生物电化学反应器

生物电化学反应器（精选十篇）

生物电化学反应器 篇1

生物柴油燃烧是一种非常复杂的物理化学过程,目前研究大多集中在宏观测量方法和排放规律实验研究上,实验结果难以从本质机理层次探寻燃烧过程及污染物形成机理和衍生过程。

微观反应动力学从分子微观层次研究基元反应过程中的速率和机理,可以探究宏观实验无法揭示的问题。现从微观反应动力学角度,总结出燃料高低温燃烧过程的主要反应路径,并分析了重要中间产物的衍化历程,为提高生物柴油在发动机燃烧效率以及降低污染物的排放提供理论依据。

1 生物柴油替代物详细机理选择与验证

生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物,其主要成分包含亚油酸甲酯(C19H34O2)、油酸甲酯(C19H36O2)、棕榈酸甲酯(C17H34O2)、亚麻酸甲酯(C19H32O2)、硬脂酸甲酯(C19H38O2)[3]。这些长链脂肪酸甲酯的燃烧氧化过程需要用复杂的机理来描述,而构建包含了其所有组分的化学动力学模型并用于计算机模拟计算更加难以实现,因此选择合理有效的生物柴油替代物是对生物柴油燃烧化学体系进行准确的化学动力学模拟的必要条件。生物柴油替代机理最早由Fisher等人[4]提出,以丁酸甲酯作为生物柴油替代物并建立燃烧反应化学动力学模型,通过实验验证了模型的准确性,但由于丁酸甲酯自身链基较短,不能很好地匹配生物柴油长碳链结构,为此Herbinet等人[5]建立了以癸酸甲酯作为生物柴油替代物并建立其详细化学反应动力学模型,该模型能够很好地模拟生物柴油早期低温氧化过程中CO2的形成,对生物柴油燃烧特性的模拟效果要优于丁酸甲酯。Brakora等人[6]通过丁酸甲酯和正庚烷混合以摩尔比1∶2的方式来接近实际生物柴油,在此基础上建立的混合物化学动力学模型与单一组分的丁酸甲酯相比,其分子量、含氧量分数、低热值等物理特性参数与实际生物柴油更加接近,模型能很好地模拟生物柴油甲酯基结构氧化动力学特征。考虑到生物柴油是一个大分子不饱和酯,C=C双键的存在势必会对燃烧特性造成较大的影响,Brakora等人[7]提出了一个三组分生物柴油替代物模型,该模型假设1 mol不饱和脂肪酸甲酯由1 mol正庚烷和1 mol MD9D混合而成,1 mol饱和脂肪酸甲酯由1 mol MD和1 mol正庚烷混合而成,很好地匹配了生物柴油长链基不饱和脂肪酸甲酯的特点。

现采用Herbinet等人[8]提出的包含3 299组分、10 806个基元反应的MD9D(methyl-9-decenoate)、MD(methyl-decenoate)和正庚烷三组分组合机理,该机理混合替代物的碳链长度适中,相对分子质量、含氧量、低热值以及C/H/O元素含量与实际生物柴油非常接近,并且考虑了不饱和酯和C=C双键的影响。通过对比机理对燃烧氧化过程中重要组分浓度的预测结果与实验数据来验证化学动力学机理的有效性。模拟计算采用化学反应动力学软件CHEMKIN-PRO中的射流反应器模块,燃烧过程重要组分浓度计算结果与菜籽油甲基酯实验数据[9]对比如图1所示,模拟条件采用实验工况条件。

图中实心点表示Dagaut P菜籽油生物柴油实验中相应组分的实验值,点线代表模拟计算结果。对比菜籽油生物柴油实验发现,机理对氧化过程CO、O2、CO2、CH4、C2H4等重要组分浓度的预测与实验数据总体上吻合很好,很好地预测了菜籽油甲基酯早起低温氧化过程CO2以及不饱和组分C2H4、C3H6、C4H8、C5H10-1等的形成历程,说明机理能够再现甲酯基结构在低温氧化过程中过氧基RO2快速异构化反应以及不饱和C=C双键对低温氧化特性的影响,验证了机理模拟生物柴油燃烧氧化过程的有效性。

2 生物柴油替代组分燃烧反应路径分析

生物柴油燃烧分为低温燃烧阶段和高温燃烧阶段,燃烧过程中同时发生很多不同种类的化学基元反应,这些基元反应对生物柴油氧化特性以及排放物的形成具有重要作用[10]。应用CHEMKIN-PRO反应速率分析法对燃烧氧化过程重要中间组分衍化过程进行详细探究。由于对正庚烷反应路径的相关研究较多,文章不再对其进行具体分析。

2.1 低温阶段主要反应路径分析

在低温燃烧初始阶段,燃料分子MD、MD9D和NC7H16和O2发生反应,生成烷酯基和烷基。该反应属于强烈吸热反应,主要起到脱氢作用,它对烷酯基以及烷基的形成贡献不大,反应系统产生的OH、O和HO2等活性组分的脱氢作用远超过氧分子[11]。在800 K的低温阶段利用反应速率分析法对燃料分子生成与消耗进行分析。MD、MD9D和正庚烷NC7H16绝大部分(约占98%)通过OH自由基脱氢消耗形成烷基和烷酯基。在OH自由基作用下大部分的MD分子脱氢形成烷酯基MD2J(15.39%)、MD3J(10.41%)、MD4J(10.41%)、MD5J(10.41%)、MD6J(10.41%)、MD7J(10.41%)、MD8J(10.41%)、MD9J(10.41%)、MD10J(5.86%)以及MDMJ(5.86%),如图2所示,2J表示脱氢自由基距离甲基酯结构中羧基C=O双键的位置,括号中的百分数表示基元反应占消耗该组分所有反应路径的百分比。MD9D主要通过OH自由基脱氢消耗形成烷酯基MD9D8J(18.46%)、MD9D2J(14.41%)、MD9D7J(9.75%)、MD9D6J(9.75%)、MD9D5J(9.75%)MD9D4J(9.75%)MD9D3J(9.75%)MD9DMJ(5.49%)。与MD不同的是,MD9D在脂肪族碳链末端存在一个C=C双键,使得MD9D可以通过在C=C双键中添加H原子基团生成MD9J(4.55%)以及在C=C双键中添加OH基团生成MD10JOH9(4.34%)和MD9J0H10(3.99%),如图3中R1445、R3465和R3464所示。分析发现,脱氢烷酯基产物MD2J、MD9D8J以及MD9D2J含量要大于其他脱氢烷酯基,这是因为不同C原子位置C—H键能不同,MD在邻近酯基结构中的羰基碳原子处C—H键最弱,最容易发生脱氢反应,生成烷酯基MD2J。MD9D在碳链末端邻近C=C双键处C—H键最容易发生脱氢反应,生成烷酯基MD9D8J;另外在邻近酯基结构中的羰基碳原子处C—H键也较弱,很容易发生脱氢反应生成烷酯基MD9D2J,而C=C双键处由于C—H键能最强,不易发生脱氢反应形成烷酯基。

2.1.1 MD3J、MD2J、MD9D8J、MD9D2J路径分析

选择含量较大的脱氢烷酯基产物MD3J、MD2J、MD9D8J以及MD9D2J进行下一步的反应路径分析。如图4(a)所示,MD3J主要发生下列三种类型反应:一次加氧生成过氧酯基MD3O2(66.95%,R4004)、经过六元环过渡态反应异构化为MD7J(24.02%,R1877)以及通过脱氢消耗形成不饱和酯MD2D(4.50%,R1797)和MD3D(4.53%,R1798)。由于β分解反应需要很高的活化能,所以在这个温度下MD3J的β分解反应没有发生。形成的过氧酯基MD3O2经过过渡环异构转化为过氧羧酯基MD3OOH5J(56.62%,R4628)、MD3OOH6J(26.47%,R4629)、MD3OOH2J(12.61%,R4626)和MD3OOH4J(8.10%,R4627)如图4(b)所示。对比分析发现,异构化形成的过氧羧酯基MD3OOH5J含量最大。这是因为不同环数过渡环张力大小以及反应势垒不同,异构化难易程度不同,MD3OOH5J是通过一个六元过渡环异构化形成的,六元过渡环的环张力较小,势垒高度较低,异构化反应最易发生。生成的MD3OOH5J不能进行C—O键β分解反应,其主要发生三种类型反应:通过六元环过渡态反应形成烷基C7H14-1、醛MP3OXO和OH自由基(52.75%,R5779)、通过二次加氧反应生成MD3OOH5O2(27.07%,R5791)、通过分解反应生成环醚MDO3-5和OH自由基(20.18%,R5545),如图4(d)所示。MD3OOH6J通过分解反应和二次加氧分别形成环醚MDO3-6、OH自由基(95.23%,R5546)和过氧化氢酯基MD3OOH6O2(4.77%,R5792),如图4(e)所示。而生成的MD3OOH4J和MD3OOH2J通过二次加氧反应生成过氧化氢酯基MD3OOH4O2(57.95%,R5790)、β分解反应生成HO2自由基和不饱和酯MD3D(21.47%,R5684)以及通过自身分解反应生成OH自由基和环醚MDO3-4(20.58%,R5547),如图4(c)所示。

二次加氧产生的过氧化氢酯基MD3OOH5O2经过分解反应形成过氧化氢酮MDKET35和OH活性基(R6115:MD3OOH5O2=MDKET35+OH),过氧化氢酮MDKET35进一步分解生成OH活性基和新的含氧基MDKET35O(R6439:MDKET35=MDKET35O+OH)。此链分支反应过程产生两个OH活性基,使得系统反应速率急剧增长,促进燃料燃烧过程低温链分支反应,从而促进燃料低温着火。构建烷酯基MD3J低温主要反应路径,如图5所示。

根据烷酯基MD3J的反应路径分析法,构建了低温含量较大脱氢产物MD2J、MD9D8J、MD9D2J的低温反应路径图。对比分析发现,MD2J、MD9D8J、MD9D2J的低温主要反应路径类型与MD3J类似,具有一次加氧生成过氧酯基、过氧酯基异构化产生过氧羧酯基、过氧羧酯基二次加氧生成过氧化氢酯基、过氧化氢酯基分解产生过氧化氢酮和OH活性组分以及过氧化氢酮进一步分解生成新的OH自由基和含氧基的主要低温链分支反应。与MD3J相比,MD2J低温反应主要区别在于,由于在邻近酯基结构中羰基的碳原子处键能较弱,MD2J在低温条件下可以发生分解反应,生成丙酸甲酯基MP2D和C7H15-1(R1471:C7H15-1+MP2D=MD2J)。MP2D经脱氢生成MP2DMJ,随着温度升高MP2DMJ分解生成小分子C2H3CO以及CH2O(R3622:CH2O+C2H3CO=MP2DMJ)。同时也有部分MD2J发生脱氢反应生成不饱和甲基酯MD2D(R1796:MD2J+O2=MD2D+HO2),MD2D经OH自由基脱氢生成MD3D2J(R3362:MD2D+OH=MD3D2J+H2O),MD3D2J经分解、异构化等反应生成MF4DMJ,随着温度升高MF4DMJ分解生成C4H7CO以及CH2O(R3636:CH2O+C4H7CO=MF4DMJ),具体反应路径如图6所示。

MD9D8J绝大部分通过一次加氧形成过氧酯基MD9D8O2(39.66%,R10088:MD9D8J+O2=MD9D-8O2)和MD8DXO2(43.34%,R10089:MD9D8J+O2=MD8DXO2)而MD9D2J首先通过分子内氢原子迁移异构化生成MD9D6J,如图7所示。由于MD9D8J和MD9D2J脂肪族碳链中含有一个C=C碳碳双键结构,中间产物在较低温度下可以在邻近C=C碳碳双键碳原子处发生分解反应,生成C2H2、C2H3、C3H5-a、C4H6等一些不饱和小分子组分,这些不饱和小分子组分是PAHs生成的重要前驱物,对碳烟的生成具有重要影响。对应的主要基元反应如下。

2.2 高温阶段主要反应路径分析

在1 300K的高温区域,初始生物柴油替代物分子MD、MD9D几乎完全转化消耗,主要发生高温C—C、C—O键β分解反应形成烃基(烯烃基)、酯基以及脱氢反应。这些大分子基团进一步通过高温β分解和异构化反应消耗,生成小分子组分。燃料分子在低温氧化过程产生很多中间组分,这些中间产物主要在高温阶段消耗。本节采用CHEMKIN-PRO反应速率分析法以及结合软件反应路径分析模块,对饱和甲基酯MD重要低温中间产物MDO2-4、MDKET24O、MP2D以及不饱和甲基酯MD9D重要低温中间产物MD9DKET86、MD9DCY68的高温反应路径进行详细分析。

2.2.1 MDO2-4、MDKET24O、MP2D路径分析

高温阶段主要是低温阶段产生的中间组分C—O、C—C键β分解反应、部分高温脱氢以及异构化反应,生成C1、C2、C3小分子组分。低温产物环醚MDO2-4高温下通过环醚C—O键裂解形成MD2OXO4J(R7422:MDO2-4+OH=H2O+MD2OXO-2J)以及MD4XO2J(R7423:MDO2-4+OH=H2O+MD-4OXO2J)。MD4OXO2J碳链羰基C原子与其邻近C原子发生C—C键β分解反应生成碳原子数更少的不饱和甲基酯MP2D和C6H13CO(R7827:MP2D+C6H13CO=MD4OXO2J);MP2D在高温阶段通过OH自由基发生脱氢反应生成MP2DMJ,MP2DMJ高温分解生成了两种小分子中间产物甲醛CH2O和C2H3CO(R3622:CH2O+C2H3CO=MP2DMJ),C2H3CO再通过分解反应消耗生成CO和C2H3(R335:C2H3CO=C2H3+CO)。MD2OXO4J高温β分解生成烯烃C8H16-1和ME2OXO2J(R7810:C8H16-1+ME2OXO2J=MD2OXO4J),烯烃C8H16-1经过高温多次分解生成小分子产物C2H4和CH3。低温链分支反应过氧化氢酮分解中间产物MDKET24O在高温条件下直接分解成C6H13CHO和MP2OXO3J(R6763:C6H13CHO+MP2OXO3J=MD-KET24O),生成物C6H13CHO、MP2OXO3J经C—O、C—C键β分解生成C2H4、CH3、CO2等小分子产物。构建的MDO2-4、MDKET24O和MP2D的高温主要反应路径如图8(a)所示。

2.2.2 MD9DKET86、MD9DCY68路径分析

MD9D低温中间产物MD9DKET86、MD9DCY68高温阶段反应与MD类似,主要都是通过C—O、C—C键β分解反应消耗,最终生成C2H3、C2H4、C2H5、HCO、CO、CO2等小分子产物,不饱和甲基酯MD9D脂肪族碳链末端的C=C碳碳双键在高温分解的过程中迁移到了C2H3小分子中间组分。构建的MD9DKET86和MD9DCY68高温主要反应路径如图8(b)所示。

2.2.3 C2H4路径分析

碳氢燃料完全燃烧最终生成稳定化合物CO2和H2O,排放到大气环境中。对高温阶段小分子中间产物C2H4形成CO2过程进行反应速率及反应路径分析,得到高温C2H4形成CO2的反应路径,如图9所示。

高温阶段C2H4主要与自由基OH、O通过反应R249、R247、R248消耗生成C2H3、HCO、CH2CHO、CH3,还有少量C2H4通过反应R245消耗产生乙炔C2H2,C2H2对非常规燃烧产物多环芳香烃以及碳烟的生成具有重要作用。乙烯基C2H3在高温下主要被O2氧化为CH2CHO、CH2O以及C2H2,对应基元反应R264、R263、R261以及R262。氧化产物CH2CHO主要经反应R228二次氧化为甲醛CH2O和CO,CH2O主要通过反应R43和R45被OH、O等自由基二次氧化生成HCO。HCO是碳氢燃料燃烧产生CO的主要来源,HCO通过反应R26和R27生成CO,生成的CO被OH自由基迅速氧化为稳定的CO2。CO+OH=CO2+H这一反应过程释放出大量的光和热,使燃烧系统温度急剧升高,也就是热焰反应[10]。

R249:C2H4+OH=C2H3+H2O;R247:C2H4+O=CH3+HCO;R248:C2H4+O=CH2CHO+H;R245:C2H4(+M)=C2H2+H2(+M);R264:C2H3+O2=CH2CHO+O;R263:C2H3+O2=CH2O+HCO;R261:C2H2+H(+M)=C2H3(+M);R262:C2H3+O2=C2H2+HO2;R228:CH2CHO+O2=>CH2O+CO+OH;R272:C2H2+O=HCCO+H;R271:C2H2+O=CH2+CO;R240:HCCO+O2=>OH+2CO;R237:HCCO+OH=>H2+2CO;R43:CH2O+OH=HCO+H2O;R45:CH2O+O=HCO+OH;R26:HCO+M=H+CO+M;R27:HCO+O2=CO+HO2;R24:CO+OH=CO2+H

3 结论

通过建立生物柴油多组分替代混合物化学动力学机理模型,利用CHEMKIN-PRO软件对生物柴油替代物甲酯基MD和MD9D燃烧化学动力学过程进行研究,对燃烧氧化过程燃料分子高低温主要反应路径、重要中间组分衍化过程进行了详细的探究。研究成果如下。

(1)MD和MD9D低温阶段主要通过OH自由基脱氢生成烷酯基,烷酯基主要发生一次加氧生成过氧酯基、过氧酯基异构化生成过氧羧酯基、过氧羧酯基二次加氧生成过氧化氢酯基、过氧化氢酯基分解形成过氧化氢酮与OH以及过氧化氢酮进一步分解生成新的OH活性基和含氧基的低温链分支反应。由于羰基以及MD9D脂肪族碳链C=C碳碳双键的存在,部分烷酯基低温发生分解反应生成小分子不饱和组分以及含碳原子数更少的甲基酯组分。

(2)高温阶段主要是低温反应中间产物C—O、C—C键β分解反应、部分高温脱氢以及异构化反应形成C2H4等小分子产物,小分子产物经高温多次氧化最终生成稳定的CO2。

(3)不同C原子位置C—H键能不同,邻近羰基以及C=C碳碳双键碳原子处C—H键较弱,易发生脱氢反应生成烷酯基;在过氧酯基异构化生成过氧羧酯基过程中,不同环数过渡环张力大小以及反应势垒不同,异构化难易程度不同,而六元过渡环的张力较小,反应势垒较低,最易发生异构化反应,相应的异构化反应产物更多。

参考文献

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蚯蚓生物反应器研制成功等 篇2

中国农业大学资源与环境学院（邮编：100094，电话：010-62732942）孙振钧教授主持的“蚯蚓生物反应器研制与多功能生物有机肥料和菌肽饲料添加剂生产”项目，前不久通过了教育部组织的成果鉴定。

他们研制成功了我国第一台大型蚯蚓生物反应器，单机日处理有机废弃物5～6吨，生产蚯蚓粪3～4吨。从蚯蚓粪中分离出的两株放线菌，对防治典型的土传植物病害效果很好。将蚯蚓氨基酸、微量元素和稀土元素等螯合成蚯蚓氨基酸叶面肥，具有增加产量、提高品质、减少对化学农药的使用量等显著作用。（北京 思锐）

鸡粪型生物有机肥研制成功

河北省赵县田园生物有机肥厂（邮编：051530，电话：0311-84860856）前不久研制成功鸡粪型生物有机肥。

这种肥料以鸡粪为主要原料，采用生物复合菌发酵而成，氮、磷、钾含量均衡，并含有多种有益微生物菌群。施用这种有机肥增产效果明显，并可提高农产品品质，改善土壤养分及结构状况。（河北 李西川）

植物育种专利创造出一批果树新种

山东农业大学园艺学院（邮编：271018，电话：0538-8241595）陈学森教授等研发的“利用远缘杂交创造核果类果树新种质的三级放大法”，前不久获得国家发明专利。

他们将物理手段、有性杂交、组织培养及分子生物学技术进行集成，运用氦氖激光和负高压平板静电场处理李、杏、樱桃等果树的花粉，通过培养基专用配方培养幼胚苗、多丛芽胚苗和生根胚苗，利用分子生物学技术对杂种胚苗进行早期鉴定，利用该方法已创造了一批核果类果树新种质。（山东 王健）

鸡球虫病控制技术通过鉴定

广东省农科院兽医研究所（邮编：510640，电话：020-85292482）等单位承担的“鸡球虫病的综合控制技术研究”项目，前不久通过了专家鉴定。

他们提出并实施了鸡球虫病的综合控制措施，制定了轮换和穿梭使用球虫药的措施，对防止鸡球虫抗药性的产生及控制球虫病暴发非常有效。（广东 淑玲）

彩叶植物快繁技术通过鉴定

甘肃省农科院花卉中心（邮编：730070，电话：0931-7613022）承担的“彩叶植物种苗快繁技术研究及开发”项目，前不久通过了甘肃省科技厅组织的成果鉴定。

生物电化学反应器 篇3

关键词：高中生物,任务驱动,教学模式

一、问题的提出

《普通高中生物课程标准 (实验) 》提出了提高学生生物科学素养;面向全体学生;倡导探究性学习和理论联系实际的课程理念, 达到知识与技能、过程与方法、情感态度价值观的三维课程目标。据此, 笔者在教学理念、教学方法、教学手段和教学模式等方面都进行了改革, 并取得了一定的成效。其中, “任务驱动教学模式在高中生物教学中的应用”就是笔者坚持研究和实践的课题之一。下面结合新课程教学实践案例作一探讨。

二、任务驱动教学模式的理论基础

建构主义学习理论认为:学生的学习不单是知识由外到内的转移和传递, 更应是学生通过新旧经验的相互碰撞, 主动建构知识经验、丰富学生自身知识和能力的过程。所以, 以任务来驱动学生的学习活动, 可以创建有效教学的氛围, 促进学生积极主动地学习。任务驱动教学模式是以建构主义学习理论为基础的, 将再现式教学转变为探究式学习, 使学生处于积极的学习状态, 让每位学生都能根据自己对当前问题的理解, 运用共有的知识和自己特有的经验提出方案、解决问题。在这过程中, 学生是学习的主体, 教师是教学活动的组织者、教学任务的设计者、教学情境的创设者、教学资源的提供者和学习方法的指导者。

三、任务驱动教学模式的实践

下面以《降低化学反应活化能的酶》 (以下简称《酶》) 一节教学为例, 探讨此教学模式的应用。

1. 创设情境, 引发问题——以诗歌来导入

通过情境的创设, 教师给学生提供一个宽松和谐、民主平等的学习环境, 唤起学生学习的兴趣, 激活学生的思维, 引发问题, 导入新课。《酶》一节中, 学生朗读本章首页中的诗歌。教师提出:绿色植物能把太阳能转化为自身生命活动所需的能量, 动物不能光合作用, 其生命活动所需能量来源于哪儿呢?接着, 课件展示斯帕兰札尼研究鹰消化作用实验所引发的问题:该实验要解决什么问题?是什么物质使肉块消失了?与外界的化学反应相比, 生物体内的化学反应有什么特点?这些层层深入的问题激发了学生进一步探究生物体奥秘的欲望, 就此顺利导入新课, 转入问题探究。

2. 分析问题, 明确任务——以讨论为引导

建构主义学习理论认为:每个学习者都有自己的经验世界, 不同的学习者可对某种问题形成不同的认识。所以导入新课后, 教师不要急于讲解, 而要给学生足够的时间进行讨论、分析问题, 以明确学习任务。

学生通过讨论, 得出共识:有些化学反应需要添加催化剂才能在特定的条件下进行, 催化剂并不参加化学反应, 在反应前后其性质不变。生物体内的生化反应, 即细胞代谢之所以能在常温常压下高效进行, 是因为有合适的生物催化剂——酶。

3. 自主探究, 解决问题——以实验为依据

所谓“自主”是指学生处于主体地位, 能在教师的指导下, 带着浓厚的兴趣, 积极主动地去思考、探索, 在情感态度和价值观方面都有所收获。自主学习倡导学生间的互动和交流, 通过不同观点的碰撞、补充和修正, 寻求对当前任务的解决方案。《酶》这节中, 笔者首先指导学生阅读“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验原理, 然后分析实验的自变量、因变量, 设计实验观察表格, 接着学生讨论实验中应如何控制无关变量, 最后指导学生在提供的青椒、马铃薯、新鲜的猪肝等材料中选择一种进行分组实验, 自主探究过氧化氢在不同条件下的分解情况, 并作记录。

学生实验结束后, 课件展示并解决以下问题: (1) 2号试管发生了什么现象, 与1号对照说明了什么? (2) 3、4号试管中氯化铁溶液和过氧化氢酶起到什么作用? (3) 3、4号试管中, 哪个反应速度快?说明了什么问题?

4. 合作交流, 延伸任务——以交流达成共识

在教学中教师要培养学生敢想、敢说、敢于质疑、敢于创新的精神。学生在解决问题中, 常会生成诸多疑问, 这时适时展开合作交流, 进一步探讨每组发现的新问题, 最后达成共识, 共享成果, 可以更好地培养学生的创新能力。

《酶》一节中, 做完实验得出结论后, 学生会提出很多的问题, 如:滴入肝脏研磨液和氯化铁溶液时, 可否共用一个吸管?为什么要将肝脏制成研磨液?为什么要选用新鲜肝脏?等等。教师可根据各组提出的问题, 组织学生进行深入探讨和交流, 并就其中之一二进行有深度的研讨。这样, 学生在更高层次上参与学习, 在新问题的驱动下, 促进师生互动、生生互动, 使课堂充满活力。

5. 设计实验, 完成任务——以多种形式探究

(1) 自主探索, 独立思考。关于“酶的本质”的学习, 教师组织学生阅读“关于酶本质的思考”并确定四项任务:巴斯德的观点正确和错误分别是哪一部分?李比希呢?毕希纳实验得出什么结论?当时仅推测酶是蛋白质, 不能证明酶的本质的原因是什么?在此过程中, 学生获取信息、鉴别信息、处理信息的能力都会得到有效的训练。

(2) 合作学习, 共同研讨。这是通过小组或团队进行学习的一种策略。在《酶》一节中, 组织学生开展小组合作学习, 通过设计和实施“酶受哪些因素影响”的探究性实验, 利用书本提供的相关资料, 使学生的交流沟通能力、创新思维能力等都有所提高。

(3) 系统归纳, 总结要点。任务驱动教学的思想是将新知识分解到一些任务之中, 淡化了知识的系统性、逻辑性和完整性。因此, 在一节、一章后, 教师要引导学生对所学的知识进行归纳总结, 并建立起与过去知识的联系, 加深对知识的记忆和理解。

四、对应用任务驱动教学模式的几点思考

1. 以教学目标为导向, 分层设置合适的学习任务

任务驱动教学是通过“任务”来促发、维持和加强学生的动机。因此, 任务设置要前后衔接, 梯度要符合学生的“最近发展区”, 使学生跳一跳就能获得成功。

2. 以学生为主体, 采取多元化的教学方法

任务驱动教学模式中, 教师要智慧地采用不同的教学方法, 形成以解决问题, 完成任务为主的多维互动的教学氛围, 使学生处于积极的学习状态, 让学生带着问题、围绕任务开展学习, 在学习中发现和解决新问题。

总之, 在高中生物教学中, 恰当运用任务驱动教学模式, 利于激发学生的学习兴趣, 培养学生分析问题、解决问题的能力, 提高学生自主学习及与他人协作的能力。

参考文献

[1]教育部.普通高中生物课程标准 (实验) [S].北京:人民教育出版社, 2003.

生物电化学反应器 篇4

●三维目标 1.知识与技能

（1）细胞代谢的概念。（2）酶的作用和本质。（3）酶的特性。

（4）提高学生观察、分析、判断的思维能力，提高学生的实验操作能力。2.过程与方法

（1）通过本节课教学，让学生进行有关的实验和探索，学会控制自变量，观察和检测因变量的变化，以及设置对照组和重复实验。

（2）通过让学生了解酶的发现过程，使学生体会实验在生物学研究中的作用地位；通过讨论酶在生产、生活中的应用，使学生认识到生物科学技术与社会生产、生活的关系；体会科学、技术、社会之间相互促进的关系，进而体会研究生命科学价值。

（3）在实验能力提高的基础上，提高学生运用语言表达的能力和分享信息、分享实验成果的能力。

3.情感态度与价值观

（1）通过学习生物学家研究酶的本质的过程，激励学生学习科学家实事求是的科学态度和勇于探索的科学精神。（2）通过实验探究影响酶活性的条件，培养学生的探索精神、创新精神和合作精神。

●教学重点

1.比较过氧化氢酶在不同条件下分解速率快慢的实验，并引导学生得出结论——酶的高效催化作用（酶的作用）。

2.酶的本质。3.酶的特性。

●教学难点 1.酶的活化能降低的原理。2.实验中控制变量的科学方法。

●教具准备 酶活性受温度、pH影响的示意图。●课时安排 建议课时：3课时

第二课时 酶的本质

●教学过程 ［课前准备］

教师收集有关酶研究的资料，比如酶工程、酶的分类等。学生整理酶本质探索的基本过程，了解这些科学家所作的重要贡献和基本观点。

［情境创设］

用心

爱心

专心

现在已经知道细胞内的生理活动之所以如此有序地快速进行，酶的作用无可替代，但是19世纪以前，人们对这些所知甚少，人们对酶的认识是科学家不懈努力的结果。

［师生互动］

巴斯德和李比希观点的比较

巴斯德 李比希 1822～1895（法国）1803～1873（德国）

微生物学家、通过显微镜观察 化学家，通过对化学变化的研究 发现发酵的过程中有酵母菌存在 认为糖类变成酒精就是一个化学反应

结论：没有活细胞 结论：在这个变化过程中，只有细胞

糖类不可能变成酒精 死亡之后放出了某些物质起了作用

问：从巴斯德研究的领域来看，他得出结论的出发点主要是什么？ 答：巴斯德是微生物学家，他主要强调生物体或细胞的整体作用。问：从李比希研究的领域来看，它得出结论的出发点主要是什么？ 答：李比希是化学家，倾向于从化学的角度考虑问题。问：他们的争论被哪位科学家的研究成果平息了？ 答：毕希纳。

请分析毕希纳研究的过程（学生活动）。实验：酵母细胞研磨加水搅拌加压过滤含酵母细胞的提取液加入葡萄糖。

现象：冒出气泡。

结论：酵母细胞的提取液和活酵母细胞的作用一样。酵母细胞中引起发酵的物质称为酿酶。

问：你认为毕希纳只凭上面的实验能不能说明酵母细胞的提取液和活酵母细胞的作用 一样？

答：不能。

问：那还应做怎样的实验？

答：对照实验。将酵母菌分成两等份，一半直接加入葡萄糖，另一半通过研磨、过滤等过程来进行，观察结果是否一样。

问：有人说毕希那的研究成果与前人无关，你同意这样的观点吗？

答：不同意。正是由于巴斯德、李比希的研究确定了争论的焦点，使得毕希纳的研究更加具有针对性。

虽然已经确定了酶在物质变化中的作用，但酶到底是什么物质仍然是困扰大家的问题。要研究酶是什么物质，首先要得到纯度较高的酶，然后才能作出鉴定。美国科学家萨姆纳在研究酶究竟是什么过程中作出了杰出贡献。

萨姆纳的研究过程

问：萨姆纳研究哪种酶？是如何确定的？

用心

爱心

专心

答：脲酶。借助其他科学家的研究，知道刀豆种子中脲酶的含量比较高。

问：脲酶提取出了，根据你学过的知识如何证明它就是脲酶，不是细胞中其他的有机物呢？

答：在这个实验中首先可以证明是不是蛋白质。用双缩脲试剂这个特有反应来鉴定。然后根据脲酶的特性：尿素

氨＋二氧化碳，来判定它不是脲酶。

1926年萨姆纳的重要科学研究成果让人们知道脲酶就是蛋白质，后来其他科学家也提取了其他种类的酶，也证明是蛋白质，所以在以后一段较长的时间，人们都认为酶就是蛋白质。

问：科学家得出的结论应用的什么方法？ 答：概括法。

问：你能说出当时概括得出这个结论的基本思路吗？

答：脲酶是蛋白质，胰蛋白酶也是蛋白质，胃蛋白酶也是蛋白质。人们发现的酶都是蛋白质，所以酶就是蛋白质。

问：这样的结论到了20世纪80年代美国科学家的重要发现出现了什么变化？ 答：美国科学家切赫和奥特曼发现了一种酶，它也有催化功能，但是它是RNA。这样酶的定义就有了发展。即：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质，少量的是RNA。

［教师精讲］

酶作为生物催化剂，人们对它的认识经历了较长的时间，从酶究竟是在活细胞中能起作用还是释放出来起作用一直争论到到底是什么物质，每次争论的结果都让人们对酶的认识更深入一步，更加准确，所以可以说酶的本质的发现过程也正是人们认识自然的一个真实写照。

［评价反馈］

1.细胞内合成酶的主要的场所是

A.细胞质 B.线粒体 C.核糖体 D.内质网 2.分析上题中能不能说合成酶的场所是核糖体？ 参考答案：

1.C 2.不能。因为还有少量的酶是RNA，它的合成场所就不在核糖体。［课堂小结］

通过对酶本质的发现过程的学习，我们知道酶的本质就是具有催化作用的有机物。酶的本质的发现过程也说明了一个问题，这个科学结论的得出是科学家不断探索、不断进行实验，最终揭示出来的。它是许多科学家共同努力的结果。

［布置作业］

1.P82一基础题1、2、3。

2.预习酶的特性的内容。分小组来设计实验验证酶的专一性和酶要起作用需要温和条件。

［课后拓展］

通过对酶的研究，证实绝大多数的酶都是蛋白质。酶按照化学组成可分成两类：单

用心

爱心

专心

纯酶和结合酶，单纯酶就是只有氨基酸组成，不含其他成分。例如：脲酶、胃蛋白酶等。结合酶就是除了蛋白质之外，还含有对热稳定的非蛋白质的小分子物质（如金属离子，也可以是小分子有机物），前者称为酶蛋白，后者称为辅酶。只有两者结合才具有活力。如转氨酶、乳酸脱氢酶都属于此类酶。

●板书设计

用心

电化学与氧化还原反应的关系 篇5

关键词： 电极反应式 氧化还原反应 缺项配平

电极反应式的书写是电化学的重点和难点，也是高考的热点，纵观近几年高考试题，2015年选择题中的微生物电池，2014年以精细化工产品次磷酸为背景考查应用电解原理解答问题，2013年的锂离子电池等，高考对电化学的考查从不间断，选择题的难度一般为中等，非选择题的难度一般为中等或较大。电极反应式的书写是电化学考查的一个难点，如何攻破这个难点确保电化学试题中不失分呢？

电化学实际上是氧化还原反应考查的另一种形式，理论内容和计算与氧化还原相关知识密切相关，所以电化学的基础是氧化还原反应，电极反应式的书写实际上就是氧化还原反应的半反应。

一、电极反应式书写的注意点和步骤

电极反应是氧化还原反应的半反应，所以氧化还原反应理论知识一定要理解透彻，原电池的负极反应、电解池的阳极反应是失去电子的氧化反应，原电池的正极反应、电解池的阴极反应是得电子的还原反应，所以电极反应方程式的书写中，氧化还原的四大基本构建十分重要。氧化还原反应中失去电子发生氧化反应的是还原剂，还原剂被氧化为氧化产物；得到电子发生还原反应的是氧化剂，氧化剂被还原为还原产物，所以负极（阳极）的电极反应形式是还原剂-ne=氧化产物；正极（阴极）的电极反应形式是：氧化剂+ne=还原产物，四大构建的确立是通过元素化合价的变化判断的，这一点是考查元素及其化合物性质的重要方式，除此之外题干中给出的已知条件可以作为判断依据。

四大守恒是高考理论考查的重点，氧化还原反应方程式的书写是四大守恒的考查，书写电极反应式的过程是各大守恒定律的综合应用。书写电极反应式要分析得失电子守恒，电荷守恒和原子守恒，与氧化还原反应考查的本质内容相同。元素化合价的变化是氧化还原反应的特征，电化学中不同的电解质溶液虽然元素化合价变化相同但物质存在形式不同，如甲烷燃料电池中负极甲烷在酸性条件下是CO2，碱性条件下是CO32-。书写电极反应方程式时可以本着先根据电池工作的原理得失电子守恒，再根据电荷守恒和原子守恒进行填充，方法类似于缺项配平。

二、电化学试题与氧化还原反应的关系应用

电化学催化净化NO反应器研究进展 篇6

目前,氮氧化物净化技术主要分为3类:NO选择性催化还原技术[1,2]、NO选择性催化氧化技术和NO催化分解[3]。其中,选择性催化还原(SCR)技术已成功商业化,应用最为广泛,但仍存在投资大、运行费用高、催化剂耐硫要求高等问题,因而推广受限;催化氧化和催化分解技术因净化效率与成本难以兼顾,仍处于研究阶段。为此,各国研究人员积极致力于开发新型高效脱硝技术,电化学催化净化NO技术就是目前脱硝技术研究领域中较为新颖的一类。

电化学催化净化NO技术的基本原理是通过给固体电解质电池(如气体反应物、金属催化剂/固体电解质/金属、氧气电池)施加足够大的电流或电压,使金属催化剂表面通过不透气的固体电解质泵入或泵出离子,进而使金属催化剂表面催化反应速率显著增大,这种现象称为催化活性的非法拉第电化学修饰(Non-faradaic electrochemical modification of catalytic activity,NEMCA)或电化学增强催化(Electroche-mical promotion in catalysis)[1]。在已研究产生该效应的催化体系中,诱导反应速率可达到原反应速率的70倍。NEMCA效应的发生和终止可通过电源的开关控制,这为非均相催化提供了一条可逆控制并显著增强催化活性的新途径。该技术操作流程简单、效率高、易于控制,若能与成熟的现有脱硝技术结合运用,将进一步降低净化NO所需成本,可弥补传统技术中操作温度较高、操作温度窗口较窄、高温时产物N2选择性下降等瓶颈问题[2],具有良好的应用发展前景。

反应器结构及其阴极材料的微孔结构是影响电化学催化反应活性的两大主要因素[3],本文以反应器结构、电极材料的组成为主线,综述了近年来国内外电化学催化净化NO研究中有关反应器的研究进展,并对该领域未来可能的发展方向进行了展望。

1 反应器结构的影响

1.1 板式电极结构(SOFC膜反应器)

板式电极反应器的催化电极一般由工作电极(阴极)、固体电解层、对电极(阳极)组成[1,4],如图1所示。一般采用电镀、重复涂覆与煅烧[5]等方式将贵金属、金属、金属氧化物等材料贴覆于固体电解质(如YSZ、Al2O3、CGO、SSZ)两面,有时出于监测需要,会于阳极一面增加参比电极[6]。早期研究NEMCA采用过两种形式的反应器,分别为固定床式反应器和流动床式反应器。固定床式反应器中,催化剂膜暴露于反应介质环境中,对电极和参比电极则暴露于空气中,这种反应器有利于NEMCA效应的基础研究。流动床式反应器采取工作电极、对电极和参比电极均暴露于反应介质环境中的方式,这种构造有利于NEMCA效应的应用研究[1]。在本文后续所述文献中大多数采用了流动床式反应器。

1975年,Pancharatnam等[7]在SOFC膜反应器中,以“氧泵”模式操作,首次成功实现了NO的分解,反应系统为Pt|YSZ|Pt,当给反应器加上电压后,反应速率大幅度提高,同时发现“氧泵”发生时NO还没有发生分解。所谓“氧泵”[4],就是在SOFC膜反应器外电路加一外部电压, 通过外加电压使 O2-穿过固体氧化物电解质,工作时,空气或氧气连续流入阴极室,氧气在阴极催化剂上被还原成O2-,O2-穿过YSZ到达阳极,在阳极上与不断流入阳极室的反应物发生反应而生成目的产物。实验结果证明O2、H2O对NO的还原有消极影响。1994年,Hibino等[8]制作了单层板式Pd|YSZ|Pd电化学催化反应器,在700 ℃时加直流电,使NO在阴极还原为N2,CH4在阳极氧化为COx。但此类反应器不论是针对NO的分解反应还是催化还原反应,其抗水性能都较差,反应温度较高,所以需要改变反应器结构及电极材料来进一步提高NO分解、还原效率[7]。

1.2 管式电极结构反应器(BT反应器)

2002年Pliangos等[9]将处理过的Rh薄片负载于管状YSZ内,在YSZ管外面贴上2片为了接引正负两极的Au薄片,这种反应器称为管式电极结构的反应器。此种结构主要优点:无需电线直接接触工作电极;在存在大量氧气的条件下使用C3H6还原NO, 在电压5 V、330 ℃时NO的转化率可达到77%,比在同种条件下的传统板式电极反应器NO转化率提高了20%左右,且进一步降低了操作温度。其结构示意图见图2。

2005年Li等[10]将管状YSZ里外都覆上了Pt薄片并于800 ℃煅烧12 h,为提高对NO的储存性能,还在外部的Pt薄片上浸渍了BaO,由此制作出了新型NO储存电化学催化还原反应器。实验发现,在350 ℃和400 ℃时,由于NOx吸附饱和,NO转化成硝酸盐或亚硝酸盐,在Pt表面上发生NO氧化反应,产物为NO2,气体中的O2不会在Pt表面与NO或NO2进行竞争吸附,此时电化学催化反应具有较好的效果。

1.3 多层板式电极结构反应器(MEP反应器)

Souentie等研制的MEP反应器[11]是典型的整体式蜂窝状反应器与多层传统板式电解池的组合体。其核心是一个陶瓷盒,正负两极板面上分别装有放置电极板的凹槽,其中一面连接所有电极板的正面层,另一面连接电极板的背面层。图3为具有4层极板的Pt|YSZ|Au MEP反应器。与传统的燃料电解池相比,此种反应器中同时包含反应物和产物,更加符合实际的生产应用[12]。

Koutsodontis C等[13]制作了8层面板的Pt-Rh|YSZ|Au反应器,在存在大量氧气的条件下使用C2H4还原NO,在335 ℃时使NO催化反应速率相对于原有催化反应提升了44%,并且N2的选择性较稳定,达到100%。Souentie S等[14]也制作了具有22层面板的Rh|YSZ|Pt反应器,在220~240 ℃范围内N2的选择性达到100%,同时也对负载不同贵金属单层催化电极电解池与多层电解池对N2的选择性进行了对比,发现在相同温度下多层电解池对N2的选择性要高并且操作窗口变窄。Vayenas等将22层面板的Rh|YSZ|Pt反应器投入到模拟机动车排放源的实验中,当进气温度在330 ℃左右时,NO转化率可保持在60%左右,并且显示出良好的稳定性[15]。

Awano等[16]制作的MEP反应器及反应原理见图4,当含有2%和10% O2时,分解NO反应所需的电能分别为传统反应器所需电能的1/30和1/60,这种新型的MEP反应器在大量氧气存在的条件下能有效地分解NO,并且证明可逆反应中产生的10~50 nm的Ni粒子是造成NO分解的有效部分。

2 电极材料组成的影响

2.1 贵金属电极

Kammer Hansen[17]在电化学催化还原NO的反应研究中发现,用Au或Pt作点电极,在400~600 ℃时,Au几乎对NO没有催化还原作用。在400 ℃时,Pt对O2的还原远远强于对NO的还原,随着温度的升高,O2被还原以及NO2的产生都抑制了NO的催化还原。从其实验结果来看,温度对于NO催化还原的影响小于其对O2催化还原的影响,因此可推断降低反应温度有利于催化还原NO。但较低的反应温度下很难获得理想的反应活性,而只有在电化学影响的前提下,某些电极材料才对NO的去除起作用。因此,必须兼顾反应温度和反应活性之间的关系,探索更加合理的操作方式,才能使NO的催化还原效率更进一步提高。

Lintanf等[18,19]用静电沉积法将Pt薄膜负载到YSZ(8%(摩尔分数)Y2O3-doped ZrO2)电解质上,有O2存在的条件下,用C3H6还原NO,即使Pt的负载量很低,也能获得很好的效果。Lintanf指出,通电后,负极电流减弱了作为电子给体的Pt化学键,同时增强了O2和NO作为电子受体的化学键,使其更容易得电子而被还原,从而提高了催化反应效率。该实验研究明确证实了EPOC效应的存在。

Souentie等[9,20]在0.25 mm的固体电解质(YSZ)上喷溅约40 nm的Rh和Pt,制得多孔催化剂层板,其金属分散度可提高10%~20%。之后,Souentie等用22层这样的催化剂层板制成多层多孔MEP反应器。实验数据显示,在280~340 ℃,多层反应器上NO催化还原反应速率较单层反应器提高了340%,NO去除率高达95%,而且显示出极好的产物N2选择性(100%)。Souentie等分析认为,随着温度的升高(≤300 ℃),NO键能被削弱[21],从而降低了还原反应的活化能,当电流介入后,催化剂表面的催化活性位受到激发,使催化还原NO的效率能够保持在一个新的较高的水平上。综合数据分析,采用此种方法制得的电极板具有较高的金属分散度是使NO转化率提高的关键因素[22]。为了证明Rh和Pt分别在催化还原NO的性能,他们还制作了10层的Rh|YSZ|Au和21层的Pt|YSZ|Au的MEP反应器,发现Rh、Pt都具备良好的NO催化性能[23]。

在Pt催化剂上直接催化NO分解反应中,NO分解生成的O2优先于NO吸附在Pt催化剂表面,形成的氧化物抑制了后续的NO分解反应,也就是所谓的“氧抑制”问题。Papadakis[24]首次巧妙利用掺杂的氧化物ScSZ(8%Sc2O3-stabilized ZrO2)在直流电压作用下能够良好的传导O2-这一特性,将Pt金属作为电极,对其施加一定的电压,促使 Pt表面的氧离子经电解质传导到阳极以O2的形式释放,抑制了氧化物的生成,使Pt的催化活性能够得到充分的利用[25] ,从而提高了NO的催化分解速率。

2.2 金属及金属氧化物电极

Hansen K K在电化学催化还原NO的反应研究中发现,有O2存在的条件下,金属氧化物型电极比贵金属型电极显示出更好的产物N2选择性[26],电极催化活性和产物N2选择性由其氧化物的结构决定。

为了进一步提高分解效率,Hibino等[8]提出更换贵金属电极材料或于工作电极上负载贵金属氧化物,从其实验结果来看,不同的阴极表面金属氧化物对NO分解效率不同,其中RuO2>Pt>Rh2O3>NiO>none>Ag>WO3[3]。RuO2|Ag(阴极)|YSZ|Pd(阳极)结构的电池展现出最好的分解效率。Wang等[27]发现NO在负电极上催化分解为N2的同时,O2-通过YSZ电解质转移至正极生成O2,在O2-转移的过程中维持了负极的活化状态,促进了催化反应的进行。在600 ℃施加0~4.4 V电压时,负载了RuO2的Pd|YSZ|Pd电极板中部分RuO2被还原为RuOx(0<x<2),成为电催化分解NO的活性位。证实除了Pd、Pt以外,Ru也对NO的电化学催化分解起一定的作用。Kammer等[17]对比研究了分别负载NiO和CuO的电池催化还原NO的能力,发现相比NiO而言,CuO显示出了更高的催化活性。

Vernoux等[28]在YSZ上喷溅厚度约为40 nm的Ir,制得多孔催化剂层板,有O2的存在下,用C3H6还原NO,在350~500 ℃范围内N2的选择性可以达到80%。在500 ℃时,贫燃条件下显示出了较高较稳定的NO转化率。同时发现稳定高效的Ir薄膜包含较大的Ir颗粒(20 nm)并且薄膜层更薄(20~40 nm);为了增大Ir的颗粒尺寸并且得到更佳的IrO、IrO2质量比,Vernoux等将多孔膜在500 ℃进行热处理,提高了电化学催化效率。

Antonio等[29]发现在大量氧气存在并且温度较低的情况下,负载了Pt/K-βAl2O3的电化学催化反应器对机动车排放气(CO、C3H6、NOx)[30]实现了较高的催化效率,并且进一步提高了催化电极抗水性能,此反应器进一步提高了电化学催化还原反应器的实用性。实验结果显示,负载了Na、K或Cs、Pt、氧化铝的混合物的工作电极,催化剂电极表面形成了一层NOx的吸附层。其中负载了K的电极生成的吸附层显示出了最优的吸附效果,这种电极装置可以提高20%的电流效率,并且阴极的催化活性也相对较高。通过计算可以得出,在400 ℃时0.9 m2的活性电极可以去除1.6 L柴油发动机尾气中约500 mg/m3的NO[31]。

Hamamoto等[32]在负载了NiO的电化学催化反应器催化还原NO的研究中发现,在350~600 ℃范围内,NO的分解效率有明显提高,但是超过450 ℃时,NiO发生再氧化反应导致NO分解反应效率降低,同时伴随着工作电极一定程度的膨胀。

2.3 其他电极类型

Yamaguchi等[33]将BaCo(Al,Ga)11O19层状结构负载于Pt|YSZ|Pt床层上,在2.5 V、650 ℃时,可将65%的NO直接转化成N2。而在相同的操作条件下(2.5 V、650 ℃),没有负载的Pt|YSZ|Pt反应器对NO的去除率为负载了BaCo-(Al,Ga)11O19层状结构的反应器的1/3。Simonsen等[34]将CoFe2O4、NiFe2O4、CuFe2O4和Co3O4等尖晶石负载于反应器工作电极,在大量氧气存在的情况下,此类尖晶石对NO和O2都有还原效果,其中CuFe2O4、NiFe2O4对NO的还原效果优于对O2的还原效果,CuFe2O4对NO的还原效果最佳。Bræstrup等[35]在工作电极负载了NiCrxFe2-xO4(x=0.0,0.5,1.0,1.5,2.0),结果显示,在1% NO、1% NO2和10% O2的条件下,300~600 ℃范围内,NiCr2O4相对于其他组分的NiCrxFe2-xO4显示出了较高的催化活性。由于电流的介入有利于氮氮双键的形成,而氮氮双键具有较高的稳定性,其可导致Cr易被氧化的同时激发出更多的O2-空位,对NO的还原起到了促进作用。

R. Karou[36]制作了负载双层Bi2V0.8Ta0.2O5.5-δ结构的反应器,实验结果显示,此种反应器具有较强的电化学催化性能并可以作为SCR催化剂。R. Karou等在BIMEVOX陶瓷上喷溅厚度小于100 nm的Pt薄膜,焙烧后形成了一种新的合金,在低于500 ℃时,此种材料显示出了几个数量级的氧空位,提高了自身的活化能,从而有助于SCR反应的进行。在268 ℃时,于催化剂两端施加一定电压,Pt|YSZ|BITAVOX电极板显示出40%的产物N2选择性,此值高于常规的Pt|YSZ|Pt电极板的产物N2选择性(约30%)。实验结果显示,电解质材料的选择也同时对NO的电化学催化起着一定的作用,因此更为廉价易得的固体电解质材料也是电化学催化氧化还原NO研究的一个重要的方向。

Kammer等[37]研究了大量钙钛矿基纯氧化物电极,钙钛矿基纯氧化物化学分子式为La1-xAxB1-yB′yO3-δ(A表示Sr或Ba;B或B′表示过渡金属),将其负载于Pt|YSZ|Pt电极板上,研究表明含有较多钙钛矿物质的电极显示了较高的电化学还原NO活性,并且确定了对还原NO起决定性作用的是氧离子空位的假设。Wachsman等[38]举例用共沉淀法制备出LaBO3,进行BET/TPR表征后发现,在NO分解过程中金属氧化物稳定性大小为LaVO3~LaCrO3>LaFeO3>LaMnO3>LaCoO3>LaNiO3,其中由于LaCoO3、LaNiO3具有B位3d轨道,所以表现出了较高的催化活性。与需要150 mA左右才可以发生NOx还原反应的Pt|YSZ|Pt电极板相比,添加La1-xAxB1-yB′yO3-δ后启动电流降低到了45 mA。由此可见,负载钙钛矿物质的电极对电化学催化分解NO有一定的促进作用。Lakshminarayanan等[39]研究了负载物中不同Sr含量对NO分解效率的影响,发现Sr越多O2的分解效率越高,故推测含Sr多的钙钛矿适用于负载于阳极或作氧化催化剂。

Werchmeister等[40] 提出了使用由交替的电极、电解质组成的陶瓷多孔电池堆栈,当对其上下施加电压时,可以在250~400 ℃的范围内,将NO还原为N2和O2。当多孔电池堆栈负载Ce或者Ce的混合物时多孔电池堆栈的催化活性显著增强。但是当向混合气体中加入氧气时,多孔电池堆栈相对于常规的Pt|YSZ|Pt板式反应器而言,电化学催化还原NO的活性要低得多,因此这一概念有待进一步发展。

Tang等[41]实验验证了在催化床层Mn/TiO2两端施加0.5 V的电压后,对催化作用产生正影响,在50 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃时的促进作用分别比无电压时提高了24.48%、7.82%、4.78%、6.03%。这里提出了一种新型的NO电辅助催化去除反应器,进一步降低了实验反应温度,相对于上述电化学催化净化NO的反应器,此类反应器结构简单并且制作成本大幅降低,但该反应机理有待进一步研究。

3 结语

早期的单层板式电化学催化净化反应器(SOFC 膜反应器),需要把电流直接施加在工作电极和对电极上,反应温度在700 ℃左右并且产物N2选择性不高。Pliangos等尝试制作无需电线直接接触工作电极的反应器,发明了管式电极结构的反应器,该反应器在进一步降低了反应温度的同时NO的转化率达到了77%;针对在大量氧气存在的条件下产物N2选择性不高的问题,Souentie等制作的多层板式电极结构反应器(MEPR)有效地解决了这一问题,研究结果显示,反应器结构从单层向多层转变,是将来电化学催化净化反应器结构研究发展的重要方向。

同时大量研究人员针对电极材料进行了改进,由于贵金属成本相对较高所以借助金属氧化物、纯氧化物、尖晶石类氧化物电极电化学催化净化NO的特性,使NO能在催化剂表面或者固体电解质上储存还原或者直接分解为N2,是一种消除固定源NO排放的较有前景的方法。其中制作过程中是否对负载物进行热处理、负载的方法、负载物喷溅的厚度、反应中催化物质由于温度变化而造成的改变都会影响反应器催化效率,所以关于不同电极材料的特性都需要分类进行研究归纳。

在目前的电化学催化净化NO研究中,活性温度已从700 ℃降低至500 ℃左右,但与实际烟气排放温度相比还有一定的差距。此外,目前在催化剂抗毒抗水性能方面的问题也未见突破性报道。因此,为提高电化学催化净化NO技术的实用性,需从以下3方面做进一步研究:①进一步研究明确反应过程中的活性位点及催化材料表面的活性物种, 明确其反应机理,从而指导催化材料和极板材料的制备和优化;②对多层板式电极结构反应器做进一步的优化或开发新型反应器,在兼顾低温催化活性的同时降低能耗;③关注催化剂的抗毒抗水性能, 以适应实际烟气净化需求。

摘要：综述了近年来国内外电化学催化净化NO所用反应器的研究进展,主要从电极材料和反应器结构两个方面进行了较为系统的对比分析。在此基础上,展望了电化学反应器未来可能的研究发展方向。

生物电化学反应器 篇7

关键词：对氨基苯磺酸,膜生物反应器,生物强化,生物降解

对氨基苯磺酸 (4-Aminobenzenesulfonic acid, 4-ABS) 广泛用于偶氮染料、印染助剂、食品色素、香料、医药和农药等化工产品的中间体生产, 也是制造农药敌锈钠的重要成分, 在生产和使用过程中, 不少4-ABS以工业废水的形式排入水体, 严重危害水环境。因其结构含有氨基 (-NH2) 和磺酸基 (-SO3) 两性官能团, 具有高极性和水溶性, 且化学结构稳定, 属于难生物降解的化学物质[1,2,3]。

优势菌处理废水的应用中, 人为地使某类菌在数量或质量上占优势, 抑制其他菌群生长, 达到提高进水负荷和处理效果的目的[4]。随着人们对微生物认识的加深, 高效菌与MBR结合用于废水处理工程, 发挥着巨大的作用[5]。本文以4-ABS为唯一碳源, 考察不同水力停留时间 (HRT) 、有机负荷、污泥浓度、DO及p H条件下, W1作为高效菌强化MBR的降解效果及特性, 优化工艺参数, 并对反应器稳定运行进行分析评价, 为生物强化MBR实际应用于芳香族磺酸类化合物废水的处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

主要化学试剂为4-ABS, 纯度为99%, 分析纯, 结构见图1。

菌种为作者驯化分离的4-ABS高效降解菌株Pannonibacter sp.W1。该菌种于-80℃冷冻保存 (30%甘油:菌液=1:1) , 活化后使用。反应器进水为无机盐配方, 按需加入定量4-ABS。

1.2 实验装置

配制的有机废水灭菌后置于进水槽1中, 由进水泵2打入反应器3中。出水泵7的抽吸作用下经膜组件4过滤出水, 真空表测定透膜压力, 确定膜是否清洗或更换, 出水排入8中。曝气由曝气泵6提供, 气量由转子流量计5控制, DO通过溶氧仪测定。见图2。

1.3 分析方法

测量4-ABS在最大吸收峰249nm的吸光度, 由质量浓度-吸光度标准曲线得到其浓度;混合液悬浮固体 (MLSS) 用重量法测定;CODcr用重铬酸钾法测定, DO用溶氧仪测定。

1.4 运行方式

MBR反应器间歇运行, 进水时间0.5 h, HRT 12 h~24 h, 出水时间2h~3.5 h, DO 4.0 mg/L~6.2 mg/L, p H值7.0±0.2, 据真空表示数和膜出水速率进行膜清洗。

2 结果与讨论

2.1 MBR对4-ABS的去除效果

图3表明, MBR运行中, 进水4-ABS浓度保持1000 mg/L左右, HRT由14h降至10 h, 后降至6 h, 4-ABS去除率始终保持在99%以上, 两个月内处理效果稳定, 并在运行初期很快达到较好效果, 说明高效菌W1的投加使MBR启动期大大缩短, 去除目标物的效率大大提高, 显示了W1相比于传统的活性污泥, 降解目标污染物具有很大优势。

2.2 MBR对COD的去除效果

图4表明, 进水COD保持在1000mg/L以上, 而出水COD低于100mg/L, 满足出水要求。相比4-ABS的去除率99%, COD去除率仅保持在95%左右, 偏低, 分析其原因, 微生物降解4-ABS过程中, 自身产生可溶性微生物产物 (SMP) 和小分子的胞外聚合物 (EPS) 给出水带入了少量COD, 但随着运行时间的延长, 微生物对产物的降解能力增强, 出水COD略有下降并趋于稳定, 也可能由于两者测量精度不同导致。

2.3 有机负荷对去除率的影响

进水有机负荷指单位容积曝气区在单位时间内所能承受的COD或BOD的量, 也叫容积负荷。图5表明, 反应器运行过程中, 虽然COD进水浓度保持稳定, 但随着HRT缩短, 容积负荷由最初的1700 mg·COD/ (m3·d) 升至4200 mg·COD/ (m3·d) 。由于菌量增加, 污泥负荷变化不大, 仍可保持COD去除率达95%。

2.4 反应器内MLSS的变化

图6表明, 随着运行时间的增长和HRT的缩短, 反应器中混合液悬浮固体 (MLSS) 浓度不断增加, 直到5 g/L左右实现菌体增殖与内源呼吸消耗的平衡, F/M (有机物与微生物的比值) 较低, 污泥浓度增加趋于缓慢或动态平衡。不断增加并趋于稳定的MLSS是维持高进水负荷下仍保持较高去除率的关键, 保证了系统正常、稳定、高效运行。

2.5 DO对MBR降解4-ABS的影响

图7表明, MLSS变化不大 (1.08mg/L~1.18 mg/L) 的情况下, 溶解氧 (DO) 低于4.5 mg/L时, 去除率仅为50%左右, 而高于5 mg/L时, 对降解率的影响不大, 保持在95%以上, 但是当DO浓度不断增大, 去除率出现降低现象, 分析原因是因为有机物的供给低于高活性代谢下的消耗, 造成微生物浓度降低, 引起降解率下降。

2.6 反应器中菌群的稳定行考察

反应器运行两个月后, 取1m L菌液进行涂板计数分析, 结果见表1。菌株W1的类似菌落占总菌落的70%, 粗估W1是优势菌株, 可在MBR运行环境中稳定存在。

3 结语

(1) MBR反应器运行稳定, 菌泥活性好, MLSS浓度高, 出水水质好, HRT为6h时, 4-ABS去除率可达99%以上, 出水COD低于50 mg/L; (2) MBR反应器中控制DO 5mg/L~6 mg/L为宜; (3) 通过涂板分析, 粗估W1是优势菌株, 可在MBR运行环境中稳定存在。

参考文献

[1]Coughlin M F, Kinkle B K, Tepper A et al.Characterization of aerobic azo dye-degrading bacteria and their activity in biofilms[J].Water Science and Technology, 1997, 36 (1) :215-220.

[2]Riu J, Schonsee I, Barcelo D et al.Determination of sulphonated azo dyes in water and wastewater[J].Trends Anal.Chem., 1997, 16:405-419.

[3]罗学辉, 秦炜, 符钰, 等.络合萃取法处理磺酸类染料中间体工业废水的研究[J].化学工程, 2003, 31 (2) :51-54.

[4]贴靖玺.生物强化技术处理焦化废水中难降解有机物及其相关性分析[D].西安:西安建筑科技大学, 2003.

新型生物氧化反应器工业试验研究 篇8

针对我国金精矿生物冶金行业装备水平落后、高性能金精矿预氧化核心装备主要依赖进口的现状,北京矿冶研究总院通过自主创新,开发新型的具有高传质速率、低剪切力、易于工业维护的微生物冶金反应器,形成微生物冶金反应器设计原则,总结放大规律,完成了700 m3的微生物冶金反应器的研制和工业试验,形成了自主知识产权的高效生物冶金反应器。

1 工业试验方案

为了考察Φ9.5×10 m新型生物氧化反应器(2#反应器,以下简称新型生物冶金反应器)的工艺性能,与一台工业生产的Φ9.5×10 m常规生物氧化反应器(1#反应器)进行平行对比工业试验。工业试验中保持新型生物反应器给矿量是1#反应器的1.2倍,通过对比有关参数指标来评价新型生物反应器的工艺性能。

2 结果与讨论

2.1 生物反应器功耗

微生物冶金生物反应器功耗包括充气功耗和搅拌功耗。新型生物冶金反应器的空气压缩机电机和搅拌电机前端分别安装一个电度表,通过记录一段时间内电度表的读数差来计算新型生物冶金反应器所消耗的电能。常规生物冶金反应器的搅拌能耗通过电机的实耗电流计算得到。

两种生物冶金反应器的能耗对比见表1。

从表1可以看出,新型生物冶金反应器和常规反应器的单位体积矿浆消耗功率分别为0.253 k W和0.298 k W,前者比后者低15.05%。

表1 两种生物冶金反应器能耗对比

k W

2.2 生物反应器充气量

新型生物冶金反应器采用42个喷嘴直径为5mm的充气器进行供气。在主管路上安装有空气流量计,通过记录一段时间内流量计的读数差来计算新型生物冶金反应器所消耗的空气量。

两种生物冶金反应器消耗空气量对比见表2。

表2 两种生物冶金反应器充气量对比

m3/min

从表2可以看出,新型生物冶金反应器的空气消耗量比常规反应器降低了约17.8%。

2.3 生物反应器内细菌浓度

为了考察新型生物冶金反应器内细菌的情况,与常规生物冶金反应器进行了对比。在反应器液面以下1 m位置进行取样,采用“血球计数板法”测量矿浆中游离细菌的浓度,以此来表征反应器内细菌浓度。通过测量,新型生物冶金反应器内的细菌浓度为2.85×107个/m L,常规生物冶金反应器内的细菌浓度为2.88×107个/m L,两者相差不大。

2.4 生物反应器搅拌性能

为了考察新型生物氧化反应器的搅拌性能,以及考察反应器内的细菌浓度分布和矿浆浓度分布情况,测定了新型反应器内不同深度的细菌浓度和矿浆浓度。先后两次在距反应器底部0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m、8.0 m共10个位置进行了两次深槽取样。

生物冶金反应器深槽取样测量结果见表3,不同取样高度矿浆浓度见图1,矿浆中细菌浓度见图2。

从表3和图1、图2可以看出,新型生物氧化反应器内的矿浆悬浮比较均匀,没有分层现象;各个取样高度上矿浆中细菌数量基本相同。说明了新型生物氧化反应器矿粒悬浮能力好,氧化均匀,工艺性能良好。

3 结论

表3 生物冶金反应器深槽取样测量结果

图1 不同取样高度矿浆浓度

图2 不同取样高度矿浆中细菌浓度

1.新型生物冶金反应器与同容积的常规生物冶金反应器相比,在取得氧化渣中硫、铁、砷含量基本相同的氧化率情况下,新型生物冶金反应器的给矿量是常规反应器的1.2倍,反应器效率提高了20%。

2.在反应器内游离细菌浓度基本一致的条件下,与常规生物冶金反应器相比,新型反应器的充气量降低了约17.83%,单位体积矿浆消耗功率降低了15.05%。

摘要：新型生物氧化反应器采用外置充气系统的创新结构,气泡直径小,分散度高,空气利用率高。新型生物冶金反应器与同容积的常规生物冶金反应器相比,在取得氧化渣中硫、铁、砷基本相同的氧化率,反应器内游离细菌浓度基本相同的情况下,新型反应器的给矿量是常规反应器的1.2倍,效率提高20%;新型反应器的充气量降低了约17.83%,单位体积矿浆消耗功率降低了15.05%。

关键词：生物氧化,生物冶金,反应器

参考文献

[1] 杨丽丽,杨洪英,范有静,等.难处理金矿石细菌氧化的影响因素研究[J].贵金属,2007,28(1):58-62.

[2] 刘升明,王淀佐,孙体昌,等.微生物浸金的研究现状与展望[J].矿产综合利用,2004,(6):24-28.

[3] 黄金生产工艺指南编委会.黄金生产工艺指南[M].北京:地质出版社,2000.

[4] 钟秦,王娟,陈乔迁等编.化工原理[M].北京:国防工业出版社,2001:280-283.

[5] 方兆珩.生物氧化浸矿反应器的研究进展[J].黄金科学技术,2002(6):1-7.

[6] 廖梦霞,汪模辉,邓天龙.难处理硫化矿生物湿法冶金研究进展Ⅱ氧化机制、强化细菌浸出与生物反应器设计[J].稀有金属,2004,28(5):31-35.

[7] S·弗彻,汪镱亮,肖子力,等.机械搅拌槽与泡沫柱的生物浸出性能比较[J].国外金属矿选矿,2004,(10):21-24.

[8] 孙理鑫,张旭,谭文松,等.金精矿生物氧化过程中菌体吸附的重要性研究[J].金属矿山,2012,(1):92-95.

膜生物反应器处理造纸废水研究 篇9

关键词：造纸废水,膜生物反应器,膜污染

0 引言

近年来, 造纸工业飞速发展, 其排放的废水占全国排放的9.89%。造纸废水若处置不当, 其排放对于全国废水总排放BOD的贡献值超过25%[1]。将生物反应器与膜分离相结合而形成的膜生物反应器被认为是废水处理与回用的新型技术, 并得到广泛研究和应用。膜生物反应器技术有较强的悬浮物去除能力, 可以提高污泥的浓度, 达到强化处理的效果以及较为宽泛的处理浓度范围[2,3,4,5,6]。与传统污水处理厂相比, 生物反应器在体积、处理效果、自动化方面均有优势, 但是需要承担较高的处理费用、膜污染等问题[7,8,9]。

1 材料和方法

1.1 中试MBR系统

中试外置式MBR反应器示意图如图1所示。系统由生物反应池和外置膜池组成, 有效容积为500 L。废水由集水池经进水泵提升至生物反应池, 安装减压阀和气体流量计调节曝气量。生物反应池中设置两个水位传感器控制池内水位, 在线探头分别检测水温、溶解氧浓度和p H。混合液由离心泵输送到膜池内进行泥水分离。膜池内装有三个压力传感器分别测定进口、出口和过滤压力。

膜组件技术参数表见表1。

1.2 试验材料

试验接种污泥为某污水处理厂剩余污泥。该污泥沉降性能良好, 反应器初始接种MLSS=4 830 mg/L, SVI=89 m L/g。系统采取不排泥, 通过进水对接种污泥进行驯化和培养, 污泥浓度逐渐增长。污泥浓度达到10 000 mg/L开始对系统排泥, 使污泥龄保持在30 d左右, 稳定运行后污泥浓度在15 000 mg/L左右。生物池溶解氧浓度维持在2 mg/L~3 mg/L。运行压力介于0.5 bar~1.5 bar。反应器进水为实际造纸废水, 混合造纸废水水样取自集水池出水, 水质指标见表2。

COD, MLSS, 色度等指标均采用标准方法测定。

1—集水池;2—进水泵;3—生物反应池;4—空气压缩机;5—中间水泵;6—膜池;7—出水水池;8—温度探头;9—p H探头;10—DO探头;11—压力传感器;12—水位传感器注:

2 结果与讨论

2.1 COD生物降解效果

试验期间系统进水与出水COD浓度变化如图2所示。由于系统进水取自造纸厂废水集水池实际废水, 进水COD在2 487 mg/L~5 905 mg/L内波动, 变化较大。但系统仍表现出良好的COD去除能力。稳定运行阶段, 进水COD浓度为3 900 mg/L左右, 出水COD为250 mg/L左右, COD平均去除率为93.7%。系统对COD去除效果稳定, 表现出较强抗冲击负荷能力。

Dufresn·R等发现:对于COD和悬浮固体的去除而言, MBR方法更占优势, 去除率可以分别达到99%和90.0%[10]。韩怀芬等[11]发现要提高污泥浓度使得COD降低至100 mg/L以下, 水利停留时间18 h比较合适。然而水利停留时间为40 h的活性污泥法, 其COD仍然无法降至100 mg/L以下。

2.2 色度去除效果

试验期间系统对色度的去除效果如图3所示。测定色度的波长设定为436 nm。试验期间进水色度变化较大, 在10 m-1~80 m-1范围内波动。出水色度在试验初期波动较大, 到试验后期, 能稳定维持在10 m-1以下。色度平均去除率为79.2%。

研究表明单独MBR工艺对造纸废水色度去除效果有限。需要后续处理工艺或者组合工艺进一步降低出水的色度。Roozi等人采用纳滤技术能有效地将造纸废水色度降低到1 m-1以下[12], 而在一份与光催化相结合的膜生物反应器处理研究中, 研究者发现该方法对于浊度、色度、COD均有较高的去除率[13]。

2.3 污泥浓度变化

试验期间系统内污泥浓度变化如图4所示。启动运行初期, 采用不排泥, 通过进水对接种污泥进行驯化和培养, 污泥浓度逐渐增长。经过100 d左右的运行, MLSS由接种时的4 850 mg/L逐步增加至10 000 mg/L左右。考虑到高污泥浓度和长污泥龄会加快膜污染速度, 降低膜寿命, 此后将系统SRT控制为30 d, 远长于传统活性污泥工艺。由于采用膜组件进行混合液泥水分离, 试验期间系统内污泥浓度呈缓慢增加的趋势。到达稳定阶段后, MLSS维持在15 000 mg/L左右。第75天和第200天, 系统发生运行事故, 造成系统内污泥浓度的降低。

2.4 膜通量和跨膜压差变化

进水水质、膜材料、膜组件形式和操作条件等因素都能影响膜组件渗透通量。对于特定的膜组件, 膜通量的变化主要取决于进水组分在膜内部和膜表面积累造成的膜污染。试验期间膜通量和跨膜压差的变化如图5所示。接种污泥开始运行后到实验的第150天, 膜组件跨膜压差增长缓慢, 与此同时膜通量缓慢下降。150 d以后, 跨膜压差迅速增加, 膜通量急剧下降。

随着膜生物反应器的运行, 膜污染问题开始逐步显现出来。若不进行有效的清洗, 将降低膜处理效率, 增加电费成本。比较常见的处理方式除膜更换之外还有利用化学、物理方法等清洗[14,15]。本实验中, 启动运行后到第150天, 膜通量下降缓慢, 此后跨膜压差有一个明显的上升, 伴随膜通量的显著下降。继续运行到第240天, 跨膜压差急剧升高, 此时膜通量已降低到最低并趋于不变。表明此时膜污染已非常严重, 需要进行清洗以恢复过滤能力。而从保持系统较高产水量的角度, 在第150天左右就需对膜组件进行清洗, 以避免膜通量的显著下降, 同时减少膜污染对膜的使用寿命的影响。

3 结语

1) 膜生物反应器能高效处理造纸废水, 稳定运行阶段, 进水COD浓度为3 900 mg/L左右, 出水COD为250 mg/L左右, COD平均去除率为93.7%;出水色度在试验初期波动较大, 到试验后期, 能稳定维持在10 m-1以下, 色度平均去除率为79.2%。

2) 系统稳定后, MLSS维持在15 000 mg/L。较长的污泥停留时间和高污泥浓度使系统有机负荷低, 污泥产量少。同时试验期间跨膜压差增长缓慢, 综合考虑膜组件清洗周期为150 d。

参考文献

生物电化学反应器 篇10

关键词:膜生物反应器(MBR) 污水再生 深度处理

中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)04(a)-0145-01

近年来水资源短缺问题突出,城市污水再生深度处理回用是解决这一问题的重要途径。膜生物反应器(Membrane Bioreactor,简称MBR)是一种膜分离与生物技术有机结合的新工艺,具有出水水质优良、稳定、占地面积小等优点,在工程中的应用日渐增多。

1 工程概况

山阴县生活污水处理厂位于县城南城区东南角,2008年7月建成,规划处理能力1.5万m3/d,现设计水量1万m3/d,预留扩建5千m3/d的条件。

污水处理厂采用“三沟式氧化沟”工艺,出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》的二级排放标准。再生水深度处理后,设计出水水质达到《工业循环冷却水处理设计规范》要求。

2 设计水质与工艺流程

2.1 设计水质

山阴县污水处理厂再生水深度处理一期工程设计进、出水水质如表1所示,

2.2 工艺流程

氧化沟出水→调节池→膜格栅提升泵→膜格栅→生物池→膜池提升泵→MBR膜池→出水

3 主要构筑物设计

3.1 调节池及膜格栅集水池

新建调节池一座,尺寸18m×15m×6m(长×宽×深),池内设2台潜水搅拌器,680转/min,功率4.0kW。集水池与调节池共建,设方闸门1台(800mm×800mm),配手、电两用启闭机。池内设膜格栅提升泵(潜水离心泵),3用1备,流量140m3/h,扬程11m,功率5kW。

3.2 膜格栅间

膜格栅间一座,安装2台转鼓式细格栅,流量420m3/h,直径1000mm,过滤精度2mm,安装角度35°,不锈钢材质,功率1.5kW,细格栅渠道前后设4套叠梁闸(1100mm×900mm)。

3.3 生物池及膜池提升泵

生物池采用好氧处理工艺,有效水深5.7m,尺寸30m×5m×7.1m(长×宽×深),设计水力停留时间4h,污泥浓度5000mg/L。管式微孔曝气器曝气,外管外径120mm,外管内径100mm,孔隙率35%～50%,产生气泡直径1～3mm,单位通气量5～50m3/m·h,服务面积2～3m2/m。池内设置2台膜池提升泵(轴流泵),流量700～1050m3/h,扬程2m,功率5kW。

3.4 膜池

膜池共4格,本期安装3格。膜池前设配水及回流渠道,生物池来混合液通过配水渠均匀分配到膜池,膜池混合液经回流渠道自流至生物池入口,污泥回流比300～400%。每格膜池设置进水闸门、排空管,配备1台产水/反冲洗水泵(变频),流量154～337m3/h,扬程16m,功率18.5kW。

膜池有效水深3.3m,单格平面尺寸11.4m×3.05m,每格膜池安装5只膜组件,预留1只膜组件的安装位置。膜组件采用PVDF,膜丝内外径1.9mm/0.8mm,有效膜丝长度2185mm,膜孔径0.04μm,设计通量15.2LMH(5Cat冬季最大周流量)～18.1LMH(10C at 日平均流量),设计污泥浓度7500mg/L,3格膜池总供气量138m3/min。

膜池进水设3台手、电两用不锈钢闸门(800mm×800mm),配置2台污泥回流泵(排空泵),流量400m3/h,扬程20m,功率30kW,配置2台剩余污泥泵,流量7m3/h,扬程20m,功率2.2kW。

3.5 附屬配套设备

生物池曝气风机3台,流量19m3/min,扬程7m,功率37kW;膜池曝气风机4台,流量46m3/min,扬程4m,功率75kW;输水泵3台,流量210m3/h,扬程95m,功率110kW;自用水泵2台,流量30m3/h,扬程30m,功率7.5kW;清水箱2台,500m3;PAC加药装置1套;次氯酸钠加药装置1套;柠檬酸加药装置1套;还原剂加药装置1套;中和剂加药装置1套;压缩空气系统1套。

4 设计特点

(1)合理利用污水厂现有条件,采用膜生物反应器工艺,简化工艺流程,节省用地。

(2)设置膜格栅间,采取强化措施对进水中存在的毛发、纤维类物质及大于2mm的漂浮物进行拦截,保证MBR系统运行的安全和稳定。

5 结语

膜生物反应器技术相对于传统处理技术有明显的优势,在污水再生深度处理中会得到越来越普遍的使用,对缓解水资源的紧缺起到重要的作用。但膜的污染和使用寿命问题是制约该技术发展的因素,随着膜制造技术的提高与改进,MBR技术在改善环境,缓解水资源短缺方面起到更大的作用。

参考文献

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