生物還原耦合化學吸收法脫氮影響因素

林建國，宰菲

（湖北工業大學，湖北武漢 430000）

熱電廠通過燃煤發電，這種以原始的燃燒低熱值的化石燃料為主的能源結構,對環境的影響巨大。其中，氮氧化物（NOX）是礦物燃料燃燒的主要污染物之一，其對于人類乃至生態系統都有很大的危害，會造成光化學煙霧、酸雨、霧霾，破壞臭氧層，危害動植物等等一系列環境污染問題及人體健康風險[1]。因此，研究生物還原耦合化學吸收脫氮技術，具有重大作用和意義。

1 生物還原耦合化學吸收法脫氮的原理

生物還原耦合化學吸收法綜合了吸收法與生物法的優點，是在50℃條件下（煙氣通過濕法脫硫后的溫度），利用絡合吸收劑Fe（Ⅱ）EDTA對一氧化氮的絡合吸收作用，加快NO的氣液傳質過程，并利用微生物將絡合吸收下來的NO轉化為N2[5]。在化學吸收過程中，絡合吸收劑的消耗包括兩部分：（1）絡合吸收的消耗產物為Fe（Ⅱ）EDTA-NO；（2）Fe（Ⅱ）EDTA易被氧氣氧化為Fe（Ⅲ）EDTA，形成副反應產物，其不具備吸收一氧化氮的能力，導致絡合吸收劑失效。上述兩部分的吸收產物Fe（Ⅱ）EDTA-NO和Fe（Ⅲ）EDTA均可在微生物作用下將其還原為有效吸收成分Fe（Ⅱ）EDTA，從而實現絡合劑的再生利用。根據上述過程分析可知，生物還原耦合化學吸收法處理煙氣中氮氧化物的關鍵技術之一，就在于如何高效還原吸收液在化學吸收過程中產生的兩種主要吸收產物Fe（Ⅱ）EDTA-NO和Fe（Ⅲ）EDTA。

生物還原耦合化學吸收法脫除NO工藝的原理如圖1。

圖1 生物還原耦合化學吸收脫除NOX過程工藝原理圖

2 生物還原耦合化學吸收技術影響因素研究

混合功能菌具有防止雜菌污染、生長速度快、微生物群體穩定、混合底物利用率高、培養條件易掌握和控制等優點。本文采用混合功能菌建立生物還原耦合化學吸收體系，經過混合功能菌的培養和掛膜過程，在穩態運行條件下，探究不同工況和工藝參數對集成系統最終脫除NO效率的影響。NO還原速率和Fe（Ⅲ）還原速率受多種因素的影響，主要是碳源添加量、菌體接種量、pH值、溫度等，下面就這些因素對微生物還原性能的影響分別進行考察。

2.1 碳源添加量的影響

實驗結果如圖2所示，當碳源量不超過200mg/L時，Fe（Ⅱ）EDTA-NO的還原速率隨碳源量的增加而增加，碳源量超過200mg/L后，Fe（Ⅱ）EDTANO的還原速率基本穩定，不再隨碳源量的增加而變化。對于Fe（Ⅲ）EDTA的還原速率，碳源量低于1 000 mg/L時，還原速率隨碳源量的增加而增加；碳源量超過1 000 mg/L后，Fe（Ⅲ）EDTA的還原速率基本穩定。由此可說明，要保證快速的絡合NO和Fe（Ⅲ）EDTA的還原速率，需要有一定量的碳源量才能滿足還原需求，碳源量超過一定量后，不再對還原速率有促進作用。從工業應用成本上來說，碳源量適量即可。

2.2 菌體接種量的影響

以上述的碳源量為基礎，實驗測得結果如圖3所示，菌體接種量以80mg/L為界點，當菌體接種量小于80mg/L時，絡合NO的還原速率隨菌體接種量的增大而增大；當菌體接種量大于80mg/L時，絡合NO的還原速率不再隨菌體接種量的增大而變化。并且在前30 h內，當菌體接種量很小時，微生物未充分繁殖生長，微生物的量很少，此時絡合NO的還原速率很慢，表明微生物量需達到一定的量后才能有效還原NO。

圖2 碳源量對Fe（II）EDTA-NO和Fe（III）EDTA還原的影響

對Fe（Ⅲ）的還原速率，菌體接種量以150mg/L為界點，當菌體接種量小于150mg/L時，Fe（Ⅲ）的還原速率隨菌體接種量的增大而增大；當菌體接種量大于150mg/L時，絡Fe（Ⅲ）的還原速率不再隨菌體接種量的增大而變化。菌體接種量的多少直接影響Fe（Ⅲ）的還原速率。

圖3 菌體接種量對絡合NO和Fe（III）還原速率的影響

2.3 溫度和pH的影響

混合功能菌的培養和絡合物的還原都會受到各種環境因素的影響，特別是溫度和pH值。若沒有合適的溫度和pH值，微生物原生質膜的電荷會發生不可知的變化，從而進一步影響微生物酶的活性以及對營養物質的吸收，微生物的酶促反應的速率也會受到影響。實驗是在碳源量和菌體接種量充足的情況下，分別考察溫度和pH值對絡合NO還原速率和Fe（Ⅲ）還原速率的影響。

從圖4可以看出，溫度在30～40℃對微生物還原絡合NO和Fe（Ⅲ）是比較適宜的溫度區間，當溫度高于40℃時，絡合NO的還原速率快速下降，Fe（Ⅲ）的還原速率也會隨著溫度升高而下降，下降幅度較絡合NO的還原速率來說較緩，原因可能是絡合NO還原菌對溫度的變化更為敏感。

從圖5可以看出，絡合NO的還原速率在pH值為4～7區間時，隨pH值的增大而增大，Fe（Ⅲ）的還原速率pH值為4～6時，隨pH值的增大而增大。若pH值大于7，絡合NO的還原速率和Fe（Ⅲ）的還原速率都急劇下降，說明絡合NO的還原菌和Fe（Ⅲ）的還原菌比較適宜在偏酸環境生長。

圖4 溫度的影響

圖5 pH的影響

3 結論

本文建立穩態生物還原耦合化學吸收體系的前提下，探究體系各因素對絡合NO脫除率和Fe（Ⅱ）濃度的影響。要保證快速的絡合NO和Fe（Ⅲ）EDTA的還原速率需要有一定量的碳源量，才能滿足還原需求，實驗證明當碳源量大于200mg/L，Fe（Ⅱ）EDTA-NO能被完全還原。對于Fe（Ⅲ）EDTA的還原速率，碳源量為1000mg/L時，Fe（Ⅲ）EDTA還原速率不再增加。菌體接種量的多少直接影響Fe（Ⅲ）的還原速率，當菌體接種量小于150mg/L時，Fe（Ⅲ）的還原速率隨菌體接種量的增大而增大，當菌體接種量大于150mg/L時，Fe（Ⅲ）的還原速率不再隨菌體接種量的增大而變化。溫度在30～40℃對微生物還原絡合NO和Fe（Ⅲ）是比較適宜的溫度區間，pH值在4～7對微生物還原絡合NO和Fe（Ⅲ）是比較適宜的范圍。