鄭超群，張艮林，孫珮石，吳志浩，鄒 平，畢曉伊，王 潔，任洪強(qiáng)，張徐祥

(1.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明650091； 2.云南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明650091；3.云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明650091； 4.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京210023)

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吸附-生物膜理論模型對(duì)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(qiáng)4，張徐祥4

(1.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明650091； 2.云南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明650091；3.云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明650091； 4.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京210023)

依據(jù)“吸附-生物膜”理論對(duì)煙氣同時(shí)脫硫脫氮用鼓泡塔和生物膜填料塔凈化NOX進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明，運(yùn)用“吸附-生物膜”理論及其動(dòng)力學(xué)模型模擬鼓泡塔和生物膜填料塔對(duì)低濃度的NOX凈化過(guò)程均具有良好的適用性。在進(jìn)氣量為0.4 m3/h、循環(huán)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(shí)驗(yàn)值之間均具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)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(lái)，生物法凈化廢氣技術(shù)作為凈化低濃度工業(yè)廢氣的一項(xiàng)新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外的研究已日趨廣泛[1-6]。目前，在采用生物法技術(shù)凈化煙氣中SO2和NOX方面的研究也快速增多[7-9]。同時(shí)，也有了一些關(guān)于生物法凈化廢氣相關(guān)動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(kāi)展了一些課題研究[17-21]，并就生物法同時(shí)凈化煙氣中SO2和NOX的過(guò)程動(dòng)力學(xué)問(wèn)題做了一些探索研究[22]。由于實(shí)驗(yàn)中兩類凈化塔的SO2凈化效率均為100%，故本文只針對(duì)煙氣同時(shí)脫硫脫氮用鼓泡塔和生物膜填料塔對(duì)NOX的生物凈化過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬研究，探索研究及驗(yàn)證“吸附-生物膜”及其動(dòng)力學(xué)模型的適用性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和流程

本實(shí)驗(yàn)采用的煙氣同時(shí)脫硫脫氮用凈化塔分別是鼓泡塔和生物膜填料塔(在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中分別使用)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置包含氣體配氣裝置、凈化裝置和循環(huán)裝置等。其中SO2和NOX廢氣經(jīng)由氣體配氣裝置產(chǎn)生，然后由氣泵將產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)用模擬廢氣自下而上輸送到凈化塔中，而高位槽中的循環(huán)液通過(guò)重力流入凈化塔之后從塔下部流入循環(huán)槽，在循環(huán)槽中混合后經(jīng)由循環(huán)液泵輸送到高位槽實(shí)現(xiàn)循環(huán)過(guò)程，進(jìn)而達(dá)到凈化廢氣的目的。本實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，氣體流量為0.4 m3/h，循環(huán)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(jìn)、出口氣體濃度都采用英國(guó)產(chǎn)煙氣分析儀KM950進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)模型[22-25]

吸附-生物膜理論的動(dòng)力學(xué)模型是以凈化塔式煙氣凈化裝置為基礎(chǔ)，并建立凈化塔式的數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)(圖2)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法得出動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算式，同時(shí)做出相關(guān)的條件假設(shè)[23]：

(1)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，凈化塔的酸性循環(huán)液中溶解的NOX為一常數(shù)(C)，由此得出CLin=CLout=C(其中CLin、CLout分別為入口、出口循環(huán)液體中NOX濃度)。

(2)凈化塔系統(tǒng)處于穩(wěn)定且平衡狀態(tài)，構(gòu)成生物膜的微生物對(duì)NOX的生化降解反應(yīng)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(nèi)的生化降解反應(yīng)速率，也即單位時(shí)間單位體積生物膜填料的NOX吸附量(q)與其在生物膜內(nèi)的生化去除量(B)相等，q=B(mg/L·h)。

運(yùn)用條件假設(shè)、NOX的生化去除量定義、經(jīng)典的朗格繆爾(Langmuir)吸附公式及數(shù)學(xué)方法，建立NOX在凈化塔內(nèi)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(shù))代入(1)式中得：

(2)

對(duì)上式經(jīng)過(guò)積分整理得到模型計(jì)算式：

(3)

式中：Cgin為進(jìn)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(shù)；Cl為液相NOX濃度；Cg為氣相NOX濃度；Q為氣體流量；L為循環(huán)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(yīng)速率常數(shù)；λ為吸附系數(shù)。

2.2 吸附-生物膜理論模型適用性分析

本項(xiàng)目組前期開(kāi)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(yīng)用基礎(chǔ)研究工作，在生物法凈化低濃度有機(jī)廢氣過(guò)程中提出了吸附-生物膜理論及模型[23]，而在此之后又對(duì)相關(guān)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了探討[24-25]。

由于煙氣同時(shí)脫硫脫氮用生物凈化塔的循環(huán)液pH一般為0.5～2.0，所以對(duì)于這類強(qiáng)酸性循環(huán)液來(lái)說(shuō)，目標(biāo)氣態(tài)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(dòng)力學(xué)過(guò)程。本研究依據(jù)吸附-生物膜理論，對(duì)鼓泡塔和生物膜填料塔凈化NOX動(dòng)力學(xué)過(guò)程和動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了探索。

3 動(dòng)力學(xué)模型的適用性驗(yàn)證

3.1 吸附-生物膜理論動(dòng)力學(xué)模型對(duì)鼓泡塔凈化NOX過(guò)程的適用性驗(yàn)證

在進(jìn)氣量Q=0.4 m3/h、循環(huán)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(nèi)，根據(jù)吸附-生物膜理論模型計(jì)算式模擬計(jì)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(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖3。

對(duì)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(shí)驗(yàn)值可知，當(dāng)鼓泡塔的操作條件分別為氣體流量Q=0.4 m3/h、循環(huán)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(shí)，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(xiàn)上升趨勢(shì)，而其凈化效率則呈下降的趨勢(shì)。對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)值也顯示出了相同的變化趨勢(shì)。由圖3中的對(duì)比可以看出，依據(jù)吸附-生物膜理論動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行的模擬計(jì)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(shí)驗(yàn)值比較接近，相關(guān)系數(shù)分別為0.9991、0.8884、0.8303。這表明吸附-生物膜理論的動(dòng)力學(xué)模型適用于描述鼓泡塔凈化NOX的過(guò)程。

3.2 吸附-生物膜理論動(dòng)力學(xué)模型對(duì)生物膜填料塔凈化NOX過(guò)程的適用性驗(yàn)證

在進(jìn)口氣體流量Q=0.4 m3/h、循環(huán)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(dòng)時(shí)，依據(jù)吸附-生物膜理論模型計(jì)算式模擬計(jì)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(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)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(shí)驗(yàn)值的對(duì)比可知，在氣體流量Q=0.4 m3/h、循環(huán)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(shí)，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(xiàn)上升趨勢(shì)，而其凈化效率則呈平緩下降趨勢(shì)。圖4中的對(duì)比結(jié)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(shí)驗(yàn)值都有一致變化。根據(jù)吸附-生物膜理論的動(dòng)力學(xué)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(shí)驗(yàn)值比較接近，相關(guān)系數(shù)分別為0.9950、0.9067、0.7980。其結(jié)果表明，吸附-生物膜理論的動(dòng)力學(xué)模型適用于描述生物膜填料塔凈化NOX的過(guò)程。

4 結(jié)論

吸附-生物膜理論及其動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于描述鼓泡塔和生物膜填料塔凈化NOX的過(guò)程均具有良好的適用性。對(duì)于隨入口氣體NOX濃度變化模擬計(jì)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(shí)驗(yàn)值之間均具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都達(dá)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(duì)NOX的凈化過(guò)程。

[1]王洪艷,黃鑫宗,李紹森，等.有機(jī)廢氣處理技術(shù)新進(jìn)展[J].廣東化工,2014,41(12):155-156.

[2]張尊平.有機(jī)廢氣處理技術(shù)初探[J].江西建材,2015(5):244-244.

[3]Dongqi Liao,Jianjun Li,Duanfang Sun，et al.Treatment of volatile organic compounds from a typical waste printed circuit board dismantling workshop by a pilot-scale biotrickling filter[J].Biotechnology and Bioprocess Engineering,2015,20(4):766-774.

[4]鄭江玲,胡俊,張麗麗，等.VOCs生物凈化技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2012,35(8):81-87.

[5]郭霞,李伯陽(yáng),莫文銳，等.低濃度有毒有害氣體凈化技術(shù)及研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊,2016,35(z1):125-131.

[6]鐘朗丁,梁旭林.工業(yè)廢氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物的凈化技術(shù)[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2016(1):141.

[7]D.K. Wasiuk,M.A.H. Khan, D.E. Shallcross,et al.The impact of global aviation NOx emissions on tropospheric composition changes from 2005 to 2011[J].Atmospheric Research，2016(178-179) : 73-83.

[8]Zhenzhou Yang, Yingyi Zhang, Lili Liu, et al.Environmental investigation on co-combustion of sewage sludge and coal gangue: SO2, NOx and trace elements emissions[J].Waste Management，2016(50) : 213-221.

[9]周榮明,汪豪,王克非，等.生物膜填料塔凈化電廠煙氣的實(shí)驗(yàn)研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2014(6):46-47.

[10]呂陽(yáng).生物滴濾塔去除揮發(fā)性有機(jī)化合物的影響因素與動(dòng)力學(xué)模型研究[C]//中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)2013年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2013:4212-4220.

[11]呂陽(yáng),劉京,呂炳南,等.生物法處理苯、甲苯廢氣的工藝性能及動(dòng)力學(xué)研究[J].化學(xué)工程,2008,36(7):55-57,70.

[12]徐孟孟.膜生物反應(yīng)器處理二甲苯廢氣的實(shí)驗(yàn)探究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2015.

[13]尹文娟.復(fù)合生物濾塔去除CS2和H2S廢氣的研究[D].青島：青島理工大學(xué),2015.

[14]王小軍.生物滴濾床對(duì)硫化氫臭氣的生物降解及其動(dòng)力學(xué)研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué),2015.

[15]謝志榮,魏在山,曾貴華,等.生物法處理含氮硫無(wú)機(jī)有機(jī)惡臭氣體研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2011,34(1):136-139.

[16]許新艷.在NH3存在的條件下生物滴濾塔處理含H2S氣體實(shí)驗(yàn)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2012.

[17]姜閱, 孫珮石, 鄒平,等.生物強(qiáng)化法提高生物塔煙氣同時(shí)脫硫脫氮性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,38(1):133-140.

[18]姜閱,孫珮石,鄒平,等.生物強(qiáng)化技術(shù)提高生物膜填料塔煙氣同時(shí)脫硫脫氮性能實(shí)驗(yàn)初探[C]//2015年中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.2015:3494-3499.

[19]姜閱.生物強(qiáng)化法提高生物塔煙氣同時(shí)脫硫脫氮性能的實(shí)驗(yàn)研究[D].昆明:云南大學(xué),2016.

[20]王恒穎,孫珮石,王潔,等.液相催化-生物法同時(shí)脫除煙氣中SO2和NOX [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(7):98-102.

[21]魏中華,孫珮石,鄒平,等.稀土元素對(duì)生物塔煙氣同時(shí)脫硫脫氮的強(qiáng)化作用[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2016,10(4):1893-1899.

[22]王潔,孫珮石,王恒穎,等.生物法同時(shí)脫除煙氣中SO2和NOx的模擬研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,31(2):62-65.

[23]孫珮石,楊顯萬(wàn).生物法凈化低濃度揮發(fā)性有機(jī)廢氣的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題探討[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),1999,19(2):154-158.

[24]吳獻(xiàn)花,孫珮石,雷艷梅.生物滴濾塔處理苯乙烯廢氣的動(dòng)力學(xué)模型研究[J].玉溪師范學(xué)院學(xué)報(bào),2008,24(4):15-21.

[25]孫珮石,李曉梅,孫悅,等.生物膜填料塔凈化低濃度甲醛廢氣的動(dòng)力學(xué)模型研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2007,7(6):31-34.

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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(huán)境污染治理技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用。

X701

A

1673-9655(2017)05-0047-04