（材料学专业论文）土壤基质对隧道内nox去除效率的研究.pdf

摘要 汽车尾气排放中氮氧化合物( n o ，) 气体的污染已经严重影响到了大气环境及 人民生活质量。针对n o 。的污染现状，基于重庆交通科研设计院的自主创新项目“公 路隧道高浓度污染空气土壤净化技术的研究”这个课题，在真武山隧道，利用土壤 净化技术，现场对污染空气中n 0 ，的净化进行了初步研究。 在研究中，初步拟定了5 种土壤基质配比，并将配比好的土壤基质装入土壤 柱，按时浇水，通入污染空气，经过1 0 天左右的稳定运行后，分别研究了土壤基 质材料和配比，经过分析，确定出最佳土壤基质配比为腐殖土：珍珠岩：泥炭： 3 ：l ：1 。在此配比基础上，分别考察了进气浓度、进气线速度和气体温度、气体相 对湿度、填料温度、填料相对湿度、系统压强对污染空气中n o ：净化率的影响。 研究结果表明：腐殖土：珍珠岩：泥炭配比为3 ：1 ：1 的土壤基质，在净化隧道 污染空气中n 0 。的效率优于其他材料和配比。在其它条件一定的情况下，n 0 。的净 化率全在9 0 以上，出气口n o 。浓度全低于2 0 0 p p b ，完全达到设计要求。随着时间 的推移，基质配比对n 0 ，的净化率成下滑趋势。 其他条件不变的情况下，进气浓度在1 9 2 1 - 2 5 8 8 p p b 之间或系统压强在0 - 1 c m 之间，n o 。的去除率变化不大；进气线速度在0 3 2 - 0 3 8 m m s 之间，n 0 。去除率变化 比较平稳，在0 3 8 0 5 2 m m s 范围内，n o ，去除率变化比较大，进气线速度越高， n o 。的去除率越低；气体温度在8 - 1 5 c 之间或填料温度在9 8 - 1 9 c 之问，温度越高， n 0 ，的去除率越低；气体相对湿度在8 1 - 8 8 之间或填料相对湿度在3 7 6 4 之问，湿 度越高，n 0 。的去除率越高，气体相对湿度在8 8 5 - 9 4 之间或填料相对湿度在 5 8 6 6 之间，湿度越高，n 0 ，的去除率越低，相对湿度太高或太低都不利于n 0 ，的 去除。 关键词：氮氧化合物( n o ，) ；土壤基质配比；去除率；土壤净化系统 a b s t r a c t p o l l u t i o no nn i t r o g e no x i d e ( n o x ) g a si nt h ee m i s s i o no fa u t o m o b i l ee x h a u s th a s a l r e a d ys e r i o u s l ya f f e c t e dt h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n ta n dt h eq u a l i t yo fl i f eo ft h e p e o p l e 。t ot h es t a t u sq u oo f t h ep o l l u t i o no nn o x ，b a s e do nt h ei n d e p e n d e n ti n n o v a t i o n s u b j e c t - “s o i lp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c ho nh i g h l yc o n c e n t r a t i o na i rp o l l u t i o ni n t u n n e lo fr o a d ”o fc h o n g q i n gt r a f f i cr e s e a r c hd e s i g ni n s t i t u t e ，a tz h e n w um o u n t a i n t u n n e l ，u s i n gt h es o i lp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , p u r i f i c a t i n gn o xi nt h ep o l l u t e da i r c o n d u c t e dap r e l i m i n a r ys t u d yo nt h es i t e 。 i nt h i ss t u d y , f i v ek i n d so fr a t i oo ns o i lm a t r i xw e r ef o r m u l a t e di n i t i a l l y , a n dt h e s o i lm a t r i xh a v i n gb e e nr a t e dw a sp a c k e di nt h es o i lc o l u m n ss e p a r a t e l y , w a t e r i n go n t i m e ，a c c e s s i n gt ot h ep o l l u t e da i r , a f t e r10d a y so fs t a b l er u n n i n g ，s t u d i e ds e p a r a t e l yt h e r a t i oa n dm a t e r i a l so fs o i lm a t r i x 。b ya n a l y s i n g ，t h eb e s tr a t i oo ft h es o i lm a t r i xw a s d e t e r m i n e dt h a ti sh u m u st op e r l i t et op e a tb e i n g3t o1t o1 。b a s i n go nt h i sr a t i o ，w e i n v e s t i g a t e ds e p a r a t e l yt h er e l a t i o n so fi n l e tc o n c e n t r a t i o n 、i n l e ta i rl i n es p e e d 、g a s t e m p e r a t u r e ，g a sr e l a t i v eh u m i d i t y ，m a t e r i a lt e m p e r a t u r e ，m a t e r i a lr e l a t i v eh u m i d i t y ， s y s t e mp r e s s u r ea n dt h ep u r i f i c a t i o nr a t eo nn o x i nt h ep o l l u t e da i r 。 t h er e s u l t ss h o w s ：o nt h ep u r i f i c a t i o no fn o xi np o l l u t e da i ri nt h et u n n e l ，t h e r a t i oo fs o i lm a t r i x - h u m u st op e r l i t et op e a tb e i n g3t o1t o1 一i ss u p e r i o rt oo t h e r m a t e r i a l sa n dr a t i o 。i fo t h e rc o n d i t i o n sb e i n gc e r t a i n ，t h ep u r i f i c a t i o nr a t eo fn o xi s w h o l l ym o r et h a n9 0 ，o u t l e tc o n c e n t r a t i o no f n o xi sw h o l l yl o w e rt h a n2 0 0 p p b ，t h e d e s i g nr e q u i r e m e n t sa r ef u l l ym e e t 。w i t ht i m el e a v i n g ，t h ep u r i f i c a t i o no fn o x d e c l i n e s g r a d u a l l y 。 u n c h a n g i n go t h e rc o n d i t i o n s ，i n l e tc o n c e n t r a t i o n sb e t w e e n1 9 2 1 2 5 8 8 p p bo r s y s t e mp r e s s u r eb e t w e e no lc m ，n o xr e m o v a lr a t ec h a n g sl i t t l e ；i n l e tl i n e a rv e l o c i t y b e t w e e n 0 3 2 0 3 8 m m s ，n o xr e m o v a l r a t ei s r e l a t i v e l ys t a b l e ， b e t w e e n o 38 - 0 5 2 m m s ，n o xr e m o v a lr a t ec h a n g e si nl a r g e ，t h eh i g h e rt h ei n l e tv e l o c i t y , t h e l o w e rn o xr e m o v a lr a t eo f ；g a st e m p e r a t u r eb e t w e e n8 15 co rt h ef i l l e rt e m p e r a t u r e b e t w e e n9 8 19 c ，t h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r e t h el o w e rn o xr e m o v a lr a t e ；g a sr e l a t i v e h u m i d i t yb e t w e e n81 8 8 o rt h ef i l l e rr e l a t i v eh u m i d i t yb e t w e e n3 7 6 4 ，t h eh i g h e r t h eh u m i d i t y , t h eh i g h e rn o xr e m o v a lr a t e ，g a sr e l a t i v eh u m i d i t yb e t w e e n8 8 5 9 4 o r f i l l e rr e l a t i v eh u m i d i t yb e t w e e n58 - 6 6 ，t h eh i g h e rt h eh u m i d i t y , t h el o w e rn o x r e m o v a lr a t e ，t o oh i g ho rt o ol o wr e l a t i v eh u m i d i t yi sn o tc o n d u c i v et or e m o v en o x 。 k e y w o r d s ：n i t r o g e no x i d e ( n o x ) ；t h er a t i oo f s o i lm a t r i x ；t h er e m o v a lr a t e ；t h es o i l p u r i f i c a t i o ns y s t e m 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：贸缉 同期：诃年4 月f ，日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：留j 瞬 日期：沂年4 月ff 白 指导教师签名： 锯兰晖 r 期：阳拜年月i f 同 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：伙晖 日期：砷年孕月f f 日 指导教帅签名：眵屠兰7 军 闩期：川年年月f 1 日 第一章绪论 第一章绪论 在现代文明的今天，汽车已经成为人类不可缺少的交通运输工具。自从1 8 8 6 年第一辆汽车诞生以来，它给人们的生活和工作带来了极大的便利，并经发展成 为近现代物质文明的支柱之一。但是，我们也应该看到，在汽车产业高速发展、 汽车产量和保有量不断增加的同时，汽车也带来了大气污染，即汽车尾气污染。 所谓尾气污染，主要是指柴油、汽油等机动车燃料因含有添加剂和杂质，在不完 仝燃烧时所排出的一些有害物质，对环境和人体构成污染和破坏。据研究表明， 汽车尾气成分非常复杂，有一百种以上，其主要污染物包括：一氧化碳( c o ) 、氮 氧化台物( n o , ) 、碳氢化合物( h c ) 、铅( p b ) 、苯并芘( b b p ) 等，这些污染物不 仅污染环境，对人体也有巨大危害。 1 1 汽车尾气拌放污染现状及危害 11 1 汽车尾气排放污染现状 随着我国全面建设小康社会，经济持续高速发展，城市的规模不断扩大，我 国的汽车保有量也急剧增加( 如图l - i ) 。截至2 0 0 4 年，我国己成为世界第四大汽 车生产国和第三太汽车消费国。汽车保有量达到2 8 4 0 万辆，超过1 9 8 5 年的9 倍， 预计到2 0 1 0 年，将达到5 5 0 0 0 0 0 0 万辆。北京、上海、广州等特大城市表现得更 为明显。以北京市为例，1 9 8 01 9 9 7 年间机动车保有量年均增长率为1 64 。9 0 年 代达到了1 7 4 ，其增长速度远远高于经济和人口增长的速度。 国11 汽车的现状 f i g liv e h i c l es t a t u s 伴随着汽车保有量的急剧增长，我国汽车污染物排放总量也持续攀升。2 0 0 3 年全国机动车碳氢化合物( h c ) 、一氧化碳( c o ) 和氦氧化合物( n 0 x ) 排放量是1 9 9 5 年相应污染物排放总量的2 5 1 、2 0 5 和3 0 1 倍“”。事实上，汽车所产生的空气 2 第一章绪论 污染量比任何其他单一的人类活动产生的空气污染量都多。全球因燃烧矿物燃料 而产生的一氧化碳( c o ) ，碳氢化合物( h c ) 和氨氧化台物( n o x ) 的排放量，几乎5 0 来自于汽油机和柴油机。 虽然汽车污染物排放量越来越大，但是目前我国的汽车尾气污染物控制水平 还比较低，基本上处于国外起步时的水平。因此，研究有效措施降低汽车尾气污 染物己经刻不容缓。 1 1 2 汽车排放中主要尾气的危害 随着全球汽车工业的高速发展和汽车保有量的增加，由汽车捧出的一氧化碳 ( c o ) 、碳氢化合物( 眦) 、氮氧化合物( n 仉) ，其它还有二氧化硫( s 和微粒物质( 铅 化物、碳烟等) 等对大气造成越来越严重的污染( 如图1 2 ) ，其中n 0 。的危害越来 越引起人们注意。据检测。一，城市大气中7 0 的 l c ，8 0 的c 0 和4 0 的n o , 来自汽 车尾气的排放。n o x 和其他污染物所引起的危害主要表现在以下几个方面： 图i2 汽车尾气危害 f i 9 12v e h i c l ee x h a u s th a z a r d 酸雨“：酸雨中主要成分是硫酸和硝酸。n 0 和s 仉是形成酸雨的前驱物。酸 雨的形成是一种复杂的大气化学和大气物理现象，是人类社会工业化的产物，对 农业、林业、建筑和人民生活都会带来极大的危害。 光化学烟雾；光化学烟雾是由汽车尾气中的非饱和烃和n o , 等污染物在一 定的气象条件下、强烈的紫外线照射后，产生一种复杂的光化学反应，生成的一 种新的二次污染物。它能使空气的能见度降低，有一定的致癌性能导致居民呼 吸困难、头疼、恶心。 威胁人类和动物的身体健康”：汽车尾气中的氨氧化物( 包括m 和n 具有 强烈的刺激味，对肺和心肌等都有很强的损害作用。一氧化氨( n 0 ) 是无色无味气 体，只有轻度刺激性，高浓度时会造成中枢神经的轻度障碍，n 0 与血液中的血红 素的结合能力比c o 还强。n o 可被氧化成二氧化氮心0 0 n 吼是一种红棕色气体，对 呼吸道有强烈的刺激作用，对人体影响甚大。n 0 t 吸入人体后和血液中血红素蛋白 第一章绪论 3 ( h b ) 结合，使血液输氧能力下降，会损害心、肝、肾等器官。 地面臭氧浓度过高哺1 ：臭氧( 0 。) 是由含有n o 。和不饱和烃的废气经过光化学 反应后形成的。n 0 。是地面附近大气中形成臭氧的主要因素之一。o 。是一种刺激性 很强的气体，能刺激人的眼睛和呼吸道，也影响植物的光合作用，是导致森林病 害的主要因素之一。 汽车中的一氧化碳( c 0 ) 与血液中的血红蛋白结合的速度比氧气快2 5 0 倍， 所以当人体吸入含有c 0 的气体时人体血液中的血红蛋白( h b ) 便立即同c o 结合， 生成碳合血红蛋白( c o h b ) ，使这部分h b 不能与o 。结合生成氧合血红蛋白( 0 。h b ) ， 而失去输送o ：的功能，就会导致人体的各部分组织缺氧，特别是人脑组织和心脏 缺氧，所以，即使有微量c 0 的吸入，也可能给人造成可怕的缺氧性伤害。由于汽 车尾气多排放在1 5 米以下，因此儿章吸入的汽车尾气为成人的两倍。 1 2 汽车尾气排放法规 随着汽车排气污染的日益严重以及人们对其危害性认识的不断深入，汽车排 放逐渐被越来越严格的排放法规控制。美国是第一个颁布汽车排放法规的国家， 随后世界其它国家相继制定了自己的排放法规，并形成了以美国、日本和欧洲为 代表的三大排放法规体系。其中美国和欧洲的排放标准体系为各国广泛引用。低 排放和超低排放是发达国家汽车尾气污染控制的现行和近期目标。日本丰田汽车 公司甚至开发出零排放汽车，其尾气污染物的浓度比环境中的浓度还要低叩，。 其中欧洲标准是我国借鉴的汽车排放标准n 1 ，目前国产新车都会标明发动机废 气排放达到的欧洲标准。欧洲标准是经欧洲经济委员会( e c e ) 的排放法规和欧共体 ( e e c ) 的排放指令共同加以实现的。当前，欧共体和大部分汽车工业发达国家都相 继采用了e c e 的排放标准，因为e c e 扩大了限制有害排放物的种类：试验运转循 环更加接近实际使用条件，规定了汽车尾气排放物能够满足环保指标的行程，确 立了按汽车环保参数认证的汽车生产稳定性和质量监督统计方法等。汽车排放欧 洲i 号标准( 简称欧i ) 是通过对e c e r 8 3 进行了两次修订后形成的更加严格的排放 法规，它于1 9 9 3 年生效。汽车排放欧洲i i 号标准( 简称欧i i ) 于1 9 9 6 年开始在欧 洲实施，该标准对使用无铅汽油和柴油汽车的排放限值更加严格，它既规定电喷 汽油机和使用气体燃料以及双燃料汽车排放的测定方法，又对生产一致性采用了 新的检查方法。2 0 0 0 年起丌始实施欧i i i 标准。2 0 0 5 年起开始实施欧i v 标准。 欧v 标准也已通过。各标准的详细数据见表1 2 一表1 5 3 1 。表1 1 显示了部分国 家和地区的轻型汽车排放限值。 表1 1 部分国家和地区的轻型汽车排放限值怕。 t a b l e l 1l i g h tv e h i c l e se m i s s i o nl i m i t si ns o m ec o u n t r i e sa n dr e g i o n s 4第一章绪论 国家和地区 生产日期 c 0 g k m 一1 h c g k m 一1n o g k m 1 墨两哥 1 9 9 32 1 l 0 2 5o 6 2 巴西，阿根廷 1 9 9 72 00 3 o 6 澳大利亚 1 9 8 69 30 91 - 9 中国台湾 1 9 9 02 1 l o 2 50 6 2 韩国 1 9 8 82 1 1 o 2 5o 6 2 1 9 9 42 1 lo 1 60 2 5 美国 u l e v *1 0 60 2 50 1 2 1 9 9 32 4 4 3 42 9 中国 2 0 0 22 7 20 9 7 u l e v * ：超低排放车辆 表1 2 欧i 型式认证排放限值( 单位：g k m ) t a b l e l 2e u r o p eit y p ea p p r o v a le m i s s i o nl i m i t s ( u n i t ：g k m ) 车辆类别基准质量( r m ) ( k g ) c oh c + n o x p m 第一类车全部 2 7 20 9 70 1 4 1 级r m 1 2 5 0 2 7 20 1 40 1 4 第二类车2 级1 2 5 0 r m 1 7 0 05 1 7 0 1 90 1 9 3 级1 7 0 0 r m 6 9 0o 2 50 2 5 表1 3 欧i i 型式认证和生产一致性排放限值( 单位：g k m ) t a b l e l 3e u r o p ei it y p ec e r t i f i c a t i o na n dp r o d u c t i o n c o n s i s t e n c yo fe m i s s i o nl i m i t s ( u n i t ：g k m ) c o h c + n o x p m 车辆基准质量 直喷非直喷直喷 汽油柴油汽油非直喷 类别( r m ) ( k g ) 柴油柴油柴油 机机机 柴油机 机机机 第一类车全部 2 21 00 50 7o 90 0 80 1 0 1 级r m 1 2 5 0 2 21 0o 70 70 9 0 0 8 0 1 0 第二 2 级1 2 5 0 r m 1 7 0 0 4 01 2 51 01 01 3o 1 2o 1 4 类车 3 级1 7 0 0 r m5 01 5 1 21 21 60 1 70 2 0 表1 4 欧i ii 型式认证和生产一致性排放限值( 单位： t a b l e l 4e u r o p ei i it y p ec e r t i f i c a t i o na n dp r o d u c t i o n g k m ) ( u n i t ：g k m ) 第一章绪论 5 c o n s i s t e n c yo fe m i s s i o nl i m i t s ( u n i t ：g k i n ) c oh cn o xh c + n o x p m 车辆基准质量 柴油汽油柴油柴油汽油 柴油 类别 ( r m ) ( k g ) 柴油机 机机机机机 机 第一类车全部 2 30 6 40 20 1 5o 5 00 5 6o 0 5 l 级 r m 1 2 5 02 30 6 40 20 1 5o 5 00 5 60 0 5 第二 2 级1 2 5 0 r m 1 7 0 0 4 1 70 8 00 2 50 1 8o 6 50 7 20 0 7 类车 3 级1 7 0 0 r m5 2 2o 9 50 2 90 2 1o 7 80 8 60 1 0 表1 5 欧i v 型式认证和生产一致性排放限值( 单位：g k m ) t a b l e l 5e u r o p ei vt y p ec e r t i f i c a t i o na n dp r o d u c t i o n c o n s i s t e n c yo fe m i s s i o nl i m i t s ( u n i t ：g k m ) c oh cn o xh c + n o x p m 车辆基准质量 汽油柴油汽油汽油柴油柴油 类别( r m ) ( k g )柴油机 机机机机机机 第一类车全部1 o o0 0 50 1 00 0 80 2 5o 3 00 0 2 5 1 级r m 1 2 5 01 0 00 0 5o 1 00 0 8o 2 50 3 00 0 2 5 第二 2 级 1 2 5 0 c 。，反应符合一级动力学，则： 芒c g o n 网k i ， 当米氏常数k s c 。，反应符合零级动力学，当反应为生化过程控制时： 竖：1 一h j l 式( 2 2 ) c g oc g o u g 当反应为扩散过程控制时： r 。g c r 。g o( 栽 _ 2 式( 2 3 ) 以上三式中： a ： 为比表面积( m 2 m 3 ) ； c 。：为土壤净化系统内有机污染物液相浓度( g m 3 ) ； c 聆：为出气口空气有机污染浓度( g m 3 ) ； c 。：为进气口苯浓度( g m 3 ) ； d e - 为有效扩散系数( m 2 s ) ； 芝嚣鬻1 5 h ) ，k l k = 业业， k 。：为表观一级动力学常数() ，= 二羔二_ l 二二， 1 f 其中。为t h i e l e 数，已为生物膜厚( m ) ； k o ：为零级动力学常数( 1 h ) ； m ，：为有机污染物的分配系数，无量纲； u 。：为表面负荷( m 3 m 2 h ) 。 亨利定律是英国的w 亨利于1 8 0 3 年在实验皋础上发现的经验舰律，可表述为： 在一定温度下，稀薄溶液中溶质的蒸气分压与溶液浓度成正比。 1 2 第二章土壤净化技术的工作机理 2 2n o 。的去除机理 污染空气由引风机经污染空气混合室进入土壤层，其间注入臭氧( 0 。) 使一氧 化氮( n o ) 氧化成二氧化氮( n o 。) ： n o + o 。f = 圳0 2式( 2 4 ) 然后，通过土壤，经土壤颗粒表面的吸附作用、土壤水溶解作用、土壤微生物代 谢吸附和分解作用而得到净化。 n 0 。随引风进入土壤中，由于土壤颗粒表面的吸附和土壤水的溶解作用而被捕 捉，经化学反应迅速变成硝酸离子( n o - 3 ) ，n 0 一。又被土壤中的循环氮所捕集，成为 微生物和植物易于吸收的以及适于脱氮土壤条件下的氮气( n 。) ，因而无污染。这 种以微生物为主的物质变换过程，同时也是土壤自身净化和再生过程。 n o x 的去除机理如图2 2 n 7 | ： f i 9 2 2n o xr e m o v a lm e c h a n i s m 由图2 2 可以看出：含有n 0 。( 包括n o 、n o ：) 的污染空气通入配比好的土壤机质填 第二章土壤净化技术的工作机理 1 3 料中，一部分被填料直接吸附，一部分与土壤中的微生物发生作用生成n o 一：、n o - 3 离子，这两种离子经填料中的一般微生物、硝酸菌相互转化。n o 一。离子一部分被氧 化为n o ，再次被氧化为n ：0 ，最后以大气中n 的形式排入空气中，一部分经一般微生 物、亚硝酸盐作用和n h 4 相互转化，n h 。转化为有机态的n ；n 0 一。离子一部分直接溢入 空气中，一部分转化为有机念的n ，有机态的n 经氮素固定菌作用转化为大气中的n 排入空气中。 2 3c 0 的去除机理 一氧化碳( c 0 ) 是烃类燃料燃烧不完全的中间产物。当发动机的过量空气系 数小于1 时( 浓混合气) ，混合气中氧气不足，燃料不完全燃烧产生c o 。混合气浓度 越大，排气中的c 0 含量就越高。降低混合气浓度时，排气中c o 就明显降低。当混 合气浓度符合理论空燃比或稍稀一些时，由于混合气不均匀和发生离解反应等原 因，排气中c 0 的浓度不为零，而总有一些c o 存在。 当污染空气进入土壤机质填料时，c o 被填料中的微生物氧化，以c 0 ：的形式排 入空气中，如公式2 6 ： 2 4 颗粒物的去除机理 污染空气中的颗粒物主要是被填料直接吸附而沉积下来，从而达到净化的目 的。 2 5 本章小结 本章分别介绍了土壤净化系统去除一氧化碳( c 0 ) 、氮氧化合物( n o ；) 、碳氢化 合物( h c ) 和颗粒物的机理过程，也是下文的铺垫。 第三章土壤净化系统 3 1 调查研究 第三章土壤净化系统 设计一个土壤挣化系统，首先应考虑气体的组成及其性质，这对处理混合气 体尤其重要。微生物对不同物质的代谢能力不一样，因此混合气中若混有难降解 物质则必然导致污染物的总去除率的下降，没有完全达到治理的目的。例如：在 修复被石油污染的土壤时，从土壤中置换出的废气中，芳香烃要比低碳链烃容易 降解得多n 町。所以开始本课题前，我们根据文献资料，对重庆市八一隧道、大学 城隧道和真武山隧道进行了调查研究，调查结果如表3 卜3 4 和图3 卜3 3 ： 表3 1 八一隧道采样数据 t a b l e 31s s m p l i n gd a t a so fb a y it u n n e l 时间 n o ( r a g m * )m ( m g m * ) n o z ( m g m 3 ) 2 ：3 00 4 1 0 5 30 】2 24 8 1 1 ：3 016 9 1 4 ：3 01 3 72 0 907 1 1 7 ：3 01 3 7 20 90 7 1 l _ 7 8 05 7 2 3 ：3 00 5 10 6 1 01 0 m8 ： 01i 1 d ：m 3 0 呆佯时问 图31 八一隧道采样图( 单位：m 曲由 f i 9 3 1s a m p l i n gf i g u r eo fb a y it u n n e l ( u n i t ：略柑) 第三章十壤净化系统 表32 大学城隧道采样数据 t a b l e 3 2s a m p l i n gd a t a so fu n i v e r s i t yc i t yt u n n e l 时间 n o ( m g m 。)( m f )n 幔( m g 向3 ) c 0 ( m 一) 1 0 9 8 ：3 003 5o6 502 93 9 0 1 1 ：3 0o 2 902 462 7 03 826 9 1 7 3 004 91 0 4o5 5 2 0 ：3 00 3 304 8o1 589 4 28 9 图32 大学城隧道采样图( 单位：m s d ) f i 9 32s 鲫p i i n gf i g u r eo fu n i v e r s i t yc i t yt u n n e l ( u n il ：m g d ) 表33 真武山隧道采样数据 t a b le 33s a m p l i n gd a t a so fz h c n w uh i 儿t u n n e l 时间n 0 ( m g m 3 ) n o ，( m g 一) n 0 。( m g m 3 ) 03 704 801 0 8 ：3 009 2 l l ：3 012 3 l7 203 4 2 03 002 9 2 3 ：3 002 201 9 第三章土壤净化系统 2 ：1 1 d 1 0 ：3 口 样时闻 一 图3 面匠谪函雨面1 葡b f i g a3s o “p l i r gf i g u r eo fz h e n w uh i l lt u n n e l ( u n i t ： 表34 污染空气中n o i 、n o 、 呱的比倒表( 单位：他) t a b l e 34n o 、n 0 、n 也r a t i ot a b l ei na i rp o l l u t i o n ( u n i t ：m 曲 、名称 采样嘉沁 m n o 八一隧道 5 0 06 43 6 真武山隧道 1 0 07 9 大学城隧道 1 0 06 0 从表3 1 - 3 4 、图3 1 - 3 3 可以看出，八一隧道的空气污染最严重，真武山隧道次 之，大学城隧道由于刚通不久，污染最轻，因此，八一隧道是最理想的。但是由 于本课题是基于重庆交通科研设计院的自主创新项目“公路隧道高浓度污染空气 土壤净化技术的研究”这个课题为背景，成本要求我们尽量低，所以我们选定在 真武山隧道为我们的外部试验地，如图3 4 ： 阑 图3 4 真武山隧道实验地 f i 9 3 4z h e n w uh i l lt u n n e le x p e r i m e n ts i t e 圈 | 干一 第三章十壤挣化系统 3 2 土壤净化系统试验装置 3 21 土壤净化系统构成 土壤净化系统由p c 管、风机、空气混合室、土壤柱、变频器、仪器、电脑构 成( 如图3 5 ) 。 图35 土壤净化系统构成 f i 9 3 5s o l lp u r i f i c a t i o ns y s t e mc o n s t i t u t e p c 管和风机的安装 为了防止送气过程中对污染空气的吸附和反应，我们选用直径6 3 c m 的p c 管 为我们的污染空气运输管道，仲入隧道2 0 m 的位置，为了保证污染空气的均匀性， 我们安装p c 管距离地面于2 m 的高度。 土壤狰化系统装置的进气方式采用风机压入，风机的选择要根据填料的总压 降来定，j ) 吨机的出气压力要大于填料的总压降。为了更接近运用，根据真武山隧 道和我们的实际情况，以及国内外的资料，我们选用了功率足够大的风机，此风 机转速为1 5 0 0 转，为便于控制，选用丁调频器，可以根据具体的情况随时改变风 机的转速，风机安装在距离隧道洞口1 5 m 左右，上面安放一个防雨棚，如罔3 6 ： 飘 第三章土壤净化系统 围3e 风机的安装 f i 9 36b l o w e ri n s t a l l a t i o n 空气混合室的构建 空气混合室长为2 ，宽为1 5 m ，且密闭，上面为有机玻璃覆盖，p c 管直接进 入混合室，如图3 7 ： 圈37 污染空气混合室 f i 9 3 7p o l l u t e da i rm i x i n gc h a m b e r 空气混合室有i 个进气口，7 个出气口，其中6 个直接接土壤柱，1 个接入仪器。 空气混合室的作用是： 1 ) 保证各出气口污染空气的均匀性。 2 ) 可以在适当的时候加入一定的 3 ) 可以加入适量的水，以保证污染空气的水分含量。 土壤柱的安装 1 ) 土壤柱的规格 土壤柱我们采用有机玻璃管，尺寸大小如图3 8 ： 材质：透明有机玻璃圆管 罄 第三章土壤挣化系统 1 9 r 黧l l 笋l ，! 1 i 彬4 第三章土壤净化系统 每个土壤柱下层是1 0 c 【l 粒经为l o m m - 3 0 m 的沸石，中间加入3 0 c m 的土壤机质配比， 再加入一层粒经为l o m m - 3 0 m 的沸石，最后加入3 0 c m 的土壤机质配比。 仪器的安装 监测仪器( 如图3 1 0 ) 全采用法国进口的，每个月有专门的维护人员进行维 护、检测。 广f 焉宁r 1 型渲 图3 1 0 仪器安装 f i 9 31 0e q u i p m e n ti n s t a l l a t l o n 3 2 2 土壤净化系统的性能参数 空床接触时间 气体在填料内的滞留时间是指气体和填料介质接触的时问，等于填料空隙的 体积除以气体流量。由于滞留时间直接测定很难，所以在设计时通常用空床接触 时间( e b c t ) 来进行相应计算，对于太流量、低浓度的挥发性空气污染物，e b c t 可 根据污染空气气源来取经验值，一般取3 ，5 或1 0 分钟，它等于填料容器的体积 除以气体流量( v q ) ，因此知道进气流量和e b c t 可以计算填料的体积。污染空气浓 度高则要空床接触时间取较高的值，而增加e b c t 则意味着产生好的去除效率、高 压降、大的填料量和丈的填料容器面积。 表面负荷 单位面积气体流量( m 3 一一) 称作填料容器的表面负荷，它表示填料容器 单位面积的废气体积负荷。填料容器表面负荷的范围一般在5 02 0 0 m m 吨h - 1 之间。 空床接触时间和表面负荷是填料容器设计时要首先考虑的重要参数。 体积负荷和体积去除负荷 体积负荷表示在单位时间内单位体积填料需要净化的污染物的质量，数学表 达式为q c v ，其中c 指废气中污染物的浓度，填料容器的体积负荷的范围一般在 1 0 1 6 0 9 m h - 之间。工作状态下填料容器的表面负荷或体积负荷都不能超出设 计时的额定负荷，否则污染物不能被完全击除。体积去除负荷表示单位时间内单 第三章土壤净化系统 2 1 位体积填料去除的污染物的总量，数学表达式为：里专肇q 。 去除率 去除率表示污染物的去除程度，计算公式为：旦1 0 0 ，其中c ；指进气 c 污染物浓度，c 。指处理后出气污染物的浓度。填料容器的工作性能最终要靠去除率 来衡量。 为了使反应器较好的运行，各控制参数都应有一较佳值，s w a n s o n 矛n l o e h r 乜以 总结了如表3 5 所示的典型值。 表3 5 填料容器控制参数 t a b l e 3 5c o n t r o lp a r a m e t e r so f t h ef i l lc o n t a i n e r 参数名称 单位 表达式典型值 空床停留时间 s v o 1 5 - 6 0 表面负荷 m 3 m h 一1 q a 5 0 2 0 0 体积负荷 g m h 一1 q c ；v 1 0 - 1 6 0 体积去除负荷 g m h - 1 ( c ；一c 。) q v1 0 1 6 0 去除率 ( c ；一c 。) c i 1 0 0 9 5 3 2 3 影响土壤净化系统的实验条件 土壤净化法主要是依靠微生物的作用来去除气体中的污染物，微生物的活性 决定了系统的性能，因此影响微生物生长的因素都会影响系统的性能。这些条件 因素包括：填料的选择、填料内的温度、填料的p h 值、补充给微生物的营养物质、 填料的湿度、填料内的氧气含量和需要处理的污染物浓度等瞳2 | 。这些因素也是土 壤净化系统设计和运行过程中需要考虑的参数。 填料的选择 理想的填料应具有以下性质乜5 i ： 1 ) 最佳的微生物生长环境：营养物、氧气、湿度、p h 和碳源的供应。 2 ) 较大的比表面积：接触面积、吸附容量大，单位体积的反应点更多。 3 ) 一定的结构强度：防止填料被压实，压降升高、气体停留时间缩短，从而 降低去除率。 4 ) 高水分持留能力：水分是维持微生物活性的关键因素。 5 ) 高孔隙率：使气体有较长的停留时间，降低压降并提供足够的氧气。 6 ) 较低的体密度：减小填料被压实的可能性，降低压降。 2 2 第三章土壤净化系统 填料的筛选是确保土壤净化系统正常运行的一个重要步骤。e i n t e r n 们发展了 一组用来评价给定填料可行性的参数：新鲜的填料，p h 为7 8 ，孔隙率大于8 0 ， 6 0 的填料直径大于4 m m ，用燃烧重量损失法测定的有机物质含量大于5 5 。 常用的土壤净化系统填料有泥炭、高肥力的土壤、堆肥和黑土等，这些填料 能提供比较好的持水性、充足的养分和丰富的微生物种群。可加入木屑、稻草等 作为碳源并同时提高间隙率。由于填料中含有的物质会逐渐被微生物降解，使填 料压实，一定的时间过后就需要更换。将填料和惰性的填充剂如珍珠岩、陶粒等 混合不仅可提高土壤净化系统填料的使用寿命，还可降低压降，提高空隙度和气 体接触的有效面积。 填料含水率 填料的湿度是保持生物过滤器最佳性能的最重要的操作参数。微生物的活动 是以水为介质，如果填料的湿度太低，则会使微生物失活，并且填料会干燥丌裂， 产生气体短路，从而降低土壤净化系统的净化性能；但是湿度太高，不仅会使气 体通过滤床的压降增高，而且由于氧气不能进入，形成局部厌氧区域，使得降解 速率降低。对于堆肥床，水分应保持在3 0 一6 0 ，对憎水性的待处理气体，水分应 保持在4 0 左右，对亲水性的气体水分应保持在6 0 或更多瞳引。 影响填料含水率变化的因素主要有：湿度未饱和的进气、氧化、填料与周围 环境进行的热交换等。对于非封闭的土壤净化系统，由于天气原因，底部要安装 排水系统，水分的添加可用定时系统加喷头或湿度探头加喷头或人工定时喷水来 解决。 填料压降 填料层压降大小会自接影响土壤净化系统的运行能耗。气体在填料内所受到 的压降阻力随气体流量的加大和填料固体颗粒大小的减小而增加。特别是随着土 壤净化系统运行时间的推移，填料逐渐被压实，压降增加非常明显。压降的增加 意味着土壤净化系统运行成本的增加和去除率的降低，因此在土壤净化系统的运 行中一定要注意对填料内压降的检测。特别是对以堆肥为填料的土壤净化系统， 要间断地对填料进行搅拌。 填料颗粒表面积 作为土壤净化系统的填料，要求有比较大的表面积，以提供微生物生长和繁 殖的场所和提高生物膜的