絡合吸收-電極生物膜反應器集成系統(tǒng)處理煙氣中NOx的過程強化與調控機制.pdf

1、絡合吸收-生物還原法(CABR)是近幾年提出的氮氧化物控制新技術，結合了絡合吸收法吸收速率快以及生物法經(jīng)濟、無二次污染的優(yōu)點，具有巨大的應用潛力。絡合吸收-電極生物膜反應器(CABER)集成系統(tǒng)是針對傳統(tǒng)生物還原速率慢的限制開發(fā)的新技術，可以大大強化生物還原過程。本文立足于已有的研究成果并深入分析CABR存在的問題，在電極生物膜反應器(BER)內，考察了Fe(Ⅲ)EDTA的生物電化學還原機理，通過電子供體衡算探明陰極電子的產(chǎn)生、消耗和轉

2、化規(guī)律;研究了有機電子供體葡萄糖和無機電子供體陰極電子之間的競爭與協(xié)同關系;在探明Fe(Ⅲ)EDTA生物電化學還原機理的基礎上，研究了Fe(Ⅱ)EDTA-NO的生物電化學還原機理;并從微生物群落結構角度闡明了生物電化學作用的強化與調控機制，分析了不同電流密度下的生物量、生物膜表面結構和微生物群落結構的變化。論文取得以下一些結論:
　　(1)在BER中，F(xiàn)e(Ⅲ)EDTA還原速率的提高主要來自于生物電化學還原作用。單獨電化學作用下，

3、陰極產(chǎn)氫是主要的電子供體消耗途徑。而在生物電化學作用下，微生物可以利用氫氣作為電子供體還原Fe(Ⅲ)EDTA。經(jīng)過電子衡算得到了陰極電子的四個利用途徑:直接還原、間接還原、儲存和釋放。其中直接還原和間接還原是BER強化Fe(Ⅲ)EDTA還原過程的關鍵途徑。此外，在缺少外加碳源的情況下微生物可以通過氫自養(yǎng)作用合成有機物，如甲醇，為微生物的生長代謝提供能量。在電子供體不足時，微生物又可以重新利用合成產(chǎn)物用于生物還原。
　　(2)通過比

4、較有機電子供體和無機電子供體為單一電子供體時的Fe(Ⅲ)EDTA還原速率發(fā)現(xiàn):陰極電子是Fe(Ⅲ)EDTA生物還原的優(yōu)勢電子供體。這主要得益于陰極電子產(chǎn)生的氫氣可以被微生物原位利用，在傳質推動力上相比葡萄糖優(yōu)勢明顯。然而，在不添加葡萄糖時，由于氫自養(yǎng)作用，陰極電子無法完全用于Fe(Ⅲ)EDTA還原。添加適量葡萄糖可以釋放陰極電子的還原潛力，此時葡萄糖作為有機碳源，陰極電子可以全部作為電子供體，兩者表現(xiàn)為協(xié)同關系。當葡萄糖濃度進一步提高時

5、，過剩的葡萄糖也可以作為電子供體，此時兩者表現(xiàn)為競爭關系?；趦煞N電子供體的相互作用，對不同電子供體組合下的Fe(Ⅲ)EDTA還原速率進行了考察，并通過析因分析發(fā)現(xiàn)0.06 A和200 mg L-1葡萄糖是最佳的電子供體組合。
　　(3)陰極電子可以直接還原也可以通過還原Fe(Ⅲ)EDTA間接還原Fe(Ⅱ)EDTA-NO，其中陰極電子的直接還原貢獻率只占20％左右。通過氮元素平衡分析得到Fe(Ⅱ)EDTA-NO的還原終產(chǎn)物為N2，

6、N2O為中間產(chǎn)物。但是當液相中Fe(Ⅱ)EDTA濃度不足時，會出現(xiàn)Fe(Ⅱ)EDTA-NO的氧化途徑，終產(chǎn)物為NO2-和NO3-，保證一定濃度的Fe(Ⅱ)EDTA是減少二次污染的關鍵。同時，生物電化學作用可以降低N2O的積累。通過電子供體衡算得到87％的Fe(Ⅱ)EDTA-NO還原來自無機電子供體的貢獻，由于陰極電子的貢獻率有限，所以Fe(Ⅱ)EDTA-NO還原的優(yōu)勢電子供體是Fe(Ⅱ)EDTA。通過動力學分析得到了BER中Fe(Ⅱ)E

7、DTA-NO的最大還原速率，為13.04 mol m-3 h-1。相比于之前在傳統(tǒng)的生物滴濾塔中測得的最大還原速率，這一值提高了近50％。
　　(4)電流密度對生物量、生物膜表面結構和微生物群落結構均有影響。100 A m-3 NCC電流密度（0.06A外加電流）條件下，雖然生物量最低，但是微生物多樣性最好，物種分布最均勻，生物膜表面結構也沒有出現(xiàn)明顯的裂隙和空洞，是比較理想的生物膜狀態(tài)。通過分析微生物群落結構變化發(fā)現(xiàn)，在沒有外加