固定化微生物反应器动力学研究

论文摘要

二氧化硫危害是当今世界空气污染的三大问题之一，而烟气脱硫则是SO2污染控制的重要手段。近年来，随着环境保护学科的发展和相关学科的相互交叉，在烟气脱硫技术中，生物脱硫是一种较新的烟气脱硫（FGD）技术思路。利用化能自养微生物对SOX进行代谢，将烟道硫氧化物脱出，具有低能耗，投资少，净化效率高和二次污染小等优点。固定化微生物技术由于具有微生物密度高、反应迅速、微生物流失少、产物易分离、反应过程易控制的优点，而成为当前研究的热点。氧化亚铁硫杆菌因其特有的双重氧化系统的存在成为生物脱硫最重要的菌种之一。目前，国内外学者对于微生物法烟气脱硫技术的研究尚处于起步阶段，相对于氧化亚铁硫杆菌双氧化系统中的铁氧化系统而言，基于硫氧化系统的研究进展缓慢，利用细菌的直接氧化作用来进行微生物脱硫的研究不够深入。本文从固定化微生物反应器净化低浓度SO2气体的反应过程控制因素入手，对其进行动力学研究、建立生化反应宏观动力学模型，并将模型应用于净化其他气态污染物。研究表明：固定化微生物小球的半饱和系数比游离菌小，脱硫菌经过固定化处理后反应活性有所增加，固定化微生物生化降解反应容易进行。然而固定化微生物的反应速率常数却比游离菌的小，造成上述差异的主要原因是由于物质在流体和固定化微生物小球内的扩散是比较缓慢的。因此，传质控制和扩散是影响固定化微生物催化活力的主要因素之一。对底物在固定化微生物小球内的浓度分布的研究表明：底物在固定化微生物小球内浓度分布的关系式为：c=c0(Rsh（3φr/R）/rsh（3φ）。底物（如SO2）在固定化微生物小球内的浓度分布是不均匀的，其底物浓度沿半径从外至内逐渐降低，其原因之一就是内扩散阻力的存在对底物的扩散造成了一定的影响。通过对固定化微生物反应器净化低浓度SO2气体的反应过程及反应控制因素研究，建立的宏观动力学模型为Cs=exp((ημmaxCxAh)/YX/SKsQ)-1Cin。通过动力学试验数据模拟得到动力学模型参数为：μmax=0．724S-1，Ks=1．588×10-3mmol／L，Cxo／Yx/s=12．74 mg／m3，η=0．52。此外，本文还对模型在固定化微生物反应器净化H2S气体、生物膜填料塔净化低浓度SO2气体中的应用进行了研究，设计出适合净化含低浓度SO2气体的固定化微生物反应器。结果表明，出口气体污染物浓度的模拟计算值与试验值的拟合性好，相关系数高。固定化微生物反应器净化低浓度SO2气体的宏观动力学模型应用于固定化微生物反应器净化H2S气体、生物膜填料塔净化SO2气体在理论和现实上是可行的。从动力学角度分析可以证明，固定化微生物在净化气态污染物方面具有明显优势，采用固定化微生物反应器净化低浓度SO2气体具有很好的降解性能，其动力学模型在生物法降解其他气态污染物中的应用也是可行的，对生物法应用于其他气态污染物的净化具有极大的理论和现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 二氧化硫的危害及污染现状
• 2的控制途径'>1.2 烟气中SO₂的控制途径
• 1.3 传统烟气脱硫技术
• 1.3.1 湿法烟气脱硫技术（WFGD）
• 1.3.2 半干法烟气脱硫技术（SDFGD）
• 1.3.3 干法烟气脱硫技术（DFGD）
• 1.4 生物脱硫技术
• 1.5 固定化微生物技术
• 1.5.1 固定化微生物技术的背景
• 1.5.2 传统的固定化方法
• 1.5.3 新型固定化方法
• 1.5.4 固定化微生物的特点
• 1.5.5 固定化微生物反应器
• 1.5.6 固定化微生物技术在环境工程中的研究进展
• 1.5.7 固定化微生物技术的发展前景
• 1.6 课题提出目的和意义
• 1.7 本课题组前期研究成果回顾
• 1.7.1 菌种的筛选和驯化工艺的确定
• 1.7.2 固定化微生物方法的确定
• 1.7.3 固定床操作因素的确定
• 1.7.4 动力学初探
• 1.8 研究内容
• 第二章 微生物脱硫基本原理
• 2.1 脱硫微生物
• 2.2 细菌学原理
• 2.2.1 氧化亚铁硫杆菌的铁氧化系统
• 2.2.2 氧化亚铁硫杆菌的硫氧化系统
• 2的固定'>2.2.3 CO₂的固定
• 2.3 脱硫机理研究
• 2.3.1 直接作用
• 2.3.2 间接作用
• 第三章 试验设计与方法
• 3.1 微生物菌种的驯化
• 3.1.1 试验用药品和仪器
• 3.1.2 试验流程
• 3.1.3 分析方法和试验指标
• 3.2 固定化微生物的制备
• 3.2.1 试验用药品和仪器
• 3.2.2 制备流程
• 2气体的净化'>3.3 生物反应器对SO₂气体的净化
• 3.3.1 试验用药品和仪器
• 3.3.2 试验流程
• 3.3.3 分析方法和试验指标
• 第四章 固定化微生物反应器动力学研究
• 4.1 底物传递过程分析
• 4.2 固定化微生物和游离菌的微观生长动力学研究
• 4.2.1 游离微生物的微观反应速率
• 4.2.2 固定化微生物的微观反应速率
• 4.2.3 固定化微生物与游离菌的微观反应速度比较
• 4.3 固定化微生物和游离菌的宏观反应速率研究
• 4.3.1 游离菌的宏观反应速度方程
• 4.3.2 固定化微生物的宏观反应速度方程
• 4.3.3 宏观反应速度常数比较
• 4.4 底物在固定化微生物小球内的浓度分布
• 4.5 动力学试验条件及生物反应器稳定性
• 4.5.1 内外扩散影响的消除
• 2进气冲击负荷能力'>4.5.2 系统抗SO₂进气冲击负荷能力
• 4.5.3 系统稳定运行时间及活性恢复
• 4.6 固定化微生物反应器动力学模型的建立
• 4.6.1 模型的假设与简化
• 4.6.2 模型的建立与分析
• 4.7 模型参数估计
• max和半饱和系数K_s'>4.7.1 最大比生长速率μ_max和半饱和系数K_s
• x/s和细胞浓度C_x'>4.7.2 细胞得率Y_x/s和细胞浓度C_x
• 4.7.3 内扩散有效因子η
• 4.8 动力学模型的验证
• 第五章 宏观动力学模型的应用
• 5.1 反应器的设计
• 5.1.1 操作温度和喷淋液pH
• 5.1.2 反应器的运行及活性恢复时间
• 5.1.3 停留时间与床层高度
• 2S气体中的应用'>5.2 固定化微生物反应器在净化H₂S气体中的应用
• 5.2.1 试验方法和操作条件
• 2S气体的模拟'>5.2.2 模型对固定床反应器净化H₂S气体的模拟
• 5.2.3 模型适用性分析
• 2气体中的应用'>5.3 模型在生物膜法净化SO₂气体中的应用
• 5.3.1 试验方法与操作条件
• 2气体的模拟'>5.3.2 模型对生物膜法净化低浓度SO₂气体的模拟
• 5.3.3 模型适用性分析
• 5.4 讨论
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A（攻读硕士期间发表论文目录）