生物转鼓净化NO废气及微生物学研究

【摘要】： 氮氧化物(NO_x)是导致酸雨、光化学烟雾等一系列严重大气污染的主要污染物之一,随着NO_x污染问题的日趋严重和人们对环境质量要求的不断提高,有关废气脱氮技术的研究已迫在眉睫,而这方面的实用治理技术与基础理论研究(如生物法脱氮)却少有突破。它的发展是继废气脱硫之后所面临的又一亟待解决的重大课题。 研究采用一种新型的生物过滤器—生物转鼓(Rotating Drum Biofilter,RDB)净化一氧化氮(NO)废气,围绕转动生物膜及络合协同强化NO的去除过程,以传质理论和生化反应动力学为基础,探讨各反应组分在气、液、生物膜三相中的独特传质-反应规律;阐明反硝化(络合协同)去除NO过程中氮素传递、转化等作用机理,建立NO净化过程的物料平衡和动力学模型;运用微生物学和分子生物学技术研究RDB中微生物种群结构和优势菌种。主要内容和结果如下: (1)考察了RDB净化NO废气的工艺特征。在250℃-30℃、pH 6.5-7.5、转鼓转速0.5 r/min、空床停留时间(Empty Bed Residence Time,EBRT)86.4 s,进口NO浓度120-584 mg/m~3的条件下,RDB能有效净化NO废气,去除率达60.0%-85.2%。转速影响RDB膜表面更新和液膜厚度,在转速0.5 r/min时NO去除率达最大。在进气负荷小于20 g/m~3·h时,去除负荷随进气负荷增加而线性增加,且去除率在75%以上;随着进气负荷进一步增大,去除负荷上升趋缓并接近极限容量(约27.5 g/m~3·h)。葡萄糖、醋酸钠、甲醇渐次为RDB反硝化NO的合适碳源,由于NO的传质限制,碳源的过量投加并不能有效改善其去除效率。pH=8的弱碱环境有利于系统维持较高的去除效率,在500 mg/m~3的进气浓度下,去除率和负荷分别达75.0%和16.0 g/m~3·h。进气中适量的氧气可以增加NO的氧化度,从而提高NO的气液传质速度和生物净化效率,但过量氧气会破坏RDB的厌氧环境,抑制反硝化菌活性,研究表明此临界值等于6%。温度变化对RBD去除较低浓度NO的影响不大,而随着浓度上升,温度变化的影响加剧,实验表明30℃为最佳反应温度。 (2)分析了NO在RDB内的转化途径、氮素价态变化和物料平衡。在稳态运行下(130d-40d,NO进气浓度273-378 mg/m~3),出气中N_2和N_2O含量分别达92-131 mg/m~3和9.2 mg/m~3,平均转化率为72.0%和0.5%,而剩余的5%和12%-15%的NO则分别以氧化态形式积累于液相和被微生物同化利用。根据细菌生长总反应方程,对RDB内反硝化过程的氮素计量学进行了推导,发现lmolNO中的氮素可以转化为0.18mol的生物质氮和0.82mol的氮气,这与实验结果基本一致。对RDB内氮素进行了11日物料平衡核算,表明系统内氮素基本守恒,出口氮素质量占进口氮素质量的比例在93.5%-99.6%之间波动。 (3)开展了络合协同RDB增强NO去除的研究。实验发现,在营养液中添加Fe~(Ⅱ)(EDTA)络合物可显著改善难水溶性NO的气液传质速率,从而提高其去除效率。在转速0.5r/min、EBRT 57.7s、300℃、pH 7.0-8.0的条件下,Fe~(Ⅱ)(EDTA)的逐量增加(0-500 mg/L)可使RDB对380 mg/m~3的NO去除率从61.1%升至99.6%。在此体系下,乙醇优于葡萄糖作为Fe~(Ⅱ)(EDTA)NO反硝化的电子供体,当TOC浓度超过1000 mg/L后,NO的去除率达到稳定。实验最佳pH在8.0左右,最适温度随Fe~(Ⅱ)(EDTA)添加浓度的增加而上升。 (4)研究了NO在RDB内的传质-反应过程。通过分析NO在气相、液相和生物相的质量平衡,建立了RDB净化NO废气的传质-反应数学模型。该模型可近似描述低浓度(600 mg/m~3)NO废气在RDB中的浓度分布和去除效率。修正后的方程如下: 模型预测的结果与实验值基本相符,验证了RDB生物反应器与传统生物反应器相比具有生物量分布均匀、填料不易堵塞等优点。 (5)探析了RDB内的微生物种群结构。运用PCR-DGGE技术对RDB内的生物多样性进行了解析,共发现16种优势种属,且沿填料径向的种群结构差异性不大;通过样品的聚类分析和多样性指数计算,发现RDB内微生物群落多样性随Fe~(Ⅱ)(EDTA)络合剂的加入呈先增加后下降的趋势,但其在整体演变过程中变化不显著;对DG-DGGE图谱中8个主要条带进行回收、扩增、克隆和测序,结果表明,RDB中微生物群落主要由Clostridium sp.、β-proteobacterium、γ-proteobacterium和Cytopahga-Flexibacte-ria-Bacteroides(CFB) groups Bacteroides组成。反硝化功能与γ-proteobacterium和β-proteobacterium所代表的种属相关。 (6)分离筛选了1株RDB的好氧反硝化菌DN3,并进行了反硝化性能测试。研究表明,该菌株能较好地反硝化降解硝酸盐,并只产生少量亚硝酸盐。在碳源不足的条件下(C/N=3),DN3对NO_3~--N去除率为72.9%;通过16SrDNA序列分析及同源性比对,DN3与Pseudomonas putida.的相似性为100%。其反硝化最适温度和pH值分别为30℃和7.0,最适宜C/N在5.5-6.0,在该区间内能进行完全的反硝化。