陳玉佳

(晉能控股煤業(yè)集團云崗礦環(huán)?？莆鬯幚韽S，山西 大同 037003)

0 引言

集中供熱是我國北方居民冬季所采用的主要供暖方式，其以蒸汽或者熱水作為傳統(tǒng)載體將熱能供給終端用戶。由于集中供暖具有高效率、低燃料成本以及占地面積少等優(yōu)勢被廣泛應用。通過大數(shù)據(jù)分析，由于冬季集中供暖，我國北方城鎮(zhèn)的冬季空氣污染嚴重，主要表現(xiàn)為PM2.5超標，而氮氧化物是集中供熱鍋爐所排放的主要污染物[1]。因此，為解決集中供熱對空氣造成的污染，相關部門應對集中供熱鍋爐所排放的煙氣進行脫硝處理。本文重點基于生物法對集中供熱鍋爐煙氣中的硝元素進行脫除處理。

1 實驗設計

目前，基于生物法對集中供熱鍋爐煙氣進行脫硝處理還處于實驗室階段，其關鍵需要突破的難題在于如何提高生物滴濾塔的生化去除量[2]。本文將通過實驗的方式對基于生物法脫硝的最佳生物填料進行篩選，并通過對不同操作參數(shù)對煙氣脫硝效率的影響進行對比，從而對相關工藝進行優(yōu)化設計。

1.1 實驗裝置

根據(jù)上述的實驗需求，需要準備煙氣分析儀、紫外分光光度計、轉子流量計、酸度計、顯微鏡、電子天平、蒸餾水制備器、壓力蒸汽滅菌鍋、馬弗爐等儀器，需要準備硫酸、氯化鉀、草酸銨、無水乙醇、氫氧化鈉、結晶紫等化學試劑[3]。本實驗需要在實驗室條件下模擬集中供熱鍋爐的煙氣的氮氧化物，實驗流程如圖1所示。

圖1 生物滴濾塔模擬集中供熱鍋爐氮氧化物流程圖

如圖1所示，本次實驗裝置主要包括有集中供熱鍋爐煙氣中的氮氧化物發(fā)生器、處理煙氣中氮氧化物的滴濾塔以及循環(huán)噴淋裝置[4]。其中，實驗室中的氮氧化物通過亞硫酸鈉和硫酸亞鐵與填料柱發(fā)生反應，模擬集中供熱鍋爐煙氣中的氮氧化物。生物滴濾塔是整個實驗裝置的核心部分。為了便于掌握反應過程，筆者通過玻璃材質的殼體對反應過程中的填料的狀態(tài)以及生物膜的生長情況進行觀察，生物滴濾塔的具體主要參數(shù)如表1所示。

表1 生物滴濾塔主要參數(shù)

循環(huán)噴淋系統(tǒng)主要由循環(huán)槽和高位槽組成，該裝置的主要作用是保證滴濾塔中填料層的濕潤。

1.2 實驗方法

根據(jù)本實驗的目的，研究人員需要對實驗過程中的關鍵參數(shù)進行測定。其中，需要基于電化學法和煙氣分析儀對氣相的一氧化氮和二氧化氮的濃度進行檢測；基于紫外分光光度法和紫外分光光度計對硝酸根粒子的濃度進行檢測；基于α-萘胺光度法和紫外分光光度計對亞硝酸根粒子的濃度進行檢測；基于電化學法和pH計對循環(huán)液中的pH值進行檢測[5]。

2 實驗結果與討論

填料作為基于生物法脫硝工藝中的滴濾塔的關鍵，其主要為微生物的生長提供一個相對適宜的環(huán)境。一般而言，填料可以分為人工填料和天然填料兩種類型[6]。本節(jié)重點對生物陶粒、活性生物填料、柱狀活性炭和輕質陶粒四種填料進行優(yōu)選，其對應的物理參數(shù)如表2所示。

表2 不同填料的物理參數(shù)對比

2.1 填料對脫硝效率的影響

以上述四種填料在掛膜期間內的脫硝效率為主要考察對象，通過實驗得出上述四種填料脫硝效率隨掛膜時間的變化情況對比如圖2所示。

圖2 不同填料對應脫硝效率隨掛膜時間的變化對比

如圖2所示，對于輕質陶粒填料，當掛膜時間為2 d時，對應的脫硝效率非常低，僅為10%；當掛膜時間超過17 d后，脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在75%左右；當掛膜時間為30 d時，脫硝效率為80%。對于柱狀活性炭填料而言，當掛膜時間為2 d時對應的脫硝效率較高，為40%；當掛膜時間超過17 d后，脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在78%左右。對于塑料活性填料和生物陶粒而言，當掛膜時間為3 d時，對應的脫硝效率非常低，僅為12%；當掛膜時間為24 d后，生物陶粒的脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在70%；當掛膜時間為26 d時，塑料生物填料的脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在73%左右。

因此，綜合對比不同填料對應的脫硝效率和穩(wěn)定性，最終確定選用輕質陶粒。

2.2 填料對掛膜前后壓降的影響

以不同填料對應的掛膜前后的壓降為主要考察對象，通過實驗得出上述四種填料掛膜前后壓降隨掛膜時間的變化情況對比如圖3所示。

圖3 不同填料對應掛膜前后壓降對比

如圖3所示，采用柱狀活性炭為填料時，對應進出口壓降最高，其余三類填料對應的壓降處于同一水平，而且以活性生物填料對應的進出口壓降最小。導致上述現(xiàn)象的主要原因在于不同填料對應的孔隙率不同。當填料的孔隙率越大，其內部可為微生物提供附著的面積越大，對應的壓降越小。因此，綜合對比其余三種填料的孔隙率和比表面積得出，輕質陶粒和活性生物填料的參數(shù)相似。因此，以掛膜前后壓降為主要考察基準，可選用活性生物填料和輕質陶粒。

同理，筆者通過實驗分析了不同填料對滴濾塔微生物數(shù)目變化、掛膜前后壓降變化以及脫硝性能等綜合因素對比，得出如下結論：輕質陶粒對應的滴濾塔的脫硝效率最好、掛膜前后的壓降最小、性價比最高。因此，最終選用輕質陶粒為滴濾塔的填料。

3 結語

集中供暖為我國北方冬季取暖的主要形式，在滿足人們生活、生產(chǎn)需求的同時，集中供暖系統(tǒng)所排放的煙氣中含有氮氧化物對空氣造成了嚴重的污染，尤其是PM2.5的指標非常高[7]。本文采用生物法對集中供暖中煙氣的氮氧化物進行處理，重點通過實驗的方式確定了滴濾塔中生物填料的選型，總結如下。

輕質陶粒填料當掛膜時間30 d時，脫硝效率為80%；柱狀活性炭填料當掛膜時間超過17 d后，脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在78%左右；當掛膜時間為24 d時，生物陶粒的脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在70%；當掛膜時間為26 d時，塑料生物填料的脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在73%左右。

填料的孔隙率和比表面積是影響進出口壓降的主要指標。輕質陶粒和活性生物填料的參數(shù)相似，對應的進出口壓降處于同一水平。

綜合對比不同填料對滴濾塔微生物數(shù)目變化、掛膜前后壓降變化以及脫硝性能的影響，最終確定最佳滴濾塔的填料為輕質陶瓷。