氧化硫硫桿菌固定化菌球制備及其耦合填料去除H2S

石超宏,盧鈺升,顧文杰,2*,解開(kāi)治,徐培智,王 丹,彭煥龍,李雅瑩,孫麗麗

氧化硫硫桿菌固定化菌球制備及其耦合填料去除H2S

石超宏1,盧鈺升1,顧文杰1,2*,解開(kāi)治1,徐培智1,王 丹1,彭煥龍1,李雅瑩1,孫麗麗1

(1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,農(nóng)業(yè)部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省土壤微生物與耕地保育工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510640；2.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室茂名分中心,廣東 茂名 525000)

以海藻酸鈉(SA)為包埋載體,對(duì)氧化硫硫桿菌()進(jìn)行固定化制備菌球,優(yōu)化菌球制備條件,在生物濾塔內(nèi)驗(yàn)證其對(duì)H2S的去除能力.以前期馴化獲得的富含硫系惡臭降解微生物菌群的污泥為菌源進(jìn)行生物濾塔填料篩選,耦合菌球和填料進(jìn)行生物除臭.結(jié)果表明,優(yōu)選的固定化條件為:SA濃度3.0%?吸附劑CNT?菌懸液與混合液比例20%?CaCl2濃度4.0%?改性劑己二胺溶液,獲得的菌球機(jī)械強(qiáng)度?傳質(zhì)性能?硫氧化能力最好.將菌球填裝于生物濾塔,H2S最大去除率和去除能力為70%和1.06g H2S/m3·h.以混合掛膜方式進(jìn)行填料掛膜后,在聚氨酯泡沫?活性碳布和陶粒中優(yōu)選出最佳填料活性碳布,獲得H2S最大去除率和去除能力為88%和0.84g H2S/m3·h.以混合填裝方式將菌球與活性碳布填裝于生物濾塔,獲得H2S最大去除率和去除能力為86%和1.00g H2S/m3·h.

微生物固定化；氧化硫硫桿菌；H2S；生物滴濾

我國(guó)畜禽產(chǎn)品需求量的急劇增加促進(jìn)了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模化發(fā)展,但隨之而來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題,特別是惡臭污染問(wèn)題也日益凸顯,引起廣泛關(guān)注[1].養(yǎng)殖場(chǎng)散發(fā)的惡臭和畜禽糞污處理處置過(guò)程的惡臭既危害居民健康,又降低經(jīng)濟(jì)效益[2-3].在眾多惡臭物質(zhì)中,硫系惡臭因其極低的嗅閾值和較高的臭氣指數(shù)而受到廣泛關(guān)注,且大部分硫系惡臭還具有毒有害特性[4-5].因此,硫系惡臭物質(zhì)的有效去除是一項(xiàng)重要任務(wù).

傳統(tǒng)的惡臭污染處理方法主要是物理方法和化學(xué)方法,盡管這些方法取得了一定的應(yīng)用成果,但存在成本高?二次污染嚴(yán)重?設(shè)備較多等不足.而生物除臭法由于具有運(yùn)行費(fèi)用低?處理效率高?處理量大?無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[6-8].微生物在生物除臭過(guò)程發(fā)揮重要作用,如sp.、sp.、sp.?sp.、sp.、sp.、sp.等均被報(bào)道用于硫系惡臭的去除[4,9].硫桿菌屬能將還原態(tài)硫氧化成單質(zhì)硫或硫酸鹽,在硫系惡臭處理領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力[10],但其生長(zhǎng)繁殖速度慢,菌體較小容易隨營(yíng)養(yǎng)液流失,限制了其效果與應(yīng)用[11-12].采用微生物固定化技術(shù)將硫桿菌屬固定在載體上,可減少微生物菌體的流失,增加微生物豐度,為上述瓶頸問(wèn)題提供了良好的啟示,但目前微生物固定化技術(shù)主要用于污水處理和土壤修復(fù)領(lǐng)域,在除臭領(lǐng)域的應(yīng)用報(bào)道較少[13-15].硫桿菌屬固定化在污染物去除領(lǐng)域的應(yīng)用主要是通過(guò)吸附作用將微生物吸附在載體表面[16-17].通過(guò)包埋法將硫桿菌屬固定在載體內(nèi)部,用于污染物去除的報(bào)道較少.但與吸附作用相比,通過(guò)包埋作用獲得的固定化菌球機(jī)械強(qiáng)度高,使用壽命長(zhǎng)[18-19].

填料是除臭微生物的載體,其性能直接影響微生物的生長(zhǎng)繁殖與附著掛膜,對(duì)除臭效果具有顯著影響[4,20].已經(jīng)被報(bào)道用于生物除臭的填料有陶粒、煤粒、硅藻土、聚丙烯鮑爾環(huán)、聚氨酯泡沫、生物活性炭、木屑等[4,21-23].針對(duì)不同污染物和功能微生物,填料對(duì)污染物的去除效果顯示出明顯差異[24-25].

本研究以氧化硫硫桿菌()為目標(biāo)菌,采用包埋法對(duì)其進(jìn)行固定化,研究海藻酸鈉(SA)濃度、氯化鈣濃度、菌濃度等因素對(duì)固定化效果的影響,在包埋劑中添加吸附劑提高固定化效果,對(duì)固定化菌球進(jìn)行表面改性提高機(jī)械強(qiáng)度,并在生物濾塔內(nèi)驗(yàn)證固定化菌球?qū)2S的去除效果.利用前期馴化獲得的富含硫系惡臭降解微生物菌群的污泥為菌源進(jìn)行填料篩選,并耦合固定化菌球和填料進(jìn)行生物滴濾除臭,為微生物固定化技術(shù)在生物除臭領(lǐng)域應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 微生物菌株與培養(yǎng)基 本研究所采用的硫氧化細(xì)菌為氧化硫硫桿菌,購(gòu)買(mǎi)于美國(guó)模式培養(yǎng)物集存庫(kù),菌種保藏號(hào)為ATCC 19377,最適生長(zhǎng)溫度為26℃.采用ATCC 125培養(yǎng)基(硫桿菌培養(yǎng)基)進(jìn)行菌體的培養(yǎng),其配方為:(NH4)2SO40.2g/L、MgSO4·7H2O 0.5g/L、CaCl20.25g/L、KH2PO43.0g/L、FeSO45mg/L、單質(zhì)S 10g/L.單質(zhì)S于100℃下重復(fù)高壓滅菌30min,無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)液用過(guò)濾除菌.

1.1.2 固定化試劑 海藻酸鈉(SA)、生物炭(BC)、碳納米管(CNT)、石墨烯(G)、納米磁性氧化鐵(NMIO)、己二胺(HDA)、聚乙烯亞胺(PEI)、十二烷基硫酸鈉(SDS)購(gòu)買(mǎi)于阿拉丁試劑有限公司,CaCl2、吐溫80(T80)購(gòu)買(mǎi)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

1.1.3 生物濾塔與循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液 本研究選用自行設(shè)計(jì)的生物濾塔作為驗(yàn)證固定化菌球?qū)2S去除效果與篩選填料的裝置主體.濾塔由有機(jī)玻璃制成,塔外徑為105mm,內(nèi)徑為90mm,塔體總高度為800mm,分上、中、下3層填裝填料,每層填料層高度為200mm,用多孔有機(jī)玻璃板分隔開(kāi),并用于支撐填料,兩層填料層之間間隔為60mm,塔底設(shè)置進(jìn)氣層,高度為40mm,塔頂部設(shè)置布液層,高度為40mm.在生物濾塔運(yùn)行期間,頂部持續(xù)噴淋循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液,一方面為除臭微生物的生長(zhǎng)繁殖提供水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),另一方面及時(shí)沖刷帶走微生物代謝產(chǎn)物.循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液組成為:葡萄糖2.5g/L、尿素0.1g/L、KH2PO40.03g/L、CaCl20.02g/L、MgCl2·6H2O 0.02g/L、FeSO47H2O 0.01g/L.

1.1.4 填料 本研究篩選的填料包括聚氨酯泡沫塑料(2cm×2cm×2cm)、活性碳布(2cm×2cm×4mm)和陶粒(D = 3-5mm),如圖1所示.

圖1 填料圖片

1.2 微生物固定化及其優(yōu)化

將接種至培養(yǎng)基,于26℃、165r/min下振蕩培養(yǎng)至菌液OD600值為0.4～0.5,過(guò)濾收集菌體,在無(wú)菌蒸餾水中重懸成OD600值為1.0的菌懸液.將一定量的SA加入到去離子水中,恒溫水浴加熱至90℃并攪拌待其完全溶解后冷卻至常溫,按一定比例將菌懸液與SA溶液混合均勻,利用注射器將混合液滴入到一定濃度CaCl2溶液中,于常溫下充分鈣化成球,待小球完全成型后取出并用無(wú)菌生理鹽水洗滌,用濾紙吸干表面水分后置于4℃下儲(chǔ)存?zhèn)溆?

設(shè)置SA濃度為1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%,CaCl2濃度為2.0%、4.0%、6.0%、8.0%,菌懸液與混合液比例為20%,以微生物菌球制作難易?成型難易?機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)性能為考察指標(biāo),優(yōu)化SA和CaCl2濃度.設(shè)置SA和CaCl2濃度為3.0%和4.0%,菌懸液與混合液比例為5%、10%、20%、40%,將200個(gè)粒徑分布均勻的固定化菌球投入到200mL培養(yǎng)液,以22.1g Na2S2O3·5H2O代替ATCC 125培養(yǎng)基中的10g單質(zhì)S,于26oC、165r/min下震蕩培養(yǎng)10d,以培養(yǎng)液pH值和SO42-離子濃度為考察指標(biāo),優(yōu)化菌懸液比例.設(shè)置SA和CaCl2濃度為3.0%和4.0%,菌懸液與混合液比例為20%,在混合液中加入0.2%的BC、CNT、G、NMIO,以微生物菌球傳質(zhì)性能為考察指標(biāo),優(yōu)選吸附劑.設(shè)置SA和CaCl2濃度為3.0%和4.0%,菌懸液與混合液比例為20%,將微生物菌球懸浮于0.1mol/L的HAD、PEI、SDS、T80溶液中,室溫100r/min下震蕩6h,以微生物菌球機(jī)械強(qiáng)度為考察指標(biāo),優(yōu)選改性劑.

1.3 固定化菌球性能的測(cè)定

菌球制作難易:以SA溶液和菌懸液的混合液從注射器滴入CaCl2溶液的時(shí)間來(lái)判定菌球制作難易程度,分為容易、較容易、不易、困難4個(gè)等級(jí).

菌球成型難易:以制備的微生物固定化菌球是否易于成型為規(guī)則的球形為判定標(biāo)準(zhǔn),分為容易、較容易、不易3個(gè)等級(jí).

菌球機(jī)械強(qiáng)度:將400個(gè)粒徑分布均勻的菌球投入到400mL蒸餾水中,于200r/min下震蕩3d,觀察菌球破碎情況,計(jì)算未破損菌球數(shù)的比例,定義為菌球機(jī)械強(qiáng)度.

菌球傳質(zhì)性能:將50g粒徑分布均勻的菌球投入到100mL濃度為0.005%的亞甲基藍(lán)溶液中,于150r/min下震蕩24h,測(cè)量溶液在665nm下的吸光度,以原始亞甲基藍(lán)溶液在665nm下的吸光度為對(duì)照,計(jì)算吸光度下降比例為菌球傳質(zhì)性能.

1.4 固定化菌球?qū)2S去除效果的驗(yàn)證

在優(yōu)化條件下制備固定化菌球,于生物濾塔內(nèi)每層填料層中填裝250g固定化菌球,以含100×10-6H2S的H2S與空氣混合氣體為進(jìn)氣,在進(jìn)氣流速為100mL/min?循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液流速為300mL/min的條件下運(yùn)行生物濾塔.當(dāng)循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液pH值下降至3.0后更換新鮮循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液.在濾塔的出氣口每天采集氣體,測(cè)量剩余H2S濃度,計(jì)算H2S去除率.

1.5 生物濾塔填料篩選

采用混合掛膜方式進(jìn)行填料掛膜.首先將填料聚氨酯泡沫塑料(120塊)、活性碳布(600片)、陶粒(960cm3)浸沒(méi)在前期馴化構(gòu)建的富含硫系惡臭物質(zhì)降解微生物菌群的污泥中48h,采用曝氣將污泥中的硫系惡臭物質(zhì)降解微生物菌群預(yù)掛膜于填料上,隨后將預(yù)掛膜的填料填裝于生物濾塔,利用蠕動(dòng)泵向?yàn)V塔內(nèi)噴淋上述污泥進(jìn)一步進(jìn)行填料掛膜48h,在填料上形成一定厚度的生物膜,即完成濾塔填料掛膜.上述污泥制備過(guò)程如下:以廣州市某生活污水處理廠二沉池活性污泥和分離自雞糞堆肥物料且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的副球菌屬B16 (GDMCC 60967)與假黃色單胞菌屬HB3 (GDMCC 60966)為菌源,以硫化鈉為底物,通過(guò)馴化方法構(gòu)建所得.硫化鈉濃度0.5g/L,馴化時(shí)間16d,污泥中硫桿菌屬、副球菌屬、假黃色單胞菌屬、假單胞菌屬等具有硫氧化能力的微生物相對(duì)豐度分別為0.1576%、49.1334%、1.0418%和0.0092%.在進(jìn)氣H2S濃度100×10-6、流速100mL/min、循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液流速300mL/min的條件下運(yùn)行生物濾塔.當(dāng)循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液pH值下降至3.0后更換新鮮循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液.在濾塔的出氣口每天采集氣體,測(cè)量剩余H2S濃度,計(jì)算H2S去除率,優(yōu)選填料.

1.6 A. thiooxidans固定化菌球耦合填料除臭

將固定化菌球(750g)與預(yù)掛膜的填料活性碳布(600片)以混合填裝和分層填裝的方式填裝于生物濾塔,利用蠕動(dòng)泵向?yàn)V塔內(nèi)噴淋上述污泥進(jìn)一步進(jìn)行填料掛膜48h.在進(jìn)氣H2S濃度200×10-6、流速100mL/min、循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液流速300mL/min的條件下運(yùn)行生物濾塔.當(dāng)循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液pH值下降至3.0后更換新鮮循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液.在濾塔的出氣口每天采集氣體,測(cè)量剩余H2S濃度,計(jì)算H2S去除率,考察固定化菌球耦合填料除臭效果.

1.7 分析方法

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用SPSS 18.0進(jìn)行各處理組H2S去除率方差分析,用最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行組間多重比較,<0.05表示有顯著性差異,<0.01表示有極顯著性差異.采用氣相色譜法測(cè)量生物濾塔出氣口剩余H2S濃度,計(jì)算H2S去除率.采用離子色譜法測(cè)量培養(yǎng)液SO42-離子濃度.采用pH計(jì)測(cè)量培養(yǎng)液pH值.

2 結(jié)果與討論

2.1 A. thiooxidans固定化菌球表觀特性及固定化條件優(yōu)化

不同SA濃度和CaCl2濃度下,固定化菌球如圖2所示,菌球制作難易?成型難易?機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)性能如表1和圖2所示.可以看出,當(dāng)SA濃度為1%時(shí),在任何CaCl2濃度下,均不能形成穩(wěn)定形狀的菌球,這與文獻(xiàn)報(bào)道中SA濃度偏低時(shí),SA與Ca2+交聯(lián)度太低,極難成球的現(xiàn)象一致[26].隨著SA濃度的增加,形成的菌球形狀逐漸為規(guī)則球形,且粒徑大小分布均勻.但當(dāng)SA濃度較大時(shí)(5%),菌球拖尾現(xiàn)象十分明顯,這與文獻(xiàn)報(bào)道中高濃度的包埋劑會(huì)導(dǎo)致固定化菌球拖尾現(xiàn)象一致[27-28].進(jìn)一步考察菌球的制作難易、成型難易、機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)性能等指標(biāo),可以看出,低濃度SA導(dǎo)致菌球制作過(guò)程較容易,但不利于形成規(guī)則球形,且菌球機(jī)械強(qiáng)度較低.增加SA濃度使混合溶液粘度增加,不利于菌球制作,但有利于形成規(guī)則球形,且菌球機(jī)械強(qiáng)度增加.CaCl2濃度對(duì)菌球制作難易與成型難易無(wú)明顯影響,但影響菌球的機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)性能.CaCl2濃度越大,菌球外層殼越厚,使其機(jī)械強(qiáng)度越大,但其傳質(zhì)性能越低,這與文獻(xiàn)報(bào)道中CaCl2濃度對(duì)固定化菌球機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)性能的影響規(guī)律一致[29-30].綜合考慮菌球制作難易、成型難易、機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)性能等指標(biāo),優(yōu)選SA濃度和CaCl2濃度為3.0%和4.0%.

表1 不同SA和CaCl2濃度下A. thiooxidans固定化菌球制作難易、成型難易、球機(jī)械強(qiáng)度(%)和傳質(zhì)性能(%)

圖2 不同SA和CaCl2濃度下微生物固定化菌球照片

在優(yōu)選SA和CaCl2濃度為3.0%和4.0%的條件下,研究不同菌懸液與混合液比例制備的菌球硫氧化能力.本研究設(shè)置了4個(gè)比例梯度,即5%(T1)、10%(T2)、20%(T3)和40%(T4),培養(yǎng)液pH值和SO42-濃度變化如圖3所示.可以看出,隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),各處理培養(yǎng)液pH值下降,SO42-濃度增加.菌懸液與混合液比例越大,培養(yǎng)液pH值下降量和SO42-濃度增加量越大,但T3處理和T4處理在培養(yǎng)前期pH值和SO42-濃度并無(wú)明顯差異,而在培養(yǎng)后期T3處理pH值下降量和SO42-濃度增加量卻高于T4處理,說(shuō)明T3處理的固定化菌球硫氧化能力較好,其原因可能是在培養(yǎng)后期T4處理固定化菌球內(nèi)菌體密度較大,出現(xiàn)了對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧等產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象,反而限制了固定化菌球的硫氧化能力.這與文獻(xiàn)報(bào)道中包菌量太大對(duì)固定化微生物菌球去除污染物的能力無(wú)明顯增強(qiáng)作用或產(chǎn)生抑制作用的現(xiàn)象相吻合[26,28,31].因此,本研究?jī)?yōu)選的菌懸液與混合液比例為20%.

在SA溶液中添加0.2%吸附劑BC、CNT、G、NMIO,其對(duì)固定化菌球傳質(zhì)性能的影響如表2所示.可以看出,添加的吸附劑均能夠提高固定化菌球的傳質(zhì)性能.BC和CNT能大幅度提高菌球的傳質(zhì)性能,而G和NMIO對(duì)菌球傳質(zhì)性能的提高幅度較小.添加CNT時(shí),菌球傳質(zhì)性能由70.80%提高至94.15%,這將有利于固定化菌體數(shù)量的增加和微生物對(duì)惡臭物質(zhì)的捕集.戴云飛等在利用包埋法固定化功能微生物時(shí),發(fā)現(xiàn)在包埋劑中添加生物炭能夠提高固定化效果,促進(jìn)固定化菌球?qū)ξ廴疚锏慕到?這與本研究結(jié)果相似[28].杜青平等發(fā)現(xiàn)在青霉菌固定化過(guò)程中添加活性炭能夠提高菌球的機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)性能,提高污染物去除效果[32].

表2 吸附劑對(duì)菌球傳質(zhì)性能和改性劑對(duì)菌球機(jī)械性能的影響

將固定化菌球懸浮于不同改性劑溶液中,對(duì)固定化菌球機(jī)械性能的影響如表2所示.可以看出,HDA和PEI可以提高菌球的機(jī)械性能,但SDS和T80降低了菌球的機(jī)械性能.將菌球懸浮于0.1mol/L的HDA溶液后,菌球機(jī)械性能由90%提高至97%,這將有利于增加菌球在生物濾塔內(nèi)的使用壽命.Nwankwegu等在綜述微生物固定化技術(shù)在生物強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域的重要作用和應(yīng)用前景時(shí),也提出了通過(guò)菌球表面改性來(lái)提高其機(jī)械強(qiáng)度和使用壽命的重要觀點(diǎn),而HDA也是一種重要的改性劑[33].在上述研究的基礎(chǔ)上,確定了固定化條件為:3.0%的SA?吸附劑CNT?20%的.菌懸液與混合液比例、4.0%的CaCl2、改性劑HDA.

2.2 A. thiooxidans固定化菌球?qū)2S的去除效果

圖4 填裝A. thiooxidans固定化菌球和空白球的生物濾塔對(duì)H2S的去除率

將優(yōu)化條件下制備的固定化菌球填裝至生物濾塔,以未固定的空白球作為對(duì)照,H2S的去除率如圖4所示.填裝固定化菌球的濾塔在運(yùn)行前期H2S的去除率持續(xù)上升,于第8d基本穩(wěn)定在70%左右,計(jì)算濾塔的H2S去除能力為1.06g H2S/m3·h.而空白球?qū)φ仗幚淼腍2S去除率低于7%,此時(shí)H2S的去除可能是由于H2S溶解于循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液導(dǎo)致的.Aita等利用在生物濾塔內(nèi)去除沼氣中的H2S時(shí)也發(fā)現(xiàn)未接種功能菌的對(duì)照組也有極低的H2S去除率.接種了的濾塔對(duì)沼氣中H2S的平均去除率為75%,去除能力為130g H2S/m3·h,顯著高于本研究所獲得的去除能力,這與實(shí)驗(yàn)條件(菌種馴化?進(jìn)氣濃度?進(jìn)氣流速)的差異有關(guān)[21].本研究生物濾塔運(yùn)行14d后,濾塔內(nèi)固定化菌球的質(zhì)量為運(yùn)行前的75.25%,菌球機(jī)械強(qiáng)度由97%下降至90%.

2.3 生物濾塔填料優(yōu)選

本研究團(tuán)隊(duì)前期以污水處理廠活性污泥和分離自雞糞堆肥物料的副球菌屬B16與假黃色單胞菌屬HB3為菌源,以Na2S為底物,通過(guò)馴化方法獲得了富含硫系惡臭物質(zhì)降解微生物菌群的污泥.本研究以上述污泥為菌源進(jìn)行生物濾塔填料篩選.不同填料對(duì)生物濾塔內(nèi)H2S去除率的影響如圖5所示.可以看出,3種填料下濾塔內(nèi)H2S的去除率隨時(shí)間變化規(guī)律相似,但以活性碳布為填料時(shí),濾塔內(nèi)H2S的去除率極顯著高于以聚氨酯泡沫塑料和陶粒為填料的處理(<0.01),最大H2S去除率為88%,濾塔的H2S去除能力為0.84g H2S/m3·h,其原因可能是活性碳布的持水性能較好,表面較粗糙,導(dǎo)致其掛膜能力較強(qiáng).填裝3種填料時(shí),濾塔內(nèi)H2S的去除率存在極顯著差異(<0.01).本研究活性碳布的單位體積掛膜干物質(zhì)量為0.226g/cm3,大于聚氨酯泡沫塑料和陶粒的值(0.178和0.158g/ cm3).因此,優(yōu)選的填料為活性碳布.Santos-Clotas等以活性碳布為生物濾塔填料時(shí),能夠有效去除污水處理廠臭氣中的硅氧烷和揮發(fā)性有機(jī)污染物[34].

圖5 不同填料對(duì)生物濾塔內(nèi)H2S去除率的影響

2.4 A. thiooxidans固定化菌球耦合填料對(duì)H2S的去除效果

耦合微生物固定化技術(shù)和填料活性碳布進(jìn)行生物滴濾除臭,固定化菌球與活性碳布填裝方式對(duì)生物濾塔內(nèi)H2S去除率的影響如圖6所示.可以看出,固定化菌球與活性碳布混合填裝和分層填裝時(shí),濾塔內(nèi)H2S的去除率隨時(shí)間變化規(guī)律相似.混合填裝時(shí),濾塔內(nèi)H2S的去除率極顯著高于分層填裝的處理(<0.01),最大H2S去除率為86%,濾塔的H2S去除能力為1.00g H2S/m3·h.分層填裝時(shí)H2S的去除率和去除能力分別為63%和0.74g H2S/ m3·h.固定化菌球與活性碳布混合填裝時(shí),濾塔填料層孔隙率較大,有可能是導(dǎo)致濾塔內(nèi)H2S去除效果較好的重要原因之一.此外,菌球與活性碳布混合填裝可以減輕固定化菌球間的擠壓,緩解生物除臭過(guò)程中菌球的破損情況,減少菌體的流失,提高H2S去除效果.本研究生物濾塔運(yùn)行14d后,混合填裝濾塔內(nèi)固定化菌球剩余質(zhì)量為運(yùn)行初期菌球質(zhì)量的86.65%,菌球機(jī)械強(qiáng)度下降至95%,而分層填裝濾塔內(nèi)固定化菌球剩余質(zhì)量為運(yùn)行初期菌球質(zhì)量的74.65%,菌球機(jī)械強(qiáng)度下降至89%,進(jìn)一步驗(yàn)證了上述推測(cè).

圖6 A. thiooxidans固定化菌球和活性碳布填裝方式對(duì)生物濾塔內(nèi)H2S去除率的影響

3 結(jié)論

3.1 本研究建立和優(yōu)化了固定化方法,確定了固定化菌球最佳制備條件:SA濃度為3.0%?吸附劑為CNT、菌懸液與混合液比例為20%、CaCl2濃度為4.0%?改性劑為HDA.將優(yōu)化條件下制備的固定化菌球填裝于生物濾塔,獲得H2S最大去除率和去除能力分別為70%和1.06g H2S/m3·h.

3.2 在聚氨酯泡沫?活性碳布和陶粒中優(yōu)選出最佳填料活性碳布,獲得H2S最大去除率和去除能力為88%和0.84g H2S/m3·h.

3.3 耦合固定化菌球和活性碳布,可處理較高濃度臭氣.以混合填裝方式將固定化菌球與活性碳布填裝于生物濾塔,除臭效果優(yōu)于分層填裝,獲得H2S最大去除率和去除能力為86%和1.00g H2S/m3·h.

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The preparation ofimmobilized pellet and its coupling removal of H2S with packing material.

SHI Chao-hong1, LU Yu-sheng1, GU Wen-jie1, 2*, XIE Kai-zhi1, XU Pei-zhi1, WANG Dan1, PENG Huan-long1, LI Ya-ying1, SUN Li-li1

(1.Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region, Ministry of Agriculture, Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation, Guangdong Engineering Research Center of Soil Microbes and Cultivated Land Conservation, Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510640, China；2.Maoming Branch, Guangdong Laboratory for Lingnan Modern Agriculture, Maoming 525000, China)., 2022,42(5)：2331～2338

was immobilized to prepare bacterial pellet using sodium alginate (SA) as the carrier. The microbial immobilization process was optimized and the removal capacity of the bacterial pellet to H2S was examined in a biofilter. Meanwhile, acclimated activated sludge containing sulfur malodorous eliminating microbial consortium obtained previously was employed as bacterial source to screen packing media in biofilter. Lastly,immobilized pellet and the screened packing media were coupled to biotrickling filtration deodorization. The results showed that the optimal conditions for microbial immobilization process were 3.0% of SA, adding adsorbent carbon nanotubes (CNT) into SA solution, keeping the ratio ofbacterial suspension solution to the mixture solution at 20%, 4.0% of CaCl2, suspending immobilized pellet into hexanediamine (HDA) solution for surface modification. Fillingimmobilized pellet into biofilter to eliminate H2S, and the removal efficiency and elimination capacity of H2S reached 70% and 1.06g H2S/m3·h. Activated carbon cloth was screened as the best packing media among polyurethane foam, activated carbon cloth and ceramsite, and the removal efficiency and elimination capacity of H2S reached 88% and 0.84g H2S/m3·h in this case. Fillingimmobilized pellet and activated carbon cloth into biofilter with mixing pattern to eliminate H2S, the removal efficiency and elimination capacity of H2S reached 86% and 1.00g H2S/m3·h.

microbial immobilization；；hydrogen sulfide；biotrickling filtration

X172,X701

A

1000-6923(2022)05-2331-08

石超宏(1990-),男,安徽安慶人,助理研究員,博士,主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物處理與資源化、環(huán)境污染控制與治理研究.發(fā)表論文6篇.

2021-10-27

廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020B0202090004);廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)基金資助項(xiàng)目(201934);廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(202226);廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)學(xué)科團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目(202121TD);廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(2021A1515011211);廣東省高端外國(guó)專(zhuān)家項(xiàng)目(粵科函資字〔2019〕1538號(hào));廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2021KJ118);茂名實(shí)驗(yàn)室自主科研項(xiàng)目(2021ZZ003);廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(202002020075)

* 責(zé)任作者, 研究員, 616390890@qq.com