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氧化硫硫杆菌脱除硫化氢的研究

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第26卷 第1期 2014年 2月 黑龙江八一 农垦大学学 报 Journal of Heilongjiang Bayi Agdcultur ̄ University 26(1J:l4~I7 Feb.20l4 文章编号:l 002—2090(2014)01—0014—04 氧化硫硫杆菌脱除硫化氢的研究 晏磊,刘权,张爽,王伟东,王彦杰,荆瑞勇 (黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院,大庆1 633 1 9) 摘 要:研究利用Acidithiobacillus thiooxidans ATCC19377(A.thiooxidans ATCC19377)对硫化氢的脱除条件进行研究,考察 pH,反应器运行时问,气流量,初始硫化氢浓度以及细菌生物量即600 nm处吸收值(0D )埘脱除效能的影响 采川单『大]素实 验法对A.thiooxidans脱除硫化氢的条件进行了研究。A.thiooxidans脱除硫化氢的最佳条件为:pH 2.5、反应器运 时问1 80 121i[I、 气体流量40 mL・min、初始硫化氢浓度8 g・Ill一、细菌生物量即600 nm处吸收值0.40。仞步确定r A.thiooxidans脱除硫化氢 的条件,为工业气体脱硫提供理论依据。 关键词:硫化氢;生物脱除;氧化硫硫杆菌;单因素实验 中图分类号:Q89 文献标识码:A Bioremoval of Hydrogen Sulifde by Acidithiobacillus thiooxidans Yan Lei,Liu Quan,Zhang Shuang,Wang Weidong,Wang Yanjie,Jing Ruiyong (College of Life Science and Technology,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 1 633 1 9) Abstract:The bioremoval characteristics of hydrogen sulfide by A cidithiob ̄'iUus thiooxidans ATCC19377 (A.thiooxidans A FCC I 9377)were investigated as a function of pH.operation time,gas flow,initial hydrogen sulifde oneentratlon and bactm‘ial biomass dosage(OD.,O.The removal conditions of hydrogen sulifde were analyzed by the single—factor experiments.Resu lts indicated that the optimum conditions for hydrogen sulfide removal were pH 2.5,operation time 180 rain,gas flow 40 ml ’rain一,initial hylh()gen sulifde coneentration 8 g・m。and bacterial biomass dosage(OD“m)0.40.Establishment of bim ̄movaI t ̄onditi()13S COil]d pl’ovide theoretic flmndation f0r industrial desulturization of gas. Key words:ftydrogen sulide;Biforemoval;Acidithiob ̄willus thiooxidans;single—factor experiment 硫化氢(hydrogen sulifde)是一种无色可燃的剧 毒气体,极低剂量便会引起人的中枢神经系统损伤, 对混凝士和钢材亦具有腐蚀性_1 。沼气生产、石油精 炼、天然气开采、手 [造纸制浆、食品加工、冶金、制 革、废水处理以及制药等工业生产都伴随有硫化氢 的排放I c .卅。传统的吸附、吸收以及焚烧等理化方法 被广泛应用于硫化氢污染的治理,但这些方法的能 耗极高,且极易造成二次污染【31。因此,开发节能降 处理的微生物包括嗜中性微生物和嗜酸微生物,其 中嗜中性微生物包括Thio& ̄'illus thioparus、 Xanthornonas sp.、Pseudomonzt ̄sI).以及A rthrobrwter sp. 等,但在实践应用中由于体系中H 和S04的逐渐累积 使得这些嗜中性微生物的脱硫效率降低 。而嗜酸性 微生物由于对H 和s0 一具有极好耐受性,使其在硫化 氢脱除中异军突起,此类微生物有A.thiooxidanst 。 在之前的研究中,我们采用响应面方法考察r 耗、生态环保型的硫化氢处理技术十分必要。 近年来,基于微生物转化的生物脱硫技术越来 A.[errooxidans脱除硫化氢的效果,许获得r硫化氧 脱除的最佳工艺 。本文旨在研究同属嗜酸微生物的 越受到关注,其原理是利用微生物将硫化氢转化为 高价态的硫酸根或硫单质}51。目前报道的用于硫化氢 收稿日期:201 3-08—06 基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究项日(1251 1367 o A.thiooxidans对硫化氢的脱除效果,探讨 问凶索对 其硫化氢脱除率的影响,在此 础l 获得脱除硫化氢 作者简介:晏磊(1981一),男,副教授,兰州大学毕业,现主要从事环境微生物学相关的教学与研究 作 第1期 晏磊等:氧化硫硫杆菌脱除硫化氢的研究 的最佳条件,以期为工业脱除硫化氢提供理论参考。 1材料与方法 1.1材料 1.1.1实验材料 A cidithiobacillus thiooxidans ATCC 19377,购买自 美国典型培养物保藏中心,本实验室活化保藏。 1.1.2试剂 Na S O ・5H O(分析纯,天津鑫宏翔商贸有 限公司);NH C1(分析纯,天津市北辰化学试剂有限 公司);K2HPO (分析纯,天津博迪化工有限公司); KC1,NaOH,MgC12"6H20(分析纯,天津市致远化学试 剂有限公司)。 1.1.3仪器 空气浴摇床(HZQ—C型,北京东联哈尔仪器制造 有限公司),pH计(PHSJ一3F型,上海仪电科学仪器 股份有限公司),不锈钢手提式高压灭菌器(SYQ— DSX一280型,上海申安医疗器械厂),可见光分光光 度计(722型,上海光学仪器厂),电子天平(BT223S 型,德国赛多利斯仪器系统有限公司),硫化氢检测 仪(MIC800型,深圳市逸云天电子有限公司),流量 计(气体)(LZB一4型,东台市东兴仪表厂),自制反应 器(图1)。 图1生物反应器实验装置 Fig.1 Experimental equipment of bio-reactor 1.1.4培养基 改良的9K培养基(g・L ):NH C1 2.0 g,K2HP04 0.5 g,MgC12‘6H20 0.5 g,KC1 0.1 g,Ca(NO3)2 0.O1 g, Na2S203’5H20 5.0 g,用lM的HC1和NaOH调节溶液 所需pH。 1-2方法 1.2.1 A.thiooxidans的培养及硫化氢处理液的收集 采用改良的9K培养基,在1 L三角瓶中,培养 体系为300 mL,按10%的接种量接种经多次活化的 A.thiooxidans,于28℃,150 rpm振荡培养,定期取样 测溶液在600 nm处的吸收值OD60o,当该值达到预期 时,停止培养,收集培养液作为硫化氢处理液备用。 1.2.2硫化氢的生物脱除 取硫化氢处理液100 mL加入到自制反应器(图 1)中,向反应器中通人含硫化氢的气体,反应器运行 温度为28℃,有效反应体积为100 mL,用NaOH溶 液吸收剩余的硫化氢,测定其吸收的硫化氢的量。 1.2.3硫化氢生物脱除条件的优化 利用单因素实验方法,在同一个反应器中分批 进行试验,分别改变硫化氢处理液pH,反应器运行 时间,含硫化氢气体的气流量,气体中初始硫化氢浓 度以及硫化氢处理液的细菌生物量(0D咖)等条件, 筛选出最佳的硫化氢脱除条件。 1.2.4分析方法 采用硫化氢检测仪分析硫化氢的浓度,根据气 流量,通气时间等计算硫化氢的量,脱硫率按文献报 道进行【4】。采用OriginPro 8.0进行数据分析。 2结果与分析 2.1培养液pit对硫化氢脱除率的影响 PH 图2 pH对脱硫率的影响 Fig.2 Effect of pH on the desulfation rate 取在摇床上培养至0D鲫为0.40的A.thiooxidans 培养液,调其pH至设定值后移人反应器中进行硫化 氢脱除实验。反应器气体流量为40 mL・arin-1,初始硫 化氢浓度为1O g・m-3)反应器运行时间为180 arin。不 同pH对硫化氢脱除率的影响见图2,结果表明,pH l6 黑龙江八一农垦大学学报 第26卷 为2.5时硫化氢脱除率最大,因此,选择pH为2.5 为硫化氢脱除时的最佳pH。 2.2反应器运行时间对硫化氢脱除率的影响 OD6o0为0.40,pH为2.5,反应器运行时间180 min,初 始硫化氢浓度为10 g・m。通过改变气体流量考察其 对脱硫率的影响。从图4可以看出,随着气体流量的 增加,脱硫率呈下降趋势,当气体流量为20 mL・min 时,硫化氢被完全脱除,脱硫率为100%,当气体流量 为40 mL・min 时,硫化氢脱除率为97.6%,考虑到 为了考察反应器运行时间对硫化氢脱除率的影 响,脱硫体系条件设定为:A.thiooxidans培养液OD 为0.40,pH为2.5,气体流量为40 mL・min~,初始硫 化氢浓度为10 g・m 。从图3可以看出,硫化氢的脱 脱硫体系的实际应用,在保证脱硫率高的同时还要 获得较大的气体处理量,因此,选择40 mL・min 作 除率与反应器运行时间成正相关,当反应器运行时 间由60 min增加至180 min时,硫化氢脱除率由 15.4%上升至98.8%,故选择180 min作为反应器的 最佳运行时间。 图3反应器运行时间对脱硫率的影响 Fig.3 Effect of operation time on the desulfation rate 2.3含硫化氢气体的流量对硫化氢脱除率的影响 图4含硫化氢气体流量对脱硫率的影响 Fig.4 Effect of gas flow 011 the desulfation rate 将脱硫体系条件设定为:A。thiooxidans培养液 为最佳气体流量。 2.4初始硫化氢浓度对脱硫率的影响 通过设定不同初始硫化氢浓度来考察其对脱硫 体系脱硫率的影响,脱硫体系条件设定为: A.thiooxidans培养液0D 为0.40,pH为2.5,反应 器运行时间180 min,气体流量为40 mL・min~。由图5 可知,随着初始硫化氢浓度的增加,脱硫率呈下降趋 势,当初始硫化氢浓度为6 g・m 时,硫化氢被完全 脱除,脱硫率为100%,当初始硫化氢浓度为8 g・m 时,硫化氢的脱除率为99.3%,为了最大限度的处理 硫化氢,以8 g・m 作为初始硫化氢浓度。 重 亡 旦l 凸 Concentration/g・m。。 图5初始硫化氢浓度对脱硫率的影响 Fig.5 Effect 0f initial hydrogen sulfide concentration on the desulfation rate 2.5细菌生物量对硫化氢脱除率的影响 将脱硫体系条件设定为:4.thiooxidans培养液pH 为2.5,反应器运行时间180 min,气体流量40 mL・arin- , 初始硫化氢浓度为8 g・m 。考察A.thiooxidans培养 液不同0D㈣对脱硫率的影响。由图6呵以看出,当 0D 从0.10增加到0.40时,脱硫率呈上升趋势,当 其值为0.4O时,脱硫率达到最大值,为98.7%;随后, 脱硫体系脱硫率下降。因此,A.thiooxidans培养液的 第1期 o/o,e _I co—lB= ∞∞o 晏磊等:氧化硫硫杆菌脱除硫化氢的研究 17 最佳0D600为0.40。 图6细菌生物量对脱硫率的影响 Fig.6 Effect of bacterial biomass dosage (0D600)on the desulfation rate 3讨论 A.thiooxidans具有硫氧化酶和亚硫酸盐氧化酶 系统,能够把还原态的硫化物和单质硫最终氧化为 硫酸,因此其在生物浸矿、生物脱硫、盐碱改良等领 域有着极好的应用潜力f6, 。已有的关于A.thiooxidans 用于硫化氢脱除的报道大都采用固定床技术l3,61,本 文主要研究游离A.thiooxidans对硫化氢的脱除情 况,探讨了pH,反应器运行时间,气流量,初始硫化 氢浓度以及细菌生物量(OD6oo)对脱硫率的影响。 A.thiooxidans生长的最适pH为2.0—2.8t“1,在生 物反应器脱硫体系中,A.thiooxidans培养液的pH影 响硫化氢的脱除率。脱硫率随pH升高出现先增大后 减小的趋势,其原因是由于处理液pH较低时 (<3.0),A.thiooxidans活力相对较强,能转化体系中 的硫化氢,但过低的pH(<2.5)反而会影响 A.thiooxidans的活力,使其对硫化氢的转化能力下 降;而当pH较高时(>2.5),虽然硫化氢易于被处理 液吸 ,但同时也影响了A.thiooxidans的活力,使 得脱硫率降低。结果表明,增加反应器运行时间是保 证硫化氢高效脱除的有力手段,但长时间的运行势 必会增加能耗,使得处理液有效处理量降低,因此, 对于批处理反应器而言,运行时间既要考虑脱硫率, 也要考虑能耗等因素。 气体流量越大,单位时间内进入反应器的硫化 氢量越大,同时气流速度也越大,使得硫化氢的传质 增强,在一定程度上有利于脱硫率的升高。但是,过 高的气流量造成的巨量硫化氢使得反应器处理液难 以及时吸收和转化,从而导致脱硫率降低l 3_。研究表 明,初始硫化氢浓度越高,脱硫率越低,其原因是气 流量一定时,硫化氢浓度越高,单位时间内进入反应 器的硫化氢量越大,从而超过了反应器的处理负荷, 造成部分硫化氢未来得及处理就已经逸出。结果表 明,较高生物量的A.thiooxidans可增加脱硫率,过高 的OD鲫反而会降低脱硫率,其原因是在有效的体系 内,可利用的能源有限,而随着生物量的增加,微生 物数量总体上升,使得能源相对不足。试验采用的方 法可为大规模含硫化氢气体的处理提供思路。 参考文献: l 1 J Lee EY,Lee NY,Cho K S,et a1.Removal of hydrogen sulfide by sulfate-resistant A cidithiobacillus thiooxidans AZ1 1 lJ J.Journal of Bioscience and Bioengineering, 2006,101(4):309—314. 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