煙氣同時脫硫脫氮用生物膜填料塔脫氮性能專項強化實驗探索

姜 閱,孫珮石,鄒 平,吳志浩3,,鄭超群3,,魏中華,畢曉伊,王 潔,任洪強,王艷茹

(1.云南大學生態學與環境學院,云南 昆明650091；2.云南大學工程技術研究院,云南 昆明650091；3.云南大學建筑與規劃學院,云南 昆明650091；4.南京大學環境學院，江蘇 南京210023)

煙氣同時脫硫脫氮用生物膜填料塔脫氮性能專項強化實驗探索

姜 閱1,2,孫珮石2,鄒 平2,吳志浩3,2,鄭超群3,2,魏中華2,畢曉伊2,王 潔2,任洪強4,王艷茹4

(1.云南大學生態學與環境學院,云南 昆明650091；2.云南大學工程技術研究院,云南 昆明650091；3.云南大學建筑與規劃學院,云南 昆明650091；4.南京大學環境學院，江蘇 南京210023)

對采用添加脫氮功能菌群、煙氣同時脫硫脫氮、生物膜填料塔煙氣脫氮性能的專項生物強化方法進行探索實驗研究，結果表明：通過專項培養并添加含有硝化菌的脫氮功能菌群、反硝化菌群以及它們的混合菌群液，使生物膜填料塔的脫氮效率分別提高了5.90%、4.01%和7.15%，驗證了該專項生物強化方法的技術可行性。

生物法；煙氣同時脫硫脫氮；脫氮性能；生物強化；生物膜填料塔；實驗

隨著我國經濟轉型以及工業化進程的不斷加快，環境污染問題越來越嚴峻[1-6]，針對環境污染治理技術的研究快速增多。其中，生物強化技術在環境污染治理技術領域的研究與應用較多，且處理效果較好[7-13]。近年來，本項目組[14]通過對生物強化作用方面的研究，確認了添加功能菌人工復配對生物塔凈化效果的強化作用。在此基礎上，項目組開展了對凈化系統內微生物的鑒定工作，并篩選出具有脫氮功能的菌群。針對煙氣同時脫硫脫氮用生物膜填料塔的脫硫性能遠強于脫氮性能的問題，項目組繼續針對生物膜填料塔的煙氣脫氮性能進行了專項生物強化探索實驗研究，以期為生物強化煙氣脫硫脫氮技術的深入研究與實際應用提供基礎依據。

1 實驗裝置、材料與方法

1.1 煙氣凈化實驗裝置與流程

實驗采用的主體實驗模擬煙氣凈化設備是生物膜填料塔(見圖1)，它由直徑為50mm、高度為650mm的玻璃管制成，塔內裝填直徑約為1.0～1.5cm的類球形陶粒，填料層總高度為450mm。

在常溫常壓條件下，實驗采用動態法配制SO2和NOx混合模擬煙氣，即通過 Na2SO3溶液與H2SO4溶液及NaNO2溶液與H2SO4和FeSO4的混合溶液發生化學反應制取SO2和NOx，之后將它們與空氣混合。混合氣體從生物膜填料塔的底部自下而上進入塔內，同時塔內的循環液自上向下噴淋，氣液相在塔內逆向流動，以促進氣液兩相充分接觸。SO2和NOx混合模擬煙氣在上升過程中與附著在填料表面上的濕潤生物膜接觸，進而被其中的功能微生物捕獲、降解，凈化后的氣體從塔頂排出。循環液從生物膜填料塔塔底流出進入循環槽后，再由人工連續輸送至高位槽中，隨后從生物塔塔頂流入塔內向下噴淋，實現循環操作。

本研究主要通過添加含有硝化菌的脫氮功能菌群、反硝化菌群、以及它們的混合菌群液，進行生物強化對生物塔煙氣脫氮性能的影響實驗。在實驗過程中，總共運行了3套生物膜填料塔，對應的操作運行工藝參數條件為：入口氣體SO2、NOx濃度分別為1500～3000mg/m3、1400～1600mg/m3，氣體流量為0.2m3/h，循環液流量為9.0L/h。

由于實驗中各生物膜填料塔的脫硫效率一直穩定為100%，所以本研究主要考察了添加脫氮功能菌群對生物膜填料塔脫氮性能的強化作用。

1.2 功能菌的來源

由本項目組前期對生物膜填料塔內微生物菌群的分析研究結果[15]可知，生物膜填料塔內具有脫氮作用的功能菌主要有：硝化螺菌(Nitrospira)、硝化桿菌(Nitrobacter)、亞硝化球菌(Nitrosococcus)、亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)、鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)、新鞘氨醇桿菌(Novosphingobium)、寡養單胞菌(Stenotrophomonas)、伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)、產堿桿菌(Alcaligenes)。由上述結果可以發現，生物膜填料塔內同時存在硝化菌和反硝化菌。其中的硝化螺菌屬(Nitrospira)、硝化桿菌屬(Nitrobacter)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)、亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)4種典型的硝化菌，是已被應用于煙氣凈化研究領域[15-17]的功能菌。鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)、新鞘氨醇桿菌(Novosphingobium)、寡養單胞菌(Stenotrophomonas)、伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)、產堿桿菌(Alcaligenes)都屬于反硝化菌[18-22]。經查閱文獻可知，鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)是具有廣泛降解能力的反硝化菌[23-25]，產堿桿菌(Alcaligenes)是具有反硝化能力的脫氮菌[26,27]，伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)也具有一定的生物降解能力，可降解高氨氮廢水、含酚廢水、原油等污染物[28-30]。

以上述文獻資料記載為基礎，結合《伯杰細菌鑒定手冊》中對上述細菌的生長條件、性質和作用的記載，經分析比較最終篩選出了鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)、伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)、產堿桿菌(Alcaligenes)，作為本實驗使用的專項生物強化反硝化菌。反硝化菌從中國普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)購買獲得。實驗中，購買了3株反硝化菌的純菌株，分別是越南伯克霍爾德氏菌(Burkholderiavietnamiensis)、糞產堿菌糞亞種(Alcaligenesfaecalissubsp.faecalis)、胞外多聚物鞘氨醇單胞菌(Sphingomonassanxanigenens)。

本實驗使用的專項生物強化用硝化菌，是利用本項目組前期研究使用的生物膜填料塔中含有硝化功能菌群的菌液(即循環液)，經過專項培養獲得。

由此，即可有針對性地對上述含有硝化菌的脫氮功能菌群和反硝化菌進行取樣及專項培養，之后將完成培養的菌液直接添加到生物膜填料塔內，用以進行脫氮性能的探索實驗研究。

1.3 脫氮功能菌培養基配方

(1) 硝化菌培養基配方

經查閱文獻資料[31-33]，并對比本實驗研究的對象、目標、條件等，經分析及預實驗研究確定了硝化菌的基礎培養基配方，見表1。

(2)反硝化菌培養基配方

越南伯克霍爾德氏菌(Burkholderiavietnamiensis)和糞產堿菌糞亞種(Alcaligenesfaecalissubsp.faecalis)的培養基配方見表2，胞外多聚物鞘氨醇單胞菌(Sphingomonassanxanigenens)的培養基配方見表3，培養溫度均為30℃。

表1 硝化菌培養基配方

表2 營養肉汁瓊脂培養基配方

表3 PYG培養基配方

1.4 脫氮功能菌培養方法及培養裝置

1.4.1 脫氮功能菌群的培養

在1個1.0L的燒杯中配制500mL的液體培養基(pH=8.0，依一般硝化菌生長條件定)，加入取自生物膜填料塔循環槽中含有專用高效硝化菌群的菌液20mL，充分混勻后，放于溫度為30℃、轉速為150rpm條件下的搖床初步培養7d。之后，繼續進行擴大培養6d，使其中的菌體濃度達到后續生物強化性能實驗的要求。擴大培養期間，每隔24h取出菌液樣品，采用草酸銨結晶紫染色法觀察細菌的生長情況，并采用血球板計數法對樣品中的細菌進行計數。

對于反硝化菌的培養，由于菌源是外購來的純菌株，因此按常規微生物學菌種培養方法進行接種，用30℃恒溫搖床初步培養7d。之后，繼續進行擴大培養6d，使其中的菌體濃度達到后續生物強化性能實驗的要求，并對反硝化細菌進行計數及生長情況觀察。

1.4.2 脫氮功能菌群的硝化與反硝化能力測試

在對含有硝化菌的脫氮功能菌群、反硝化菌群進行培養與觀察的同時，分別采用分光光度法跟蹤測試不同時間段含有硝化菌的脫氮功能菌群、反硝化菌的菌液中硝酸根以及亞硝酸根的濃度變化，以考察并驗證上述硝化菌、反硝化菌的硝化、反硝化能力。其中，亞硝酸根濃度均采用格里斯(Griess)試劑比色法測定，硝酸根濃度均采用麝香草酚分光光度法測定。

2 結果與分析

2.1 對擴大培養過程中的脫氮功能菌群生長狀況的觀察

(1)對擴大培養過程中含有硝化菌的脫氮功能菌群的計數觀察

對擴大培養過程中含有硝化菌的脫氮功能菌群的計數觀察結果如圖2所示。由圖2可知，隨著培養時間的延續，含有硝化菌的脫氮功能菌群在培養過程中菌體數目快速增多。菌液中的菌體數目從培養第1d的4.5×105個/mL，明顯增加到第6d的24.1×105個/mL。這表明本研究經實驗確定的培養基配方適用且有效。

(2)對擴大培養過程中反硝化菌群的計數觀察

對擴大培養過程中反硝化菌群的計數觀察結果如圖3所示。由圖3A、3B可知，產堿桿菌(Alcaligenes)、伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)和鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)3種反硝化菌在培養過程中菌體數目均隨時間的延續而快速增多。其中以鞘氨醇單胞菌的菌體數目增加最快，到培養第6d時，其菌體數目已達到1150×106個/mL；而伯克霍爾德氏菌和產堿桿菌則增加較慢，菌體數目分別達到550×106個/mL和20×106個/mL。這同樣表明了3種反硝化菌基本適合于采用本研究選用的培養基配方進行培養繁殖。

2.2 脫氮功能菌群的硝化與反硝化能力測試

(1)含有硝化菌的脫氮功能菌群的硝化能力測試結果

含有硝化菌的脫氮功能菌群菌液中亞硝酸根含量、硝酸根含量隨時間的變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著培養時間的延續，含有硝化菌的脫氮功能菌群菌液中出現了亞硝酸根含量逐漸減少、硝酸根含量逐漸增多的變化趨勢。當培養時間至5d時，硝化菌群菌液中的亞硝酸根含量從初始的1.35mg/mL，逐步下降了0.11 mg/mL，之后基本穩定在1.24mg/mL的水平；對應的硝酸根含量則從初始的0.32mg/mL，逐步增加了0.22 mg/mL，之后基本穩定在培養6d時的0.54mg/mL水平。以上實驗結果表明，含有硝化菌的脫氮功能菌群具有硝化特性。

(2)反硝化菌的反硝化能力測試結果

實驗培養的產堿桿菌(Alcaligenes)、伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)和鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)等3種反硝化菌的菌液中亞硝酸根含量、硝酸根含量隨時間的變化分別如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著培養時間的延續，產堿桿菌、伯克霍爾德氏菌、鞘氨醇單胞菌的菌液中亞硝酸根的含量均在逐漸增多，硝酸根含量都在逐漸減少。其中以鞘氨醇單胞菌菌液中硝酸根和亞硝酸根含量整體變化趨勢最為明顯。由上述結果可知，本實驗采用的產堿桿菌、伯克霍爾德氏菌、鞘氨醇單胞菌均能夠利用硝酸鹽作為氮源，將硝酸鹽轉化成亞硝酸鹽，即上述3種反硝化菌均具有一定的反硝化特性。

2.3 添加脫氮功能菌群的強化脫氮性能實驗考察

(1)添加含有硝化菌的脫氮功能菌群的強化脫氮性能實驗考察

從生物膜填料塔內原有的10.0L循環液中取出1.0L，將完成擴大培養的含有硝化菌的菌液1000mL添加到相應的生物膜填料塔的循環槽中，此時生物膜填料塔的循環液體積為10.0L。之后，運行生物膜填料塔并每天定時測定其煙氣脫氮效率。

添加含有硝化菌的脫氮功能菌群專項生物強化生物膜填料塔脫氮性能的實驗結果，如圖6所示。由圖6可知，添加含有硝化菌的脫氮功能菌群后，生物膜填料塔的脫氮效率出現了明顯的提升，脫氮效率的平均值由添加前的30.01%增至添加后的35.91 %，平均值提高了5.90%。添加后，脫氮效率的最高值達到了42.29%。由此可知，添加經專項培養的脫氮功能菌群可以強化提升生物膜填料塔的煙氣脫氮性能。

(2)添加反硝化菌群的強化脫氮性能實驗考察

從生物膜填料塔內原有的10.0L循環液中依次取出1.0L，將完成擴大培養的3種反硝化菌的菌液按照1∶1∶1的比例(每種反硝化菌的菌液約為333mL)，配制成總體積為1.0L的反硝化菌群液，并將其添加到生物膜填料塔的循環槽中。此時生物膜填料塔的循環液體積為10.0L。之后，運行生物膜填料塔并每天定時測定其煙氣脫氮效率。

添加含有反硝化菌的脫氮功能菌群專項生物強化生物膜填料塔脫氮性能的實驗結果，如圖7所示。

由圖7可知，含有反硝化菌的脫氮功能菌群添加后，生物膜填料塔的煙氣脫氮效率最高值達到了42.06 %，平均值從添加前的32.01%，上升到了36.02%，即添加后比添加前提高了4.01%。這一結果表明添加經專項培養的含有反硝化菌的脫氮功能菌群能夠起到強化提升生物膜填料塔煙氣脫氮性能的作用。

(3)添加復合脫氮功能菌群的強化脫氮性能實驗考察

從生物膜填料塔內原有的10.0L循環液中取出2.0L，將含有硝化菌的脫氮功能菌群的1.0L菌液與含有反硝化復合菌群(每種反硝化菌的菌液約為333mL)的1.0L菌液混合制成2.0L的復合脫氮功能菌群的菌液，并添加到生物膜填料塔的循環槽中，此時生物膜填料塔的循環液體積為10.0L。之后，運行生物膜填料塔并每天定時測定其煙氣脫氮效率。

添加復合脫氮功能菌群生物強化生物膜填料塔脫氮性能的實驗結果，如圖8所示。

由圖8可知，添加含有復合脫氮功能菌群后，生物膜填料塔的煙氣脫氮效率出現了明顯的提升，最高值達到了44.02%。復合功能菌群添加后，生物膜填料塔運行15d的結果表明，添加后的生物膜填料塔的煙氣脫氮效率平均值達到38.06%，比添加前的30.91%提高了7.15%，專項生物強化效果顯著。

3 結論

本探索實驗研究結果表明，通過添加脫氮功能菌群的專項生物強化方法能夠有效提升生物膜填料塔的煙氣脫氮性能。實驗中添加硝化菌、反硝化菌及它們的混合菌群液，使生物膜填料塔的煙氣脫氮效率分別提高了5.90%、4.01%、7.15%。這表明采用脫氮功能菌群專項生物強化煙氣同時脫硫脫氮，用生物膜填料塔的脫氮性能在技術上是可行的。本探索實驗研究結果為生物法煙氣脫硫脫氮技術基礎研究提供了重要參考。

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Experimental Exploration of Special Bio-augmenting on Denitrification Capability of Biofilm-packing Tower Using Simultaneous Desulfurization and Denitrification from Flue Gas

JIANG Yue1,2,SUN Pei-shi2, ZOU Ping2, WU Zhi-hao2,3, ZHENG Chao-qun2,3,WEI Zhong-hua2,BI Xiao-yi2,WANG Jie2, REN Hong-qiang4, WANG Yan-ru4

(1. School of Ecology and Environmental Science of Yunnan University, Kunming Yunnan 650091,China)

An exploring test for the feasibility of bio-augmenting the denitrification capability of biofilm-packing tower using simultaneous desulfurization and denitrification from flue gas was done by adding denitrogenationbacteriapopulation. The test results indicated that the denitrification efficiency ofbiofilm-packing tower had beenincreased 5.90%, 4.01% and 7.15% respectively through adding denitrogenation bacteria population containing nitrification bacteria, denitrification bacteria population, and their mixed bacteria liquid. The feasibility of special bioaugmentation technique had been verified.

bio-method; simultaneous desulfurization and denitrification from flue gas; special bio-augmentation on performance of denitrification; biofilm-packing tower; test

2016-11-13

國家自然科學基金資助項目(51278447,51168046,51008264)。

姜閱(1989-),女,吉林省松原市人，碩士研究生,主要從事生物法煙氣脫硫脫氮方面的研究。

X17

A

1673-9655(2017)03-0007-07