接種辮硫桿菌與活性污泥生物滴濾塔去除硫化氫效果對(duì)比

張?zhí)m河，宋 達(dá) ，楊日光，張德義

（1東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090）

惡臭是污染環(huán)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(chǎn)生大量以硫化氫為主的難聞臭氣，危及周圍的空氣環(huán)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(yè)發(fā)展中面臨的一個(gè)難題。惡臭處理技術(shù)有很多種，如物理法、化學(xué)法和生物法等[1-3]。生物脫臭法因其運(yùn)行費(fèi)用低、性能可靠、易于管理、處理效果好、二次污染小等特點(diǎn)，而成為近年來(lái)脫臭的主要方法。

生物滴濾法是廢氣處理技術(shù)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(jīng)過滴濾塔的填料層，污染物由氣相經(jīng)液相轉(zhuǎn)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(shù)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(dòng)周期和提高抗沖擊負(fù)荷能力。用于接種的微生物可以是單一菌種也可以是復(fù)合菌種，國(guó)內(nèi)外在這方面做了大量的工作[4-11]，但是對(duì)單一菌種與混合菌種的對(duì)比研究較少。

本文作者采用兩個(gè)相同的生物滴濾塔，一個(gè)接種制藥廢水處理廠活性污泥，另一個(gè)接種從制藥廢水中篩選得到的辮硫桿菌。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行了為期4個(gè)多月的連續(xù)脫臭試驗(yàn)，特別對(duì)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(dòng)時(shí)間、壓力損失、抗沖擊負(fù)荷能力及氮利用率等進(jìn)行了詳細(xì)考察，為生物反應(yīng)器的工程應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法與裝置

1.1 脫硫菌的篩選與純化

菌種來(lái)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(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)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(shù)介于30～300之間。隨機(jī)挑取單菌落劃線純化，得到的單菌落再進(jìn)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(yǎng)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(yīng)槽內(nèi)，在其懸浮液中添加基本營(yíng)養(yǎng)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(yǎng)料而處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，適當(dāng)加大曝氣量，控制溶解氧在5～6 mg/L左右，經(jīng)過靜態(tài)曝氣4天后，發(fā)現(xiàn)混合液中有許多細(xì)小絮體，經(jīng)0.5 h靜止，SV%=15。在顯微鏡的觀察下，可看到許多游離細(xì)菌和細(xì)小菌膠團(tuán)顆粒，對(duì)生物反應(yīng)器B進(jìn)行循環(huán)掛膜。同時(shí)，將從制藥廢水中篩選得到的辮硫桿菌ZG11擴(kuò)大培養(yǎng)，接種生物反應(yīng)器A。

在生物反應(yīng)器的掛膜啟動(dòng)階段及穩(wěn)定運(yùn)行階段所采用的營(yíng)養(yǎng)液成分相同，見表1。

表1 營(yíng)養(yǎng)液的成分

1.3 生物滴濾塔的運(yùn)行方法

實(shí)驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃組成，直徑 25 cm，高1.52 m。每個(gè)生物滴濾塔由3層填料組成，實(shí)驗(yàn)用的載體由軟性填料及硬質(zhì)填料組成。軟性填料的直徑均為 35 mm且被硬質(zhì)填料所間隔，其體積比為4∶1，填充率為0.75。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

實(shí)驗(yàn)采用逆流操作，硫化氫氣體經(jīng)氣體流量計(jì)由塔底部進(jìn)入生物滴濾塔，由上部出口排放。硫化氫氣體采用動(dòng)態(tài)法配制，即硫化鈉液體由計(jì)量泵滴入硫酸儲(chǔ)液罐中，硫化鈉與硫酸反應(yīng)制得。噴淋液由離心水泵經(jīng)滴濾塔內(nèi)填料層上方設(shè)置的噴水裝置，定期向填料層噴灑經(jīng)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(yǎng)料和液相環(huán)境，噴淋出水由塔底部排出。運(yùn)行參數(shù)見表2。

1.4 主要分析項(xiàng)目及方法

H2S采用檢知管法，檢知管由北京勞動(dòng)保護(hù)研究所科技發(fā)展公司提供。檢測(cè)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(xiàng)目，如pH值、溫度等，均按有關(guān)的環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)采樣分析。

圖1 生物脫臭試驗(yàn)工藝流程圖

表2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 生物反應(yīng)器的啟動(dòng)

生物滴濾塔生物膜的固定化啟動(dòng)工藝是影響脫臭效果的重要技術(shù)，同時(shí)其掛膜啟動(dòng)周期也是重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

圖2 ZG 11的光學(xué)顯微照片

將篩選分離得到的ZG11進(jìn)行生理生化實(shí)驗(yàn)，通過菌株的理化特征可以了解微生物的基本特性，對(duì)底物的利用情況。ZG11為短桿菌，直徑約0.75 μm，長(zhǎng)約1.5 μm，具有圓鈍的末端，單生、對(duì)生，或者呈短鏈狀排列，ZG11的光學(xué)顯微照片如圖2所示。菌株ZG11的生理生化指標(biāo)如表3所示，根據(jù)《伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)》，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(yīng)器A，反應(yīng)器A與反應(yīng)器B 曝氣48 h后，同時(shí)通入低濃度的H2S氣體，對(duì)接種不同來(lái)源菌種的生物滴濾塔進(jìn)行馴化。從圖3可以看出，反應(yīng)器 B 接種活性污泥后，H2S進(jìn)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(yīng)器A 接種辮硫桿菌ZG11后，H2S進(jìn)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(dòng)較大。經(jīng)過持續(xù)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(wěn)定在98%以上。表明接種活性污泥的生物反應(yīng)器具有較短的啟動(dòng)期、較好的微生物棲息性和抗負(fù)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(yǎng)菌，繁殖較慢。

圖3 生物反應(yīng)器啟動(dòng)期的運(yùn)行結(jié)果

這是因?yàn)榛旌暇鷣?lái)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(zhǎng)，故氧化效率高，降解速率快。而純菌是在馴化培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行了分離純化，為單一菌種，易被硫化物達(dá)到飽和，故氧化速率較低。廢氣的生化處理有別于其它工業(yè)微生物學(xué)，并非菌種越純?cè)胶茫鴳?yīng)選擇含有多種微生物相的菌液作為研究的菌種[12]。

2.2 進(jìn)氣濃度對(duì)去除率的影響

生物滴濾塔在 25～35 ℃的條件下連續(xù)運(yùn)行，在進(jìn)氣流量為8 m3/h、噴淋水量為4.5 L/h的條件下，考察進(jìn)氣濃度對(duì)去除率的影響。

由圖3可知，接種純菌的生物反應(yīng)器A，當(dāng)進(jìn)氣濃度低于600 mg/m3時(shí)，隨著進(jìn)氣濃度的增加，硫化氫的去除率接近 100%。當(dāng)進(jìn)氣濃度超過 600 mg/m3時(shí)，硫化氫的去除率隨著進(jìn)氣濃度的增加而下降。接種活性污泥的生物反應(yīng)器B，當(dāng)進(jìn)氣濃度低于750 mg/m3時(shí)，隨著進(jìn)氣濃度的增加，硫化氫的去除率接近 100%。當(dāng)進(jìn)氣濃度超過 750 mg/m3時(shí)，硫化氫的去除率隨著進(jìn)氣濃度的增加而下降。圖4結(jié)果表明，A塔對(duì)硫化氫的去除率在高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)低于B塔，圖5所表示的去除速率NR隨進(jìn)氣負(fù)荷Nv變化的結(jié)果也體現(xiàn)了與圖4相同的傾向。

表3 ZG11生理生化指標(biāo)

圖4 進(jìn)氣濃度對(duì)去除率的影響

進(jìn)氣負(fù)荷對(duì)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(fù)荷變化范圍為0.53～226.67 g/(m3·h)。運(yùn)行結(jié)果表明，兩種反應(yīng)器的去除速率NR都是隨著進(jìn)氣負(fù)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(shí)，滴濾塔 A與B的去除速率NR隨Nv的增加接近線性變化。當(dāng)Nv分別高于以上值時(shí)，生物滴濾塔A與B的NR隨Nv的增加呈非線性變化，進(jìn)氣負(fù)荷對(duì)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(qiáng)的硫化氫去除能力，能夠承受更高的進(jìn)氣負(fù)荷。在分析生物量時(shí)發(fā)現(xiàn)，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(shí)，微生物之間的協(xié)同效應(yīng)可能是滴濾塔B獲得較高降解速率的另一個(gè)重要因素。

圖5 硫化氫進(jìn)氣負(fù)荷對(duì)去除速率的影響

2.3 壓力損失

生物滴濾塔內(nèi)的壓力損失是重要的運(yùn)行指標(biāo)，它關(guān)系到能量的消耗，直接影響生物滴濾塔的運(yùn)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(duì)比，結(jié)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(yùn)行穩(wěn)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?yàn)槲磼炷ぬ盍蠈拥目紫堵瘦^大，壓力損失主要由多孔填料中的沿程阻力損失構(gòu)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(jié)構(gòu)造成的局部阻力損失增大，同時(shí)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(jìn)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(duì)H2S去除率的影響

氮是微生物細(xì)胞的重要組成部分，約占細(xì)胞干重的10%～15%。氮源提供微生物合成自身細(xì)胞蛋白質(zhì)的物質(zhì)，對(duì)污染物的生物降解能夠產(chǎn)生重要的作用。在硫化氫進(jìn)氣濃度為600 mg/L及其它營(yíng)養(yǎng)元素濃度不變的條件下，主要考察氮源對(duì)去除率的影響。實(shí)驗(yàn)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?yàn)槲⑸锾峁┑矗硪环矫婺蛩刂械腃和O元素由生物降解后主要生成CO2和H2O，對(duì)環(huán)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(duì)去除率的影響

在氣相生物滴濾塔的實(shí)際運(yùn)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(dòng)。因此，在噴淋液流過的填料表面，氮源的濃度較高，而其它區(qū)域氮源的供給則通過填料間隙的液體和生物膜中的擴(kuò)散來(lái)完成。當(dāng)噴淋液中氮源濃度升高時(shí)，填料中氮源的濃度梯度增加，擴(kuò)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(yīng)器A與B的去除率均有一定的提高，系統(tǒng)運(yùn)行效果的穩(wěn)定性也得到一定的增強(qiáng)。相比之下，氮源對(duì)生物反應(yīng)器B的影響較大。接種活性污泥的生物反應(yīng)器B 由微生物菌群組成，包括自養(yǎng)菌與異樣菌，對(duì)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(yīng)器A主要由自養(yǎng)菌組成，對(duì)氮源的利用率較低，受到氮源的影響較小。

3 結(jié) 論

兩種生物膜反應(yīng)器處理H2S惡臭氣體的實(shí)驗(yàn)表明了生物脫臭方法脫臭效率高、安全可靠等特點(diǎn)。經(jīng)過長(zhǎng)期的運(yùn)行結(jié)果，得出如下結(jié)論。

（1）在2 L/h的噴淋量下，接種活性污泥的生物反應(yīng)器啟動(dòng)較快，大約需要15天的馴化期。接種辮硫桿菌的生物反應(yīng)器啟動(dòng)相對(duì)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(qiáng)的去除能力，對(duì)H2S單位體積基質(zhì)利用率高，能夠承受更高的進(jìn)氣負(fù)荷。在去除率接近 100%的條件下，滴濾塔A與B的最大進(jìn)氣負(fù)荷分別為113.33 g/(m3·h)和133.33 g/(m3·h)，最大進(jìn)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(jìn)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(yīng)器的去除率和運(yùn)行效果的穩(wěn)定性均得到一定的增強(qiáng)。接種辮硫桿菌的生物反應(yīng)器A主要由自養(yǎng)菌組成，對(duì)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(yīng)器B由微生物菌群組成，對(duì)氮源的利用率較高，受氮源的影響較大。

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