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NO废气进口浓度和流速对生物滤床净化性能的影响*
摘要: 研究了采用Carbon Foam为填料的生物滤床处理NO废气实验中废气进口浓度和流速对处理效果的影响。从8个月的研究结果来看,所采用的填料具有较好的物化性能。在实验的第一阶段,NO去除负荷符合微生物的生长规律。对数期可清楚地从去除负荷图中得到体现,在其中的后30天中,NO2--N 转化为 NO3--N 的量较快地从30mg·L-1·d-1 增加到253 mg·L-1·d-1。在实验的第二阶段,研究了废气流速和进口浓度与净化性能的关系,去除效率随着停留时间的增加而增加最后达到一个平衡值,去除效率大概为52%,在停留时间相对较小阶段,传质是速度控制步骤,停留时间为2min是较经济的操作参数。结果表明,在气体流速较慢时,无论是去除效率还是去除负荷都比较高。同时,从理论的分析和滤床内的非生物去除研究来看,化学氧化在滤床内的作用是不可忽视的,对于较高的进口浓度(1000 mg?m-3以上),化学氧化所占的份额较大。
关键词:生物滤床;一氧化氮;流速;浓度;
前言
生物过滤技术,一种新的废气净化技术,具有处理效率高,运行费用低等特点,常被用来处理工业企业的生产废气,特别适用于处理大流量低浓度气体。生物过滤床由床体和接种有微生物的填料(泥炭,活性炭,堆肥等)组成[1-3]。一氧化氮(NO)是大气中导致酸雨的主要成因之一,并且参与臭氧层的消耗,同时又缺乏较为理想的治理技术,是目前急需治理的有害废气之一[4-6]。
本文研究进口浓度和气体停留时间等操作条件对模拟NO废气处理效果的影响,采用化能自养硝化菌,在滤床中通过生物硝化过程净化含NO废气,经过180天的实验研究,得出了较好的操作条件。
理论分析
= 1 \* GB3 ① 国家863计划(2002AA649310)和国家自然科学基金资助项目。
= 2 \* GB3 ② 联系作者:男,1966年生,博士,教授(博士生导师);电话0571email:jchen@zjut.edu.cn
2.1 生物硝化机理
在生物硝化过程中,NO被自养硝化细菌氧化为硝酸根,反应机理反应如下[7]:
2.2 化学氧化机理
硝化细菌是好氧菌,在整个反应过程中有O2的存在,所以存在如下反应:
2NO+ O2 2NO2 (1)
NO与O2反应生成NO2是一经典的三分子化学反应,生成物NO2极易溶于水,能被液相较快地吸收。该反应对NO来说是二级反应,以NO浓度表示的反应速率为[8]:
d[NO]/dt = - 2k[NO]2[O2] (2)
其反应速率常数 mg-2·m6 min-1,NO的氧化还原活性比较高,但通常由于其在环境中的浓度比较低,因而反应速率比较慢,常被忽略不计。但是在典型的生物滴滤床中氧浓度约为2.6?105 mg·m-3、NO浓度也不低(如数百mg·m-3)的条件下,其反应速率随NO浓度的平方成正比,该反应的作用就显得十分重要了。
当NO与液相中的O2和H2O接触时,其化学计量方程式为:
4NO+O2 +2H2O 4NO2- + 4H+ (3)
实验表明[7],溶液中虽然O2过剩,但产物依然是NO2—,液相中NO的反应速率可表达为:
d[NO]/dt = - 4kaq [NO]2[O2] (4)
式(4)中的反应速率常数根据不同的来源各不相同,但基本相近。Awad和 Stanbury[8]的结果为4kaq = 8×106 m-2s-1,Pires等[9]研究表明 4kaq=?(6.4???0.8)?×106 m-2s-1 。总之,在液相中NO具有较快的化学氧化速率。
显然,式(3)不是一个基元反应。尽管确切的反应机理尚不能确定,但Awad、 Stanbury [7]和Pires等[8]均采用以下反应过程来解释其动力学研究结果:
2NO+ O2 2NO2 (慢) (5)
NO + NO2 N2O3 (快速反应) (6)
N2O3+H2O 4NO2-+ 2H+ (快速反应) (7)
可见,在生物滴滤床中,NO在液相中的化学氧化去除过程中,反应式(5)为其去除的速率控制步骤。
假设气相中氧浓度
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