基于Thiobacillus thioparus菌株的生物脱硫工艺参数优化研究

王 欣， 范 超， 刘 伟， 苏小红， 王玉鹏， 陆 佳

(黑龙江省能源环境研究院， 哈尔滨 150080)

我国将发展生物质能源定为“十三五”研究开发的重点，其中利用有机废物厌氧消化制取沼气的技术在我国有广阔的应用前景，沼气是在畜禽粪便或废水进行厌氧消化过程中产生的，其主要成分是CH4和CO2，畜禽粪便中含有的硫元素在发酵过程中转变成H2S释放出来，原料中含有蛋白质物质的厌氧消化也会产生H2S[1-2]。H2S是一种剧毒气体，对管道、燃烧器和仪器仪表等有强烈的腐蚀作用；另外，沼气中的H2S燃烧后生成的SO2还会造成严重的环境污染，危害人类身体健康[3-4]。《沼气工程技术规范 第2部分：供气设计》(NY/T 1220.2-2006)[5]规定：利用沼气能源时，沼气中H2S含量不得超过20 mg·m-3。通常情况下沼气中的H2S浓度一般为200～18000 mg·m-3 [3]。因此，为实现沼气的环保、高值、高效利用，H2S的脱除成为沼气使用过程中必不可少的一个环节，从而需要探索高效低能耗的沼气脱硫技术[6-7]。

生物脱硫又叫生物催化脱硫，是生物化学的一个重要组成部分，可利用微生物或它所含的酶催化含硫化合物，将其所含的硫释放出来[8]。与传统脱硫方法相比，生物脱硫通常设备要求简单，操作成本低，不需高温、高压、催化剂，不存在二次污染且生成单质硫可实现资源回收，因此被认为是绿色脱硫技术[9-10]。由于用到微生物，生物脱硫相比于其他两种方法过程控制难度较高，工艺条件控制也更加严格[11]。3种脱硫方法比较如表1所示。

表1 3种脱硫方法比较

在本研究中，利用脱硫菌株Thiobacillusthioparus，在生物滴滤池中通过对不同滤料的选择，研究溶解氧(DO)、硫化物负荷、气液体积比及pH值等因素对菌株硫化物去除效率的影响，进一步分析适合该菌株脱硫的最佳条件，确定一种最佳脱硫工艺条件。

1 材料与方法

1.1 实验材料

脱硫菌株Thiobacillusthioparus由农业部沼气科学研究所提供。H2S标准气体(1400～4200 mg·m-3)由哈尔滨黎明气体公司购买。

1.2 实验装置

实验装置见图1。

1.进气管道； 2.输气泵； 3.气体流量计； 4.进气采样口； 5.进气阀门； 6.进气口； 7.下孔板； 8.填料； 9.滴滤池； 10.上孔板； 11.弹性固定杆； 12.盖板； 13.出气口； 14.出气采样口； 15.喷淋头； 16.进液口； 17.加热器； 18.输液管道； 19.输液泵； 20.液体流量计； 21.阀门； 22.出液口； 23.通孔； 24.弹性固定杆固定点； 25.非通孔图1 生物脱硫装置

1.3 实验方法

1.3.1 实验计算公式

控制H2S进气浓度为4200±14 mg·m-3，从反应器底部泵入，温度控制为30℃±1℃。待系统稳定运行后，定时多次取样测定SO42-，S2-及H2S浓度，然后计算硫化物去除率和SO42-转化率，根据质量守恒定律计算单质硫生成率，即公式(1)：

(1)

1.3.2 溶解氧DO对菌株脱硫效果的影响

调节循环液pH值为8.5，硫化物负荷80 g·m-3h-1，调节曝气量控制循环液的溶解氧(DO分别取0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 mg·L-1)，研究不同DO对生物脱硫的影响。

1.3.3 研究硫化物负荷对生物脱硫的影响

调节循环液pH值为8.5，调节进气负荷(进气负荷依次取l0，20，40，80，120，150，200 g·m-3h-1)，研究硫化物负荷对生物脱硫的影响。

1.3.4 研究循环液pH值对生物脱硫的影响

选取最佳DO条件下，研究循环液pH值(7.0，7.5，8.0，8.5，9.0，9.5，10.0)对生物脱硫的影响。

1.3.5 研究气液比对生物脱硫的影响

选取最佳DO和pH值条件下，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。

循环液pH值和温度采用PHB-4便携式pH计测定，溶解氧采用上海海恒JPB-607便携式溶解氧测定仪测定，循环液流量采用齐力恒智能型蠕动泵BT600-02控制，H2S进气量采用LUGB-90智能流量计，滴滤池进出口H2S气体浓度采用气体检测仪Polytron3000测定，空气进气量采用新为诚调速真空泵V24D360.56控制。利用亚甲基蓝分光光度法和离子色谱仪分别测定不同滤料、溶解氧、硫化物负荷、气液体积比及pH值条件下SO42-含量和单质硫含量。

2 结果与讨论

2.1 DO对生物脱硫的影响

DO对菌株Thiobacillusthioparus生物脱硫的影响如图2和图3所示。

图2 DO硫化物去除率对生物脱硫的影响

DO浓度从0.5 mg·L-1升高到1 mg·L-1，S2-的去除率由13%左右上升至57%，3种填料的去除效果差别不大；当DO浓度达到1.5 mg·L-1，并且持续升高时，去除率从80%左右升高到85%并逐渐趋于稳定，此时，3种滤料中活性炭的去除效果最好，DO为2 mg·L-1以下时陶粒和火山岩去除率差别不大，高于2 mg·L-1时去除率是火山岩的略高于陶粒。

图3 DO对SO42-转化率的影响

随着DO浓度从0.5 mg·L-1提高至2 mg·L-1，SO42-的转化率随之由28%左右升高至42%左右，总体看来活性炭的转化率优于陶粒，火山岩效果是3种滤料中最差的；DO高于2 mg·L-1后的SO42-的转化率逐渐趋于稳定，维持在45%左右，3种滤料去除效果同之前一样，这可能与3种填料的填料粒径和比表面积有关，活性炭的比表面积约为1000 m2·g-1，远大于其他两种填料，更加有利于维持微生物活性和传质过程。

本研究所用脱硫菌为Thiobacillusthioparus，属化能自养型，主要通过氧化作用分两步代谢H2S，步骤如下：

2HS-+O2→2S+2OH-△G0=-169.35 kJ·mol-1

(2)

2HS-+4O2→2SO42-+2H+△G0=-732.58 kJ·mol-1

(3)

通过能量可以看出公式(2)发生比公式(3)[14]快，参与反应的氧气含量直接可以导致两种不同产物的产生，HS-与O2比例为2∶1时，产物为单质硫；当含O2量增加，HS-与O2比例降为1∶2，此时产物为SO42-，进而影响单质硫的回收。随着溶解氧浓度升高，微生物的活性和氧化作用增强，H2S通过氧化作用被分解，S2-的去除率随之增加。当溶解氧浓度升至1.5 mg·L-1，此时硫化物去除率与SO42-转化率差值最大，硫单质生成率最大。而DO大于1.5 mg·L-1时，O2含量充足，微生物的氧化作用进一步增强，虽然硫化物去除率增加，但是HS-进一步被氧化成SO42-，并产生H+，从而影响脱硫效果，容易造成二次污染[15-16]。因此，本研究中使用的菌株在DO为1.5 mg·L-1时有最佳脱硫效果。杨栋[14]研究发现，当DO从0.3 mg·L-1逐渐升高至1.3 mg·L-1时，硫离子去除率迅速从27%上升至92%，当DO继续升高，硫离子去除率维持在93%左右；单质硫生成率在DO位1.3 mg·L-1时有最大值，与本研究数值相近。周贤友[16]等研究表明PseudomonasputidaDS1菌株脱硫的最佳脱硫DO为1.5 mg·L-1，本研究结果与其一致，硫化物去除率为90.6%，高于本研究菌株的去除率，可能是由于PseudomonasputidaDS1菌株的适应性和脱硫能力比Thiobacillusthioparus菌株更强。

2.2 硫化物负荷对生物脱硫的影响

硫化物负荷对生物脱硫的影响也很大，硫化物负荷太低容易造成过氧化，使得SO42-和H+含量增加；硫化物负荷太高虽然脱硫产物为硫单质，但硫化物的氧化作用效率低，并且硫单质的积累也会影响环境中的pH值[17]。因此合理控制容积负荷和溶解氧是使硫化物转化成单质硫的关键，本研究中硫化物负荷与硫化物去除率的关系如图4所示。

图4 硫化物负荷对硫化物去除率的影响

硫化物负荷从10 g·m-3h-1增加至80 g·m-3h-1，菌株Thiobacillusthioparus硫化物去除率一直维持在95%左右，在10 g·m-3h-1达到最大值，其中滤料为活性炭有最大的去除率为98.9%，火山岩和陶粒依次降低分别为97.6%和95.5%，当负荷量由120 g·m-3h-1增加到200 g·m-3h-1，去除率由83%左右降至62%左右，活性炭的去除率依然略高于其他两种填料，这可能是由于活性炭的挂膜速度、微生物的数量和膜的生长状况等方面都强于另外两种滤料。3种滤料中陶粒的直径最大，空隙率相应变大，再加上表面微生物的数量限制，因此去除率低于活性炭[18]。

通过公式(2)和公式(3)还可以发现硫化物负荷与DO成线性正比关系，即随着硫化物负荷的升高DO也按照一定比例增加，在给定的硫化物负荷下，存在一个最佳DO使单质硫生成率达到最大化，进而优化脱硫条件。本研究中活性炭去除效果最优，Thiobacillusthioparus菌株以活性炭为滤料的一定硫化物负荷下最佳溶解氧浓度见表2。

表2 硫化物负荷和最佳DO关系

通过线性拟合得到方程：

Y=0.0162X+0.3178

(4)

式中：Y为溶解氧DO，mg·L-1;X为硫化物负荷，g·m-3h-1。这与左剑恶[19]等和李亚新[20]等人研究结果相同。在本研究中，利用Thiobacillusthioparus菌株进行脱硫，滤料为活性炭且当DO为1.5 mg·L-1时，硫化物负荷为73.0 g·m-3h-1。

2.3 循环液pH值对生物脱硫效果的影响

循环液pH值对脱硫效果的影响有两方面，一方面影响滤料上附着Thiobacillusthioparus菌株的生物活性；另一方面由于H2S气体是由气相转移到液相再被微生物吸收，高pH值可以和酸性H2S进行中和[21]。因此，合适的pH值可以使生物脱硫系统稳定运行。本研究中循环液pH值对生物脱硫的影响如图5所示。

图5 循环液pH值对硫化物去除率的影响

可以看出当pH值为7～8时，随着pH值升高，Thiobacillusthioparus菌株硫化物的去除率也逐步升高，从70%升至90%，各滤料去除效果为活性炭>火山岩>陶粒；pH值为8～9时，硫化物去除率维持在94%左右，并且在pH值为9时达到最大，当pH值超过9时去除效果开始下降，pH值为10的时候去除率降至91%，各滤料去除效果为活性炭>陶粒>火山岩。

图6 循环液pH值对SO42-转换率的影响

由图6可知，pH值7～9增加时，SO42-转换率也随之升高，pH值为8.5时硫化物去除率与SO42-转换率差值最大，此时硫单质生成率最高。当pH值为9时，转化率最高为52%左右，pH值>9后转化率变化不大。pH值>7时，S在水中主要以HS-形式存在，利于生物对硫化物的吸收并将其转化为单质硫，此时的SO42-转换率不高，维持在40%左右，单质硫在滤料生物膜上积累容易造成膜酸化，此时需要pH值高的循环液来中和，因此pH值升高可以提高硫化物的去除率。当pH值>9时，微生物倾向于进行公式(2)的产酸反应来减弱对它们的影响，从而导致出水SO42-含量增加；同时，当脱硫系统较高时，细菌体内的酶活性降低，从而导致硫化物去除率的下降。pH值为8.5是本研究最适pH值，滤料的去除效果为活性炭>陶粒>火山岩，相比于传统填料，这3种无机填料酸积累后不易变形，可以用碱液来调节系统pH值，其脱硫效果与滤料本身性质相关。赵会军[22]等研究人员发现pH值的升高，脱硫效率提高。当温度为30℃，pH值为8时，硫化物去除效果最好；然而当pH值>9.5时，硫化物去除率急剧下降。与本研究结论相似，这可能是由于适宜脱硫菌Thiobacillusthioparus生长的pH值一般为7～9，pH值过高菌群的活性受到抑制，脱硫效率降低。

2.4 气液比对生物脱硫的影响

在本实验装置中，H2S气体从下方进气口进入滴滤池与装置内部顶端的循环喷淋液反向接触，H2S实现由气相转移到液相，进而影响硫化物的去除效率。合适的气液比能够保证H2S与微生物充分接触并被吸收掉，而过量或者少量的喷淋量则会使气体无法向池顶输送或还没有充分接触便排出了生物滴滤池[23]。因此，改变循环液的喷淋量来控制液气比尤为重要，本研究中气液比对脱硫的影响如图7所示。

图7 气液体积比对硫化物去除效果的影响

通过比较可以看到气液比越小硫化物去除效果最好，当气液比为2∶1时，去除硫化氢效果最好为97%，在3种滤料中活性炭的效果最优，陶粒次之；气液比增加而硫化物去除率逐渐降低，气液比增至20∶1去除率降至90%以下，陶粒、火山岩、活性炭去除率分别为88.3%，88.6%，89.3%，并随着气液比升高进一步下降。虽然气液比越小，硫化物去除率越高，但同时循环液进行循环的次数增加，能耗也相应增高，致使运行成本增加，因此选取最佳气液比条件应综合考虑成本和去除率等因素，综合结果、各因素和文献研究，本研究最适气液比为15∶1。周贤友[16]等研究同样分析当气液比>20∶1时，H2S去除率低于90%。与其他文献结果比本研究硫化物去除率略低，可能是由于Thiobacillusthioparus菌株比文献中所用的菌株脱硫能力稍弱，可以进一步驯化其脱硫能力。

3 结论

(1)DO对Thiobacillusthioparus菌株对硫化物去除率有着影响，当硫化物负荷为80 g·m-3h-1时，当DO浓度达到1.5 mg·L-1，并且持续升高时，去除率从80%左右升高到85%并逐渐趋于稳定，当DO为1.5 mg·L-1时，SO42-转化率差值最大，此时单质硫回收率最大；硫化物负荷与DO呈线性关系，通过实验拟合得到方程Y=0.0162X+0.3178，经过计算得知当滤料为活性炭且DO为1.5 mg·L-1时，最佳硫化物负荷为73.0 g·m-3h-1。

(2)循环液pH值对H2S去除有着影响，pH值为9时影响最大，硫化物去除率维持在94%左右，但是在循环液pH值为8.5时，单质硫转化率大于SO42-的转化率，硫单质产量最高，此时沼气中S2-去除率达94.3%；当沼气中H2S浓度为4200±14 mg·m-3时，气液比由2∶1增至20∶1，去除率一直维持在90%左右，但是综合考虑成本和去除率等因素确定气液比15∶1为最佳脱硫条件，硫化物去除率达93.9%。

(3)本研究在不同反应条件下，利用3种滤料填充滴滤池，其中活性炭的去除效果最佳，在不同条件下均优于其他两种滤料，这可能是因为活性炭的比表面积远大于其他两种填料，更加有利于Thiobacillusthioparus菌株维持生物活性和传质过程，陶粒和火山岩效果差别不大。