生物还原耦合化学吸收法脱氮影响因素

林建国，宰菲

（湖北工业大学，湖北武汉 430000）

热电厂通过燃煤发电，这种以原始的燃烧低热值的化石燃料为主的能源结构,对环境的影响巨大。其中，氮氧化物（NOX）是矿物燃料燃烧的主要污染物之一，其对于人类乃至生态系统都有很大的危害，会造成光化学烟雾、酸雨、雾霾，破坏臭氧层，危害动植物等等一系列环境污染问题及人体健康风险[1]。因此，研究生物还原耦合化学吸收脱氮技术，具有重大作用和意义。

1 生物还原耦合化学吸收法脱氮的原理

生物还原耦合化学吸收法综合了吸收法与生物法的优点，是在50℃条件下（烟气通过湿法脱硫后的温度），利用络合吸收剂Fe（Ⅱ）EDTA对一氧化氮的络合吸收作用，加快NO的气液传质过程，并利用微生物将络合吸收下来的NO转化为N2[5]。在化学吸收过程中，络合吸收剂的消耗包括两部分：（1）络合吸收的消耗产物为Fe（Ⅱ）EDTA-NO；（2）Fe（Ⅱ）EDTA易被氧气氧化为Fe（Ⅲ）EDTA，形成副反应产物，其不具备吸收一氧化氮的能力，导致络合吸收剂失效。上述两部分的吸收产物Fe（Ⅱ）EDTA-NO和Fe（Ⅲ）EDTA均可在微生物作用下将其还原为有效吸收成分Fe（Ⅱ）EDTA，从而实现络合剂的再生利用。根据上述过程分析可知，生物还原耦合化学吸收法处理烟气中氮氧化物的关键技术之一，就在于如何高效还原吸收液在化学吸收过程中产生的两种主要吸收产物Fe（Ⅱ）EDTA-NO和Fe（Ⅲ）EDTA。

生物还原耦合化学吸收法脱除NO工艺的原理如图1。

图1 生物还原耦合化学吸收脱除NOX过程工艺原理图

2 生物还原耦合化学吸收技术影响因素研究

混合功能菌具有防止杂菌污染、生长速度快、微生物群体稳定、混合底物利用率高、培养条件易掌握和控制等优点。本文采用混合功能菌建立生物还原耦合化学吸收体系，经过混合功能菌的培养和挂膜过程，在稳态运行条件下，探究不同工况和工艺参数对集成系统最终脱除NO效率的影响。NO还原速率和Fe（Ⅲ）还原速率受多种因素的影响，主要是碳源添加量、菌体接种量、pH值、温度等，下面就这些因素对微生物还原性能的影响分别进行考察。

2.1 碳源添加量的影响

实验结果如图2所示，当碳源量不超过200mg/L时，Fe（Ⅱ）EDTA-NO的还原速率随碳源量的增加而增加，碳源量超过200mg/L后，Fe（Ⅱ）EDTANO的还原速率基本稳定，不再随碳源量的增加而变化。对于Fe（Ⅲ）EDTA的还原速率，碳源量低于1 000 mg/L时，还原速率随碳源量的增加而增加；碳源量超过1 000 mg/L后，Fe（Ⅲ）EDTA的还原速率基本稳定。由此可说明，要保证快速的络合NO和Fe（Ⅲ）EDTA的还原速率，需要有一定量的碳源量才能满足还原需求，碳源量超过一定量后，不再对还原速率有促进作用。从工业应用成本上来说，碳源量适量即可。

2.2 菌体接种量的影响

以上述的碳源量为基础，实验测得结果如图3所示，菌体接种量以80mg/L为界点，当菌体接种量小于80mg/L时，络合NO的还原速率随菌体接种量的增大而增大；当菌体接种量大于80mg/L时，络合NO的还原速率不再随菌体接种量的增大而变化。并且在前30 h内，当菌体接种量很小时，微生物未充分繁殖生长，微生物的量很少，此时络合NO的还原速率很慢，表明微生物量需达到一定的量后才能有效还原NO。

图2 碳源量对Fe（II）EDTA-NO和Fe（III）EDTA还原的影响

对Fe（Ⅲ）的还原速率，菌体接种量以150mg/L为界点，当菌体接种量小于150mg/L时，Fe（Ⅲ）的还原速率随菌体接种量的增大而增大；当菌体接种量大于150mg/L时，络Fe（Ⅲ）的还原速率不再随菌体接种量的增大而变化。菌体接种量的多少直接影响Fe（Ⅲ）的还原速率。

图3 菌体接种量对络合NO和Fe（III）还原速率的影响

2.3 温度和pH的影响

混合功能菌的培养和络合物的还原都会受到各种环境因素的影响，特别是温度和pH值。若没有合适的温度和pH值，微生物原生质膜的电荷会发生不可知的变化，从而进一步影响微生物酶的活性以及对营养物质的吸收，微生物的酶促反应的速率也会受到影响。实验是在碳源量和菌体接种量充足的情况下，分别考察温度和pH值对络合NO还原速率和Fe（Ⅲ）还原速率的影响。

从图4可以看出，温度在30～40℃对微生物还原络合NO和Fe（Ⅲ）是比较适宜的温度区间，当温度高于40℃时，络合NO的还原速率快速下降，Fe（Ⅲ）的还原速率也会随着温度升高而下降，下降幅度较络合NO的还原速率来说较缓，原因可能是络合NO还原菌对温度的变化更为敏感。

从图5可以看出，络合NO的还原速率在pH值为4～7区间时，随pH值的增大而增大，Fe（Ⅲ）的还原速率pH值为4～6时，随pH值的增大而增大。若pH值大于7，络合NO的还原速率和Fe（Ⅲ）的还原速率都急剧下降，说明络合NO的还原菌和Fe（Ⅲ）的还原菌比较适宜在偏酸环境生长。

图4 温度的影响

图5 pH的影响

3 结论

本文建立稳态生物还原耦合化学吸收体系的前提下，探究体系各因素对络合NO脱除率和Fe（Ⅱ）浓度的影响。要保证快速的络合NO和Fe（Ⅲ）EDTA的还原速率需要有一定量的碳源量，才能满足还原需求，实验证明当碳源量大于200mg/L，Fe（Ⅱ）EDTA-NO能被完全还原。对于Fe（Ⅲ）EDTA的还原速率，碳源量为1000mg/L时，Fe（Ⅲ）EDTA还原速率不再增加。菌体接种量的多少直接影响Fe（Ⅲ）的还原速率，当菌体接种量小于150mg/L时，Fe（Ⅲ）的还原速率随菌体接种量的增大而增大，当菌体接种量大于150mg/L时，Fe（Ⅲ）的还原速率不再随菌体接种量的增大而变化。温度在30～40℃对微生物还原络合NO和Fe（Ⅲ）是比较适宜的温度区间，pH值在4～7对微生物还原络合NO和Fe（Ⅲ）是比较适宜的范围。