吸附-生物膜理论模型对鼓泡塔和生物膜填料塔净化NOX的适用性研究

郑超群，张艮林，孙珮石，吴志浩，邹 平，毕晓伊，王 洁，任洪强，张徐祥

(1.云南大学建筑与规划学院，云南 昆明650091； 2.云南大学材料科学与工程学院，云南 昆明650091；3.云南大学生态与环境学院，云南 昆明650091； 4.南京大学环境学院，江苏 南京210023)



吸附-生物膜理论模型对鼓泡塔和生物膜填料塔净化NOX的适用性研究

郑超群1，张艮林2，孙珮石3，吴志浩1，邹 平3，毕晓伊3，王 洁3，任洪强4，张徐祥4

(1.云南大学建筑与规划学院，云南 昆明650091； 2.云南大学材料科学与工程学院，云南 昆明650091；3.云南大学生态与环境学院，云南 昆明650091； 4.南京大学环境学院，江苏 南京210023)

依据“吸附-生物膜”理论对烟气同时脱硫脱氮用鼓泡塔和生物膜填料塔净化NOX进行了模拟研究，结果表明，运用“吸附-生物膜”理论及其动力学模型模拟鼓泡塔和生物膜填料塔对低浓度的NOX净化过程均具有良好的适用性。在进气量为0.4 m3/h、循环液喷淋量为12～15 L/h、pH为0.5～2.0、入口气体NOX浓度为1100～1700 mg/m3的操作条件下，两类净化塔NOx的出口浓度、生化去除量、净化效率的模拟理论值和实验值之间均具有良好的相关性，相关系数都>0.79。

吸附-生物膜理论；鼓泡塔；生物膜填料塔；净化NOx；模拟研究

近年来，生物法净化废气技术作为净化低浓度工业废气的一项新技术，在国内外的研究已日趋广泛[1-6]。目前，在采用生物法技术净化烟气中SO2和NOX方面的研究也快速增多[7-9]。同时，也有了一些关于生物法净化废气相关动力学问题的研究探索[10-16]。本课题组前期在采用生物法净化烟气中SO2和NOX方面开展了一些课题研究[17-21]，并就生物法同时净化烟气中SO2和NOX的过程动力学问题做了一些探索研究[22]。由于实验中两类净化塔的SO2净化效率均为100%，故本文只针对烟气同时脱硫脱氮用鼓泡塔和生物膜填料塔对NOX的生物净化过程进行了动力学模拟研究，探索研究及验证“吸附-生物膜”及其动力学模型的适用性。

1 实验装置和流程

本实验采用的烟气同时脱硫脱氮用净化塔分别是鼓泡塔和生物膜填料塔(在两个实验系统中分别使用)，实验系统装置包含气体配气装置、净化装置和循环装置等。其中SO2和NOX废气经由气体配气装置产生，然后由气泵将产生的实验用模拟废气自下而上输送到净化塔中，而高位槽中的循环液通过重力流入净化塔之后从塔下部流入循环槽，在循环槽中混合后经由循环液泵输送到高位槽实现循环过程，进而达到净化废气的目的。本实验均在室温下进行，气体流量为0.4 m3/h，循环液喷淋量及pH分别为12～15 L/h和0.5～2.0，烟气中NOX浓度为1100～1700 mg/m3。NOX进、出口气体浓度都采用英国产烟气分析仪KM950进行测定。实验装置和流程如图1所示。

2 吸附-生物膜理论模型的建立及适用性分析

2.1 建立吸附-生物膜理论的动力学模型[22-25]

吸附-生物膜理论的动力学模型是以净化塔式烟气净化装置为基础，并建立净化塔式的数学模拟系统(图2)，运用数学方法得出动力学模型计算式，同时做出相关的条件假设[23]：

(1)在实验过程中，净化塔的酸性循环液中溶解的NOX为一常数(C)，由此得出CLin=CLout=C(其中CLin、CLout分别为入口、出口循环液体中NOX浓度)。

(2)净化塔系统处于稳定且平衡状态，构成生物膜的微生物对NOX的生化降解反应速率足够快，NOX在生物膜表面的吸附速率等于其在生物膜内的生化降解反应速率，也即单位时间单位体积生物膜填料的NOX吸附量(q)与其在生物膜内的生化去除量(B)相等，q=B(mg/L·h)。

运用条件假设、NOX的生化去除量定义、经典的朗格缪尔(Langmuir)吸附公式及数学方法，建立NOX在净化塔内生化降解的微分方程：

(1)

将亨利定律式Hc=Cg/CI(Hc为亨利系数)代入(1)式中得：

(2)

对上式经过积分整理得到模型计算式：

(3)

式中：Cgin为进口气体浓度；Cgout为出口气体浓度；H为填料层高度；HC为亨利系数；Cl为液相NOX浓度；Cg为气相NOX浓度；Q为气体流量；L为循环液流量；A为鼓泡塔或填料塔的横截面积；b为生物膜填料塔的生化降解反应速率常数；λ为吸附系数。

2.2 吸附-生物膜理论模型适用性分析

本项目组前期开展了生物法净化低浓度H2S、SO2、NOX、CS2、VOCS(甲醛、苯乙烯等)废气的应用基础研究工作，在生物法净化低浓度有机废气过程中提出了吸附-生物膜理论及模型[23]，而在此之后又对相关动力学问题进行了探讨[24-25]。

由于烟气同时脱硫脱氮用生物净化塔的循环液pH一般为0.5～2.0，所以对于这类强酸性循环液来说，目标气态污染物NOX属于难溶或微溶气体。这样符合吸附-生物膜理论所描述的生物法净化废气的动力学过程。本研究依据吸附-生物膜理论，对鼓泡塔和生物膜填料塔净化NOX动力学过程和动力学模型进行了探索。

3 动力学模型的适用性验证

3.1 吸附-生物膜理论动力学模型对鼓泡塔净化NOX过程的适用性验证

在进气量Q=0.4 m3/h、循环液喷淋量为12～15 L/h 、pH为0.5～2.0的条件下，NOX入口气体浓度在1200～1700 mg/m3范围内，根据吸附-生物膜理论模型计算式模拟计算鼓泡塔的NOX出口气体浓度、生化去除量和净化效率，并将理论值和实验值进行对比，结果见图3。

对比图3中鼓泡塔的NOX出口气体浓度、生化去除量和净化效率的理论值与实验值可知，当鼓泡塔的操作条件分别为气体流量Q=0.4 m3/h、循环液喷淋量为12～15 L/h、pH为0.5～2.0、入口气体NOX浓度为1200～1700 mg/m3时，随着NOX入口浓度的增大，NOX出口气体浓度和生化去除量呈现上升趋势，而其净化效率则呈下降的趋势。对应的NOX的出口气体浓度、生化去除量和净化效率的理论值与实验值也显示出了相同的变化趋势。由图3中的对比可以看出，依据吸附-生物膜理论动力学模型进行的模拟计算得出的NOX的出口气体浓度、生化去除量及净化效率的理论值和实验值比较接近，相关系数分别为0.9991、0.8884、0.8303。这表明吸附-生物膜理论的动力学模型适用于描述鼓泡塔净化NOX的过程。

3.2 吸附-生物膜理论动力学模型对生物膜填料塔净化NOX过程的适用性验证

在进口气体流量Q=0.4 m3/h、循环液喷淋量为12～15 L/h 、pH为0.5～2.0的操作条件下，NOX入口气体浓度在1100～1700 mg/m3波动时，依据吸附-生物膜理论模型计算式模拟计算生物膜填料塔的NOX出口气体浓度、生化去除量及净化效率，并将理论值和实验值进行对比，结果见图4。

从图4中生物膜填料塔的NOX出口气体浓度、生化去除量和净化效率的理论值与实验值的对比可知，在气体流量Q=0.4 m3/h、循环液喷淋量为12～15 L/h、pH为0.5～2.0、入口气体NOX浓度为1100～1700 mg/m3时，随着NOX入口浓度的增大，NOX出口气体浓度和生化去除量呈现上升趋势，而其净化效率则呈平缓下降趋势。图4中的对比结果显示，生物膜填料塔的NOX出口气体浓度、生化去除量和净化效率的理论值与实验值都有一致变化。根据吸附-生物膜理论的动力学模型模拟，NOX的出口气体浓度、生化去除量及净化效率的理论值和实验值比较接近，相关系数分别为0.9950、0.9067、0.7980。其结果表明，吸附-生物膜理论的动力学模型适用于描述生物膜填料塔净化NOX的过程。

4 结论

吸附-生物膜理论及其动力学模型对于描述鼓泡塔和生物膜填料塔净化NOX的过程均具有良好的适用性。对于随入口气体NOX浓度变化模拟计算两净化塔的各NOX出口气体浓度、生化去除量和净化效率的理论值与实验值之间均具有良好的相关性，相关系数都达到0.79以上，表明该模型适用于描述鼓泡塔和生物膜填料塔对NOX的净化过程。

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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

国家自然科学基金资助项目(51278447,51168046,51008264)。

郑超群(1990-),男,湖北省孝感市人，硕士研究生,主要从事生物法烟气脱硫脱氮方面的研究。

张艮林(1978-),男,副研究员，博士,研究方向：环境污染治理技术基础与应用。

X701

A

1673-9655(2017)05-0047-04