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厌氧氨氧化烟气脱硝工艺的探讨

北极星环保网来源:化工进展 丁爽2018/2/12 9:43:52我要投稿
所属行业: 大气治理  关键词:厌氧氨氧化 脱硝工艺 烟气脱硝

如前所述,生物法烟气脱硝工艺的开发是基于氮素循环中脱氮微生物的代谢特性来开展。厌氧氨氧化工艺的功能菌是厌氧氨氧化菌,分类上属于浮霉状菌门,其细胞结构特殊、代谢过程新颖、且具有代谢多样性。STROUS等对厌氧氨氧化菌进行了宏基因组图谱解析,后经过验证补充提出了如图2所示的厌氧氨氧化反应的分子代谢模型。

脱硝工艺

如图2所示,在该假设模型中,厌氧氨氧化反应发生于厌氧氨氧化体内,总反应如式(1)所示,包括三步反应:①在cd1型亚硝酸还原酶的作用下,亚硝酸根离子被还原成一氧化氮[式(2)];②在联氨合成酶(hydrazinesynthase,HZS)的作用下,一氧化氮与铵离子缩合成联氨[式(3)];③在联氨水解酶(hydrazinedehydrogenase,HDH)作用下,联氨被分解为氮气[式(4)]。

脱硝工艺

由上述反应模型可知,一氧化氮是厌氧氨氧化反应的中间产物,铵离子可以和一氧化氮直接反应生成联氨,而联氨可进一步分解为氮气,这为利用厌氧氨氧化反应进行烟气脱硝提供了理论依据。

相比传统生物法脱硝工艺,基于厌氧氨氧化反应的烟气脱硝工艺具有以下优点:①不需要外加有机电子供体。可利用工厂的含氨废水提供铵离子,并与烟气中的一氧化氮反应,达到“以废治废”的目的。②反应过程中无温室气体一氧化二氮排放。

目前,已有少部分利用厌氧氨氧化富集培养物处理氮氧化物的报道。SCHMIDT等研究表明,厌氧氨氧化富集培养物(主要功能菌为Candidatus Brocadia anammoxidans)能够耐受600μL/L一氧化氮(负荷约为11mgNO/d)。KARTAL等研究表明,将厌氧氨氧化菌富集培养物(主要功能菌为Candidatus Brocadia fulgida,纯度约为80%)暴露在3500μL/L一氧化氮环境当中,厌氧氨氧化富集培养物并未发生抑制,而是将铵和一氧化氮转化为氮气。

熊华利用络合剂Fe(Ⅱ)EDTA络合吸收了气相中一氧化氮,并初步证实了厌氧氨氧化富集培养物可以利用水相中络合态一氧化氮进行厌氧氨氧化反应。彭锦玉采用塔式生物滤池反应器也验证了厌氧氨氧化富集培养物(主要功能菌为Candidatus Kuenenias tuttgartiensis)可以利用一氧化氮进行厌氧氨氧化反应。万新宇采用Fe(Ⅱ)EDTA络合吸收一氧化氮并耦合厌氧氨氧化反应实现了脱硝过程。上述研究为厌氧氨氧化富集培养物处理低浓度一氧化氮提供了事实依据。

综上所述,基于厌氧氨氧化反应开发厌氧氨氧化烟气脱硝工艺具有理论基础和事实依据,研究开发厌氧氨氧化烟气脱硝工艺具有可行性。

2厌氧氨氧化烟气脱硝工艺的实现途径

厌氧氨氧化工艺烟气脱硝工艺的实现途径主要有以下两方面。

(1)作为物化法的辅助手段目前,商业化运用的烟气脱硝工艺以选择性催化还原法SCR为主,但该工艺中也存在高浓度脱硝尾液的二次污染问题。因此,可以运用厌氧氨氧化工艺去处理此部分脱硝尾液,以降低后续污水处理的成本。

于德爽等已利用厌氧氨氧化工艺成功处理了某火电厂部分脱硝尾液。这种方式可以保留现有的脱硝设备,通过改造污水处理设施来达到解决脱硝尾液的二次污染问题,最终达到降低处理成本的目的,具有一定的可操作性。但是,该方式没能从根本上解决原有物化法高能耗、物耗的问题。

(2)作为烟气主要的控制手段即直接利用厌氧氨氧化富集培养物处理烟气中氮氧化物。厌氧氨氧化富集在水相中存在,而烟气中氮氧化物的主要成分是一氧化氮(约占90%),但是在通常情况下一氧化氮在水中的溶解度很小。这就造成了厌氧氨氧化富集培养物利用一氧化氮进行代谢时需要穿越多重障碍。

脱硝工艺

如图3所示,借鉴双膜理论,厌氧氨氧化富集培养物利用一氧化氮需要经过以下两个阶段。

(1)吸收传质阶段一氧化氮需要由气相主体进入气膜,而后穿过相界面进入液膜,再由液膜向液相主体扩散。

(2)生化反应阶段在水相中,铵和一氧化氮需要先穿过胞外多聚物,进而由细胞膜进入到厌氧氨氧化菌内部,最后进入厌氧氨氧化体内进行厌氧氨氧化反应产生氮气。

由于氮氧化物的排放量通常较大,因此想要获得较为理想的去除效果,需要较低的进气流量,给予足够的反应时间,这会造成所需装置的体积较大,不符合生产实际。因此,可分别利用化学吸收法和生物法各自的优势来解决这一问题,即首先利用络合剂对一氧化氮进行高效吸收,而后利用厌氧氨氧化工艺处理吸收尾液,这样既保证了比较稳定的烟气脱硝的效率,又能以较低的成本实现氮素的去除,从而最终达到烟气脱硝目的。

延伸阅读:

为什么SCR脱硝催化剂下层比上层磨损还严重?

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