1引言

煤炭燃燒生成的SO2隨煙氣進(jìn)入大氣, 可能會形成酸雨, 對人類生存環(huán)境產(chǎn)生極大的危害。而目前我國的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主, 占一次能源的75%, 并且隨著經(jīng)濟(jì)的增長, 在今后若干年內(nèi)還有上升的趨勢。目前可以進(jìn)入工業(yè)化的技術(shù)多為物理和化學(xué)方法, 與這些方法相比, 生物法脫硫去除率高、成本低、能耗少, 展示了廣闊的應(yīng)用前景。本文將對生物煙氣脫硫技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

2煙氣生物脫硫原理

應(yīng)用微生物脫硫的研究是伴隨著利用微生物選礦的研究而開始的。1947 年, Colmer 和Hinkle 發(fā)現(xiàn)并證實化能自養(yǎng)細(xì)菌能夠促進(jìn)氧化并溶解煤炭中存在的黃鐵礦, 這被認(rèn)為是生物濕法冶金研究的開始。在20 世紀(jì)50 年代, Leathan 及Temple 等人就分別發(fā)現(xiàn)某些化能自養(yǎng)微生物與煤中的硫化鐵的氧化有關(guān), 并從煤礦廢水中分離出氧化亞鐵硫桿菌( Thiobacillus ferrooxidans) 。但直到20 世紀(jì)70 年代, 隨著酸雨和大氣污染問題的日益嚴(yán)重, 微生物脫硫技術(shù)才開始得到重視。微生物脫硫技術(shù)可以用在很多方面, 近年來, 在微生物煤炭脫硫、微生物除臭、微生物降解揮發(fā)性有機(jī)氣體的研究和工業(yè)應(yīng)用方面取得了較大進(jìn)展, 而將微生物用于煙氣脫硫(BFGD) 是一項較新的技術(shù), 目前文獻(xiàn)報道極少。但隨著人們對脫硫微生物認(rèn)識的進(jìn)一步提高, 生物脫硫技術(shù)將被廣泛地應(yīng)用于煙氣脫硫。

2.1吸收SO2的工作原理

煙氣中的SO2通過水膜除塵器或吸收塔溶解于水并轉(zhuǎn)化為亞硫酸鹽、硫酸鹽；在厭氧環(huán)境及有外加碳源的條件下，硫酸鹽還原菌(SRB1將亞硫酸鹽、硫酸鹽還原成硫化物；然后再在好氧條件下通過好氧微生物的作用將硫化物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫，從而將硫從系統(tǒng)中去除�？梢詫煔馍锩摿蜻^程劃分為兩個階段，即SO2的吸收過程和含硫吸收液的生物脫硫過程。

利用微小水滴的巨大表面積完成對煙氣的吸收，從而使SO2從氣相轉(zhuǎn)入液相，并且主要以亞硫酸根、硫酸根的形式存在吸收效果與吸收液的比表面積、pH、堿度、溫度等有關(guān)，但主要取決于吸收液的比表面積。凌過程的主要反應(yīng)如下：

SO2(g)一SO2(1)

SO2（1）+H20—HSO3-十H+

HSO3-一 SO32-+H+

2S032- 一02—2S042-

從反應(yīng)方程式可以看出，在SO2的吸收過程產(chǎn)生了H-。因此，吸收液必須有足夠的堿度來中和H+，以保障吸收反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。

2.2含硫吸收液生物脫硫的工作原理

在厭氧環(huán)境下，富含亞硫酸鹽、硫酸鹽的水在硫酸鹽還原菌(SRB)的作用下，其中的亞硫酸鹽和硫酸鹽被還原成硫化物。主要反應(yīng)如下(此處以甲醇作為硫酸鹽還原的電子供體)：

HSO3-+CH30H—HS-+CO2+2H20

3S042- +4CH30H——3HS-十3HCO3- +CO2+5H20

在好氧條件下利用細(xì)菌將厭氧形成的硫化氫氧化成單質(zhì)硫，并將單質(zhì)硫顆粒予以回收。發(fā)生反應(yīng)如下：

很顯然，該反應(yīng)增加了系統(tǒng)循環(huán)液的堿性，與吸收過程導(dǎo)致吸收液酸性增加的反應(yīng)互逆，這維持了整個系統(tǒng)pH的穩(wěn)定，從而減少了系統(tǒng)運行時的藥劑投加量。

3 生物法煙氣脫硫技術(shù)研究方向

發(fā)展微生物煙氣脫硫技術(shù)很具有潛力, 但也存在一些問題需要解決, BFGD 法應(yīng)側(cè)重以下幾方面的研究工作。

(1) 基礎(chǔ)理論研究。氧化無機(jī)硫的菌種以專性、兼性自養(yǎng)菌為主, 而專性自養(yǎng)菌往往生長較慢, 在煙氣脫硫技術(shù)中, 生物量的供應(yīng)將影響整個系統(tǒng)的處理效率。因此, 在今后的研究中, 篩選生長速度快、脫硫性能優(yōu)良的菌種是必須進(jìn)行的基礎(chǔ)研究。對已有的菌種, 應(yīng)將研究重點放在微生物最佳培養(yǎng)方案優(yōu)化和對微生物菌種的改良上, 改進(jìn)微生物的遺傳性狀, 提高菌種的脫硫效率。同時, 進(jìn)一步探索煙氣脫硫機(jī)理, 從而提出更合理的脫硫新方法, 以指導(dǎo)和完善脫硫技術(shù), 加快BFGD 的工業(yè)化進(jìn)程。

(2) 選擇合適的生物反應(yīng)器。生物反應(yīng)器涉及氣、液、固三相傳質(zhì)及生化降解過程, 影響因素多而復(fù)雜, 有關(guān)的理論研究及實際應(yīng)用還不夠深入, 需要進(jìn)一步探討和研究。

(3) 合理解決煙氣溫度較高和生物法脫硫常溫操作二者之間的矛盾。燃煤鍋爐煙氣經(jīng)除塵器后溫度一般較高, 大部分在100～180 ℃, 而脫硫細(xì)菌多在常溫下生長, 因此, 一方面應(yīng)開發(fā)回收利用進(jìn)入生物反應(yīng)器前煙氣余熱的技術(shù); 另一方面, 應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù), 培育更適于煙氣脫硫的耐高溫的脫硫菌。

(4) 高效功能菌的選育。隨著生物技術(shù)的高速發(fā)展, 利用現(xiàn)代基因工程技術(shù)對某些脫硫菌進(jìn)行改性, 強(qiáng)化其轉(zhuǎn)化作用, 以獲得生長繁殖速度快、活性高、適應(yīng)溫度和pH 值范圍寬的多質(zhì)粒高效菌, 篩選和培育出適應(yīng)性和穩(wěn)定性更高的脫硫菌, 通過縮短煙氣脫硫菌的馴化、培育和掛膜時間延長脫硫菌的使用壽命。

4 應(yīng)用實例

隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展, 微生物煙氣脫硫技術(shù)必將取得更大進(jìn)展。

1992 年荷蘭HTS E&E 公司和PAQUES 公司開發(fā)的煙氣生物脫硫工藝(BFGD) 標(biāo)志著煙氣生物脫硫技術(shù)領(lǐng)域達(dá)到了實用技術(shù)水平。目前BFGD 工藝對于中小型鍋爐煙氣治理已進(jìn)入實用化的階段, 其示范工程處理電廠廢氣量達(dá)200 萬m3/h。BFGD 工藝主要設(shè)計通過1個吸附器和2 個生物反應(yīng)器去除氣體中的SO2。吸附器首先吸附煙氣中的SO2, 并且是唯一與氣體接觸的單元。在第1個反應(yīng)器通過厭氧生物處理形成硫化物, 在第2 個反應(yīng)器通過好氧生物處理將硫化物氧化成高質(zhì)量的單質(zhì)硫。由硫酸鹽到硫化物再被氧化成單質(zhì)硫要分別在 2 個生物反應(yīng)器中完成, 增加了投資成本。文獻(xiàn)以生物滴濾池和生物后處理單元組成的2 級反應(yīng)器來處理模擬煙氣。與一般生物滴濾池不同的是, 噴淋液不進(jìn)行循環(huán)。當(dāng)模擬煙氣中SO2 體積分?jǐn)?shù)在( 300～1 000) ×10- 6 時, 生物滴濾池能完全將SO2 轉(zhuǎn)化為亞硫酸鹽和硫酸鹽。含亞硫酸鹽和硫酸鹽的溶液從生物滴濾池流入后處理單元, 在此反應(yīng)器中同時完成由硫酸鹽到硫化物再到單質(zhì)硫的轉(zhuǎn)化, 單質(zhì)硫的產(chǎn)率達(dá)80%。

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