环境修复原理与技术课件第9章-大气污染的环境修复技术-环境修复原理与技术课件

1、主讲人：刘丽艳哈尔滨工业大学环境修复原理与技术第九章 大气污染的环境修复技术1第九章 主要内容一、大气污染概述 二、大气污染的植物修复技术三、大气污染的微生物修复技术四、大气污染的非生物修复技术2污染类型自然污染源人为污染源一、大气污染概述-污染类型我市冬季傍晚严重大气污染分析及对策工业污染生活污染交通污染3大气污染概述-污染类型煤烟型大气污染以煤烟尘和二氧化硫为主的大气污染。1952年英国伦敦烟雾事件。石油型大气污染主要来自汽车排放、石油冶炼及石油化工厂的排放，包括二氧化氮、烯烃、链烷、醇、羰基等等。NO2和碳氢化合物在太阳光紫外线作用下生成有刺激性的光化学烟雾。20世纪50年代在美国洛杉矶

2、发生的光化学烟雾事件是石油型大气污染的代表。混合型大气污染氨、氯、氟化物、硫化氢、铅、汞、锰、镉、镍、砷、酚、有机磷、有机氯、碳氢化合物、放射性物质、生物性物质等。室内空气污染已发现室内空气污染物300余种，如甲醛、氡、NO、烟、石棉等对人体健康有严重危害。4污染物悬浮颗粒物氮氧化物SO2碳氧化物沙尘暴酸雨温室效应大气污染概述-污染类型5PM2.5一、大气污染概述-污染类型空气污染指数(Air Pollution Index，简称API)是一种反映和评价空气质量的方法，就是将常规监测的几种空气污染物的浓度简化成为单一的概念性数值形式、并分级表征空气质量状况与空气污染的程度，其结果简明直观，使用

3、方便，适用于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。空气污染指数（API）空气质量状况对健康的影响对应空气质量的适用范围0-50优可正常活动自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的地区51-100良可正常活动城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工区和农村地区100-200轻度污染易感人群症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状特定工业区200-300中度污染心脏病和肺病患者症状显著加剧，运动耐受力降低，健康人群中普遍出现症状300重度污染健康人运动耐受力降低，有明显强烈症状，提前出现某些疾病67大气污染的植物修复技术植物吸附与吸收修复植物降解修复植物转化修复植物同化和超同化修复

4、植物修复的室外应用植物修复的室内应用植物修复的优缺点比较大气污染的植物修复技术8大气污染的植物修复技术（1）植物吸附与吸收植物吸附与吸收叶面积/叶片形态/着生角度叶面粗糙程度能分泌黏性油脂或浆汁代表树种：核桃、毛白杨、臭椿等。防 尘绿色植物的滞尘作用可以减小其传播范围植物的分泌物有杀菌作用代表树种：如桉树、松树、樟树等。减小病原体传播范围并有杀菌作用对颗粒物中的重金属也有较好的吸收和吸附作用代表树种：国槐吸收或吸附重金属吸收空气中的气态污染物气孔或角质吸收多种化学物质由植物维管系统进行运输和分布，包括SO2、Cl2、HF和臭氧。9大气污染的植物修复技术（1）植物吸附与吸收树种滞尘量树种滞尘量树

5、种滞尘量树种滞尘量刺楸14.53大叶黄杨6.63桑树5.28樱花2.75榆树12.27刺槐6.37丝棉木4.77腊梅2.42朴树9.37楝子5.89紫薇4.42加拿大白杨2.06木槿8.13臭椿5.88悬铃木3.73黄金树2.05广玉兰7.1枸树5.87泡桐3.53桂花2.02重阳木6.81三角枫5.52五角枫3.45栀子1.47女贞6.63夹竹桃5.39乌柏3.39树种时间树种时间树种时间树种时间黑胡桃0.080.25桧柏属5薛荔5柳杉8柠檬桉1.5橙5夏叶槭6稠李10悬铃木3柠檬5柏木7枳壳10紫薇5茉莉5白皮松8雪松10表2 杀菌能力强的树种和杀死原生动物所需时间（min）表1 各种树木

6、叶片的滞尘量（g/m2)10表3 各种树木的污染物吸收11大气污染的植物修复技术（1）植物吸附与吸收12大气污染的植物修复技术（1）植物吸附与吸收13对SO2的吸收SO2 浓度达到0.570.86mg/m3，并持续一定时间，有些敏感植物可能受到危害。达2.86mg/m3时有些树木出现受害症状。达到5.7228.60mg/m3时，一般树木均发生急性受害。大气污染的植物修复技术（1）植物吸附与吸收14抗性较强的树种侧柏、白皮松、云杉、香柏、榆树等近80种树木。每公顷柳杉林每年吸收720kg的SO2 。抗性中等的植物主要有20余种，如华山松、北京杨、合作杨、美杨、枫杨、桑等。抗性弱的植物合欢、黄金树

7、、五角枫等。大气污染的植物修复技术（1）植物吸附与吸收15侧柏白皮松香柏大气污染的植物修复技术（1）植物吸附与吸收16大气污染的植物修复技术（1）植物吸附与吸收存在问题目前对植物从空气中吸收重金属机理的了解多来自于植物从土壤或水中吸收重金属的研究结果，而对于植物如何从空气中吸收重金属的机理性认识还很有限。如何防止植物体内的重金属和其他有毒有害污染物进入食物链是一个需要关注的问题。17大气污染的植物修复技术（2）植物降解修复技术原理植物降解修复主要针对大气中有机污染物，利用植物含有一系列代谢异生素的专性同功酶及相应的基因来完成对有机污染物的分解。参与植物代谢异生素的酶主要包括细胞色素P450、过

8、氧化物酶、加氧酶、羧酸酯酶等。能直接降解有机物的酶类主要有脱卤酶、硝基还原酶、过氧化物酶、漆酶、腈水解酶。植物还可以通过分泌酶类来降解有机物。不同诱导条件下植物分泌产物的组成不同。玉米根的分泌物能够促进芘的矿化作用。18大气污染的植物修复技术（2）植物降解修复存在问题主要集中在植物转基因工程方面：如何使转基因植物持续高效地表达外源基因？生物安全问题？避免污染物通过食用被污染的植物而进入食物链？为了使植物吸收的污染物不在果实和种子中富集，如何让植物组织或器官特异性表达启动子能够使外源基因旨在特定组织或器官表达等技术问题？19植物转化修复是利用植物的生理过程将污染物由一种形态转化为另一种形态的过程

9、。可转化物质通过光合作用吸收大气中的CO2，释放出O2 。利用基因工程技术将反硝化作用功能基因移入植物体内，把NOx转化为N2 。利用植物体内的超氧化物歧化酶，过氧化物酶等将O3转化清除。说明通常植物不能将有机污染物彻底降解为CO2和H2O，而是经过一定的转化后隔离在植物细胞的液泡中，或与不溶性细胞结构如木质素相结合。植物转化是植物保护自身不受污染物影响的重要生理反应过程。存在问题如何防止植物增毒作用的发生。如何强化植物的解毒作用。大气污染的植物修复技术（3）植物转化修复20含义同化修复：大气有害物质中的硫、碳、氮等都是植物生命活动所需要的营养元素，植物通过气孔将二氧化碳、二氧化硫等吸入体内，

10、参与代谢，最终以有机物的形式储存在氨基酸和蛋白质中，或转化为亚硫酸盐或硫酸盐。超同化修复：超同化植物是指具有超吸收和代谢大气污染物能力的天然或转基因的植物。超同化植物（转基因植物）可将含有植物所需营养元素的大气污染物如氮氧化合物、硫氧化合物等，作为营养物质源高效吸收与同化，同时促进自身的生长。存在问题在超同化植物的培养中，易发生基因漂移，进而严重威胁其他作物的正常生长与生存，出现杂草化。转基因植物对生物多样性和生态环境有影响。转基因生物具有普通物种不具备的优良特征，若释放到环境会改变物种间的竞争关系，破坏原有生态平衡，导致生物多样性丧失。大气污染的植物修复技术（4）同化和超同化21大气污染的植

11、物修复技术（5）室外应用植物修复在室外空气污染中的应用氮氧化物(NxOy)是污染空气的一类主要化合物，NO2同O3在光照的条件下容易形成光化学烟雾；N2O是一种能引起温室效应的气体，它可以辐射传热, 破坏同温层的O3。某些植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用, 利用这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法。22SO2：紫花苜蓿、荞麦、金荞麦、芝麻、向日葵等；臭氧：烟草、矮牵牛 、光叶榉 、牵牛花等；乙烯：芝麻、香石竹、番茄等紫花苜蓿光叶榉污染大气的常见指示植物23大气污染的植物修复技术（5）室外应用关于室外修复的一些数据北京绿化树木地带对飘尘的减尘率为21-39%，南京的为

12、37-60%。面积为1.0104 m2的桧柏林一昼夜能分泌3060 kg的“杀菌素”。二氧化硫的吸收能力以阔叶树最强，为12.0 kg/hm2，柏类34.3 kg/hm2，衫类、松类9.8 kg/hm2。大气中约44%的PAHs被植物吸收从大气中除去。在佛山市陶瓷工业区东村，1 kg菩提榕干叶可吸收硫16.985 g。1 kg竹节树干叶可吸收氟5.289 g。一株50年树龄的树木，一年产生的氧价值3.2万美元，吸收有毒气体防止大气污染价值3.25万美元。24人类活动燃料燃烧及加热建筑材料及装饰材料室外来源家用电器植物修复室内空气污染室内空气污染指由于室内引入能释放有害物质的污染源或室内空气通风

13、不佳而导致室内空气中有害物质无论是从数量上还是种类上不断增加，并引起人的一系列不适症状的现象。大气污染的植物修复技术（6）室内应用25污染物类型主要污染物挥发性有机污染物（VOCs）甲醛、苯系物等无机污染物臭氧、氨、氮氧化物等可吸入颗粒物PM1.0、PM2.5生物性污染物空气或者微尘中的病毒、细菌等放射性污染物氡室内空气污染物大气污染的植物修复技术（6）室内应用26甲醛、苯氡 氨大理石、瓷砖、地基混凝土、防火板粘和剂、油漆、家具、杀虫剂室内空气污染物来源大气污染的植物修复技术（6）室内应用27适合于优化室内空气的植物？室内植物的数量?室内植物的种类？室内植物的摆放位置大气污染的植物修复技术（6

14、）室内应用28优 点绿色净化：清洁并储存可利用太阳能。经济有效：改进燃烧装置和技术,可提高燃烧效率。美化环境，普遍接受。适用植物修复的污染物范围较广。包括重金属、有毒化学气体，放射性物质、有机物等。缺 点耗时长。污染物可通过食用含污染物植物、昆虫和动物进入食物链。有毒污染物可能在植物体内转化为毒性更强的物质。植物修复能力受水力控制。冬季植物不能利用蒸腾作用来减慢或阻止污染物迁移的作用。大气污染的植物修复技术（7）优缺点比较2930大气污染的微生物修复技术大气污染的微生物修复技术无机废气煤的微生物脱硫技术原理：利用某些嗜酸耐热菌在生长过程中消化吸收Fe3+、S-等的作用，从而促进黄铁矿硫的氧化分

15、解与脱除。作用形式：直接作用细菌直接侵袭黄铁矿、白铁矿表面。间接作用直接作用生成的Fe3+ 可以作为强氧化剂作用于黄铁矿使Fe2+ 再生，然后在细菌的作用下将Fe2+ 氧化为Fe3+ ，另外生成的单质硫由细菌氧化为硫酸，这一系列循环式氧化还原反应称为间接作用。微生物脱氮技术原理：适宜的脱氮菌在有外加碳源的情况下，利用NOx作为氮源，将NOx还原为最基本无害的氮气，而脱氮菌本身获得生长繁殖。脱氮菌：无色杆菌属、产碱杆菌属、杆菌属、色杆菌属、棒杆菌属等。31大气污染的微生物修复技术有机废气有机废气微生物修复原理生物修复利用微生物以废气中的有机组分作为其生命活动的能源或其他养分，经代谢降解，转化为简

16、单的无机物（CO2、H2O等）及细胞组成物质。步骤1. 废气中的有机物同水接触并溶于水中；2. 溶于水中的有机物被微生物吸收，吸收剂被再生复原，循环利用；3. 被微生物细胞吸收的有机物，在微生物的代谢过程中被降解、转换成为微生物生长所需要的养分或CO2、H2O等。形式生物洗涤法：利用微生物、营养物和水组成的微生物吸收液处理废气，适合于吸收可溶性气态物。微生物处于悬浮态。生物过滤法：废气经过预处理，进入填充了有生物活性介质的生物过滤器中，微生物处于固着态。生物滴滤池：生物滴滤器是一种介于生物过滤器和生物洗涤器之间的处理方法。32生物洗涤法处理工业废气装置33生物洗涤塔工艺流程逸出的空气及降解转化

17、后的气相产物日本一铸造厂采用生物洗涤法处理含胺、酚和乙醇等污染物的气体，设备由两段吸收塔、生物反应器和辅助装置组成。修复方法第一段中，废气中的粉尘和碱性污染物被弱酸性吸收剂去除。第二段中，气体与微生物悬浮液接触，每个吸收器配一个生物反应器，用压缩空气向反应器供氧，当反应器效率下降时，则由营养物贮槽向反应器内添加特殊营养物。修复效果装置运行10多年，一直保持95左右的去除率。工程实例34生物过滤法修复废气装置35生物过滤法工艺流程用含有微生物的固体颗粒吸收废气中的污染物，微生物将其转化为无害物质。典型的形式有土壤、堆肥等材料构成的生物滤床。 土壤滤池堆肥滤池微生物过滤箱土壤滤池气体分配层下层由粗

18、石子、细石子或轻质骨料组成，上部由砂或细粒骨料，总厚度为450-500mm。生物过滤法修复废气装置36堆肥滤池（堆肥床）将堆肥如畜粪、城市垃圾、污水处理厂的污泥等有机废弃物经好氧发酵、热处理后，盖在废气发生源上使污染物分解而达到修复的目的。其构造是在地面挖浅坑或筑池，池底设排水管，在池的一侧或中央设输气总管，配气支管在填料中层形成气体分配层，过滤气囊通常在0.01-0.1m/s。堆肥床与土壤床区别孔隙：土壤床的孔隙较小，渗透性较差，占地面积较大。石灰预处理：土壤床对无机气体所形成的酸性有一定的中和能力，如果经石灰预处理，中和能力更强。堆肥床不能用石灰处理，否则会变成致密床层。反应时间：堆肥床微

19、生物较土壤多，接触时间只有土壤床的2550，约20s。维护：堆肥床使用一定时间后，有结块的趋势，需周期性地进行搅动。堆肥为疏水性需防止干燥，否则再润湿较困难。土壤则为亲水性。服务年限：土壤床处理挥发性有机废气使用时间几乎无限长，对有机废气的使用年限则取决于中和能力；堆肥一般1-5年更换一次。生物过滤法修复废气装置37生物滴滤池法修复废气装置38生物滴滤池和生物滤池的主要不同之处使用填料不同。滴滤池使用的填料如粗碎石、塑料蜂窝状填料、塑料波纹板填料等，不具吸附性，填料之间的空隙很大。回流水由生物滴滤池上部喷淋到填料层上，并沿填料上的生物膜滴流而下。通过水回流可以控制滴滤池水相的pH值，也可以在回

20、流水中加入K2HPO4和NH4NO3等物质，为微生物提供N、P等营养元素浓度。由于生物滴滤池中部存在一个连续流动的水相，因此整个传质过程涉及气、液、固三相。但从整体上讲，仍然是一个传质与生化反应的串联过程。如果设计合理，生物膜反应器具有微生物浓度高、净化反应速度快、停留时间短等特点，可以使反应装置小型化，降低投资设备投资。3940大气污染的非生物修复技术非生物修复方法除尘旋风除尘湿式除尘电除尘气态污染物吸收法吸附法电子束脱硫技术41非生物修复方法旋风除尘旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的，用来分离粒径大于510m以上的的颗粒物。工业上已有100多年的历史。气流从宏观上看可

21、归结为三个运动：外涡旋、内涡旋、上涡旋423、非生物修复方法湿式除尘湿式除尘是利用洗涤液来捕集粉尘，利用粉尘与液滴的碰撞及其它作用来使气体净化的方法。湿式除尘机理涉及各种机理中的一种或几种。主要是惯性碰撞、扩散效应、粘附、扩散漂移和热漂移、凝聚等作用。433、非生物修复方法电除尘四个步骤：气体电离；粉尘荷电；粉尘沉集;清灰。44电除尘装置有许多不同的型式，最基本的组成部分都是一对电极（高电位的放电电极和接地的收尘电极）。两电极间加一电压。一对电极的电位差必须大得使电极周围产生电晕（常加直流电），高电压使含尘气体通过这对电极之间时，形成气体离子（正离子、负离子），负离子迅速向集尘极运动，并且由于

22、同粒子相撞而把电荷转移给粉尘荷电，与粒子上的电荷互相作用的电场使它们向收尘电极漂移，并沉积在集尘电极上，形成灰尘层。当集尘电极表面粉尘沉集到一定厚度后，用机械振打等方法将沉集的粉尘层清除掉落入灰斗中。电除尘是利用强电场使气体发生电离，气体中的粉尘荷电在电场力的作用下，使气体中的悬浮粒子分离出来的装置。3、非生物修复方法-气态污染物的吸收吸收剂的选择方法对于物理吸收，可按照相似相溶规律选择吸收剂；对于化学吸收，选择容易与被吸收气体发生反应的物质作吸收剂；在水中溶解度较大的气体，可用水作吸收剂，价廉易得、流程、设备和操作都比较简单；但设备庞大、净化效率低、动力消耗大；吸收碱性气体常用各种酸液作为吸

23、收剂；对于酸性气体，则优先选用碱或碱性盐溶液吸收。453、非生物修复方法-气态污染物的吸收吸收流程逆流流程：气液分别由两端逆向流动进入吸收装置的流程称为逆流流程。逆流流程在实际应用中较多，如火电厂湿法烟气脱硫中大多数工艺都采用逆流吸收塔。并流流程：气液由同一端、按同一方向流动而进入吸收装置的流程称为并流流程。并流流程在实际应用中较少。错流流程：气体沿水平方向进入吸收装置，吸收液自上而下喷淋，在吸收装置中呈交叉状。463、非生物修复方法-气态污染物的吸收吸收设备的分类a.表面吸收器 凡能使气液两相在固定的接触面上进行吸收操作的设备均称为表面吸收器。如填料塔、湍球塔等。废气由塔底进入，吸收剂由塔顶

24、均匀地喷淋到填料层中并向下流动。废气与吸收剂在填料层中充分接触，吸收传质的平均推动力大，吸收效果好。b.鼓泡式吸收器 典型的鼓泡式吸收器是板式塔，塔内装有多孔塔板，板上装满吸收剂，呈连续相；气体由板下进入，在塔板上与液体形成鼓泡层，在此有害组分被吸收。常见的设备有鼓泡塔和各种板式塔。填料塔构造鼓泡吸收塔47c.喷洒式吸收器 用喷嘴将液体喷射成为许多细小的液滴，以增大气-液接触面，完成传质过程。比较典型的设备是空心喷洒吸收器（喷雾塔或称空塔）和文丘里吸收器。3、非生物修复方法-气态污染物的吸收空气喷洒吸收器48吸附用多孔固体吸附剂将气体混合物中的组分浓集于固体表面，而与其他组分分离的过程吸附质被

25、吸附物质吸附剂附着吸附质的物质优点：效率高、可回收、设备简单缺点：吸附容量小、设备体积大3、非生物修复方法-气态污染物的吸附493、非生物修复方法-气态污染物的吸附吸附机理503、非生物修复方法-气态污染物的吸附吸附过程 吸附 外扩散（气流主体 外表面） 内扩散（外表面 内表面）51物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附1.吸附力范德华力；2.不发生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；5.吸附可逆；1.吸附力化学键力；2.发生化学反应；3.过程慢；4.升高温度有助于提高速率；5.吸附不可逆；523、非生物修复方法-气态污染物的吸附物理吸附和化学吸附同一污染物可能在较低温度下发生物理吸

26、附若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附3、非生物修复方法-气态污染物的吸附操作条件低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附。增大气相压力利于吸附。53吸附剂需具备的特性内表面积大（孔隙率、孔径、粒度等）具有选择性吸附作用高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大来源广泛，造价低廉良好的再生性能3、非生物修复方法-气态污染物的吸附54常用吸附剂特性吸附剂类型活性炭活性氧化铝硅胶沸石分子筛4A5A13x堆积密度 /kgm-32006007501000800800800800热容/kJ(kgK)-10.8361.2540.8361.0450.920.7940.794操作温度上限/K423773

27、673873873873平均孔径/15251848224513再生温度 /K373413473523393423473573473573473573比表面积 /g-160016002103606003、非生物修复方法-气态污染物的吸附553、非生物修复方法-气态污染物的吸附分子筛特性563、非生物修复方法-气态污染物的吸附典型吸附质分子的横截面积57吸附平衡当吸附速度脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值极限吸附量受气体压力和温度的影响吸附等温线 NH3在活性炭上的吸附等温线583、非生物修复方法-气态污染物的吸附 吸附剂再生 溶剂萃取 活性炭吸附SO2，可用水脱附 置换再生 脱附剂需要再

28、脱附 降压或真空解吸 吸附作用 ，再生温度 加热再生593、非生物修复方法-气态污染物的吸附吸附剂再生(a)吸附(b)解吸603、非生物修复方法-气态污染物的吸附吸附工艺固定床移动床流化床613、非生物修复方法-气态污染物的吸附3、非生物修复方法-气态污染物的吸附电子束烟气脱硫脱氮技术是一项物理与化学紧密结合的高新技术，国外70年代初期就开始了探索研究。日本荏原制作所在1970年即开始研究电子束法脱除烟气中的SO2与NOx，1973年建成模拟气体和重油燃烧烟气的小试装置；随后研究证明了电子束照射法可同时脱硫和脱氮；经中试研究进一步掌握了实际设备所需的各项定量参数，长期运转中试设备的可靠性，并能适应严格的环保标准规定。对副产品的硫酸