絡(luò)合吸收-電極生物膜反應(yīng)器集成系統(tǒng)處理煙氣中NOx的過程強(qiáng)化與調(diào)控機(jī)制.pdf

1、絡(luò)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(shù)，結(jié)合了絡(luò)合吸收法吸收速率快以及生物法經(jīng)濟(jì)、無二次污染的優(yōu)點(diǎn)，具有巨大的應(yīng)用潛力。絡(luò)合吸收-電極生物膜反應(yīng)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(shù)，可以大大強(qiáng)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(yīng)器(BER)內(nèi)，考察了Fe(Ⅲ)EDTA的生物電化學(xué)還原機(jī)理，通過電子供體衡算探明陰極電子的產(chǎn)生、消耗和轉(zhuǎn)

2、化規(guī)律;研究了有機(jī)電子供體葡萄糖和無機(jī)電子供體陰極電子之間的競爭與協(xié)同關(guān)系;在探明Fe(Ⅲ)EDTA生物電化學(xué)還原機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究了Fe(Ⅱ)EDTA-NO的生物電化學(xué)還原機(jī)理;并從微生物群落結(jié)構(gòu)角度闡明了生物電化學(xué)作用的強(qiáng)化與調(diào)控機(jī)制，分析了不同電流密度下的生物量、生物膜表面結(jié)構(gòu)和微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。論文取得以下一些結(jié)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(xué)還原作用。單獨(dú)電化學(xué)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(xué)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(qiáng)化Fe(Ⅲ)EDTA還原過程的關(guān)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(jī)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(jī)電子供體和無機(jī)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(zhì)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(jī)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(guān)系。當(dāng)葡萄糖濃度進(jìn)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(guān)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(jìn)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(xiàn)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(dāng)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(guān)鍵。同時，生物電化學(xué)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(jī)電子供體的貢獻(xiàn)，由于陰極電子的貢獻(xiàn)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(xué)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(jié)構(gòu)和微生物群落結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變化發(fā)現(xiàn)，在沒有外加