烟气生物脱硫技术
1引言
煤炭燃烧生成的SO2随烟气进入大气, 可能会形成酸雨, 对人类生存环境产生极大的危害。而目前我国的能源结构以煤炭为主, 占一次能源的75%, 并且随着经济的增长, 在今后若干年内还有上升的趋势。目前可以进入工业化的技术多为物理和化学方法, 与这些方法相比, 生物法脱硫去除率高、成本低、能耗少, 展示了广阔的应用前景。本文将对生物烟气脱硫技术的研究进展进行介绍。
2烟气生物脱硫原理
应用微生物脱硫的研究是伴随着利用微生物选矿的研究而开始的。1947 年, Colmer 和Hinkle 发现并证实化能自养细菌能够促进氧化并溶解煤炭中存在的黄铁矿, 这被认为是生物湿法冶金研究的开始。在20 世纪50 年代, Leathan 及Temple 等人就分别发现某些化能自养微生物与煤中的硫化铁的氧化有关, 并从煤矿废水中分离出氧化亚铁硫杆菌( Thiobacillus ferrooxidans) 。但直到20 世纪70 年代, 随着酸雨和大气污染问题的日益严重, 微生物脱硫技术才开始得到重视。微生物脱硫技术可以用在很多方面, 近年来, 在微生物煤炭脱硫、微生物除臭、微生物降解挥发性有机气体的研究和工业应用方面取得了较大进展, 而将微生物用于烟气脱硫(BFGD) 是一项较新的技术, 目前文献报道极少。但随着人们对脱硫微生物认识的进一步提高, 生物脱硫技术将被广泛地应用于烟气脱硫。
2.1吸收SO2的工作原理
烟气中的SO2通过水膜除尘器或吸收塔溶解于水并转化为亚硫酸盐、硫酸盐；在厌氧环境及有外加碳源的条件下，硫酸盐还原菌(SRB1将亚硫酸盐、硫酸盐还原成硫化物；然后再在好氧条件下通过好氧微生物的作用将硫化物转化为单质硫，从而将硫从系统中去除。可以将烟气生物脱硫过程划分为两个阶段，即SO2的吸收过程和含硫吸收液的生物脱硫过程。
利用微小水滴的巨大表面积完成对烟气的吸收，从而使SO2从气相转入液相，并且主要以亚硫酸根、硫酸根的形式存在吸收效果与吸收液的比表面积、pH、碱度、温度等有关，但主要取决于吸收液的比表面积。凌过程的主要反应如下：
SO2(g)一SO2(1)
SO2（1）+H20—HSO3-十H+
HSO3-一 SO32-+H+
2S032- 一02—2S042-
从反应方程式可以看出，在SO2的吸收过程产生了H-。因此，吸收液必须有足够的碱度来中和H+，以保障吸收反应的持续进行。
2.2含硫吸收液生物脱硫的工作原理
在厌氧环境下，富含亚硫酸盐、硫酸盐的水在硫酸盐还原菌(SRB)的作用下，其中的亚硫酸盐和硫酸盐被还原成硫化物。主要反应如下(此处以甲醇作为硫酸盐还原的电子供体)：
HSO3-+CH30H—HS-+CO2+2H20
3S042- +4CH30H——3HS-十3HCO3- +CO2+5H20
在好氧条件下利用细菌将厌氧形成的硫化氢氧化成单质硫，并将单质硫颗粒予以回收。发生反应如下：
很显然，该反应增加了系统循环液的碱性，与吸收过程导致吸收液酸性增加的反应互逆，这维持了整个系统pH的稳定，从而减少了系统运行时的药剂投加量。
3 生物法烟气脱硫技术研究方向
发展微生物烟气脱硫技术很具有潜力, 但也存在一些问题需要解决, BFGD 法应侧重以下几方面的研究工作。
(1) 基础理论研究。氧化无机硫的菌种以专性、兼性自养菌为主, 而专性自养菌往往生长较慢, 在烟气脱硫技术中, 生物量的供应将影响整个系统的处理效率。因此, 在今后的研究中, 筛选生长速度快、脱硫性能优良的菌种是必须进行的基础研究。对已有的菌种, 应将研究重点放在微生物最佳培养方案优化和对微生物菌种的改良上, 改进微生物的遗传性状, 提高菌种的脱硫效率。同时, 进一步探索烟气脱硫机理, 从而提出更合理的脱硫新方法, 以指导和完善脱硫技术, 加快BFGD 的工业化进程。
(2) 选择合适的生物反应器。生物反应器涉及气、液、固三相传质及生化降解过程, 影响因素多而复杂, 有关的理论研究及实际应用还不够深入, 需要进一步探讨和研究。
(3) 合理解决烟气温度较高和生物法脱硫常温操作二者之间的矛盾。燃煤锅炉烟气经除尘器后温度一般较高, 大部分在100～180 ℃, 而脱硫细菌多在常温下生长, 因此, 一方面应开发回收利用进入生物反应器前烟气余热的技术; 另一方面, 应用分子生物学技术, 培育更适于烟气脱硫的耐高温的脱硫菌。
(4) 高效功能菌的选育。随着生物技术的高速发展, 利用现代基因工程技术对某些脱硫菌进行改性, 强化其转化作用, 以获得生长繁殖速度快、活性高、适应温度和pH 值范围宽的多质粒高效菌, 筛选和培育出适应性和稳定性更高的脱硫菌, 通过缩短烟气脱硫菌的驯化、培育和挂膜时间延长脱硫菌的使用寿命。
4 应用实例
随着生物技术的不断发展, 微生物烟气脱硫技术必将取得更大进展。
1992 年荷兰HTS E&E 公司和PAQUES 公司开发的烟气生物脱硫工艺(BFGD) 标志着烟气生物脱硫技术领域达到了实用技术水平。目前BFGD 工艺对于中小型锅炉烟气治理已进入实用化的阶段, 其示范工程处理电厂废气量达200 万m3/h。BFGD 工艺主要设计通过1个吸附器和2 个生物反应器去除气体中的SO2。吸附器首先吸附烟气中的SO2, 并且是唯一与气体接触的单元。在第1个反应器通过厌氧生物处理形成硫化物, 在第2 个反应器通过好氧生物处理将硫化物氧化成高质量的单质硫。由硫酸盐到硫化物再被氧化成单质硫要分别在 2 个生物反应器中完成, 增加了投资成本。文献以生物滴滤池和生物后处理单元组成的2 级反应器来处理模拟烟气。与一般生物滴滤池不同的是, 喷淋液不进行循环。当模拟烟气中SO2 体积分数在( 300～1 000) ×10- 6 时, 生物滴滤池能完全将SO2 转化为亚硫酸盐和硫酸盐。含亚硫酸盐和硫酸盐的溶液从生物滴滤池流入后处理单元, 在此反应器中同时完成由硫酸盐到硫化物再到单质硫的转化, 单质硫的产率达80%。
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