脱氮硫杆菌氧化硫化氢过程中的生物氧化和化学氧化

第26卷第3期2006年3月
环 境 科 学 学 报 A cta Scientiae C ircu m stantiae
V o.l 26,N o .3M ar .,2006
基金项目:国家科技攻关计划项目(No .2001BA540C );山西省高校科技研发项目(N o .2003013)
Supported by t h e Key Technologies R &D Progra mm e of Ch i na(No :2001BA540C);TheU n i versit y Techno l og i es Res earch and Devel opm ent P rogra mm e of Shanx i (No .2003013)
作者简介:贡 俊(1975 ),女,博士研究生,E m ai:l w angx i nke311@yahoo .co ;*通讯作者(责任作者)
Biography :GONG Jun(1975 ),fe m ale ,Ph .D .candidate ,E ma i :l w angx i nke311@yahoo .co m.c n;*Correspondi ng author
贡 俊,张肇铭.2006.脱氮硫杆菌氧化硫化氢过程中的生物氧化和化学氧化[J].环境科学学报,26(3):477-482
Gong J ,Zhang Z M .2006.B i ol ogical and ch e m ical ox i dation du ri ng ox i dation of hyd rogen Su lfide by Th iobac ill u s d e n itri fic an s [J].A cta Scienti ae C i rcum stanti ae ,26(3):477-482
脱氮硫杆菌氧化硫化氢过程中的生物氧化和化学氧化
贡 俊1,2
,张肇铭
1,*
1.山西大学生命科学与技术学院,太原030006
2.山西财经大学环境经济系,太原030006
收稿日期:2005 08 24 修回日期:2006 01 12 录用日期:2006 01 14
摘要:在好氧反应器中研究了不同条件下H 2S 生物氧化和化学氧化之间的关系.结果表明,在pH 为6~8、温度为25~35 和溶解氧浓度为10.5m g L -1时,当硫化氢进气摩尔流速稳定在2.1mm ol L -1 h -1时,脱氮硫杆菌(Th i obacill u s den itrifican s)氧化硫化氢的生物氧化速率可达到1.9mmo l L -1 h -1以上,此时硫化物在液相的累积摩尔速率和H 2S 出口摩尔流速均很低;化学氧化速率随p H 、温度和溶解氧浓度的增加而增大,可达到0.33mm ol L -1 h -1~0.45mm ol L -1 h -1;化学氧化速率在最佳菌体生长条件范围内占总氧化速率的比值较小,为8.6~19 1%,而随着pH 值、温度的降低这一比值上升至29%~43.7%.关键词:脱氮硫杆菌;硫化氢;生物氧化;化学氧化
文章编号:0253 2468(2006)03 0477 06 中图分类号:X172 文献标识码:A
B iol ogical and che m ical oxi dation duri ng oxi dati on of hydrogen sulfide by
Th i obacillus denitri f i cans
GONG Jun 1,2
,Z HANG Zhao m i n g
1,*
1.L if e S icence and Techno l ogy In stitute ,Shanx iU n i vers it y ,Taiyuan 030006
2.Depart m ent of Environm ental E cono m i cs ,ShanxiUn ivers i ty of F i nance and E cono m ics ,Tai yuan 030006R ecei ved 24August 2005;
recei ved i n revised for m 12J anu ary 2006; accepted 14January 2006
A bs tract :Th e relati on b et w een b i ological and che m ical oxi dati on of H2S w as stud i ed under d ifferent cond iti ons i n t h e aerob i c react or .W hen t h e i n l et H 2S m olar rat e w as 2.1mm ol L -1 h -1,t he resu lt s s uggested t h at t h e b i o l og i cal oxi dati on rate ofTh i obacill u s den itri fi cans cou l d ach i eve over 1.9mmol L -1 h -1and t h e s u lfide accumu lati on m ol ar rate i n t h e li qu id and H2S ou tletmolar ratew ere very lo w i n a p H range fro m 6to 8,te mperat u re fro m 25~35
and d iss olved oxygen concen tration 10.5m g L -1.The che m i cal oxi d ati on rate i ncreased as t h e i n creas e of pH val ue ,te m perat u re and d i ssol ved
oxygen con cen trati on and cou l d be up to 0.33mmo l L -1 h -1t o 0.45mm ol L -1 h -1.Che m i cal oxidati on rate rep resen ts about 8.6%~19 1%of t h e
t otal ox i dation rate at t h e opti m al conditi on s f or bacteria gro w th and i ncreased to 29%~43 7%as the decrease of pH val u e and te m perature .K eywords :Th iobacill us d en i trifi cans ;hydrogen sulfi de ;b i ological oxi dati on ;che m ical ox i dati on
硫化氢是一种无色有毒气体,具有强烈的臭鸡蛋气味,其主要来自煤的低温焦化、天然气的开采、含硫矿石的冶炼、工业沼气的生产以及化工行业.如化纤生产、炼焦、食品发酵等生产过程中所排放的尾气,会对环境造成较大的危害.目前,工业气体的脱硫大多采用物理化学法,其脱硫效果虽然较好,但反应条件要求较高、需加入催化剂,而且还会
腐蚀设备以及产生二次污染等.20世纪80年代以来,国内外学者开始进行生物脱硫新技术的研究,
参与处理硫化物和H 2S 的微生物主要有无色硫细菌和光合细菌(Buis m an et al .,1990;Christi o n Plas et al .,1992;Kobayashi et al .,1983),而目前应用较广的是硫杆菌.国内学者用氧化亚铁硫杆菌(Thiobacill u s .ferroox i d ans)间接氧化H 2S (郑士民
环 境 科 学 学 报26卷
等,1993),但该菌体的生长条件为强酸性,因此,会腐蚀设备以及产生硫酸盐二次污染.根据Sublette 的研究(Patric ia Cadenhead et al.,1989),硫杆菌中脱氮硫杆菌(Th i o bacill u s.den itrifi c ans)的脱硫效率最高,它能够氧化H2S生成元素硫,并将硫进一步氧化为最终产物硫酸,从而获得能量,其反应方程如下(Kuenen,1975):
2H S-+O2→2S0+2OH-(1)
2H S-+4O2→2SO2-4+2H+(2)当硫化物负荷一定时,溶解氧浓度的降低会使单质硫的产率上升,而相应的硫酸盐产率降低;相反,溶解氧浓度增高时,生物氧化的最终产物为硫酸盐(Bu is m an et al.,1990;左剑恶等,1995).
在生物反应器中,硫化氢的氧化除生物氧化外还伴有化学氧化,在化学氧化中硫化物与氧的比值较高时会使元素硫大量积累,而这个比值较低时硫化物直接氧化为硫代硫酸盐(Chen et al.,1972).学者们对硫化物的化学氧化、生物氧化机理和动力学已进行了广泛的研究(Ke lly et al.,1982;Bu is m an et al.,1991;Kuhn et al.,1983;Jo lley et al.,1985),但对生物氧化硫化氢过程中的生物氧化和化学氧化的关系却研究很少.Janssen等人(1995)对存在于液相中硫化物的生物氧化进行研究时,发现在氧气与硫化物的摩尔流速之比小于0.7时,系统中化学氧化的作用大于生物氧化,目前对气态H2S生物氧化过程中生物氧化与化学氧化关系的研究却还未见报道.了解化学氧化和生物氧化究竟哪个在H2S分解过程中发挥作用更大是生物法处理H2S气体理论和应用中的一个关键问题,因此,本文对不同条件下生物反应器中生物和化学氧化速率之间的关系进行研究,以确定在不同反应条件下两者所发挥的作用.
1 材料及方法(M ater i a ls and m ethods)
1.1 菌种的获得
从太原市杨家堡污水净化厂二沉池回流污泥中富集分离获得一株硫杆菌.在光学显微镜下观察,可见菌细胞呈杆状、单个排列,具有单根极生鞭毛,无芽孢,菌体大小为(0.3~0.5 m) (1.0~3 m);革兰氏染色阴性,专性无机化能自养型,能在好氧和厌氧条件下以硫代硫酸盐和S2-作为能源、HCO2-3作为碳源进行生长,厌氧条件下可以硝酸盐作为电子受体还原为N2.上述所观察到的菌株的主要特征与硫杆菌属中的脱氮硫杆菌相同(布坎南等,1984),故该菌株可鉴定为脱氮硫杆菌(Thiobacill u s.denitrificans).
1.2 实验装置
实验装置如图1所示,空气泵中的空气、高纯氮气(99.996%)和99.99%H2S纯气体(北京氦谱北分气体工业有限公司)经流量计进入配气装置,使其配成一定浓度的H2S气体.配好的H2S气体进入反应器,反应器体积为10L,整个过程由自动控制仪严格控制反应条件:通过自动流加酸碱液控制p H值,温度由温控系统控制,同时控制其搅拌速度为270r m i n-1;残余的H2S气体通过乙酸锌吸收液吸收
.
图1 H
2
S氧化工艺流程图(1.空气泵,2.N
2
钢瓶3.H
2
S钢瓶,4,5,6.气体流量计,7.气体混合装置,8.反应器,
9.自动控制面板,10.乙酸锌吸收液,11.排气)
F i g.1 Process ofH2S ox i dation(1.A i r pump,2.N2N2s t eel j ar,
3.H2S steel j ar,4,5,6.Gas flo w m eter,7.Gas m i xi ng
cha m ber,8.B i o~reactor,9.Con trol pane,l10.Zi n c
acetate absorpti on sol u tion,11.Outl et)
1.3 试验方法
实验分2个平行组进行,2组实验均在相同的p H、温度和溶解氧浓度下进行.第一组为生物氧化实验,生物氧化实验中既有生物氧化也有化学氧化.将脱氮硫杆菌按10%的接种量接入5L培养基中,在30 培养箱中厌氧培养2d,然后将培养好的菌液在5000r m i n-1下离心15m in,弃去上清液,最后用无菌水洗涤沉淀;同时配置5L不含能源的培养基,灭菌后倒入反应器中,并将上述离心好的湿菌体接入.第二组为化学氧化实验,配制5L不含能源的脱氮硫杆菌培养基(Sub lette et al.,1987),灭菌后加入已空消的反应器中.
为了考察不同p H、温度和溶解氧浓度对H2S生物氧化和化学氧化速率的影响,分别进行了不同条件下的生物氧化和化学氧化实验,H2S进气摩尔流
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3期
贡 俊等:脱氮硫杆菌氧化硫化氢过程中的生物氧化和化学氧化
速稳定在2.1mm o l L -1
h -1
.打开空气泵、N 2和H 2S 气体阀门,在p H 为7.0、温度30 下,分别调节空气流量(40、60、100、140、180L h -1
)和N 2流量
(140、120、80、40、0L h
-1
),使气体总流量保持在
180L h -1
,对应反应器中溶解氧浓度分别为1 5、
2 5、5 0、8.5、10.5m g h -1
(溶解氧浓度由反应器中的溶解氧电极自动测定),H 2S 进气摩尔流速恒定为2 1mmo l L -1
h -1
,定期取样分析,考察不同溶解氧浓度下的表观化学氧化速率和表观生物氧化速率(总氧化速率).
在温度30 、溶解氧浓度10.5m g L -1
下,控制p H 值为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0进行试验,考察pH 对表观化学氧化速率和表观生物氧化速率(总氧化速率)的影响.
在p H 7.0、溶解氧浓度10.5m g L -1
下,控制温度为20、25、30、35、40 进行试验,考察温度对表观化学氧化速率和表观生物氧化速率(总氧化速率)的影响.试验中搅拌速度恒定在270r m i n -1.由于第一组实验中既存在生物氧化,也存在化学氧化,因此,本文实验结果中的生物氧化速率实际上是生物氧化与化学氧化速率之和.
1.4 分析方法
H 2S 的测定方法采用亚甲基蓝分光光度法(国家环境保护总局,2003),硫化物的测定方法为对氨基二甲基苯胺光度法(亚甲蓝法)(国家环境保护总局,2002),菌液浓度的测定方法为OD (Optical
Density)值法( =420n m )(范秀容等,1988).2 试验结果(Results)
图2~4分别为不同p H 、温度和溶解氧浓度下的生物氧化速率和化学氧化速率曲线,由于H 2S 可
以溶于液相,所以同时测定了液相中硫化物的浓度,因此,实际的H 2S 生物氧化速率和化学氧化速率为H 2S 进气摩尔流速减去H 2S 出口摩尔流速和硫化物在液相中累积摩尔速率之和.由图2~4可以看出,在pH 为6~8、温度为25~35 和溶解氧浓度为10.5m g L -1
时生物氧化速率可达到1.9mm o l L -1
h -1
以上,此时的硫化物在液相中累积摩尔速率和H 2S 出口摩尔流速均很低;而酸碱性的增加、温度的提高和溶解氧浓度的降低都会使H 2S 生物氧化速率降低.
化学氧化速率则随pH 值的增加而增加至0.45mm o l L -1
h -1
,H 2S 出口摩尔流速的降低趋势大于硫化物在液相中的累积趋势;在测试温度范围内,化学氧化速率的变化不大,它随温度的升高而缓慢增大,H 2S 出口摩尔流速的降低趋势略高于硫化物在液相中的累积趋势;溶解氧浓度的增加也使得化学氧化速率由0.03mm o l L -1
h -1
增大到0.33mm o l L -1
h -1
,此过程中,H 2S 出口摩尔流速具有明显的降低趋势,而液相中硫化物的累积速率则较为恒定
.
图2 不同pH 值下的H 2S 生物和化学氧化速率( =30 ; O 2
=10
.5m g L -1)(a 生物氧化;b 化学氧化)F i g .2 B i ological ox i dation and che m i cal ox i dati on ofH 2S und er d ifferent p H ( =30 ; O 2
=10.5m g
L -1)(a .B i ological Oxi dati on ;b .Cheical Ox i dati on)
在H 2S 的生物氧化中,不同的反应条件除了影
响H 2S 的氧化速率,还会对菌体的生长活性产生影
响,图5分别给出了不同pH 、温度和溶解氧浓度条件下菌液的浓度变化情况.脱氮硫杆菌在p H 6~8、
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环 境 科 学 学 报26
卷
图3 不同温度下的H 2S 生物和化学氧化速率(p H =7; O 2=10.5mg
L -1)(a 生物氧化;b 化学氧化)F i g .3 B i ological oxidati on and che m i cal ox i dation of H 2S und er d i fferen t te m perat ure(p H =7; O 2=10
.5m g L -1)(a .B i ological Ox i dati on ;b .Che m i ca lOxi dati
on)
图4 不同溶解氧浓度下的H 2S 生物和化学氧化速率(p H =7, =30 ):(a 生物氧化;b 化学氧化)
F i g .4 B i ological oxidati on and che m i cal ox i dation of H 2S under d ifferent d i ssolved oxygen concentrati on (p H =7, =30 )(a .B i ological
Ox i dation ; b.Ch e m icalOx i dati
on)
图5 不同反应条件下的菌液浓度变化(a .p H ( =30 , O 2
=10.5m g L -1),b .温度(pH =7, O 2
=10
.5mg L -1),c .溶解氧(pH =7, =30 ))
F i g .5 Th e b acteria con centrati on under d i ff eren t cond i ti on s(pH ( =30 , O 2
=10.5m g L -1),b.t e m perat u re(p H =7, O 2
=10
.5m g L -1),c .DO(p H =7, =30 )
温度为20~35 的条件下生长良好,但当p H 值和温度超出此范围时,菌体的生长受到抑制;而随着
溶解氧浓度的降低,菌体生长逐渐变缓.
480
3期贡 俊等:脱氮硫杆菌氧化硫化氢过程中的生物氧化和化学氧化
3 讨论(D iscussi o n)
3.1 p H值对氧化速率的影响
p H值为5~9时,生物氧化速率和化学氧化速率均有较明显的变化.在pH值为6~8的范围内生物氧化速率较高,是p H为5和9时的1.6~1.7倍,这是由于脱氮硫杆菌的最佳生长p H值为6~8,而偏酸或偏碱都会对菌体生长产生抑制(图2a),从而使H2S的氧化速率降低.由图2a还可看到,p H为9时H2S出口摩尔流速也很低,而硫化物在液相中的累积是导致其氧化速率降低的主要因素,这是因为在碱性条件下H2S气体的去除主要依靠化学中和反应(式3),形成的硫化物累积在液相中,使得H2S 的实际生物氧化速率降低,而且随着时间的推移,菌体生长会彻底被抑制,导致整个系统崩溃.
H2S+2OH-=S2-+2H2O(3)图2b中化学氧化速率随p H值的增加而增大了15倍,H2S出口摩尔流速呈降低趋势,而硫化物在液相中的累积速率则在不断增加,这也是由于pH 值的增加使H2S溶于液相中的比例加大,而液相中硫化物比气体H2S更容易与氧反应而被氧化.
p H值为5时,化学氧化几乎可以忽略,它只占总氧化速率的2.5%,化学氧化速率占总氧化速率的比例在p H值为9时达到最高,为38.9%,而在最佳菌体生长p H值范围内该比例为8.6%~16.6%.
3.2 温度对氧化速率的影响
由图3a的生物氧化速率曲线可以看出,其最大值出现在30 下,而在温度为20、25和35 下的生物氧化速率虽比30 下有所降低,但幅度很小;温度上升至40 时,生物氧化速率降低到最大值的45%.这一变化趋势与脱氮硫杆菌在不同温度下的生长趋势基本相同,其最佳生长温度为25~35 ,温度继续升高菌体会受到明显的抑制(图5b),这一变化直接对作为能源的H2S的生物氧化产生影响,使其氧化速率急剧下降.实验还对液相中硫化物和出口H2S进行了监测,数据表明H2S出口摩尔流速和硫化物在液相中的累积速率均随温度的升高呈现先高后低然后又急剧增高的趋势.在菌体的最佳生长温度范围,由于生长代谢需要大量的能源,使得进入反应器的H2S气体瞬间被菌体吸收转化,几乎没有硫化物的累积,而温度的降低或升高直接影响到H2S的生物氧化,未被氧化的部分则以硫化物的形式在液相中累积或以H2S气体排出.在实验温度范围内,随温度的升高H2S的溶解度会降低,但40 时菌体的活性被抑制而导致了H2S的迅速积累,因此,虽然温度升高了,但H2S仍会有一部分溶于液相,使得液相中的硫化物急剧上升.而在化学氧化中温度的升高直接导致H2S溶解度的降低,图3b中可看出H2S出口摩尔流速增大的同时硫化物在液相中的累积速率却明显降低,而H2S的化学氧化则随着温度的升高而增强,因此整个系统的化学氧化速率增大,但趋势较为平缓.
化学氧化速率在不同温度范围内占总氧化速率的比值为16.6%~43.7%,在最佳菌体生长温度范围内所占比值较小为16.6%~19.1%.
3.3 溶解氧浓度对氧化速率的影响
H2S气体的生物氧化和化学氧化与氧浓度有密切的关系.脱氮硫杆菌在好氧条件下利用S2-作为电子供体、O2作为电子传递链末端的电子受体进行新陈代谢,充足的电子受体有利于菌体的正常生长.因此,随溶解氧浓度的增大生物氧化速率(图4a)和菌体生长曲线(图5c)略有上升趋势,但变化很小.这是由于氧浓度的变化主要会对H2S生物氧化的最终产物产生影响,溶解氧浓度的增加有利于SO2-4的生成,而低溶解氧浓度下主要氧化产物为元素硫,因此对H2S生物氧化速率和菌体生长影响不大,但溶解氧浓度继续降低则会影响菌体对电子供体的充分利用,导致H2S生物氧化速率和菌体生长速率有所降低.而且由图4a还可以看出H2S出口摩尔流速略有降低而硫化物在液相中则几乎没有累积,这是因为在合适的菌体生长条件下,能与液相充分接触的H2S大多被菌体转化,不会有硫化物的累积,而少部分未能转化的H2S则被吹脱出去,溶于液相的部分则很少.没有菌体存在时,H2S的化学氧化直接取决于氧浓度的大小,图4b中溶解氧浓度的降低导致H2S出口摩尔流速明显升高,而液相中硫化物浓度则维持在一较高浓度范围,化学氧化速率则随溶解氧浓度的降低而显著下降.
化学氧化速率在不同溶解氧浓度范围内占总氧化速率的比例变化范围较小,随溶解氧浓度的增加化学氧化速率所占的比值由 1.6%上升至16.6%.
4 结论(Conclusions)
1)在p H值为6~8的范围内生物氧化速率较高,而偏酸或偏碱都会对菌体产生抑制,从而使H2S
481
环 境 科 学 学 报26卷
的生物氧化速率降低;化学氧化速率随pH值的增加(5~9)而增大了15倍,H2S出口摩尔流速呈降低趋势,而硫化物在液相中的累积速率则在不断增加;化学氧化速率与总氧化速率比值在2.5%~ 38 9%,而在最佳菌体生长p H值范围内该比值为8 6%~16.6%.
2)生物氧化速率在25~35 时较高,温度继续升高菌体会受到明显的抑制,使其氧化速率急剧降低到最大值的45%;而H2S的化学氧化则随着温度的升高而增强,化学氧化速率缓慢增大;化学氧化速率在不同温度范围内占总氧化速率的比值为16.6%~43.7%,在最佳菌体生长温度范围内所占比值较小为16.6%~19.1%.
3)随溶解氧浓度的增大生物氧化速率和菌体生长略有上升趋势,但变化很小;化学氧化速率则随溶解氧浓度的降低而显著下降;随溶解氧浓度的增加化学氧化速率所占比值由1.6%上升至16.6%.
通讯作者简介:张肇铭(1936 ),男,教授,博士生导师.主要从事微生物及生物工程方面的教学与科研工作,在国内外学术刊物上发表研究论文60余篇,并获得6项发明专利,研究成果被多次转让.E m ai:l zhangzh m@,T e:l0351 -7011409
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