生物过滤除氨气

1.摘要

氨气无色，有毒，易反应，具有腐蚀性，并有强烈异味。其会刺激人体皮肤，眼睛，鼻子，喉咙，及肺部 。自然界和工业生产都将产生氨气，因此对氨气的控制是非常重要的。生物过滤是最近新起的一项控制氨气的技术。在这里将研究如何结合堆肥，淤泥，及PVC片作为生物过滤介质来除去氨气。主要通过研究进口浓度，堆积时间，过滤介质深度等参数所能产生的影响，来估测除氨气效率。通过建立和操作实验室刻度过滤器来来得出需要的有关数据。 结果表明，当进口浓度为236ppm，氨气转载速度小于9.86 g-NH3/m3.h，停留时间为1分钟时，氨气的出去效率可以超过99.9%。细菌驯化时间为10天。研究结果表明，该生物过滤系统，能够有效的除去废气中的氨气。并且根据氨气入口的浓度，可以决定过滤介质的程度。

2.介绍

氨气无色，有毒，易反应，具有腐蚀性，并有强烈异味。氨气会刺激人的眼睛及呼吸管道，在高浓度的条件下甚至能在几分钟内使人致死。气态氨产生的主要来源有，家畜饲养，石化工业，金属制造设备，食品业，造纸业，纺织设备，废水处理设备，淤泥处理及堆肥设备。随着氨气排放标准日益严格，需要开发更有效更经济的氨气处理技术。传统的氨处理技术是基于物理或者化学方法，例如活性炭吸附，湿式冷凝洗涤，以及热氧化和催化，但该方法费用高，且会产生新污染。

空气生物过滤技术，很早之前就开始有所应用，在近几年更多的应用到异味气体排放控制，有毒化合物及VOC的控制。生物过滤的原理非常简单：含污染物的气体，通过某多孔填料床，其中含有固定的微生物，通过这些微生物的降级作用，实现对污染物的生物处理。当异味污染气体通过介质时，气流中的污染物被生物膜吸收，氧化生成CO2, H2O, NO3, 及SO4。与传统的方法相比，生物过滤技术在处理低浓度污染气体方面具有相当优势。并且该技术还具有高效，低投入费用和运行费用，安全操作，低能源消耗，不产生副产品，能将许多无机物和有机物转化成无害的氧化物的特点。

最近，也有相关研究调查关于如何利用生物过滤来除去氨气，使用隔离细菌来处理高负载量的氨气。比较哪些无机填料效果较高，以及使用固定的湿性细菌来除去氨气和硫化氢气体。

而这篇研究文章的目的则是，引进一项专门的生物过滤除氨气的工艺技术。研究如何使用堆肥，淤泥和PVC片的混合物作为过滤介质，来除去氨气。其中还将重点研究进口浓度，堆积时间，过滤介质深度等参数对处理效率的影响。

3.材料及方法

生物过滤系统
主体是三层结构的床式生物过滤器，主要结构为一个高1.5 m，直径80 mm的金属圆柱容器。该容器中含有堆肥，城市下水道淤泥，及PVC。其中三者的混合比例为，3－2－1。在过滤系统的每一层都装有混合后的填料介质，由金属滤网支撑。在每一层的进口与出口处，都装有气体取样端口。另外，每层还装有介质取样端口，用于从填充材料中取样。在每个过滤床中部安装了温度计，用于日常温度测量。为了使过滤器中有稳定的温度，在系统中安装了电子温度调节装置。

4.测量方法
采用靛酚法确定氨气浓度。利用酒精玻璃温度计测量温度，该温度计测量范围为0到100摄氏度。气体流速则使用流量计进行测量，单位为l/min。利用水压力计测量压降数值。

5.结果

驯化时间
该研究最重要的目的就是确定细菌需要多少时间来驯化氨气。在该实验中，第一阶段持续时间为83天，经观察，细菌用了十天的时间来驯化氨气，在驯化期间除氨率较低，驯化期后，除氨率上升到99.9% ，并且系统开始保持稳定。

入口氨气浓度对除氨效率的影响
另外需要研究的就是通过生物过滤系统能够达到什么样的除氨效果。为了取得需要的结果，系统做第二阶段的83天的实验，其中废气流速为6.48 l/min，废气的停留时间(EBRT)为一分钟。在运行开始阶段，进口浓度为10 ppmv，然后逐渐增加到大约236ppmv。在最初几天，处于驯化阶段，除氨率比较低，然后就有迅速的提高。经观察系统系统能处理的氨气浓度上限是236 ppmv，而能够达到99.9%以上的除去效率。当入口的氨气浓度为10 to 236ppmv时，出口气体中氨气的浓度低于0.1 ppmv。然而，当入口氨气浓度超过236时，除氨率将下降，且系统变的不稳定。经观察，10 - 236 ppmv的入口氨气浓度范围内，最大的氨气转载量为9.86 g-NH3 /m3h。

容器内压降
容器内气体阻力大小决定风扇的能量消耗，也就是系统的主要能源消耗。在实验过程中，压降数据主要通过水压力计进行测量。经观察，在最初几天压力就大，过段时间后，压力数据主要与介质的湿度有联系。平均的压力为43.55 Pa。没有发现压力与氨气转载量之间有直接的关联。

过滤材料潮湿度对系统的影响
过滤器中介质的潮湿度是非常重要的操作参数，因为它将直接影响系统的除氨效率，以及气体压降。最佳的潮湿度是在40%和60%。为了维持理想的稳定的介质湿度，需在系统中增加湿度调节装置。

温度控制
系统中的温度是需要日常控制的，因为温度对于微生物的生长影响非常大。对于细菌最理想的温度是30 °C 左右，因此在操作过程中都要争取将温度控制在30 °C 左右。

6.讨论

在氨气的生物过滤过程中， 微生物将氨转化成硝酸盐。整个过程是有两种微生物完成的，首先是亚硝化单胞菌将NH4+转化成NO2-，然后由硝化细菌将NO2-转化成NO3-。在与氨气物质接触前，过滤介质中的微生物数量是不变化的。在驯化阶段以后，微生物聚集成块，一定数量以后围绕到过滤介质周围形成生物膜。 污染物质经扩散从气态到进入到含微生物的固定生物膜中，从从氨被氧化成无害的硝酸盐。