两段式生物脱硫工艺对沼气中H2S去除效果的实验研究*

周贤友，徐　瑛，孙永明†，孔晓英，袁振宏，邢　涛，牛红志

（1.中国科学院广州能源研究所，中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；2.中国科学院大学，北京 100049）

两段式生物脱硫工艺对沼气中H2S去除效果的实验研究*

周贤友1，2，徐瑛1，孙永明1†，孔晓英1，袁振宏1，邢涛1，牛红志1，2

（1.中国科学院广州能源研究所，中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；2.中国科学院大学，北京 100049）

本研究采用两段式生物脱硫工艺，以异养脱硫菌Pseudomonas putida DS1（假单胞菌属）为菌株，研究了硫化物负荷、溶解氧（DO）、气液体积比、pH值等工艺参数对硫化物脱除效果的影响。实验结果表明：DO影响Pseudomonas putida DS1对硫化物的去除率，当硫化物负荷为40 g·m-3·h-1、DO为1.5 mg·L-1时，S2-去除率达90.6%以上；硫化物负荷与DO呈线性关系，随着硫化物负荷增加，DO逐渐增大；硫化物去除率随硫化物负荷的增加而降低，当硫化物负荷小于80 g·m-3·h-1时，硫化物去除率大于90%；当硫化物负荷大于80 g·m-3·h-1时，硫化物去除率低于90%；当沼气中H2S浓度为3 000±10 ppm、气液比为15∶1时，H2S去除率达93.6%；循环液pH值为8.0时，沼气中H2S的去除率达94.0%，Pseudomonas putida DS1对S2-去除率达96.9%，硫化物的转化产物主要为单质S0。

Pseudomonas putida DS1菌株；两段式；沼气；生物脱硫

0　引　言

生物质厌氧发酵产生的沼气具有清洁、高效、安全和可再生四大特征，其主要成分为CH4、CO2和少量H2S［1-3］。沼气在替代和补充天然气方面具有巨大潜力，逐渐成为我国新能源战略的拓展方向之一。沼气高值利用是推进产业化应用的重点，硫含量直接影响设备运行、产品品质和工程质量［4，5］。《车用压缩天然气》［6］明确规定H2S含量应低于15 mg·m-3。因此，脱硫技术是沼气高值化利用的关键。

当前，沼气脱硫技术主要有化学脱硫和生物脱硫两种。与传统化学脱硫工艺相比，生物脱硫技术具有不需催化剂、无二次污染、处理成本低、可回收单质S0等优点，但单极生物脱硫易引入氧气等杂质气体，存在安全隐患［7-11］。近年来，随着新的高效脱硫菌种不断被发现，脱硫工艺得到持续改进［12-14］。两段式沼气生物脱硫工艺成为新的研究热点，其结合了化学脱硫与生物脱硫的优点，主要包括溶液吸收和生物氧化两个技术环节。本实验室在研究沼气脱硫工艺过程中，筛选出一株高效异养脱硫菌Pseudomonas putida DS1菌株。本研究将该菌株应用于两段式生物脱硫过程，目的是探索溶解氧、硫化物负荷、气液体积比及pH值等工艺参数对硫化物脱除效果的影响及Pseudomonas putida DS1菌株的脱硫特性。

1　材料与方法

1.1实验材料

Pseudomonas putida DS1（假单胞菌属）菌株由中国科学院广州能源研究所生物质生化转化实验室筛选分离，保藏于本所能源微生物育种实验室，具体筛选方法及特性见参考文献［15］。H2S标准浓度气体（1 000～3 000 ppm）由粤佳气体公司提供，塑料阶梯环（外径为25 mm、高为13 mm、厚为1.2 mm）从广州市绿烨环保设备有限公司购买。

1.2实验装置

图1　实验装置示意图Fig.1　Schematic diagram of the experimental apparatus

本实验试制了两段式沼气生物脱硫装置，主要由洗涤塔和生物反应器两部分组成。洗涤塔由有机玻璃制成，其内径为90 mm、高为1 000 mm，有效体积6 L。填料为塑料阶梯环，堆填高为780 mm，所占总体积约4.5 L。生物反应器由不锈钢材料制成，反应器内径为250 mm、高为300 mm、总体积14.7 L，实验装置示意如图1。

1.3实验设计

（1）研究不同DO对Pseudomonas putida DS1菌株脱硫效果的影响。控制pH=8.0～8.5、温度为30±1℃，调节曝气量控制循环液的溶解氧（DO分别取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0 mg·L-1），研究不同DO对生物脱硫的影响。

（2）研究硫化物负荷对生物脱硫的影响。控制进气负荷在0～250 g·m-3·h-1（进气负荷依次取10、20、40、80、120、150、200 g·m-3·h-1），研究硫化物负荷对生物脱硫的影响。

（3）研究气液比对生物脱硫的影响。控制喷淋液温度为30±1℃、pH为7.5～8.0、H2S进气浓度为3 000±10 ppm，研究不同气液比时（2∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1）H2S气体的去除效果。

（4）研究循环液初始pH对生物脱硫的影响。控制H2S进气浓度为3 000±10 ppm，温度控制在30±1℃，选取最适气液体积比、最佳循环液DO，研究循环液初始pH（6.0、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、10.0）对生物脱硫的影响。

1.4实验分析方法

循环液pH、温度分别采用CHA8685在线pH计和温度计测定，溶解氧采用雷磁JPB-607便携式溶解氧测定仪测定，循环液流量采用杰恒智能型蠕动泵BT-100CA 253YX 控制，H2S进气量和洗涤塔进出口H2S气体浓度分别采用Flowmethod气体流量计和固定式H2S检测仪JSA 5-H2S测定，空气进气量采用成都气海调速真空泵VLK4506-24V 控制，循环液中硫化物及硫酸盐分别采用USEPA亚甲基兰法和SulfaVer 4法利用HACH®DR2700分光光度计测定。单质S0生成量［S0］ 和硫化物去除负荷NV分别采用式（a）和式（b）计算：

式中，［S2-］in和 ［S2-］out分别为循环液进出口S2-浓度（kg·m-3）；［SO42-］in和 ［SO42-］out分别为循环液进出口SO42-浓度（kg·m-3）；Q为气体体积流量（m3·h-1）；V为循环液体积（m3）。

2　结果与讨论

2.1DO对脱硫效果的影响

DO对Pseudomonas putida DS1菌株氧化硫化物的影响如图2所示。在硫化物负荷为40 g·m-3·h-1条件下，增加DO能提高S2-去除率，同时使SO42-生成率升高。当DO从0.5 mg·L-1升高至1.5 mg·L-1时，S2-去除率从37.9%迅速上升至90.6%，SO42-生成率缓慢增加，此时，S2-去除率与SO42-生成率的差值最大，S0的生成率达81.6%；继续升高DO，S2-去除率维持在94%左右；而SO42-生成率却快速升高，S0的生成率降低。当DO达到2.5 mg·L-1时，SO42-生成率约为23%。

图2　DO对硫化物转化率的影响Fig.2　Influence of DO on the conversion rate of sulfide

许吉现等［16］研究发现，当O2/S2-为0.83时，S0的生成率最高，为75%。本研究中，当O2/S2-为0.94时，S0的生成率最高，为81.6%。刘卫国等［17］发现随着DO由0.54 mg·L-1增加到2.58 mg·L-1，出水S2-的浓度变化不显著，SO42-的生成率由0.7%增加到34.5%。本研究实验结果与上述研究相比，在同等DO下，脱硫效果稍好。

本研究所用Pseudomonas putida DS1菌株适应力较强，生长繁殖迅速，生化反应速率高。在硫化物负荷较高时，可供硫细菌利用的基质较多，提高DO不仅使硫细菌生化反应速率加快，而且促进硫细菌生长繁殖，使生物量增大。硫化物的生物氧化分两步进行：

其中，第一步的反应速率远高于第二步，DO对硫化物的生物氧化作用占主导地位，化学氧化作用可忽略不计［18］。理论上，控制参与反应的氧含量可调控反应生成SO42-和S0的选择性，当氧硫比（O2/S2-）为0.5时，反应产物为单质S0［14，19］。当硫化物负荷一定时，反应器应存在一个最佳DO值，使硫化物去除率较高（＞90%），且产物主要是单质S0。在进水S2-负荷一定的情况下，微生物生长代谢作用会随着溶解氧的升高而加强，从而生物氧化作用加强，S2-去除率增加。当DO相对较低（小于1.5 mg·L-1）时，Pseudomonas putida DS1菌株主要进行第一步反应即产单质S0阶段。随着DO的升高，生物氧化作用较强，Pseudomonas putida DS1菌株会将产生的单质S0继续氧化为SO42-，同时产生H+，影响脱硫的稳定性，且在工程应用中，SO42-的排放易对环境造成二次污染［9，20］。可见，Pseudomonas putida DS1菌株在DO为1.5 mg·L-1时具有最佳脱硫效果。

2.2硫化物负荷对脱硫效果的影响

不同硫化物负荷下，两段式反应器应存在一个最佳DO值，能使硫化物去除率达90%以上。实验发现，硫化物负荷与最佳DO呈线性关系，如图3所示。随着硫化物负荷增加，DO逐渐增大，通过线性拟合可得到方程：

其中，SV为硫化物负荷（g·m-3·h-1），DO单位为mg·L-1。

图3　硫化物负荷与最佳DO的关系Fig.3　Relationship of sulphide load and optimal DO

左剑恶等［21］和李亚新等［22］均得到DO与硫化物负荷呈线性关系，本研究结果与其相符；杨栋等［23］得到DO和硫化物负荷关系的三次多项式在本研究实验范围内时，近似呈线性关系。根据式（1）可推算不同硫化物负荷下反应器所需DO，对两段式生物脱硫实验与工程应用具有很好的理论支持。

硫化物去除率随硫化物负荷的增加而降低，如图4所示。当硫化物负荷小于80 g·m-3·h-1时，硫化物去除率维持在92%以上；当硫化物负荷大于80 g·m-3·h-1，硫化物去除率迅速下降，发现出水呈黄绿色且单质S0沉淀较少，判断此时有多硫化物产生。这可能是由于过高的硫化物负荷抑制Pseudomonas putida DS1菌株活性，从而使硫化物去除率降低，产生的多硫化物影响单质S0沉淀的生成，使脱硫效果变差。

图4　硫化物负荷对硫化物去除率的影响Fig.4　Influence of sulphide load rate on sulphide removal rate

张承中等［24］用脱氮硫杆菌脱除H2S，当硫化物负荷为67 g·m-3·h-1时，H2S去除率为92%，其硫化物负荷低于本研究结果；Duan等［25］利用A.ferrooxidans菌处理H2S，当硫化物负荷为120 g·m-3·h-1时，H2S的去除率可达94%，其硫化物负荷与H2S的去除率略高于本研究实验结果。

2.3气液比对生物脱硫的影响

实验中，H2S气体自下而上进入洗涤塔与弱碱性喷淋液逆向接触。当气液体积比分别为2∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1时，H2S去除率分别为99.9%、97.1%、95.5%、93.6%、89.8%、82.3%，气液体积比与H2S去除率成反比关系。当气液体积比 ≤ 15∶1时，H2S去除率在90%以上；当气液比从15∶1变为20∶1时，H2S的吸收率显著下降，为88.3%。气液比对吸收液吸收H2S气体的影响如图5所示。

图5　气液体积比对H2S吸收率的影响Fig.5　Influence of the gas-liquid volume ratio on H2S absorption rate

杨栋等［23］研究发现，当气液比 ≤ 10∶1时，H2S的吸收率在90%以上，而气液比为15∶1时，H2S的吸收率快速下降。本研究中当气液比 ≤ 15∶1时，H2S去除率在93.6%以上，比文献的结果要高。可能是由于本研究选用的Pseudomonas putida DS1菌株，相较于文献中所用的驯化污泥具有更强的脱硫特性，能够快速去除循环液中硫化物，循环液pH不会因为大量吸收H2S而快速下降，从而能够维持较高的H2S去除率。虽然气液体积比越小，H2S去除率越高，但循环液循环量也增大，能耗也增高，会导致运行成本增加。综合成本和去除率等因素考虑，认为最适气液比为15∶1具有参考价值。

2.4循环液初始pH对生物脱硫的影响

循环液初始pH值对H2S去除率及Pseudomonas putida DS1菌株转化硫化物的影响如图6所示。循环液从洗涤塔顶部以一定流速进行喷淋，H2S与循环液中OH-发生中和反应。实验结果显示，循环液pH越高，对H2S的吸收速率越大。当循环液pH=8.0±0.1时，H2S吸收率达94.0%，其变化趋势变缓。

图6　循环液pH对H2S吸收率的影响Fig.6　Influence of circulating liquid pH value on

刘卫国等［17］发现当吸收液pH为7.8时，H2S去除率达到96%，略高于本研究实验结果。这是因为本研究沼气中H2S初始浓度比文献要高，当循环液大量吸收H2S后，会导致pH下降，从而使H2S去除率降低。

pH不仅影响S2-的去除和SO42-的转化，也影响单质S0的生成。当pH=6.0～10.0时，随着pH的变化，S2-去除率呈抛物线趋势，在62%～97%之间变化，当pH=8.0左右时到达峰值，即96.9%；SO42-的生成率呈较平缓的抛物线趋势，在0.5%～10%之间变化，当pH=8.0左右时达峰值，即9.3%；当pH ＜ 8.0时，随着pH的升高，单质S0的生成量从99.80 mg·L-1逐渐增大；当pH=8时，单质S0生成量最大，达207.37 mg·L-1，实验结果如图7所示。

图7　循环液pH对硫化物转化率的影响Fig.7　Influence of circulating liquid pH H2S removal rate value on conversion rate of sulfide

环境中的pH能引起细胞膜电荷的变化，导致微生物对营养物质的吸收变化，从而影响代谢过程中酶活性［26］。在生物反应器中，循环液的pH影响Pseudomonas putida DS1菌株的生理活动，只有在适宜的酸碱度条件下，Pseudomonas putida DS1菌株才能进行正常的生长代谢。在利用Pseudomonas putida DS1菌株进行两段式生物脱硫的过程中，Pseudomonas putida DS1菌株活性降低会使SO42-累积，同时生成H+，导致循环液pH值下降，将影响两段式生物脱硫效果。综合图6、7可知，当溶液pH变化时，SO42-生成率保持在10%以下，生成率较低；当溶液pH在7.5～8.5范围变化时，S2-的去除率（＞83.7%）和单质S0的生成量（＞188.76 mg·L-1）较高。可见Pseudomonas putida DS1菌株适合在弱碱性条件下生长代谢，代谢产物主要为单质S0。其最适pH为8.0，高于脱氮硫杆菌（最适pH=6.5～7.5）和氧化亚铁硫杆菌（最适pH=2.0～3.0）［27］。

3　结　论

（1）DO影响Pseudomonas putida DS1菌株对硫化物的生物氧化。当保持硫化物负荷40 g·m-3·h-1左右时，最佳DO为1.5 mg·L-1，此时S2-去除率达90.6%，SO42-生成率为9.0%，反应主要产生单质S0；当DO高于1.5 mg·L-1时，生物氧化作用较强，硫细菌会将产生的单质S0继续氧化为SO42-，同时产生H+，从而导致循环液pH值降低，抑制硫细菌活性，不利于生物脱硫过程。

（2）硫化物负荷和DO呈线性关系，在一定硫化物负荷下，可调控DO使硫化物转化率最大，SO42-生成率最小。硫化物去除率随硫化物负荷的增加而降低，当硫化物负荷小于80 g·m-3·h-1时，硫化物去除率达94%以上，当硫化物负荷大于80 g·m-3·h-1时，硫化物去除率小于90%，脱硫效果较差。在工程应用中，对不同硫化物负荷，可调控DO使达到最佳脱硫效果。

（3）Pseudomonas putida DS1菌株在弱碱性条件下具有较高活性，最适pH为8.0，当循环液pH为8.0时，洗涤塔对H2S气体的吸收率可达94.0%，生物反应器中硫化物转化率达96.9%，且绝大部分转化为单质S0，避免SO42-的排放对环境造成的二次污染。当气液体积比 ≤ 15∶1时，H2S去除率在90%以上，较大的气液比可提高处理量，减少循环液消耗量，从而降低工程成本。

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Experimental Study of Two-stage Biological Desulfurization Process for the Removal of H2S in Biogas

ZHOU Xian-you1，2，XU Ying1，SUN Yong-ming1，KONG Xiao-ying1，YUAN Zhen-hong1，XING Tao1，NIU Hong-zhi1，2
（1.CAS Key Laboratory of Renewable Energy，Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

This paper adopted two-stage biological desulfurization process，using heterotrophic bacteria Pseudomonas putida DS1 as desulfurization strain，studied the effects of sulfide load，dissolved oxygen，gas-liquid volume ratio，pH value on sulfide removal.The results show that： DO affect the sulfide removal efficiency of Pseudomonas putida DS1.When sulfide loading rate is 40 g·m-3·h-1and DO is 1.5 mg·L-1，the removal rate of S2-is above 90.6%.The sulfide load and DO show a linear relationship that the DO increases with the sulfide load increasing.The sulfide removal rate decreases with the increasing of sulfide load .When the sulfide load is less than 80 g·m-3·h-1，the sulfide removal rate is above 90%.When the sulfide load is more than 80 g·m-3·h-1，the sulfide removal rate is below 90%.When the inlet H2S concentration is 3000±10 ppm and the gas-liquid ratio is 15：1，the H2S removal rate is 93.6%.When the pH of circulating fluid is 8.0，the H2S absorption rate of the scrubber is 94.0%.S2-removal rate obtained from Pseudomonas putida DS1 can reach 96.9%.The main conversion product of sulfide is elemental sulfur.

Pseudomonas putida DS1；two-stage；biogas；bio-desulfurization

TK6

Adoi：10.3969/j.issn.2095-560X.2015.02.005

2095-560X（2015）02-0105-06

周贤友（1988-），男，硕士研究生，主要从事生物质能源研究。

2015-03-13

2015-03-26

国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA101802）；中国科学院重点部署项目（KGZD-EW-304-1）

孙永明，E-mail：sunym@ms.giec.ac.cn

孙永明（1977-），男，博士，研究员，博士生导师，主要从事生物质能源研究。