氣體濃度、生化去除量和凈化效率的理論值與實驗值都有一致變化。根據吸附-生物膜理論的動力學模型模擬，NOX的出口氣體濃度、生化去除量及凈化效率的理論值和實驗值比較接近，相關系數分別為0.9950、0.9067、0.7980。其結果表明，吸附-生物膜理論的動力學模型適用于描述生物膜填料塔凈化NOX的過程。

4 結論

吸附-生物膜理論及其動力學模型對于描述鼓泡塔和生物膜填料塔凈化NOX的過程均具有良好的適用性。對于隨入口氣體NOX濃度變化模擬計算兩凈化塔的各NOX出口氣體濃度、生化去除量和凈化效率的理論值與實驗值之間均具有良好的相關性，相關系數都達到0.79以上，表明該模型適用于描述鼓泡塔和生物膜填料塔對NOX的凈化過程。

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Suitability Study of Adsorption-biofilm Theory Model on Purifying NOXby Bubble Column and Biofilm-packing Tower

ZHENG Chao-Qun1, ZHANG Gen-Lin2, SUN Pei-shi3, WU Zhi-hao1, ZOU Ping3, BI Xiao-yi3, WANG Jie3, REN Hong-qiang4, ZHANG Xu-xiang4

(1.School of Architecture and Planning, Yunnan University, Kunming Yunnan 650091 ,China)

The simulation study on purifying NOXby bubble column and biofilm-packing tower using for simultaneous desulfurization and denitrification from flue gas by applying the Adsorption-biofilm theory was conducted. The simulation research results indicated that the Adsorption-biofilm theory and its kinetic model had good suitability for describing and simulating the purifying process of NOXin the tested bubble column system and biofilm-packing tower system. Under the operation condition of the influent gas flowrate 0.4m3/h, the range of the spraying quantity of circulation fluid 12～15L/h, the range of pH 0.5～2 and the range of NOXconcentration 1100～1170m3/h, the concentration in outlet, bio-elimination capacity, and purification efficiency of two purification tower system were simulated for NOXabove respectively. The good relativities between simulated theoretical data and experimental data were obtained. The interrelation coefficients were above 0.79.

adsorption-biofilm theory; bubble column; biofilm-packing tower; NOXpurification; simulation study

2017-03-13

國家自然科學基金資助項目(51278447,51168046,51008264)。

鄭超群(1990-),男,湖北省孝感市人，碩士研究生,主要從事生物法煙氣脫硫脫氮方面的研究。

張艮林(1978-),男,副研究員，博士,研究方向：環境污染治理技術基礎與應用。

X701

A

1673-9655(2017)05-0047-04