土壤过滤净化氮氧化物实验研究.pdf

土壤过滤净化氮氧化物实验研究 都基峻 中国环境科学研究院, 北京 100012 季学李 羌 宁 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092 摘要 实验考察了土壤类型、进口浓度、温度和过滤气速对净化氮氧化物废气效果的影响。 结果表明, 土壤过滤能够 有效削减NOx污染, 对 NO2的净化效率可达 90以上 肥沃土壤的净化效率明显高于贫瘠土壤, 适宜作为过滤介质; 在实验浓度范围内, 净化效率基本随着进口浓度的提高而提高。 当进口浓度高于2 mg m3时, 净化效率基本稳定在 95左右; 温度的升高对提高去除率是有利的, 而且对延长土壤滤池有效使用时间有很大帮助; 在实验范围内气速的 提高对NO2去除率影响不明显。 关键词 氮氧化物 土壤过滤 生物净化 1 概述 随着城市交通的发展 , 来自汽车尾气的 NOx污 染逐年增加, 汽车尾气中的 NOx已成为城区 NOx的 主要来源 [ 1] 。在地下停车场和隧道等相对封闭的场 所,污染情况尤为严重 [ 2,3] 。上世纪 90 年代, 日本学 者采用土壤过滤法净化低浓度 HC 和 NOx等污染 物 [ 4,5] 。与其他方法相比, 这种简易的生物法具有净 化效果好、运行费用低廉的特点, 其良好的环境相容 性也是其他净化方法所不具备的。 由于在 NOx中, NO2对环境的影响较 NO 大得 多,所以本研究重点考察土壤过滤对模拟废气中 NO2 的净化效果,实验研究了土壤类型 、 进口浓度 、 过滤气 速和温度对净化效果的影响, 寻找合适的处理工艺参 数,为进一步深入研究提供技术支持。 2 材料和方法 实验采用的土壤净化主体设备为固定式滤床 ,直 径为56 mm ,实验土壤层厚为200 mm; 在土壤层下为 不锈钢丝网承托层, 在土壤层的上下各有一个采样 口。实验时空气从 NOx发生瓶进入, 含 NOx的气体 经过缓冲增湿后进入土壤过滤装置 ,净化后的气体依 次经过干燥管、转子流量计和抽气泵后排出见图 1。 实验中采用亚硝酸稀溶液产生 NOx,进气浓度控 制在 0. 3～ 10 mg m 3 , 过滤气速为 10 ～ 50 mm s, 实验 装置分别模拟冬季 8 ～ 12 ℃ 和夏季 20～ 25 ℃ 的 平均气温, 在模拟夏季时 ,整个实验装置放置在保温 箱内 。 NOx和 NO2的 测试采用 Saltzman 法 , 按 国标 GB T15435 -1995的要求进行测试。处理气体流量采 图 1 土壤净化实验装置图 1氮氧化物发生瓶; 2缓冲增湿瓶; 3采样口; 4不锈钢丝网; 5土壤过滤层; 6干燥管; 7转子流量计; 8抽气泵。 用转子流量计测量 ,土壤的含水量采用称量法测量, 有机质含量采用马弗炉高温灼烧称量法测量 。 3 实验结果及讨论 3. 1 土壤类型的影响 通常可按土壤有机质含量的多少,把土壤分为肥 沃土壤和贫瘠土壤两类。肥沃土壤的有机质含量高, 一般具有较好团粒结构, 孔隙分布较好 , 有良好的通 水、 透气性能。为了解土壤类型对 NOx净化的影响, 实验中采用了 2 种土壤介质进行试验 ,一种为有机质 含量少的粘性土 ,另一种为较肥沃的园林种植土。 为了控制土壤过滤床的气流阻力,同时也为了使 气流分布均匀, 实验中把 2 种土壤进行筛分 , 取土壤 中粒径在2～ 5 mm之间的土壤团粒填充到过滤层中。 2 种土壤颗粒的有机质和水分含量见附表。 图2、 3 分别表示在不同进口浓度下 ,不同的土壤 介质对NO2处理效果。由图可知, 肥沃土壤的净化 效率明显高于贫瘠土壤。在实验的进口浓度范围内, 48 环 境 工 程 2005年 2 月第23 卷第1 期 肥沃土壤对 NO2去除率基本在 90以上, 而且比较 稳定; 贫瘠土壤对NO2的去除率要低得多 ,而且净化 效果不稳定。 附表 选用的土壤颗粒性质 土壤介质含水率有机质含量 堆积密度 kgm- 3 粘性土18. 652. 321 019. 5 园林种植土46. 077. 86838. 5 图 2 粘性土对NO2的去除效率 图 3 园林土对NO2的去除效率 肥沃土壤处理效果好的原因主要有以下几点 1 肥沃土壤中的含水量较高, 水分存在有利于 NOx的化学转化和生物转化 。 2 肥沃土壤中的微生物数量是贫瘠土壤中的几 十倍甚至上百倍 ,其氮的生物转化能力强得多 。 3 肥沃土壤中含有较多的有机质, 微生物的营 养相对丰富 ,生命活动较为活跃; 同时有机质有利于 形成土壤的团粒结构, 使土壤的孔隙率增加 ,有利于 吸附污染物。 而贫瘠土则不具备这些特点 , 所以净化效果较 差,不适合作为土壤过滤净化的介质。 3. 2 进口浓度的影响 本研究主要考察了 NO2浓度在10 mg m 3 以下的 净化效果 。从图 2 和图3 中还可以看出 ,在较低进口 浓度下 ,平均净化效率并不高, 而且净化效率的波动 较大, 即使对于肥沃土壤, 波动幅度也大于 20, 而 当进口浓度高于2 mg m 3 时 , 净化效率基本稳定在 95左右 。因此,总的来说, 在实验浓度范围内 ,净化 效率基本随着进口浓度的提高而提高 。这一现象目 前还未见相关的研究报导过。出现这种情况的原因 可能是 ,随着进口浓度的降低,NO2从气相转移到液 相或固相的传质推动力减小, 由于传质过程影响了整 体的净化效率, 所以低浓度时净化效率较差。 3. 3 温度的影响 温度对于微生物的生理活动有较大的影响。土 壤中的大多数微生物可在 5～ 30 ℃ 的范围内生存 ,但 在不同的温度下 ,它们的活性差别较大 , 对于硝化细 菌和反硝化细菌来说 , 最适宜的温度范围为 20 ～ 30 ℃。 考虑到处理装置的实际运行条件, 分别模拟冬 季 8～ 12 ℃ 和夏季 20～ 25 ℃ 的平均温度, 研究不 同温度下的净化效果 。图 4 中, 夏季实验是在冬季实 验效果恶化后, 将设备移入保温箱中进行的。 图 4 不同温度对净化效率的影响 在较低温度下,NO2的净化效率较高且一直保持 稳定, 但NOx的平均净化效率逐渐降低 , 而且波动较 大,设备运行到约1 000 h后 ,NOx的净化效率持续为 负值 ,说明进入系统的污染物的量小于排出的量。提 高温度后 NO2的净化效率逐渐提高, 后期基本接近 100,而NOx平均去除率逐渐升高 ,基本恢复到原来 的水平,净化效率的波动也较小。因此可以认为温度 的升高对于提高 NOx的净化效果和延长土壤的有效 使用时间是有利的。 对于单纯的吸收过程来说 ,提高温度对于水吸收 NOx是不利的 ,但温度升高能够使土壤微生物更加活 跃,氮素的转化速度加快。比较而言, 在通常的温度 范围内,温度变化对微生物活性的影响要比对吸收过 程的影响大。因此, 总的来看温度的提高有利于对 NOx的净化。 3. 4 表观过滤气速的影响 土壤滤池的表观过滤气速与其处理气量成正比, 49 环 境 工 程 2005年 2 月第23 卷第1 期 直接关系到土壤滤池的经济性 , 是一个很重要的参 数。土壤滤池 包括堆肥滤池 用于恶臭气体的净化 处理时 ,表观过滤气速一般在 0. 01～ 0. 05 m s 之间。 由于该范围较宽 ,在应用时往往难于把握。针对土壤 滤池净化NOx,日本的研究人员采用 2 cm s 的表观过 滤气速,取得了较为理想的效果。本研究为了解提高 过滤气速对处理效果的影响, 采用 2 种过滤气速进行 对比 。 图 5 不同表观气速下的NO2净化效率 图6 不同表观气速下的NOx净化效率 从图 5、6 中可以看出 , 两种气速条件下对土壤 NO2的平均去除率很接近, 都在 90以上, 对 NOx的 平均去除率也都在 50～ 60之间, 单从这一点来 说,表观过滤气速在 0. 01～ 0. 05 m s的范围内变化对 土壤过滤效率的影响不大 。 但在高气速下 NOx的去除率比波动较低气速下大 得多,说明在较高气速条件下,土壤过滤对NOx处理效 果不稳定。实验中还发现 ,表观过滤气速较大时,土壤 层的水分蒸发速度快,容易发生土壤层局部风干的现 象。所以在土壤滤池实际使用中要考虑合适的增湿措 施,避免土壤层局部干燥而影响净化效果。 4 结论 1 土壤净化氮氧化物是可行的, 能够有效削减 NOx污染 ,其对 NO2的净化效率可保持 90以上, 对 于NOX的平均净化效率也达到 50左右 。 2 肥沃土壤的净化效率明显高于贫瘠土壤, 在 实验的进口浓度范围内, 肥沃土壤对 NO2去除率基 本在 90 以上, 而且比较稳定, 适宜作为土壤过滤的 介质 。 3 实验发现, 在10 mg m 3的浓度以下 ,NO 2净化 效率基本随着进口浓度的提高而提高。 4 温度的升高对提高去除率是有利的 ,而且对 于土壤滤池的稳定运行和延长有效使用时间也有很 大帮助。 5 当气速从0. 01 m s提高到0. 05 m s时 ,气速的 提高对NOx去除率影响不明显 。 参考文献 1 刘昶, 徐渭芳, 上海市交通与机动车排气污染调查. 上海环境科学, 1999. 18 12 554～ 557. 2 陈国平, 蒋颂辉. 地下车库汽车废气污染状况调查. 上海环境科学, 1999. 18 8 374～ 375. 3 都基峻, 季学李, 羌宁. 上海市区道路地面氮氧化物污染现场调查. 上海环境科学,2002. 21 4 227～ 229, 260. 4 高见胜重, 西田隆行. 土壤による大气净化 システム. 资源环境对 策, 1997. 33 10 938～ 944. 5 金子和己, 岛田幸司, 高见胜重. 土壤 を用いた大气净化システム の实施例と今后の展开. 资源环境对策. 1999. 35 6 542～ 550. 作者通讯处 都基峻 100012 北京安外大羊坊 8 号 中国环境科学 研究院大气污染控制室 电话 010 84913913 E -mail dujijun hotmail. com 2004- 04-15 收稿 招聘启事 集美大学生物工程学院环境工程专业急需具有工科学历背景的环境工程、污水处理工程人 才2～ 3 名,要求硕士以上学历或副教授以上职称。待遇等详情请见集美大学人事处网页,网址 www . jmu. edu. cn rsc 联系电话 0592 6180470 联系人 金老师 50 环 境 工 程 2005年 2 月第23 卷第1 期 ferrosilicon electric furnace. The investment analysis of recovering microsilicon fume was also conducted. Keywords ferrosilicon electric furnace, dedusting, recovery of microsilicon fume and benefit TECHNICALREOFDEVICEFORTREATINGPELLETINGTAILGASFROM PRODUCTIONOF COMPOSITE FERTILIZERYang Zhongmiao et al 41 Abstract It was analyzed that the problems of phosphoric acid -washing for primary treatment of pelleting tailgas from production of composite fertilizer, and that the causes of large amount of ammonia in the tailgas when water -washing is used for primary and secondary treatments. A technical scheme of using phosphoric acid -washing for secondary treatment is also proposed, whose operations show that the re is successful and using phosphoric acid-washing for secondary treatment is feasible. Keywords pelleting tailgas, ammonia, phosphoric acid and re EXPERIMENTAL STUDY ON FUSION AND PICK-UP BY SOAKING FOR FLY ASH IN MUNICIPAL SOLID WASTE MSWINCINERATIONZhong Zhaoping et al 43 Abstract It isdescribedthat the process of experimental study on the fusion at high temperature for fly ash in municipal solidwaste MSW incineration and the perance of the pick -up by soaking for the fusing dregs. The experiment of fusion is operating in Marver stove, and the experiment of pick -up by soaking is operating in distilledwater, acetic acid,whose pH is4. 5, and sulphuric acid, whose pH is 3. The resultsof the experiments are as follows. The amount of the heavy metal Cd, Cr, Zn, Fe increases asthe time of fusion goeson, the amount separted out decreases obviously. By prolonging the time of fusion, the pollution of these metals can be reduced. Because the heavy metal Hg volatilizes easily, the time of fusion has little effects on its amount separated out. The amount separatedout of heavy metalZn, Cd etc. decreases obviously with its temperature of fusion increasing, so the pollution of these can be reduced by raising its temperature of fusion. The amount separated out of the heavy metal Cr increases with the rising of the solvent s pH,while the amount separated out of Cd, Pb, Zn in acetic acidis the greatest, and water is the smallest. For these heavy metals and acetic acid having complex reactions, so its amount separated out is the greatest. Keywords fusion, pick-up by soaking, MSW incineration and cinder STUDY ONTECHNOLOGY OF PLASTIC SEPARATING AND RECYCLING FROM MSW Lǜ Chuanyi et al 45 Abstract The component of MSW was analyzed, and the necessity of separating plastic and recycling plastic from the MSW wasexpatiated. The new processof separating plastic and recycling plastic from the MSW was brought forward. The motion parameters of separating plastic and the perance parameter of plastic boardwere given. The key techniques, such as crushing, enlacing, changing density and so onwere also solved. The technical inds of the fabricated boards can meet the requirements of building materials. Keywords MSW, plastic separating , changing density , recycling resource and plastic board TREATMENT OF NITROGEN OXIDE WITH SOIL FILTRATIONDu Jijun et al 48 Abstract The biological treatment of nitrogen oxide in waste gas by soil filtration was investigated. The study focused on the effect of soil, concentration, temperature and air velocity through reactor. The experiment result demonstrated that pollution caused by nitrogen oxide canbe controlled by soil filtration. The removal efficiency of nitrogen dioxide was above 90. Enrichment soil was better than poor soil as filtration medium. The removal efficiency was increasedwith increasing of concentration, when concentration higher than 2 mg m3, the removal efficiency was around 95. The increasing of temperature was of benefit to the removal efficiency. On the other hand, it also prolonged the operation time of soil filter. In the range of the experiment, the increasing of gas velocity in the reactor didn t decrease the removal efficiency of NOX. Keywords nitrogen oxide, soil filtration and biopurification DESIGNOFTHEINCINERATIONPLANTFORSOLIDWASTEFROMPUDONG INTERNATIONAL AIRPORTWang Yanming et al 51 Abstract It is introduced systematically that the incineration processfor the treatment of solidwaste from Pudong International Airport. And the process flow and design parameters including material balance and safety control theory have been detailed. Keywords solid waste from airport, incineration technique, material balance and process control PRIORITY LEACHING OF CAMIUM FROM SPENT CADMIUM -NICKEL BATTERIES Wang Min 56 Abstract Thermodynamics analysis and kinetics analysis of priority leaching of cadmium from spent Cd -Ni batteries have been carried out. The leaching conditions differ greatly between CdO andNiO, which was experimentally investigated. The results show that at 50 ℃ and pH2 of H2SO4solution in 50 min leaching, the leaching ratio of cadmium and nickel is 100 and 2. 5 respectively. Keywords spent cadmium -nickel batteries, thermodynamics, kinetics, cadmium and priority leaching RESEARCH ON RECOVERY OF ALLOYS FROM SOLID WASTE OF HIGH SPEED STEEL Xia Wentang et al 58 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23, No. 1,Feb. , 2005