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美国斯坦福大学研发全新脱氮工艺:CANDO

http://www.water.hc360.com2016年08月22日09:21 来源:IWA微信T|T

    慧聪水工业网 位于美国加州的DeltaDiablo的Antioch污水厂正在进行一个名叫CANDO的项目,目的是为了解决污水厂厌氧发酵工艺产生的高氨氮滤出液。CANDO的英文全称为CoupledAerobic-anoxicNitrousDecompositionOperation,是由加州斯坦福大学的YanivScherson博士及其团队研发的一项新工艺,其目标是回收一氧化二氮N2O。

    传统的污水处理系统里,一氧化二氮被认为是一种有害的副产物,因为它的温室效应强度是二氧化碳的310倍。因此科学家对一氧化二氮进行了研究,试图通过理清它的来源来减少其产量。但实际上一氧化二氮和甲烷一样具有双面性:它们排到大气中就成了有害的温室气体,但如果将其捕获并加以燃烧就成了宝贵的可再生能源

    我们通常所说的氮气加速系统NOS(NitrousOxideSystem)就是靠一氧化二氮提供额外动力的。氮气加速系统简单来说就是一种将一氧化二氮作为助燃剂加入发动机系统中。了解汽车的人都会知道,为发动机提供更大动力输出的一般办法是增加发动机吸入的空气,并匹配上合理比例的燃料,以此产生更高的油气爆发效率、涡轮增压或机械增压这类增压系统;通过增压器来将空气压缩后输入发动机,才可以在保持排气量不变的情况下,令发动机产生更大的动力输出。氮气加速的基本原理也是如此,只是氮气加速的结构更简单,而且氮气加速不只是压缩空气,而是通过一氧化二氮令发动机发挥更大效率:一氧化二氮受热之后会分解成氮气和一个氧分子,其中的氧分子能够增加混合气中氧分子浓度,令爆炸压力更为强大。

    氮气加速系统的原理显示出一氧化二氮就能提高燃烧甲烷的发电机的效率。而如果能将其应用到CHP热电联产中,污水处理厂将能从污水中回收更多能量,这就是加州Antioch污水处理厂决定参与到CANDO项目的原因所在。

氮气加速系统

    ▲从上边的化学反应式中可以看出为什么一氧化二氮是一种强力的助燃剂

    CANDO工艺简介

    CANDO工艺包括了三个反应步骤:

    第一步:亚硝化反应NH4+→NO2-

    第二步:部分缺氧还原反应NO2-→N2O

    第三步:分解释能N2O→N2+O

CANDO工艺

    反应的第一步已经在很多短程硝化的工程应用中得到了验证(例如SHARON,转化率高达95%),第三步反应也有较为详实的记录。对于关键的第二步反应,斯坦福大学YanivScherson博士和其团队展开了实验探究。研究人员采用化学方法和生物方法的两种方式对效果进行测试。

    第一种化学方法是通过二价铁来还原NO2-,关键的反应式如下图,反应物是菱铁矿或者一种“绿绣碳酸盐”。用这种非生物方法,2.5小时的反应时间里一氧化二氮转化率达90%。

CANDO工艺 

    第二种生物方法主要原理是部分异养反硝化,策略是对反应器交替加入乙酸和亚硝酸根,前者让微生物释出聚羟丁酸(PHB-polyhydroxybutyrate),作为还原NO2-的还原等价物。在超过200次的交替进料反应时间里,一氧化二氮的转化率也有62%,氮的去除率达到98%,剩下的32%生成了氮气。

第二种生物方法主要原理是部分异养反硝化

责任编辑:童志威

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