接種辮硫桿菌與活性污泥生物滴濾塔去除硫化氫效果對比

張蘭河，宋 達 ，楊日光，張德義

（1東北電力大學化學工程學院，吉林 吉林 132012；2哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090）

惡臭是污染環境、危害人體健康的重要公害之一。在某制藥公司污水處理廠的水解酸化池中產生大量以硫化氫為主的難聞臭氣，危及周圍的空氣環境和居民身體健康。解決以硫化氫為主的惡臭污染，是制藥行業發展中面臨的一個難題。惡臭處理技術有很多種，如物理法、化學法和生物法等[1-3]。生物脫臭法因其運行費用低、性能可靠、易于管理、處理效果好、二次污染小等特點，而成為近年來脫臭的主要方法。

生物滴濾法是廢氣處理技術之一，微生物附著在多孔載體表面形成具有較大比表面積的活性填料層，惡臭氣體經過滴濾塔的填料層，污染物由氣相經液相轉移到填料層中被微生物利用，生物滴濾塔的處理效果主要取決于降解微生物的活性和數量。選擇合適的接種微生物可以提高滴濾塔的去除能力、縮短啟動周期和提高抗沖擊負荷能力。用于接種的微生物可以是單一菌種也可以是復合菌種，國內外在這方面做了大量的工作[4-11]，但是對單一菌種與混合菌種的對比研究較少。

本文作者采用兩個相同的生物滴濾塔，一個接種制藥廢水處理廠活性污泥，另一個接種從制藥廢水中篩選得到的辮硫桿菌。在相同實驗條件下，進行了為期4個多月的連續脫臭試驗，特別對接種辮硫桿菌及接種活性污泥生物滴濾塔的去除效率、啟動時間、壓力損失、抗沖擊負荷能力及氮利用率等進行了詳細考察，為生物反應器的工程應用提供了科學依據。

1 實驗方法與裝置

1.1 脫硫菌的篩選與純化

菌種來源于處理含有硫化氫氣體的制藥廢水，將取得的樣品加入生理鹽水（0.9%NaCl）中，震蕩搖勻，得到含有辮硫桿菌ZG11的懸濁液。用倍比稀釋法將菌懸液稀釋，選取適宜稀釋度的菌懸液涂布無機鹽培養基 C（Na2S2O3·5H2O，8 g；KH2PO4，2 g；MgCl2·6H2O，0.2 g；K2HPO4，2 g；NH4Cl，0.4 g；FeSO4·7H2O，0.01 g；H2O，1000 mL；瓊脂，18g）[7]制得的平皿上，使菌落數介于30～300之間。隨機挑取單菌落劃線純化，得到的單菌落再進行多次劃線純化，并通過革蘭氏染色與顯微鏡觀察判斷是否為純菌株，微生物的培養溫度均為30 ℃。

1.2 生物滴濾塔的掛膜

從制藥廢水廠采集活性污泥放置于反應槽內，在其懸浮液中添加基本營養鹽，為加速微生物的繁殖，加入一定量的葡萄糖控制COD在1500～2000 mg/L，以便使微生物得到充分的養料而處于對數增長期，適當加大曝氣量，控制溶解氧在5～6 mg/L左右，經過靜態曝氣4天后，發現混合液中有許多細小絮體，經0.5 h靜止，SV%=15。在顯微鏡的觀察下，可看到許多游離細菌和細小菌膠團顆粒，對生物反應器B進行循環掛膜。同時，將從制藥廢水中篩選得到的辮硫桿菌ZG11擴大培養，接種生物反應器A。

在生物反應器的掛膜啟動階段及穩定運行階段所采用的營養液成分相同，見表1。

表1 營養液的成分

1.3 生物滴濾塔的運行方法

實驗裝置由有機玻璃組成，直徑 25 cm，高1.52 m。每個生物滴濾塔由3層填料組成，實驗用的載體由軟性填料及硬質填料組成。軟性填料的直徑均為 35 mm且被硬質填料所間隔，其體積比為4∶1，填充率為0.75。實驗裝置見圖1。

實驗采用逆流操作，硫化氫氣體經氣體流量計由塔底部進入生物滴濾塔，由上部出口排放。硫化氫氣體采用動態法配制，即硫化鈉液體由計量泵滴入硫酸儲液罐中，硫化鈉與硫酸反應制得。噴淋液由離心水泵經滴濾塔內填料層上方設置的噴水裝置，定期向填料層噴灑經過配制的生物脫臭處理所需成分的噴淋液，為微生物提供養料和液相環境，噴淋出水由塔底部排出。運行參數見表2。

1.4 主要分析項目及方法

H2S采用檢知管法，檢知管由北京勞動保護研究所科技發展公司提供。檢測范圍：低濃度 0～50 mg/m3，3～75 mg/m3，30～300 mg/m3；中濃度 75～1500 mg/m3；高濃度 150～3000 mg/m3，300～7500 mg/m3。其它項目，如pH值、溫度等，均按有關的環境監測標準定時采樣分析。

圖1 生物脫臭試驗工藝流程圖

表2 實驗運行的工藝參數

2 結果與討論

2.1 生物反應器的啟動

生物滴濾塔生物膜的固定化啟動工藝是影響脫臭效果的重要技術，同時其掛膜啟動周期也是重要的經濟技術指標。

圖2 ZG 11的光學顯微照片

將篩選分離得到的ZG11進行生理生化實驗，通過菌株的理化特征可以了解微生物的基本特性，對底物的利用情況。ZG11為短桿菌，直徑約0.75 μm，長約1.5 μm，具有圓鈍的末端，單生、對生，或者呈短鏈狀排列，ZG11的光學顯微照片如圖2所示。菌株ZG11的生理生化指標如表3所示，根據《伯杰細菌鑒定手冊》，將ZG11歸類為辮硫桿菌屬。在2 L/h的噴淋量下，將分離篩選得到的辮硫桿菌ZG11接種反應器A，反應器A與反應器B 曝氣48 h后，同時通入低濃度的H2S氣體，對接種不同來源菌種的生物滴濾塔進行馴化。從圖3可以看出，反應器 B 接種活性污泥后，H2S進氣濃度由5 mg/m3上升到接近120 mg/m3，大約15天后，出氣濃度均低于2 mg/m3，去除率保持在99%左右。反應器A 接種辮硫桿菌ZG11后，H2S進氣濃度由5 mg/m3上升到接近120 mg/m3，H2S出氣濃度與去除率波動較大。經過持續29天的馴化，H2S出氣濃度開始保持在2 mg/m3以下，H2S去除率穩定在98%以上。表明接種活性污泥的生物反應器具有較短的啟動期、較好的微生物棲息性和抗負荷沖擊性。通過鏡檢觀察，生物滴濾塔B中微生物種類較多，有大量的絲狀菌、桿菌，繁殖較快。生物滴濾塔A生物菌落單一，為自養菌，繁殖較慢。

圖3 生物反應器啟動期的運行結果

這是因為混合菌來自污水處理廠，其菌種液中含有不同類群的微生物，食物鏈較長，故氧化效率高，降解速率快。而純菌是在馴化培養的基礎上，進一步進行了分離純化，為單一菌種，易被硫化物達到飽和，故氧化速率較低。廢氣的生化處理有別于其它工業微生物學，并非菌種越純越好，而應選擇含有多種微生物相的菌液作為研究的菌種[12]。

2.2 進氣濃度對去除率的影響

生物滴濾塔在 25～35 ℃的條件下連續運行，在進氣流量為8 m3/h、噴淋水量為4.5 L/h的條件下，考察進氣濃度對去除率的影響。

由圖3可知，接種純菌的生物反應器A，當進氣濃度低于600 mg/m3時，隨著進氣濃度的增加，硫化氫的去除率接近 100%。當進氣濃度超過 600 mg/m3時，硫化氫的去除率隨著進氣濃度的增加而下降。接種活性污泥的生物反應器B，當進氣濃度低于750 mg/m3時，隨著進氣濃度的增加，硫化氫的去除率接近 100%。當進氣濃度超過 750 mg/m3時，硫化氫的去除率隨著進氣濃度的增加而下降。圖4結果表明，A塔對硫化氫的去除率在高負荷狀態時低于B塔，圖5所表示的去除速率NR隨進氣負荷Nv變化的結果也體現了與圖4相同的傾向。

表3 ZG11生理生化指標

圖4 進氣濃度對去除率的影響

進氣負荷對生物滴濾塔硫化氫去除速率的影響如圖5所示。生物滴濾塔A和B的容積負荷變化范圍為0.53～226.67 g/(m3·h)。運行結果表明，兩種反應器的去除速率NR都是隨著進氣負荷Nv的增大而提高。在Nv分別低于 113.33 g/(m3·h)與 133.33 g/(m3·h)時，滴濾塔 A與B的去除速率NR隨Nv的增加接近線性變化。當Nv分別高于以上值時，生物滴濾塔A與B的NR隨Nv的增加呈非線性變化，進氣負荷對生物滴濾塔造成了沖擊。因此，與生物滴濾塔A相比，生物滴濾塔B具有較強的硫化氫去除能力，能夠承受更高的進氣負荷。在分析生物量時發現，生物滴濾塔A每克載體的平均生物量為7.01 mg，而生物滴濾塔 B每克載體的平均生物量是16.14 mg。因而，生物滴濾塔B較高的生物量可能是獲得較高降解速率的重要因素之一。同時，微生物之間的協同效應可能是滴濾塔B獲得較高降解速率的另一個重要因素。

圖5 硫化氫進氣負荷對去除速率的影響

2.3 壓力損失

生物滴濾塔內的壓力損失是重要的運行指標，它關系到能量的消耗，直接影響生物滴濾塔的運行成本。

在相同的液量、氣量條件下，考察未掛膜新填料的壓降與掛膜后生物填料的壓降對比，結果如圖6所示。生物滴濾塔的壓降隨著入口氣速的增大而增大，接種后運行穩定的生物滴濾塔總壓降明顯高于未掛膜的新鮮填料，這是因為未掛膜填料層的孔隙率較大，壓力損失主要由多孔填料中的沿程阻力損失構成。然而，掛膜后填料表面覆蓋生物膜，其孔隙率減小，有多孔填料縮放結構造成的局部阻力損失增大，同時生物膜吸附較多的水分，液膜厚度增加，造成填料層壓力損失進一步增大。生物滴濾塔B的生物量較大，繁殖較快，造成了較高的壓力損失，其壓力損失明顯高于塔A。

2.4 氮源對H2S去除率的影響

氮是微生物細胞的重要組成部分，約占細胞干重的10%～15%。氮源提供微生物合成自身細胞蛋白質的物質，對污染物的生物降解能夠產生重要的作用。在硫化氫進氣濃度為600 mg/L及其它營養元素濃度不變的條件下，主要考察氮源對去除率的影響。實驗中采用尿素作為微生物的氮源，一方面尿素中的氮元素能夠為微生物提供氮源，另一方面尿素中的C和O元素由生物降解后主要生成CO2和H2O，對環境危害較小。

圖6 不同流量下壓力損失的變化

圖7 噴淋液中尿素濃度對去除率的影響

在氣相生物滴濾塔的實際運行中，噴淋液不是均勻地流過填料表面，而是以股流、溝流的方式流動。因此，在噴淋液流過的填料表面，氮源的濃度較高，而其它區域氮源的供給則通過填料間隙的液體和生物膜中的擴散來完成。當噴淋液中氮源濃度升高時，填料中氮源的濃度梯度增加，擴散通量也增加，從而能夠提高生物滴濾塔的去除效果。

由圖7可知，隨著噴淋液中尿素的濃度增加，生物反應器A與B的去除率均有一定的提高，系統運行效果的穩定性也得到一定的增強。相比之下，氮源對生物反應器B的影響較大。接種活性污泥的生物反應器B 由微生物菌群組成，包括自養菌與異樣菌，對氮源的利用率較高，因此受到氮源的影響較大。然而，生物反應器A主要由自養菌組成，對氮源的利用率較低，受到氮源的影響較小。

3 結 論

兩種生物膜反應器處理H2S惡臭氣體的實驗表明了生物脫臭方法脫臭效率高、安全可靠等特點。經過長期的運行結果，得出如下結論。

（1）在2 L/h的噴淋量下，接種活性污泥的生物反應器啟動較快，大約需要15天的馴化期。接種辮硫桿菌的生物反應器啟動相對較慢，大約需要29天的馴化期。

（2）與接種辮硫桿菌的生物滴濾塔A相比，接種混合菌種的生物滴濾塔 B具有較強的去除能力，對H2S單位體積基質利用率高，能夠承受更高的進氣負荷。在去除率接近 100%的條件下，滴濾塔A與B的最大進氣負荷分別為113.33 g/(m3·h)和133.33 g/(m3·h)，最大進氣濃度分別為600 mg/m3和750 mg/m3。

（3）在相同的液量、氣量條件下，生物滴濾塔A與B的壓力損失隨進氣流量的增加均提高，接種混合菌種生物滴濾塔B的壓力損失明顯高于接種純菌的生物滴濾塔A。

（4）隨著噴淋液中尿素的濃度增加，生物反應器的去除率和運行效果的穩定性均得到一定的增強。接種辮硫桿菌的生物反應器A主要由自養菌組成，對氮源的利用率較低，受到氮源的影響較小。接種活性污泥的生物反應器B由微生物菌群組成，對氮源的利用率較高，受氮源的影響較大。

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