專利名稱：一種再生氮氧化物絡(luò)合吸收劑的三維電極生物膜反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及環(huán)境污染治理領(lǐng)域，具體地指一種用于煙氣脫硝中再生氮氧化物絡(luò)合吸收劑的三維電極生物膜反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
NOx是導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧等一系列嚴(yán)重空氣污染問題的主要原因之一。目前， 我國(guó)火電行業(yè)氮氧化物排放量巨大，迫切需要控制。中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)組織的《中國(guó)火電廠 氮氧化物排放控制技術(shù)方案研究報(bào)告》顯示，2007年我國(guó)火電廠排放的氮氧化物總量已增 至840萬噸，比2003年的597. 3萬噸增加了近40. 6%，約占全國(guó)氮氧化物排放量的35% 40%。由于煙氣排放量大，且煙氣中NOx的主要成分一氧化氮(約占95%)在水中的溶解 度很低，處理難度較大。至今，在國(guó)際上僅NH3的選擇性催化還原(SCR)及選擇性非催化還 原(SNCR)得到了一定規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。但現(xiàn)有的這兩種技術(shù)依然存在著經(jīng)濟(jì)成本高、產(chǎn) 生二次污染或處理效率低等缺陷(RadojevicM，((Environ. Pollut.》，1998，102，685-689)。 因而，發(fā)展新的煙氣脫硝技術(shù)已成為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。日本和美國(guó)從20世紀(jì)70年代開始就在煙氣脫硫系統(tǒng)的洗滌液中添加亞鐵螯合劑 進(jìn)行同時(shí)脫硫脫氮。添加Fe (I I) EDTA絡(luò)合吸收NO生成Fe (I I) EDTA-N0,能顯著提高NO從氣 相到液相的傳質(zhì)速率。而問題在于Fe (II)EDTA很容易被氧化為沒有絡(luò)合NO能力的Fe (III) EDTA，以及Fe(II)EDTA絡(luò)合吸收劑難以再生和循環(huán)利用。利用微生物還原氮氧化物絡(luò)合吸 收產(chǎn)物(一個(gè)主要由Fe (II) EDTA-NO和Fe (III) EDTA構(gòu)成的混合體系)，可以很好地解決吸 收劑的再生問題，因此絡(luò)合吸收-生物還原煙氣脫硝應(yīng)運(yùn)而生。但是相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)(Li W， 《Chem. Techno. Biotechnol.》，2006，81，306 311 ；Li W，《Environ. Sci. Techno.》，2007， 41,639-644), Fe (II) EDTA-NO和Fe(III)EDTA的還原效率是系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，而 如何提高微生物活性，增強(qiáng)還原速率，成為該技術(shù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。電極生物膜反應(yīng)器于廢水反硝化脫氮已經(jīng)有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用，相關(guān)研究者通過改進(jìn)電 極構(gòu)造，尤其采用活性炭或碳纖維作陰極材料，更使得電流效率和反硝化效率有了顯著地 提升(Prosnansky M，《Wat. Res.》，2002，36 (1)，4801-481)。經(jīng)改進(jìn)的電極生物膜反應(yīng)器的 對(duì)N03_的還原效果相當(dāng)高，實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間高效脫氮。電極生物膜反應(yīng)器在廢水反硝化脫氮 的應(yīng)用為NOx絡(luò)合吸收產(chǎn)物的處理提供了新思路。糜徐紅等人的研究采用了電極生物膜反 應(yīng)器將Fe(III)EDTA還原為Fe (II) EDTA，在這樣的低能耗反應(yīng)器中Fe (III) EDTA的還原效 率可達(dá) 90% (Mi X H，《Bioresour. Techno.》，100(2009)，2940 2944)。不過該反應(yīng)器只 實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fe(III)EDTA的還原，而要用于絡(luò)合吸收-生物還原煙氣脫硝法就需要同時(shí)實(shí)現(xiàn) 對(duì) Fe (II) EDTA-NO 和 Fe(III)EDTA 的還原。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供了一種能耗低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的用于再生氮氧化物絡(luò)合吸收 劑的三維電極生物膜反應(yīng)器。[0006]一種再生氮氧化物絡(luò)合吸收劑的三維電極生物膜反應(yīng)器，包括反應(yīng)容器，所述的 反應(yīng)容器內(nèi)由帶孔圓形套筒分隔成陽極區(qū)域和陰極區(qū)域；所述的陽極區(qū)域內(nèi)設(shè)有一正電 極，所述的陰極區(qū)域內(nèi)設(shè)有圍繞正電極均勻分布的4-8根負(fù)電極，所述的陰極區(qū)域內(nèi)填充 導(dǎo)電粒子，正電極、負(fù)電極以及填充在陰極區(qū)域的導(dǎo)電粒子構(gòu)成三維電極。所述的反應(yīng)容器主體為圓柱形，底部為圓錐形，頂部設(shè)有頂蓋，所述的頂蓋上設(shè)有 采樣口和出氣口，反應(yīng)容器的底部和側(cè)壁設(shè)有管口。所述的正電極為碳質(zhì)材料，負(fù)電極為碳質(zhì)材料或金屬材質(zhì)。所述的碎屑狀導(dǎo)電粒子可選用活性炭、無煙煤等無定型碳或者碳纖維、金屬、玻璃 碳等碎屑狀導(dǎo)電顆粒制成。三維電極是在二維電極基礎(chǔ)上填充碎屑狀導(dǎo)電顆粒制成的。正電極為碳質(zhì)材料， 位 于反應(yīng)器中心；負(fù)電極為碳質(zhì)材料或金屬材質(zhì)，圍繞正電極均勻分布于反應(yīng)器邊緣；陰 極區(qū)域的填充粒子為碎屑狀導(dǎo)電材料，填充于陰極碳棒周圍。反應(yīng)器設(shè)有分隔陰陽極的圓 形套筒，將導(dǎo)電粒子固定在陰極區(qū)域；套筒上均布小孔，可使溶液充滿整個(gè)反應(yīng)器。正負(fù)電 極均固定在反應(yīng)器頂蓋上，套筒和填充粒子則位于反應(yīng)器內(nèi)部。填充粒子不僅是三維電極 的粒子電極，還可以作為生物膜附著的載體。接種鐵還原菌和反硝化菌的混合培養(yǎng)物對(duì)三 維電極反應(yīng)器進(jìn)行掛膜后，鐵還原菌和反硝化菌的混合菌就會(huì)生長(zhǎng)在陰極區(qū)域的填充顆粒 表面。以Fe(II)EDTA為吸收劑絡(luò)合吸收煙氣中的氮氧化物，生成Fe (II)EDTA-NO ；同時(shí) 因?yàn)闊煔庵泻胁糠盅鯕?，在吸收過程中部分Fe (II)EDTA會(huì)氧化成Fe (III)EDTA,因而氮 氧化物絡(luò)合吸收產(chǎn)物中同時(shí)存在Fe (II) EDTA-NO和Fe (III) EDTA0待掛膜完成后，將絡(luò)合吸 收產(chǎn)物加入反應(yīng)器內(nèi)，然后加入培養(yǎng)基并通電，可利用電極生物膜通過電促微生物的作用 同時(shí)還原氮氧化物絡(luò)合吸收產(chǎn)物中的Fe(II)EDTA-NO和Fe(III)EDTA得到Fe(II)EDTA,實(shí) 現(xiàn)Fe (II)EDTA的再生。反應(yīng)原理如下電極反應(yīng)式為陽極 C+2H20 — C02+4H++4e (e0 = 0. 207v)；陰極 2H20+2e — H2+20!T(e° = 0. 000v)以葡萄糖作為碳源和電子供體為例，其生物化學(xué)反應(yīng)式為 以氫氣為電子供體、無機(jī)碳為碳源，其生物化學(xué)反應(yīng)式為 本實(shí)用新型三維電極生物膜反應(yīng)器在陰極周圍填充碎屑狀導(dǎo)電粒子，一方面增大了反應(yīng)界面的比表面積，傳質(zhì)效果改善，提高了電流效率；另一方面填充粒子可作為生物附 著載體，提高了生物成膜速度和性能。因而該實(shí)用新型反應(yīng)器能夠很好地還原絡(luò)合吸收產(chǎn) 物，而且能耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉。

圖1為本實(shí)用新型三維電極生物膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，一種用于煙氣脫硝中再生氮氧化物絡(luò)合吸收劑的三維電極生物膜反 應(yīng)器，包括反應(yīng)容器1，反應(yīng)容器主體為圓柱形，底部為錐形，內(nèi)置活性炭顆粒約1L(空隙率 約為33%，即活性炭實(shí)際體積約0.6L，填充的總體積為IL左右)，有效體積為1L。反應(yīng)容 器頂蓋和主體采用法蘭連接。反應(yīng)容器1的頂蓋設(shè)有采樣口 6和排氣口 7，可以及時(shí)掌握內(nèi)部反應(yīng)情況。反應(yīng)容器1底部設(shè)有進(jìn)水口 8，側(cè)壁設(shè)有出水口 9。當(dāng)反應(yīng)器序批運(yùn)行時(shí)，通過頂 蓋上的采樣口 6加樣，蠕動(dòng)泵10連接側(cè)壁和底部的管口，加以循環(huán)攪動(dòng)混合溶液；當(dāng)反應(yīng) 器連續(xù)運(yùn)行時(shí)，通過蠕動(dòng)泵10進(jìn)樣同時(shí)控制流速，底部管口 8為進(jìn)水口，側(cè)壁上管口 9為出 水口，可持續(xù)添加反應(yīng)所需的物質(zhì)，如培養(yǎng)基等。序批運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行在該反應(yīng)器上均可實(shí) 現(xiàn)。反應(yīng)容器1中心設(shè)有1根石墨正電極2，四周邊緣設(shè)有4 8根均勻分并圍繞著正 電極2的石墨負(fù)電極3，負(fù)電極周圍填充活性炭顆粒4，反應(yīng)容器1內(nèi)設(shè)有帶小孔的圓形塑 料套筒5，將活性炭顆粒固定在陰極區(qū)域。正電極也可由碳纖維氈等其它碳質(zhì)材料制成，負(fù) 電極除碳質(zhì)材料外還可由金屬導(dǎo)體制成。填充粒子也可以由其他碎屑狀導(dǎo)電材料制成，如 無煙煤等其他無定形碳、碳纖維、金屬、石墨顆?；蛘卟Ａ?。工作時(shí)，將正電極2和負(fù)電極3分別接于電源11的正極和負(fù)極。上述實(shí)施例的電極生物膜反應(yīng)器工作原理如下(1)反應(yīng)器接種反硝化菌和鐵還原菌的混合培養(yǎng)物，逐步增大微電流同時(shí)減少培 養(yǎng)基中碳源濃度，進(jìn)行電極表面微生物的掛膜，反硝化菌和鐵還原菌混合菌將附著在活性 炭顆粒4表面。(2)向掛膜完成的反應(yīng)容器1內(nèi)倒入待處理的含F(xiàn)e (II) EDTA-NO和Fe (III) EDTA 的混合溶液，然后加入少量電子供體及碳源(如葡萄糖等)和培養(yǎng)基。(3)最后將反應(yīng)器1進(jìn)行水浴加熱，接通電源，直至反應(yīng)結(jié)束。培養(yǎng)基(mg/L)碳源(葡萄糖)1500，KH2PO4300，Na2SO3 70，MgCl2 100，NaHCO3 5400，CaCl2 2，CoCl2 0. 48，MnCl2 · 4H20 1. 98，CuSO4 · 5H20 0. 5，Na2MoO4 · 2H20 0. 44， NiCl2 · 6H20 0. 38，H3BO4 0. 028，ZnCl2O. 2。
權(quán)利要求一種再生氮氧化物絡(luò)合吸收劑的三維電極生物膜反應(yīng)器，包括反應(yīng)容器，其特征在于所述的反應(yīng)容器內(nèi)由帶孔圓形套筒分隔成陽極區(qū)域和陰極區(qū)域；所述的陽極區(qū)域內(nèi)設(shè)有一正電極，所述的陰極區(qū)域內(nèi)設(shè)有圍繞正電極均勻分布的4-8根負(fù)電極，所述的陰極區(qū)域內(nèi)填充導(dǎo)電粒子；正電極、負(fù)電極以及填充在陰極區(qū)域的導(dǎo)電粒子構(gòu)成三維電極。
2.如權(quán)利要求1所述的三維電極生物膜反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)容器主體為 圓柱形，底部為圓錐形，頂部設(shè)有頂蓋；所述的頂蓋上設(shè)有采樣口和出氣口，反應(yīng)容器的底 部和側(cè)壁設(shè)有管口。
3.如權(quán)利要求1所述的三維電極生物膜反應(yīng)器，其特征在于所述的正電極為碳質(zhì)材 料，所述的負(fù)電極為碳質(zhì)材料或金屬材質(zhì)。
4.如權(quán)利要求1所述的三維電極生物膜反應(yīng)器，其特征在于所述的碎屑狀導(dǎo)電粒子 為無定型碳碳纖維、石墨顆粒、金屬或者玻璃碳。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種再生氮氧化物絡(luò)合吸收劑的三維電極生物膜反應(yīng)器，包括反應(yīng)容器，所述的反應(yīng)容器內(nèi)由帶孔圓形套筒分隔成陽極區(qū)域和陰極區(qū)域；所述的陽極區(qū)域內(nèi)設(shè)有一正電極，所述的陰極區(qū)域內(nèi)設(shè)有圍繞正電極均勻分布的4-8根負(fù)電極，所述的陰極區(qū)域內(nèi)填充導(dǎo)電粒子在陰極周圍，正電極、負(fù)電極以及填充在陰極區(qū)域的導(dǎo)電粒子構(gòu)成三維電極。本實(shí)用新型三維電極生物膜反應(yīng)器可用于絡(luò)合吸收煙氣脫硝，利用陰極導(dǎo)電顆粒表面的混合菌膜，通過電促微生物作用，同時(shí)還原氮氧化物絡(luò)合吸收產(chǎn)物中的Fe(II)EDTA-NO和Fe(III)EDTA得到Fe(II)EDTA，實(shí)現(xiàn)絡(luò)合吸收劑的再生，而且能耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉。
文檔編號(hào)C02F3/34GK201634549SQ20102012992
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者李偉, 糜徐紅, 高琳 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)