微生物法處理含硫工業(yè)廢氣

1、2002年3月q艷玲等:微生物法處理含硫工業(yè)廢氣#Mar. 2002現(xiàn)代化工M(xleni Chemical Industiy疥煤芍安全 本欄li由中國化工防治污染技術(shù)協(xié)會協(xié)辦微生物法處理含硫工業(yè)廢氣馬艷玲趙景聯(lián)楊們倫（西安交通人學(xué)環(huán)境與化學(xué)匸程學(xué)院，西安710049）摘耍:指出了含詭1.業(yè)廢氣傳統(tǒng)處理方法的缺陷，介紹了微工物處理方法的優(yōu)勢所在：對微生物茵種的共同持征以及無機(jī) 硫和仃機(jī)硫脫除時(shí)菌種的選擇依據(jù)進(jìn)彳了 了討論，并對微生物法脫硫的機(jī)理進(jìn)行了分析：評述了國內(nèi)外生物灘池法、生物滴濾池 法和生物吸收比等生物膜法脫硫的工藝及其工業(yè)化應(yīng)用.指出了微生物法脫硫技術(shù)冇待深入研究的問題、發(fā)展趨勢和應(yīng)

2、用前 景.關(guān)鍵訶：微生物陀硫：含硫廢壯：廢氣處理：怕種中圖分類號：X701.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ATreatment of sulfur-containing waste gases by microbial technologyAM Yan-ling, ZHAO Jing-luin. YANG Bo-lun(School of Environment and Chemical Engineering，Xi an Jiaotong Univeisity* Xi an 710049, China)Abstract： limitations of tinditional metluxls in tirt

3、ing industrial sulfur-containing waste gases are pointed out. Advan Cages of inicn)l)ial techimbgy are intnxluced. Cliamcknistics of niicivbial strains and liases of selecting miciubial stmiiis for iix)i - gallic and oigaiiic desulfiuization aiv discussed Mecluuiisins of microbial desulfurization ar

4、e analyzed Some l)iofihn dcsulfuriza- tion methods including biofilten biotneking filter and biosorb aixl their applicatioiis in industrial fields at home and abroad are reviewed. Existing problems, development trends and application piospeds of microbial desulfiinzation technology aie deliberated.K

5、ey words： nucmbial (lesulfunzation: sulfiii-conlaining waste gases: waste gas tiratnient: strains2002年3月q艷玲等:微生物法處理含硫工業(yè)廢氣#2002年3月q艷玲等:微生物法處理含硫工業(yè)廢氣51收稿口期：20011116作者簡介：9艷冷，女，1975年生，西安交通大學(xué)憚七生（西北大學(xué)講師，主要從那微生物應(yīng)用、生物化學(xué)、環(huán)境保護(hù)等方而的研究：楊們倫，男. 丿山女較據(jù)博士 教授博七生導(dǎo)師主要從事反應(yīng)、分離及其相互耦合的研究。含硫工業(yè)廢氣的治理c成為工業(yè)“三廢”治理和 控制人氣污染物的一項(xiàng)亜耍任務(wù)。

6、目前國內(nèi)外相 繼開發(fā)出一系列較為有效的排放控制技術(shù)，如吸收 法、吸附法和燃燒法等。這些方法雖然脫硫效果較 好,但操作條件較為苛刻，催化劑價(jià)格昂貴，對設(shè)備 冇腐蝕等。尤其是吸附法和吸收法一般都要求對吸 附劑和吸收劑進(jìn)行再生，由此人人增加了過程的復(fù) 雜性和設(shè)備的投資額;燃燒法則宙丁廢氣燃燒不完 全而會產(chǎn)生二次污染等。微生物脫硫技術(shù)的開發(fā), 可解決以上問題2聞。微生物法能夠有效脫硫的原因在于所選微生物 不僅對廢氣適應(yīng)較快，而H可使污染物得到降解和 轉(zhuǎn)化。與傳統(tǒng)處理方法和比，微生物法處理丁業(yè)廢 氣的主要優(yōu)勢在丁工藝設(shè)備簡單,管理維護(hù)方便，能 耗少，運(yùn)行費(fèi)用低，二次污染少，而且去除有害成分 效率也比較高

7、以刃。1基礎(chǔ)研究1.1微生物菌種的選擇及其特性1947年，Cohner和Hinkle發(fā)現(xiàn)無機(jī)化能I氧菌 氧化亞鐵硫樸菌（Tliivbac'illus Jerr（K）xidans）能夠 促進(jìn)煤中黃鐵礦的氧化和分解：20世紀(jì)70年代開 始了煤炭微生物脫硫的應(yīng)用研究；而將微生物法用 于脫除含硫匸業(yè)廢氣的研究始于80年代初7。研 究人員一直在尋找其他也能夠應(yīng)用于工業(yè)廢氣脫硫 的微生物，至今C發(fā)現(xiàn)此類微生物約冇十兒種，如硫II'1*1 H( Thiob(icillus)、硫螺胡屬(Ijeptospirillum )、屮等 嗜熱的脫硫桿菌屬(SulfobaciUus)和極喜熱的古細(xì)菌 硫化

8、葉菌屈(Sulfolobus)等均員右明顯的脫硫能 力83 o這些細(xì)菌的共同特征是，在需氧條件下能 夠氧化Fe2+.S和無機(jī)硫化物，通常將還原性硫化物 氧化為期一，使環(huán)境變酸，并放出能量。主要脫硫 微生物的生長特征如表1所示。微生物種類生長溫 度/I最適營養(yǎng)能源脫硫卩H值類熨形態(tài)T. jirrooxidans20-352.0-3.0 "養(yǎng)Fe7和無機(jī)黃鐵礦磕化物T thumxuhns20-351.0-3.0 自養(yǎng)7、無機(jī)反化物黃鐵礦S aci(kjcal(kirius 60 701.53.5 異養(yǎng)2、無機(jī)硫化物有機(jī)瞌化物有機(jī)硫Acidicanus60-701.5 2.5 兼性4、無機(jī)

9、硫化物黃鐵礦白養(yǎng)lirierieyt40-901.0-5.8 兼性F"有機(jī)硫化物有機(jī)硫自養(yǎng)Pudonionas25357.0-7.2 異養(yǎng)仃機(jī)瞌化物有機(jī)硫芽他桿菌屈286.872界養(yǎng)冇機(jī)欣化物有機(jī)離衣1 JII脫硫的微生物的生理特征可以看出，用于脫除無機(jī)硫的細(xì)菌都屈于化能 自養(yǎng)型微生物，均從自然環(huán)境中分離并進(jìn)行純化:而 脫除冇機(jī)硫的界養(yǎng)菌人多經(jīng)過變界處理。除對已知 脫硫菌改性外，對未知脫硫菌的尋找仍在繼續(xù)進(jìn)行, 近年來又發(fā)現(xiàn)某些異養(yǎng)菌在厭氧條件下具有一定的 脫硫能力。1.2微生物法脫硫的機(jī)理對微生物法治理含硫工業(yè)廢氣的機(jī)理己作了許 多研究。有關(guān)資料表明還原態(tài)的無機(jī)硫在液 和及微生物的

10、作用下氧化,最終生成硫酸根離子，其 具體過程為：S2- f yoT S4or f S3O?- f SOi-fSO；，其中有些中間產(chǎn)物很不穩(wěn)定。具有這 種能力的微生物包括氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫桿菌 (Thiobacillus thiooxulans)、酸熱硫化葉菌(Sdlfblobus acidocardarius)、光合硫細(xì)胡以及冀菌等。光合細(xì)菌以硫化氫為供氫體，還原二氧化碳合 成菌體細(xì)胞，硫化氫被氧化為單質(zhì)硫或硫酸。而硫 桿繭和絲狀硫磺細(xì)菌是一類好氣微生物，它們可以 從硫化物如硫化氫、元素硫的氧化生成硫酸過程中 取得能吊為。趣據(jù):氣化碳。2處理含硫匸業(yè)廢氣的生物膜法生物膜法是微生物法中最受關(guān)

11、注的一種方法, 它是將微生物在塡料表I制古I定附看生長的生物處理 法,3o T業(yè)廢氣中的污染物和空氣中的氧,通過相 間傳質(zhì)被微生物所吸附并發(fā)生生物氧化反應(yīng)，從而 使工業(yè)廢氣得到凈化。生物膜法具冇以下優(yōu)點(diǎn): 生物和多樣化，除好氧菌外，還存在厭氧菌;生物 膜的含水率較低，單位體積內(nèi)生物屋較人，因此生物 反應(yīng)器具有較人的處理能力；共固左化微生物催 化劑顆粒小，細(xì)胞在單位體積中的活性髙，穩(wěn)泄性 髙;固定化方法簡單，工藝過程比較穩(wěn)圧，動力消 耗較少，成本較低;營養(yǎng)物質(zhì)利用效果好,轉(zhuǎn)化率 提高。用于凈化含硫工業(yè)廢氣的生物膜處理裝置，主 要有生物濾池及生物滴濾池兩種型式。2.1生物濾池法處理工業(yè)含硫廢氣的生

12、物濾池法工藝流程如圖 1所示3。生MM圖1生物濾池法匚藝流程生物濾池中填充具有吸附件的濾料(如灰泥、泥 炭、土壤或活性炭等物質(zhì)),微生物掛膜前，在濾料中 摻入pH緩沖液和N、P等營養(yǎng)元素(如NFNOs和 K2HPC)4)o將一定濕度的工業(yè)廢氣通入生物濾池, 通過相間傳質(zhì)為微生物提供碳源，從而在整個(gè)濾料 床層中形成微生物膜，使工業(yè)廢氣中污染物的生物 降解得以持續(xù)進(jìn)行。假定含硫工業(yè)廢氣在生物濾池 屮的凈化過程為傳質(zhì)與生化反應(yīng)的串聯(lián)過程，且傳 質(zhì)速率比生化反應(yīng)速率快，生化反應(yīng)過程為整個(gè)過 程的控制步驟。由于濾料(特別是活杵炭)具有較高 的吸附能力，可以使微生物胞外酶和污染物在濾料 和微牛物膜界面處濃

13、縮，從而提髙主化反應(yīng)速率，并使匚業(yè)廢氣的凈化程度得以提高。生物濾池I大I其較 好的通Y性和適度的通水和持水性，以及豐富的微 生物群落，所以能有效地處理含硫丁業(yè)廢氣。2.2生物滴濾池法處理工業(yè)含硫廢氣的生物滴濾池法工藝流程如 圖2所示。它與生物濾池法的最人區(qū)別是，在填 料上方噴淋循環(huán)液，設(shè)備內(nèi)除傳質(zhì)過程外還冇很強(qiáng) 的生物降解作用。與生物濾池不同，生物滴濾池使 用的填料（如粗碎石、塑料波紋板料、陶瓷等）不具吸 附性，且境料的表面是微生物區(qū)系形成的幾毫米厚 的生物膜,填料空隙很人，從而為氣體通過提供了人 量的空間；也使氣體對填料層造成的壓力以及微生 物生長和生物膜疏松引起的空間堵塞的危險(xiǎn)性降到 了垠

14、低。此外，在生物滴濾池中存在一個(gè)連續(xù)流動 的水和，幣個(gè)傳質(zhì)過程涉及氣、液、固三相，通過回流 水可以控制滴濾池水相的pH值，也可以在冋流水 中加入K2HPO4和NH4NO3等物質(zhì)，為微生物提供營 養(yǎng)元素。生物滴濾池的反應(yīng)條件（pH值、溫度）易于 控制（通過調(diào)節(jié)循環(huán)液的pH值、溫度），而生物濾池 中pH值的控制則主要通過在裝填料時(shí)投配適當(dāng)?shù)?固體緩沖劑來完成，一口緩沖劑耗盡，則需更新或再 生濾料，而溫度的調(diào)節(jié)則盂要外加強(qiáng)制措施來完成。 因此，在處理含硫、含氮等經(jīng)微生物降解會產(chǎn)生酸性 代謝產(chǎn)物及釋放能量較人的污染物時(shí)，生物滴濾池 比生物濾池更有效。懵師生圖2生物滴濾池法工藝流程另外，山丁單位體積填料

15、附著的微生物濃度較 島，生物滴濾池適丁處理髙濃度有機(jī)物。Tonga等的 研究表明，當(dāng)停留時(shí)間為50 s、處理效率為90%，時(shí), 生物滴濾池處理苯乙烯的負(fù)荷是生物濾池的2倍, 處理苯的負(fù)荷是生物濾池的3倍以上。如果於勸綁'上述兩種型式的生物膜反應(yīng)器 都具佝微生物濃度高、凈化反應(yīng)速度快、停留時(shí)間短 等優(yōu)點(diǎn)，可以使反應(yīng)裝n小型化，從而降低設(shè)備成 木。與常規(guī)處理法相比，具有設(shè)備簡單、運(yùn)行費(fèi)用 低、二次污染少等優(yōu)點(diǎn)。2.3生物吸收法處理工業(yè)含硫廢氣的生物吸收法的工藝流程如 圖3所示,8d9o生物懸浮液（循環(huán)液）自吸收室頂 部噴淋而下，使廢氣中的污染物和氧轉(zhuǎn)入液和從而 實(shí)現(xiàn)質(zhì)鼠轉(zhuǎn)移,吸收了廢氣組分

16、的生物懸浮液流入 再生反應(yīng)器（活性污泥池）中，通入空氣充氧再生，被 吸收的有機(jī)物通過微生物氧化作用，彊終被再生池 中活性污泥懸浮液除去。ft收11 廠t圖3生物吸收法工藝流程3微生物法處理含硫工業(yè)廢氣的應(yīng)用實(shí)例將微生物法應(yīng)用于含硫工業(yè)廢氣的凈化處理的 歷史很短，比較廣泛的研究是20世紀(jì)80年代初荷 蘭和德國科學(xué)家將其應(yīng)用于有機(jī)廢氣凈化領(lǐng)域獲 得良好凈化效果后才開始的，隨即引起美、H、英、法 等國的重視。H 80年代末期開始，該方法己逐漸成 為工業(yè)廢氣凈化研究的前沿?zé)狳c(diǎn)課題Z ，并U在 世界上一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到應(yīng)用如。微生物法處理工業(yè)廢氣的過程，實(shí)質(zhì)上是一種 氧化分解過程。微生物對工業(yè)廢氣進(jìn)行

17、分解時(shí)，部 分被分解物由微生物介成為新細(xì)胞；而另一部分被 分解則產(chǎn)生能最以供其繁殖、生長和運(yùn)動，這一部分 有機(jī)物最后轉(zhuǎn)化成無害或少害的物質(zhì)。研究表明， 生物膜法對含有苯乙烯、醇類和硫化氫等的工業(yè)廢 氣均能有效地處理。例如，口本鋼鐵公司建成一套 利用生物膜法處理工業(yè)含硫廢氣的工業(yè)化裝置，硫 化氫的脫除率達(dá)99.99%，脫硫后氣體的硫化氫濃 度一般低于 2.94 x IO-7 inol/L2,o 同時(shí)，A.Paul Togna等人研究表明，當(dāng)有機(jī)廢氣在生物濾池中 的停留時(shí)間在1.0 1.5 min時(shí)，生物濾池可以處理 質(zhì)最濃度達(dá)1 500 mg/n?的易生物降解的有機(jī)污染 物質(zhì)。徳國某肉類加工廠采

18、用生物吸收法凈化含有 氨、胺、硫醇、脂肪酸、乙醛和少就冇機(jī)硫化物等的冇 機(jī)廢氣時(shí)，污染物脫除率達(dá)97%以上，且能除去其 中很難治理的惡臭硫化氫氣體。該項(xiàng)技術(shù)凈化效率 高，對污染物濃度變化的適應(yīng)性強(qiáng)，費(fèi)用和能耗低, 避免了污染物交叉介質(zhì)的轉(zhuǎn)移,基本沒有二次污染, 維護(hù)管理所需人力物力投入少血】。美國Adah國家工程實(shí)驗(yàn)室用氧化亞鐵硫桿菌 的混合培養(yǎng)物處理含硫廢氣,45天內(nèi)可脫除兒乎 全部的無機(jī)硫(脫除率達(dá)97% )23o美國Tulsa人學(xué) 環(huán)境研究和技術(shù)屮心用脫氮硫桿菌何接氧化硫化氯 為元索硫,并對石油精煉廠的酸性廢水、廢氣的硫化 氫去除進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究如。Saleen等利用 篩選到的一株脫氮

19、硫桿菌硫的耐受株 T. denitrificans F,反應(yīng)去除硫化氫，在厭氧條件卜, 每克菌體氧化硫化氫15.1 20.9 mmol/h,脫硫率達(dá) 80% o近年來，我國又有一些研究者開展了微生物處 理有機(jī)廢氣的研究，取得了一些研究成果。例如昆 明理工人學(xué)環(huán)境工程系從20世紀(jì)90年代中期開始 從爭有機(jī)廢氣的凈化處理，其主耍方法是采川生物 膜填料塔；同時(shí)還用此法凈化低濃度硫化氫,但尚未 取得廣泛的實(shí)際應(yīng)用，尚無工業(yè)化處理的報(bào)道。綜上所述，微生物法具有傳統(tǒng)方法不可比擬的 優(yōu)越件和安全牲，(2成為工業(yè)廢氣凈化研究的前沿 熱點(diǎn)課題z 。生物反應(yīng)器涉及氣、液、固三和傳質(zhì) 及生化降解過程，影響【大I素多

20、而復(fù)雜,有關(guān)的理論研 究及實(shí)際應(yīng)用還不夠深入，需耍進(jìn)一步探討和研究。 丁業(yè)廢氣的微生物法脫硫是實(shí)用性強(qiáng)、技術(shù)新穎的 生物工程技術(shù)，在我國化工和石油化工行業(yè)具冇巨 大的需求和良好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 躱在山，孫佩小黃巖華.生化法凈化工業(yè)仃機(jī)廢氣的研究j. 環(huán)境科學(xué)動態(tài)，2001(1 ):21 232 黃曉東，張曉蘭.有機(jī)廢氣的生物膜處理技術(shù)J化T.壞保, 1996.16(1):19223 鄭匕比，莊國強(qiáng)吳店紅.酸性工業(yè)氣體的細(xì)菌脫硫J.微生物 學(xué)報(bào) 1993.33(3)： 192 198r4 Douglas S Hodge Riofiter Irealnxnt of ethanol、叫x)rs

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