沼气生物脱硫工艺及菌种鉴定

邢 君 董晓莹 刘 硕

（辽宁省能源研究所，辽宁 营口 115003）

一般而言，沼气中H2S含量在0.1%～2%之间[1]。生物脱硫是替代化学脱硫的一种新技术，它能够在很多方面克服化学脱硫的不足[2]。生物脱硫作为一种新技术日益得到广泛的研究应用，尤其化能型生物脱硫技术是近年研究的重点，实验室研究和实际工程应用都取得了较大进展[3]，邵立明等[4]设计了一套实验室规模的生物滴滤池系统，利用海藻酸钠包理固定化微生物颗粒填充床去除气相H2S的过程，活性微生物为经S2-加富驯化的污水厂污泥，填充滴滤塔运行实验表明，适宜的pH值和喷淋率分别为1.8-4.0和＞0.17m3/(m3·d)。由于沼气成分存在波动，供气量和氧含量较难控制，为了保证运行安全，一般单独设置曝气装置，虽然提高了脱硫效率，但增加了成本和安全隐患。试验考察了在缺氧条件下(DO＜0.5mg/L)，通过对改进型生物滴滤塔中微生物处理H2S过程的相关运行条件及影响因素的研究，以期优化沼气中的H2S微生物处理工艺运行参数，为实际工程中生物脱硫技术应用进一步奠定基础。

1 试验部分

1.1 试验装置

试验装置流程见图1，

图1 生物滴滤塔实验装置

1.2 分析方法

H2S浓度：硫化氢气体检测管；S2-浓度：电位滴定法；pH值：pHs-25型pH计；气体流量：玻璃转子流量计LZB-4；液体流量：玻璃转子流量计 LZB-10；：铬酸钡光度法，DO：碘量法。

1.3 菌种的筛选培养与挂膜

将污泥上清液接种于液体培养基进行增殖培养，菌斑生成后，挑入新鲜培养液继续纯化，液固交替分离几次，最后将纯化菌种斜面划线培养并保存，以备分子鉴定和反应器使用。将纯化的功能微生物扩大培养后投入到反应器滤料中浸泡接种，运行反应器直到滤料孔隙上生物膜形成后，启动试验。

1.4 菌株的形态特征观察及生理生化特性测定

用革兰染色法对菌落进行染色后使用显微镜对菌体形态和特征进行观察。

1.5 温度、pH和H2S进口浓度对菌株脱硫的影响

分别考察当 H2S 进口浓度为 1500～3500 mg·m-3，温度为 10、20、35、40、50 ℃，pH 为 2、3、4、5、6、7 条件下的生物脱硫效果。

1.6 16S rDNA序列鉴定

16S rRNA 扩增引物：5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′和 5′-GGTTACCTTGTTACG ACTT-3′。

2 结果与讨论

2.1 最适循环液pH值

图2 不同pH时，H2S的去除效果

由图2可知，pH 6.5时，H2S可完全去除，随着反应的进行，滴滤塔循环液pH逐渐降低，这可能是因为微生物消化H2S产生的硫酸盐与水生成了H2SO4，以及H2S微溶于水生成的HS-造成溶液环境pH的下降，H2S的去除率随着pH的降低而下降，然而当pH下降到3时，H2S去除率上升。pH 2时，H2S去除率达到98%。在pH 4时，H2S去除率处于最低点，原因可能是因为此处属于嗜中性和嗜酸性细菌最适pH范围外，两类细菌均不处于最佳活性，所以造成H2S去除率有所降低。

2.2 最适水浴温度

图3 不同水浴温度时，H2S的去除效果

由图 3中可知滴滤塔中的微生物在 35℃下对 H2S的去除率最高，原因是此温度下微生物体内酶活性最高，单位酶所需的底物量H2S最多，故对H2S去除效果最好。10℃时微生物的酶活性由于温度较低未完全活化，故对 H2S的吸收摄取率较低，而在 40℃和50℃时已经超过了滴滤塔中微生物的最适酶活性，造成一部分酶活性下降或失活，也就降低了对H2S的去除率。

2.3 循环液喷淋量对H2S去除率的影响

图4 不同液体循环喷淋量时，H2S的去除效果

由图4可知，当H2S气体入口浓度C2=2500 mg/m3，C3=3500 mg/m3时，H2S达到完全去除时的液体循环喷淋量分别为40L/h和50L/h。由此可见，随着气体入口浓度的增加，所需循环液的流量也在增加。但液体循环量也不能过大，因为水流过大会冲击滤料表面，造成菌体的流失，需要的能耗和费用也随之加大，并且过多的液体也会减少H2S和微生物的有效接触，单位体积液体所覆盖的 H2S含量降低，减少了微生物对H2S的有效利用，也就造成了微生物对H2S去除率的下降 。

2.4 气体流量对H2S去除率的影响

图5 不同气体流量时，H2S的去除效果

使液体循环喷淋量稳定在 40L/h，调整气体流量在 35 L/h～85L/h，由图 5可知，当 H2S入口浓度为C1=1000 mg/m3，气体流量在35L/h～55L/h时，微生物对H2S的去除率可以保持在100%，当气体流量调整为55L/h以上时，H2S去除率有所降低。虽然气体流量加大有利于气相进入液相的传质过程，但是随着气体流量的逐步加大，每立方米体积的微生物所承受的H2S负荷量也随之增大，当超过微生物所能承受的负荷时，就导致了去除率的降低。当H2S入口浓度C2=2000 mg/m3、C3=3000 mg/m3时，所对应的最适气体流量分别为 45L/h和35L/h。

2.5 菌株 CTD843-T-3的分子发育树构建

分离筛选到1株革兰阴性菌，暂命名为CTD843-T-3，采用16S rRNA构建分子发育树，对其菌属进行分析。通过对构建的16S rDNA发育树 （图5）分析，发现CTD843-T-3与假单胞菌属（Pseudomonas sp.）同源性为99%，可初步认为分离的菌株归于假单胞菌属。

图6 根据16S rDNA序列构建的系统发育树

3 结论

（1）当循环液 pH在 2.0～7.0之间时，H2S都有较高的去除率，考虑到溶液在强酸条件下会对仪器设备产生腐蚀作用，造成一定损失，溶液最适 pH为 4～6.5。

（2）滴滤塔中环境温度为 30℃时，微生物处于最佳活性状态，H2S的去除率最高。

（3）当 H2S 气体入口浓度 C1=1500 mg/m3、C2=2500 mg/m3、C3=3500 mg/m3时，所对应的H2S达到完全去除时所需液体循环喷淋量分别为20 L/h、40 L/h、50 L/h，所需气体流量分别为 35～55L/h、45L/h、55L/h，最高负荷率为 7.1 g/（m3·h）。

（4）从污水处理活性污泥中分离到1株革兰阴性细菌CTD843-T-3，通过16S rDNA序列分子发育树构建分析得出其属于假单胞菌属。

［1］池勇志，李亚新.硫化物的危害与治理进展[J].天津城市建设学院学报，2001，7(2)：105-108.

［2］王钢，王欣，刘伟，等.沼气脱硫技术研究[J].化学工程师，2008，148(1)：32-33.

［3］DavidA.Kost，JerryM，Bigham.Chemical and Physical Properties of Dry Flue Gas Desulfurization Products[J].Environ.Qual，2005，34(2)：676-686.

［4］李坚，张书景，金毓，等.污水处理厂消化沼气脱硫(H2S)实验[J].环境工程，2006，24（1）：43-45.