沼气生物脱硫影响因素及控制因素探究_吴家前

条件处于-300mv~-320mv 时，连续进样反应池中 S2-浓度可以维持在 1.6~1.7 mg/L，进样负荷可以达到 30 mg/L。进一步降低系统的
ORP 会增加系统运行压力，导致反应池内出现 S2-积累现象，影响系统稳定性。
【关键词】 生物脱硫溶解氧；pH；温度氧化还原电位
【中图分类号】 X703
术的文献表明，采用无色脱硫菌进行生物脱硫时，往往通过往系
统中添加的碳酸钠来提供缓冲作用并将系统的 pH 控制在 8.5 到
9.3 的范围内[6]。在 pH＜9.0 和 pH＞9.5 的各实验组中，在反应的
112
前 20 min 里，系统中的脱硫微生物可能由于不适应过低或过高 的 pH 环境而导致活性下降，结果是对 S2-的利用率不高，导致脱 硫效率低下；而且随着 pH 的逐渐变小，过低 pH 对系统脱硫效率 的负面影响就越显著；同时，pH 过高时也存在这种现象。由于 pH 的变化不仅会影响 S2-的氧化反应进度，还将直接影响脱硫微 生物的活性，所以系统中 SO42-的浓度变化必然会呈现出与脱硫 效果相似的变化趋势，这一点在表 4 中得到了印证。综上，考虑 到获取最高的生物活性，选取 pH9.0~9.5 为最优 pH。 2.1.3 温度条件对脱硫效果的影响
2015 年 12 月 第 12 期（总第 205 期）
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轻工科技
LIGHT INDUSTRY SCIENCE AND TECHNOLOGY
资源与环境
沼气生物脱硫影响因素及控制因素探究
吴家前 1 ，黄伯当 1 ，韦海浪 2 ，朱 琦 2 ，刘 熹 2 ，卢 哲 2 ，梁鹏云 2 ，刘 兰 2
（1.广西壮族自治区环境监测中心站，广西 南宁 530028；2.广西博世科环保科技股份有限公司，广西 南宁 530007）
图 3 不同 DO 条件下
图 4 不同 DO 条件下
S2-浓度的变化曲线
SO42-浓度的变化曲线
2.1.2 pH 条件对脱硫效果的影响
不同 pH 条件下系统中 S2-浓度和去除率及 SO42-浓度和转换
率随时间的变化如下表（图）所示：
表 2 不同 pH 条件下 S2-浓度和去除率及 SO42-浓度和转换率变化的情况
【摘 要】 通过序批式单因素影响实验及连续进样试验，研究溶解氧（DO）、pH 和温度对生物脱硫效果的影响。通过探索系
统稳定运行时氧化还原电位（ORP）变化规律，研究应用 ORP 控制 S2-进样负荷和维护生物脱硫系统稳定性的可能性。研究结果表
明：当 DO 为 1.0mg/L，pH 为 9.0~9.5，水温在 35~37℃时，40min 内系统脱硫效率高于 90%，且 SO42-的转换率较低。当控制系统中 ORP
目前常用的沼气脱硫技术有：物理吸附法、化学吸收法和生 物法 。 [4] 其中物理和化学法具有工艺简单、脱硫效果良好等优 点，缺点是运行过程中需消耗大量的化学药剂和能源，而且填料 的寿命有限，再生时间过长，容易引起二次污染；生物法脱硫的 基本原理是利用硫杆菌类微生物，在微氧条件下将硫化氢（H2S） 或含硫化合物氧化为单质硫和硫酸盐 。 [5] 与物理法、化学法相 比，生物脱硫技术具有操作简单、维护费用和能耗低、产物可资 源化等优点，但是过程控制难度比较高，工艺条件要求也比较苛 刻。因此，本研究拟通过序批式单因素影响实验和连续进样实 验的方法，研究溶解氧（DO）、pH 和温度等工艺因素对生物脱硫 效果的影响，从而确定出最优的工艺条件。由于反应器中 DO 浓 度的监测对监控系统的运行负荷具有滞后性，也不能直接反映 系统中氧化还原反应产物的状况，本实验将通过测定最优条件 下 生 物 脱 硫 过 程 中 氧 化 还 原 电 位（ORP）的 变 化 ，考 察 和 建 立 ORP 对脱硫系统运行负荷的控制关系，为 ORP 在生物法脱硫技 术中的实践运用提供参考。
1 材料、装置与方法
1.1 实验材料 含硫模拟吸收液：使用分析纯硫化钠（Na2S.7H2O）配制的饱
和溶液及其稀释液，稀释液的 S2-浓度约为 37g/L。 生物脱硫菌液：取自江苏某造纸工厂的生物脱硫系统反应
池。于实验室条件下按照每升菌液 30ml/d 的投加量使用模拟吸 收液进行培养、驯化。 1.2 实验装置 1.2.1 序批式单因素实验
111
向的玻璃反应器（已预装 2L 生物脱硫菌液）中加入 2ml Na2S 饱和溶液，缓慢搅拌 1min 后，使用小型空气压缩机给混合液进行 曝气，通过控制曝气系统分别将各反应器中混合液的 DO 值调节 为 0~0.5mg/L，0.5~1.0 mg/L，1.0~1.5 mg/L，1.5~2.0 mg/L，测定曝 气运行 0min、20min、40min 时混合液中 S2-和 SO42-的浓度。
S2-浓度（单位：mg/L）
S2-去除率(%)
pH
0min 20min 40min 20min 40min
SO42-浓度（单位：mg/L）
SO42-转换率(%)
0min 20min 40min 20min 40min
7.5 70.2 61.1
32.6
13
54
36133 36086 36157
0
0
8.0 75.1 62.5
（2）pH 条件对脱硫效果影响的实验 向玻璃反应器中加入 2ml Na2S 饱和溶液，缓慢搅拌 1min，分 别调节各反应器中混合液的 pH 值为 7.5，8.0，8.5，9.0，9.5，10.0 后，控制曝气量使混合液的 DO 为最优值，测定曝气运行 0min， 20min，40min 时混合液中 S2-和 SO42-的浓度。 （3）温度条件对脱硫效果影响的实验 向玻璃反应器中加入 2ml Na2S 饱和溶液，缓慢搅拌 1min，分 别调节各反应器中混合液的 pH 及 DO 为最优值后，改变各反应 的温度分别为 25~27 ℃ ，30~32 ℃ ，35~37 ℃ ，40~42 ℃ ，测定曝气 运行 0min，20min，40min 时混合液中 S2-和 SO42-的浓度。 （4）ORP 控制条件探索实验 向玻璃反应器中加入 2ml Na2S 饱和溶液，缓慢搅拌 1min，调 节反应器中混合液的 pH 和 DO 为最优值，水温为最优反应温度 后 ，每 隔 10min 记 录 一 次 反 应 器 中 混 合 液 的 ORP 值 和 0min， 20min，40min 时混合液中 S2-的浓度。 1.3.2 连续进样小试实验 控制反应-沉淀池中循环泵的循环速度为 15L/h，此时混合 液的 HRT 为 40 min，沉淀池沉淀时间为 30 min。加药池中为浓 度 37g/L 模拟含硫吸收液，加碱池中为 30%氢氧化钠（按需添 加）。基于 ORP 控制条件探索实验的结果，选取 ORP 控制条件 为-300mv，-320mv，-340mv 及-360mv，测定系统连续运行 8h 内 pH、S2-的浓度和 S2-进样负荷的变化情况，每次实验开始前需在280mv~-300mv 条件下运行一天，以保证各实验组的中微生物活 性及 S2-浓度初始状态相同且均一。
2 结果与分析
2.1 序批式单因素脱硫实验 2.1.1 DO 条件对脱硫效果的影响
不同 DO 条件下系统中 S2-浓度和去除率及 SO42-浓度和转换 率随时间的变化如下表（图）所示：
表 1 不同 DO 条件下 S2-浓度和去除率及 SO42-浓度和转换率变化的情况
的去除量和去除效率呈正比。通过比较图 4 中不同 DO 条件下 SO42-的转换率情况可以发现，当 DO＞1.0 mg/L 时，系统中 SO42的转换率呈现正值，这说明有部分的 S 单质在过量的氧气的作用 下进一步氧化成了 SO42-，并且对比 DO 值为 1.0~2.0 mg/L 三个实 验组在 20 min 和 40 min 的 SO42-浓度变化情况可以发现，反应时 间的增加也会导致 SO42-的转换率的上升。综上，同时考虑对 S2具有较高的去除率及 SO42-较小的转换率，确定最优的反应 DO 值 为 1.0 mg/L。
图 5 不同 pH 条件下 S2-
图 6 不同 pH 条件下 SO42-
浓度的变化曲线
浓度的变化曲线
如表 2 所示，在相同的反应时间内随着 pH 的上升，系统的对
S2-的去除效果呈现先上升后下降的变化趋势。pH 在 9.0~9.5 时，
S2-的去除率最高；通过比较图 5 中 S2-浓度的变化曲线可以看出，
【文献识别码】 A
【文章编号】2095-3518（2015）12-111-03
沼气作为一种热值高、可再生的绿色能源已经引起人们的 高度重视。随着以沼气为目标产物的各类厌氧发酵技术在实践 工程上逐渐得到广泛应用，对沼气从产气设施中进行分离、净化 和提纯的技术需求也日益提高。厌氧发酵得到的沼气是一种混 合气体，主要成分为 CH4，CO2，H2S、H2O、NH3，以及少量的 N2、H2 等气体分子[1]。其中，H2S 在沼气的输送和利用过程中会对金属 材质的管道和罐体产生腐蚀，未经处理而直接燃烧更会生成大 量的 SO2等有害气体，对环境和人员健康带来威胁。相关国家及 行业标准规定根据沼气的用途，相应对 H2S 的质量含量（浓度）的 做出了不同的要求。例如，若利用沼气发电，则 H2S 的浓度需小 于或等于 200~300mg/m3；若将沼气作为车用燃料或并入燃气管 网，则 H2S 浓度需小于或等于 15 mg/m3[2]。资料显示，通常沼气中 H2S 的浓度为 1~12 g/m3[3]，远远超过标准中的要求。因此，沼气 在综合利用之前必须进行 H2S 脱除。
拟吸收液由反应池一侧输入，经过折流板后进入主反应区，最后
通过折流板和溢流堰自流入沉淀池中沉淀，沉淀池浅层水经循
环系统回流入反应池中。实验开始前，预先将 17.5L 待用的生物
脱硫菌液添加到反应-沉淀池中备用。
1.3 实验方法
1.3.1 序批式单因素脱硫实验
（1）DO 条件对脱硫效果影响的实验
【第一作者】吴家前（1958-），男，广西人，教授级高级工程师，研究方向：环境监测与工程治理。
如图 1 所示，序批式单因素影响实验的装置由 2L 玻璃反应 器、曝气装置及监测系统所构成。实验开始前，预先将 2L 待用 的生物脱硫菌液添加到反应器中备用。
图 1 序批式脱硫实验装置
图 2 连续进样小试装置
1.2.2 连续进样实验
如图 2 所示，连续进样小试装置是由定量进样系统、反应-沉
淀循环系统、曝气系统及监测系统构成的，反应池容积为 10L，模
29.7
17
61
35990 35169 35990
2
0
8.5 71.4 64.0
21.0
10
71
36419 36395 36252
0
0
9.0 52.9 13.0
12.3
75
77
34624 35153 35254
2
2
9.5 50.5 14.7
11.2
71
78
36276 36240 36205
0
0
10.0 64.0 40.8
当 pH＜9.0 时，前 20min 系统 S2-的去除率远小于后 20min 的去除
率；当 9.0≤pH＜10.0 时，前 20min 的 S2-去除率远高于后 20min，说
明系统的脱硫效率在该 pH 值范围内得到提升；然而，当 pH=10.0
时，S2-的去除率及去除效率反而都出现下降。国外相关成熟技
53
85
35801 35396 35729
1
0
0.5~1.0 61.4 31.9 8.3
48
86
35563 35587 35301
0
1
1.0~1.5 62.0 24.1 9.4
61
85
33709 33851 33946
0
1
1.5~2.0 60.1
9.4
9.4
84
84
35349 35753 35705
20.1
36
69
36133 36061 36097
0
0
DO mg/L
S2-浓度（单位：mg/L）
S2-去除率(%)
0min 20min 40min 20min 40min
SO42-浓度（单位：mg/L） SO42-转换率(%) 0min 20min 40min 20min 40min
0~0.5 62.7 29.7 9.4
1
1
如表 1 所示，在相同反应时间内随着 DO 值的上升，S2-浓度 呈现出下降的趋势，系统脱硫效果不断提高。通过比较图 3 中 S2-浓度的变化曲线可以很明显的看出，随着 DO 上升至 1.0mg/L 以上，前 20min 系统中 S2-的浓度下降显著，占 40min 内 S2-总去除 量的比重也不断升高，当 DO 值为 1.5~2.0 mg/L 时，前 20min 的去 除率占到总去除率的 99%以上，这说明在实验范围内 DO 值与 S2-