催化氧化耦合厌氧氨氧化/反硝化新型烟气脱硝工艺调控及反应机制研究

In this study, aiming at NOx removal, based on catalytic oxidation reaction mechanism and process characteristics of Anammox/denitrification. The technical approach of this study is: part of NO in flue gas is transformed via activated carbon catalytic oxidation reaction firstly, then the residual NO and produced NO2 is reduced to N2 via Anammox/denitrification. This study focus on: 1) catalysts preparation parameters optimization, the nitrogen removal mechanism of NO or by catalysts; 2) the effect of NO、O2 and SO2 levels in flue gas on nitrogen removal via Catalytic Oxidative Coupling Anammox/denitrification process; 3) analyzing the microorganisms structure of the attached biofilm by molecule biological method; and 4) the nitrogen removal mechanism of NO in the coupling process; 5)analyzing the effect of the technical parameters (such as gas load, retention time and temperature, etc.) on NOx removal and optimizing the operational conditions, to provide the academic basis for the control mechanism and technical approach of NOx removal by catalytic oxidation/Anammox-denitrification process.

生物脱硝是近几年来废气处理领域研究的热点。本项目提出催化氧化耦合厌氧氨氧化/反硝化协同脱硝新方法，采用的工艺反应过程为：含NOx烟气通过负载催化剂的活性炭生物滤池反应器吸附NO，然后部分吸附态NO经催化氧化生成NO2，再通过厌氧氨氧化/反硝化菌作用将剩余NO和生成的NO2，以氨氮和有机物为电子供体还原为N2。本项目研究内容1）优化催化剂制备条件，并解析低温湿式催化氧化机理；2）建立催化氧化耦合生物降解（厌氧氨氧化/反硝化）烟气脱硝系统，考察烟气中NO、O2和SO2浓度变化对耦合反应脱氮工艺影响规律；3）通过分子生物学手段测试和表征生物膜中微生物菌群结构；4）基于反应器运行效能、催化剂催化性能和功能菌活性变化，探讨耦合工艺NOx脱除运行机制；5）优化系统运行参数，为烟气生物脱硝以及气水协同治理工艺研发及调控提供理论基础和科学依据。

大气NOX和SO2污染逐渐成为人们日益关注的环境问题之一。本研究分别采用一步水热法和分步水热法开发高效锰铁氧化物型中低温NO氧化催化剂，采用XRD、SEM、XPS、FTIR和H2-TPR等表征手段初步探讨Mn基催化剂氧化 NO 的机制，一步水热法Mn:Fe:Ce为8:1:0.5时制备的催化剂具有最佳催化活性，反应温度为210 ℃时NO转化率为66.8%，Fe:Ce改性后，催化剂中化学吸附氧和Mn4+的含量提升，改善催化剂的催化氧化NO活性。SO2易吸附在催化剂表面，与氧与发生反应，生成硫酸盐占据吸附位，导致催化剂发生不可逆失活。分步水热法锰铁催化剂催化氧化NO性能最好的MnO2添加量是摩尔比为Fe3+ : Mn7+ : Mn2+ : Mn4+为5:2:1:3，200℃其NO转化率达到81.1%。XPS结果表明分步法锰铁催化剂的表面吸附氧含量、以及由吸附氧引起的Mn4+和Mn3+之间的转化对于提升催化氧化NO活性至关重要。另外，基于厌氧氨氧化菌（AnAOB）及反硝化菌（DNB）利用NO为底物代谢和厌氧氨氧化（Anammox）耦合反硝化（DN）的原理，建立气水协同处理的厌氧氨氧化-反硝化耦合生物滴滤塔脱硝工艺（DEAMX-BTF），利用城镇污水组分的有机物（葡萄糖、淀粉）以及NH4+-N脱除燃煤烟气中的NOX。研究结果表明，气水比为10:1的条件下，喷淋液序批式-循环流脱氮效率较高（92.7%）。连续流运行时，进气NOX浓度由 200 ppm增至800 ppm，系统总氮去除率由 62.1%提升至71.0%，平均NOX净化率稳定达到98.7%；进气组分添加1000 ppm的SO2后，系统平均总氮去除率提升至75.0±5.2%，SO2净化率达100%，数据表明DEAMX-BTF系统有良好气水协同脱氮脱硝和抗硫性能。进气组成改变引起DEAMX-BTF系统菌群结构变化同时引起KEGG通路上分子水平酶表达量不同程度的上调及下调。g_Candidatus_Brocadia是系统内唯一厌氧氨氧化菌属。