微生物法脫除二氧化硫氣體的研究

內(nèi)容概要

隨著高硫化石燃料使用的增加，SO2向環(huán)境中的大量排放已成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問題，因此，尋求最經(jīng)濟(jì)最有效的脫硫技術(shù)已成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。貢俊編著的《微生物法脫除二氧化硫氣體的研究》以此為目的提出了脫硫脫硫弧菌和脫氮硫桿菌聯(lián)合脫硫工藝，即利用生物吸收液直接將SO2氣體轉(zhuǎn)化為H2S，生成的H2S又被脫氮硫桿菌用作能源進(jìn)一步氧化為硫酸鹽和單質(zhì)硫。因此，在分離獲得兩株高活性脫硫菌——脫硫脫硫弧菌和脫氮硫桿菌后，對這兩種菌的生物學(xué)特性，以及對SO2和H2S的生物轉(zhuǎn)化能力、內(nèi)部的轉(zhuǎn)化過程及中間產(chǎn)物進(jìn)行了研究，并初步探討了生物吸收SO2的宏觀動力學(xué)過程。此外，在以廢糖蜜作為廉價(jià)碳源的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上進(jìn)行了脫硫工藝實(shí)驗(yàn)研究。
得到了如下結(jié)論：
1.從污水處理廠二沉池回流污泥中分離獲得一株硫酸鹽還原菌和一株硫桿菌，經(jīng)過形態(tài)特征、生理生化特性和16SrDNA序列分析，分別確定為脫硫脫硫弧菌（Desulfovibrio
desulfurica）和脫氮硫桿菌（Thiobacillus denitNfica）。
2.通過實(shí)驗(yàn)室小試，得出脫硫脫硫弧菌轉(zhuǎn)化$02的適宜條件為pH 6～8、溫度25～35℃、攪拌速度50～270
r／min，脫氮硫桿菌轉(zhuǎn)化H2S的適宜條件為 pH 6～8、溫度25～35℃、攪拌速度270 r／min。在此條件下，菌體均生長良好，
S02和H2S的轉(zhuǎn)化率分別在90％和91％以上。 3.當(dāng)S02進(jìn)口濃度小于10334 mg／m3，液相中亞硫酸鹽累積濃度小于 87.3
1mg／L時(shí)，脫硫系統(tǒng)仍可穩(wěn)定運(yùn)行，堿液用量不大，SO2的轉(zhuǎn)化率在95
％以上，亞硫酸鹽對菌體不會產(chǎn)生抑制作用；SO2進(jìn)口摩爾流速由4.975 mmol／h 增加至20.149
mmol／h時(shí)，轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為硫化物和H2S，在流量和攪拌速度分別為 180 L／h 和270
r／min條件下，反應(yīng)所產(chǎn)生的H2S氣體的量基本保持不變，其余部分在液相中以硫化物的形式累積；乳酸鹽作為碳源，其主要轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為乙酸鹽，轉(zhuǎn)化率幾乎接近100％。
4.從“氣液傳質(zhì)一生物轉(zhuǎn)化”的角度對懸浮生物脫硫系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的動力學(xué)模型研究，在液相中微生物轉(zhuǎn)化的米門方程基礎(chǔ)上，建立了如下脫硫動力學(xué)方程式：
通過實(shí)驗(yàn)來求解單位時(shí)間內(nèi)基質(zhì)轉(zhuǎn)化最大速度Vmax和米氏常數(shù)Km，采用雙倒數(shù)作圖（Lineweaver—Burk）法求得的Vmax和Km分別為42.19
mol／（m3 ·h）和 0.243mol／m3，Vmax和Km值均較高，說明脫硫脫硫弧菌吸收液具有較高轉(zhuǎn)化 S02
的能力，線性相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.998。
5.實(shí)驗(yàn)對脫氮硫桿菌氧化H2S的生物氧化和化學(xué)氧化研究表明，H2S進(jìn)氣摩爾流速恒定為2.1mmol／（L·h）時(shí)，在pH值為6～8、溫度為25～35℃的范圍內(nèi)生物氧化速率可達(dá)到1.9mmol／（L·h）以上，偏酸或偏堿及高溫會對菌體產(chǎn)生抑制，使生物氧化速率降低，隨溶解氧濃度的增大生物氧化速率略有上升趨勢，但變化很??；化學(xué)氧化速率在最佳菌體生長條件范圍內(nèi)所占比值為8.6
％～ 19.1％；因此，在脫氮硫桿菌氧化H2S的過程中生物氧化起主要作用。
6.低濃度含硫氣體（1500～2000mg／m3）的連續(xù)式生物脫硫工藝表明：廢糖蜜在厭氧條件下會被厭氧菌降解，主要產(chǎn)生的有機(jī)酸有草酸、酒石酸、丙酮酸、乳酸和乙酸，可以用作脫硫工藝的碳源；在補(bǔ)料流速增加為175
ml／h，攪拌速度為590 r／min時(shí)，5L生物反應(yīng)液可以處理5
m3／Il的氣體，最終S02和H2S的去除率分別達(dá)到95％和98％以上，最終出口濃度為52.2～128.2
mg／m3，低于國家污染源大氣中SO：最高允許排放濃度值，沒有亞硫酸鹽和硫化物的積累，系統(tǒng)運(yùn)行良好。
7.較高濃度含硫氣體（S02進(jìn)口濃度大多在2
500mg／m3以上）的間歇式生物脫硫工藝表明：反應(yīng)器培養(yǎng)液中的丙酮酸和乳酸作為碳源被持續(xù)消耗，24 h
后，有機(jī)酸作為碳源大部分已被降解，需及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)料，補(bǔ)料速率為每天3L
培養(yǎng)基。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)氣體中氧含量由2.3％上升至10.5％，對脫硫率和菌體生長沒有產(chǎn)生明顯的影響；最終S02的平均去除率為95.5％，最終出口濃度為18.65～
335.2
mg／m3，低于國家污染源S02最高允許排放濃度值，產(chǎn)生的H2S幾乎被全部轉(zhuǎn)化，平均去除率為98％，亞硫酸鹽沒有積累，加入金屬鹽后，硫化物濃度也會下降，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。
8.在SO2脫硫工藝中產(chǎn)生了兩種副產(chǎn)物，一種為較純的納米金屬硫化物產(chǎn)品：納米PbS、納米CdS、納米ZnS，顆粒粒徑分別為5～15nm、15～20nm、
10～25nm，當(dāng)以50ml／h的速度分別連續(xù)流加800 mg／L硝酸鉛溶液、300 mg ／L
氯化鎘溶液和500mg／L乙酸鋅溶液時(shí)，其納米硫化物產(chǎn)率分別為0.134 g／L 菌液、 0.051g／L菌液、0.06
g／L菌液，基本上完全轉(zhuǎn)化，作為一種特殊性質(zhì)的半導(dǎo)體材料，可以用于光、電、磁、催化等方面；另一種為單細(xì)胞蛋白，沉降后的1#
菌體的單細(xì)胞蛋白產(chǎn)率為0.52
g／L菌液，菌體粗蛋白含量可達(dá)73.2％，高于進(jìn)口秘魯魚粉（40％～65％），而且其含有全部的18種氨基酸，各種必需氨基酸組分含量均較高，可以用來代替魚粉作為一種高蛋白的飼料添加劑，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
《微生物法脫除二氧化硫氣體的研究》利用脫硫脫硫弧菌和脫氮硫桿菌懸浮液直接吸收轉(zhuǎn)化二氧化硫氣體，利用此工藝進(jìn)行了大氣量和較高濃度含硫氣體的處理，并建立了微生物懸浮液吸收二氧化硫的宏觀動力學(xué)方程；首次研究了有雜菌共生的脫硫工藝中氧對脫硫脫硫弧菌的影響情況，結(jié)果表明可以正常運(yùn)行；而且首次使用脫硫脫硫弧菌在脫硫過程中合成納米硫化物副產(chǎn)品。這些研究使得微生物法脫硫的工業(yè)應(yīng)用具有較高的可行性，在降低治理成本的同時(shí)保障了環(huán)境效益。

書籍目錄

第1章  綜述
  1.1  SO2的污染現(xiàn)狀及危害
  1.2  物理化學(xué)法處理SO2的研究進(jìn)展
    1.2.1  濕法煙氣脫硫工藝
    1.2.2  干法煙氣脫硫工藝
    1.2.3  半干法煙氣脫硫工藝
  1.3  生物法處理SO2的研究進(jìn)展
    1.3.1  微生物法去除SO2的機(jī)理
    1.3.2  微生物法去除SO2的應(yīng)用研究
    1.3.3  H2S處理技術(shù)的研究進(jìn)展
  1.4  本文主要研究思路和內(nèi)容
第2章  脫硫菌種的分離和特性研究
  2.1  引言
    2.2  實(shí)驗(yàn)材料和方法
    2.2.1  實(shí)驗(yàn)材料
    2.2.2  實(shí)驗(yàn)方法
  2.3  結(jié)果與討論
    2.3.1  硫酸鹽還原菌鑒定結(jié)果與分析
    2.3.2  硫氧化細(xì)菌鑒定結(jié)果與分析
    2.3.3  16SrDNA鑒定結(jié)果
    2.3.4  脫硫脫硫弧菌的生長曲線
    2.3.5  脫氮硫桿菌的生長曲線
  2.4  結(jié)論
第3章  脫硫脫硫弧菌轉(zhuǎn)化So2的試驗(yàn)研究
  3.1  引言
  3.2  脫硫脫硫弧菌轉(zhuǎn)化So2的試驗(yàn)研究
    3.2.1  材料與方法
    3.2.2  結(jié)果
    3.2.3  討論
    3.2.4  結(jié)論
  3.3  脫硫脫硫弧菌去除So2的宏觀動力學(xué)
    3.3.1  脫硫脫硫弧菌去除So2的動力學(xué)模型
    3.3.2  單位時(shí)間內(nèi)基質(zhì)轉(zhuǎn)化最大速度Vmax和米氏常數(shù)Km的測定
    3.3.3  結(jié)論
第4章  脫氮硫桿菌轉(zhuǎn)化H2S的試驗(yàn)研究
  4.1  引言
  4.2  材料與方法
    4.2.1  實(shí)驗(yàn)菌種的分離與培養(yǎng)
    4.2.2  實(shí)驗(yàn)裝置
    4.2.3  實(shí)驗(yàn)方法
    4.2.4  分析方法
  4.3  結(jié)果
    4.3.1  不同工藝條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    4.3.2  不同條件下H2S生物氧化速率和化學(xué)氧化速率的關(guān)系
  4.4  討論
    4.4.1  不同pH條件H2S的脫除及對菌體生長的影響
    4.4.2  不同溫度條件下H2S的脫除及對菌體生長的影響
    4.4.3  不同攪拌速度條件下H2S的脫除及對菌體生長的影響
    4.4.4  pH值對氧化速率的影響
    4.4.5  溫度對氧化速率的影響
    4.4.6  溶解氧濃度對氧化速率的影響
  4.5  結(jié)論
第5章  連續(xù)式生物反應(yīng)工藝脫除二氧化硫
  5.1  引言
  5.2  材料和方法
    5.2.1  菌種的獲得
    5.2.2  培養(yǎng)基
    5.2.3  實(shí)驗(yàn)裝置及流程
    5.2.4  實(shí)驗(yàn)方法
    5.2.5  分析方法
  5.3  結(jié)果
    5.3.1  廢糖蜜厭氧發(fā)酵中葡萄糖和各類有機(jī)酸濃度的變化
    5.3.2  進(jìn)氣量和攪拌速度與脫硫率之間的關(guān)系
    5.3.3  1#反應(yīng)器進(jìn)氣量、攪拌速度和補(bǔ)料流速與亞硫酸鹽積累之間的關(guān)系
    5.3.4  2#反應(yīng)器進(jìn)氣量、攪拌速度和補(bǔ)料流速與硫化物積累之間的關(guān)系
    5.3.5  連續(xù)式生物脫硫工藝的最終脫硫效果
    5.3.6  連續(xù)式生物脫硫工藝運(yùn)行中發(fā)生的條件變化
  5.4  討論
    5.4.1  糖廠廢糖蜜厭氧發(fā)酵中葡萄糖和各類有機(jī)酸濃度的變化
    5.4.2  進(jìn)氣量和攪拌速度對脫硫率的影響
    5.4.3  1#反應(yīng)器進(jìn)氣量、攪拌速度和補(bǔ)料流速對亞硫酸鹽積累的影響
    5.4.4  2#反應(yīng)器進(jìn)氣量、攪拌速度和補(bǔ)料流速對硫化物積累的影響
    5.4.5  連續(xù)式生物工藝處理低濃度大氣量含硫氣體的效果
    5.4.6  系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
  5.5  結(jié)論
第6章  間歇式生物反應(yīng)工藝脫除二氧化硫
  6.1  引言
  6.2  材料和方法
    6.2.1  菌種的獲得
    6.2.2  培養(yǎng)基
    6.2.3  實(shí)驗(yàn)裝置及流程
    6.2.4  實(shí)驗(yàn)方法
    6.2.5  分析方法
  6.3  結(jié)果
    6.3.1  聯(lián)合脫硫工藝運(yùn)行結(jié)果
    6.3.2  回收的沉淀和菌體測定結(jié)果
  6.4  討論
    6.4.1  聯(lián)合脫硫工藝運(yùn)行結(jié)果分析
    6.4.2  脫硫工藝中副產(chǎn)品分析
  6.5  結(jié)論
第7章  小結(jié)
參考文獻(xiàn)
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