微生物脫硫技術的現狀及發展前景

www.greenshop.hk

Current Situation and DeveIopment Prospect of Microbe Antisulfide Technique 吳 根 陳旭東 (河北科技大學環境科學與工程學院，石傢莊 050018) 夏 濤 (石傢莊橋西污水處理廠，河北 050081)　摘 要 本文闡述瞭目前國內外微生物脫硫技術在煤炭、工業廢氣處理和煙道氣處理中的應用；介紹瞭幾種現行的微生 物脫硫方法；指出微生物脫硫技術的發展將集中在以下三個方面：高效功能菌的選育，微生物對硫代謝途徑的控制研究，復合微生物脫硫技術的研究。當然微生物脫硫技術的工業化應是該技術的研究方向。關鍵詞 微生物 脫硫 煤炭是我國最主要的一次性能源，約占我國能源消耗量的70％。煤炭中通常含有0．25％-7％的硫，在燃燒過程中生成的S02隨煙道氣排入大氣，造成酸雨。2000年預計我國一次性能源消耗量將超過12億噸，S02排放量將超過3822萬噸；在冶金、石油化工、化學制品生產過程中常產生大量工業廢氣，其中H2S是一種毒性氣體，人體吸入後會引起不良反應，嚴重者會有生命危險。而且在有氧和濕熱條件下，H2S會腐蝕管道及燃燒設備。為此，許多研究者都致力於煤炭燃燒前的脫硫和工業廢氣的細菌脫硫技術的研究。目前可以進入工業化的技術多為物理方法和化學方法，雖然處理效果好，但成本較高，存在二次污染。利用微生物脫硫與化學和物理方法脫硫相比具有投資少、運行成本低、能耗少、可有效減少環境污染等優點。依據作用對象，微生物脫硫技術的研究主要集中在以下幾個方面，即煤炭脫硫、煙道氣脫硫及生產廢氣脫硫。 1 煤炭微生物脫琉技術的研究 在20世紀50年代，Leathan等人(1953年)及Temple等人(1954年)就分別發現某些化能自養微生物與煤中的FeS2的氧化有關，並從煤礦廢水中分離出氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferroxidans)。但直到20世紀70年代，隨著酸雨和大氣污染問題的日益嚴重，微生物脫硫技術才開始得到重視。目前，對微生物煤炭脫硫技術的研究重點放在四組微生物上，即：硫桿菌屬、硫化葉菌屬、大腸桿菌屬和假單胞菌屬。菌，這類菌可以利用氧化鐵和硫等無機物獲得能量，在酸性條件下生長。脫硫最有效的微生物有氧化亞鐵硫桿菌，氧化硫硫桿菌(T．thiooxidans)以及能在70℃高溫下生長的古細菌—酸熱硫化葉菌(Sulfolous acidocardains)。 據報道，1978年，美國愛達荷國傢工程實驗室用氧化亞鐵桿菌和演化硫硫桿菌的混合培養物處理煤，4—5天可脫除97％的無機硫。1990年我國的徐毅、鐘慧芳等用氧化亞鐵硫桿菌T.f—4菌株脫除四川松藻煤礦樣品中黃鐵硫，取得瞭初步的成果。在單因子試驗條件下，采用Leathen培養基培養細菌，煤漿起始pH值為2．2，接種量為1012細胞／g黃鐵礦，煤漿濃度為10％，搖床轉速140—170r／min，總脫硫期為12天，煤總含硫量從2．45％降至1．20％。但是氧化亞鐵硫桿菌隻能脫除原煤中的單體解離或連生體的黃鐵礦，而對完全包裹的黃鐵礦則無能為力。 煤中另一部分可燃硫為有機硫，硫與碳之間以化學鍵結合構成芳香族和脂肪族化合物存在於煤結構中，較無機硫難以用物化法脫除。具有脫除有機硫能力的微生物主要是有機化能異樣微生物，多為土壤微生物的變種，需在pH近中性條件下生長。主要有：惡臭假單胞菌(Pseudomonoas Pulida)、大腸桿菌的變種等。鐘慧芳等利用多隆假單胞菌(P．mendocoas)和Alcaligens paradoxus biovarl菌，15天脫硫率達到22．2％—32％。迄今為止，煤炭的微生物脫硫主要集中在脫除無機硫方面，脫除有機硫的工作仍停留在實驗室研究階段，距工業化應用尚有較大距離。2 工業廢氣微生物脫硫研究2Fes04十1/2 O2十H2S04———Fe2(S04)3十H20光合細菌中的紫色硫細菌和綠色硫細菌的一些種在厭氧條件下，以H2S為供氫體，還原C02合成細菌細胞，而H2S被氧化成S0或進一步氧化成硫酸。光合細菌的反應表示如下：2H2S十C02十hv———2So十H20H2S十2C02十2H20十hv———2(CH20)十H2S04 影響光合硫細菌脫硫效果的因素主要有光照、硫化物濃度及負荷、pH值等。光照強度高，H2S的轉化率高。Rahul的研究表明，在27min停留時間，2個150w光源照射，H2S轉化率達到99．5％。Cork等研究也表明，在相同的H2S流速條件下，145．8W／m2生成S079．1％，S042-51．5％，S2032-25．3％，而2000W／m2的光照條件下，生成S018．0％，S042-2．9％，S2032-19．9％。高的硫化物負荷有利於單質硫的形成，抑制S042-的生成，但高濃度的硫化物濃度對光合細菌有抑制作用。Kim等研究表明，H2S流速大於2．5mmol／L時，硫酸鹽的生成率為零，硫的底物抑制發生在硫化物濃度為5．7mmoI／L時，光合細菌脫硫一般在重型條件下進行。Henshaw等的研究發現，在pH值6．9以上，單質硫的轉化率與pH成反相關系，相關系數0．82。小林正泰等人用填充柱生物膜系統和淹沒式系統研究光合細菌對H2S的轉化率，達到95％轉化時，淹沒系統停留時間24．6min，而填充柱系統停留時間為18h。可見，反應器類型也影響H2S的脫除效果。 無色硫細菌是土壤和水中最重要的化能自養菌群，脫氮硫桿菌、氧化硫硫桿菌、氧化亞鐵硫桿菌、排硫硫桿菌、絲狀硫細菌等可以降解H2S、硫酸鹽、單質硫、硫代硫酸鈉等。但不是每種硫桿菌都能氧化無機硫化物。Buisman等人研究瞭不同反應條件對脫硫效果的影響。在硫化物濃度90mg／L，停留時間45min，溶解氧低於1mg／L時，產生極少的硫酸(＜10％)，在溶解氧超過5mg／L時生成的硫酸鹽穩定在52％，在溶解氧1mg／L時，單質硫的產率最大。當硫化物濃度高於20mg／L時，即使高氧濃度，也僅有5％的硫化物轉化為硫酸，當硫化物濃度低於30mg／L時，硫酸的生成量隨溶解氧濃度的增大而增加。Buisman等人研究瞭在完全混合反應器(CSTR)、旋轉反應器及上流式反應器三種反應器中無色硫細菌對硫化物的降解情況。在硫化物出水濃度低於2mg／L時，三種反應器脫硫效率依次為2．4kg／(m3d)、10kg／(m3d)、11kg／(m3d)。造成差異的主要原因是三種反應器中的生物量的差異。無色硫細菌脫除溶於水中的無機硫，硫化物轉化為單質硫的最適pH值為8．0——8．5，在pH6．5——7．5和pH9時，轉化率明顯降低，pH9．5時反應惡化。研究表明，乙酸、高級脂肪酸、葡萄糖等有機物對S2-轉化成S0無明顯影響。目前，煙道氣脫硫技術中最為成熟的是濕法脫硫。盡管該方法脫硫效率高，但脫硫劑用量大，運行費用高，存在二次污染的問題。生物脫硫利用化能自養微生物對S02的代謝過程，將煙道氣中的硫氧化物脫除。在生物脫硫過程中，氧化態的污染物如S02、硫酸鹽、亞硫酸鹽及硫代硫酸鹽經微生物還原作用生成單質硫去除。目前研究認為有兩種方式：一是同化型硫酸鹽還原作用。利用微生物把硫酸鹽還原成還原態的硫化物，然後再固定到蛋白質當中；另一種是異化型硫酸鹽還原作用。是在厭氧條件下將硫酸鹽還原成硫化氫的過程。 典型的脫硫細菌有脫硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans)、紫色硫細菌(Chromatiaceae)、綠色硫細菌(Chlorobiceae)、排硫硫桿菌、氧化亞鐵硫桿菌、脫氮硫桿菌(Thiobacillous denitrificans)、貝氏硫菌屬(Beggiatoa)、辮硫菌屬(Thipoloca)、發硫菌屬(Thiothrix)等。 脫氮硫桿菌和排硫硫桿菌利用腺苷酰硫酸鹽還原酶和亞硫酸鹽還原酶催化可逆反應，將無機物轉化為單質硫和硫酸首都師范大學的楊秀山等人利用厭氧—缺氧—好氧處理工藝處理城市廢水，對其缺氧相中的脫氮硫桿菌進行瞭研究。結果表明，脫氮硫桿菌的最高脫氮作用率、氧化Na2S的最高濃度、s2-的最高污泥負荷和污泥中脫氮硫桿菌的最高含量分別為3．6mgN03-／g vssd、1750mg／L、25mgS2-／g vssd和1．1x108g／g vss。據浙江大學的王緯等人的研究，脫氮硫桿菌在pH 2-3的條件下有較好的脫硫性能和潛力，它不僅可以硫代硫酸鹽作為能源，而且可以利用硫酸鹽作為唯一的硫源進行生長。國外有人曾以地熱發電站每天脫除5t量的H2S為基礎，計算微生物脫硫的總費用。結果表明，微生物脫硫費用約為常規濕法脫硫的50％。 從國內外的研究成果看，可以將微生物脫硫技術與目前廣泛使用的濕法脫硫相結合。用微生物水溶液或懸浮乳液吸收氣相當中的硫化物，然後利用微生物脫除液相中溶解的硫化物。微生物脫硫技術具有良好的發展前景。隨著基因工程技術的成熟與應用，篩選和構建高效脫硫工程菌將更有利於脫硫技術的發展和應用。4 微生物脫硫技術的展望 從目前國內外微生物脫硫技術的發展狀況看，該技術仍處於初始研究階段，工業化程度不高。究其原因，一是受微生物基礎研究的限制。因微生物的生長和代謝與污染物數量、種類，生物種群的構成及環境因素有關，單純的功能菌的工業放大有技術上的困難。生化過程的控制也影響到功能菌的培養與應用。就資料顯示，這方面的專向研究較少，使工業化過程缺少理論的依據與指導。二是微生物脫硫工藝與設備的研究比較滯後，效率高、經濟實用技術與設備較少報 道。微生物脫硫技術的發展將集中在以下三個方面：(1)高效功能菌的選育。隨著基因技術的發展，該領域的研究將成為微生物脫硫技術發展的基礎。 (2)微生物對硫代謝途徑的控制研究。如何使微生物代謝硫的產物更易從反應相中分離，或將代謝物固定在相中將是決定微生物脫琉技術能否得到市場認可的關鍵。 (3)復合微生物脫硫技術的研究。因微生物脫硫的工業化離不開微生物系統的綜合作用。因此發展多菌群、單／多相反應器的研究，以及生化／物化法的復合技術將是工程研究人員的關註重點，也是微生物脫硫技術市場化的關鍵。不論從哪個方面人手，微生物脫硫技術的工業化應用是該技術研究的核心內容。隨著改善大氣質量要求的提高，微生物脫硫技術的發展將成為污染物處理技術研究的新熱點。 來源：資源與環境 Tags:禮品,souvenir,贈品,文具,紀念品,環保,環保袋批發,禮品訂造,筆,餐具,帆布袋,canvas bag,獎座,毛巾,水樽