姜 閱,孫珮石,鄒 平,吳志浩3,,鄭超群3,,魏中華,畢曉伊,王 潔,任洪強(qiáng),王艷茹

(1.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明650091；2.云南大學(xué)工程技術(shù)研究院,云南 昆明650091；3.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院,云南 昆明650091；4.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京210023)

煙氣同時(shí)脫硫脫氮用生物膜填料塔脫氮性能專項(xiàng)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)探索

姜 閱1,2,孫珮石2,鄒 平2,吳志浩3,2,鄭超群3,2,魏中華2,畢曉伊2,王 潔2,任洪強(qiáng)4,王艷茹4

(1.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明650091；2.云南大學(xué)工程技術(shù)研究院,云南 昆明650091；3.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院,云南 昆明650091；4.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京210023)

對(duì)采用添加脫氮功能菌群、煙氣同時(shí)脫硫脫氮、生物膜填料塔煙氣脫氮性能的專項(xiàng)生物強(qiáng)化方法進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：通過(guò)專項(xiàng)培養(yǎng)并添加含有硝化菌的脫氮功能菌群、反硝化菌群以及它們的混合菌群液，使生物膜填料塔的脫氮效率分別提高了5.90%、4.01%和7.15%，驗(yàn)證了該專項(xiàng)生物強(qiáng)化方法的技術(shù)可行性。

生物法；煙氣同時(shí)脫硫脫氮；脫氮性能；生物強(qiáng)化；生物膜填料塔；實(shí)驗(yàn)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型以及工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻[1-6]，針對(duì)環(huán)境污染治理技術(shù)的研究快速增多。其中，生物強(qiáng)化技術(shù)在環(huán)境污染治理技術(shù)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用較多，且處理效果較好[7-13]。近年來(lái)，本項(xiàng)目組[14]通過(guò)對(duì)生物強(qiáng)化作用方面的研究，確認(rèn)了添加功能菌人工復(fù)配對(duì)生物塔凈化效果的強(qiáng)化作用。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組開(kāi)展了對(duì)凈化系統(tǒng)內(nèi)微生物的鑒定工作，并篩選出具有脫氮功能的菌群。針對(duì)煙氣同時(shí)脫硫脫氮用生物膜填料塔的脫硫性能遠(yuǎn)強(qiáng)于脫氮性能的問(wèn)題，項(xiàng)目組繼續(xù)針對(duì)生物膜填料塔的煙氣脫氮性能進(jìn)行了專項(xiàng)生物強(qiáng)化探索實(shí)驗(yàn)研究，以期為生物強(qiáng)化煙氣脫硫脫氮技術(shù)的深入研究與實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置、材料與方法

1.1 煙氣凈化實(shí)驗(yàn)裝置與流程

實(shí)驗(yàn)采用的主體實(shí)驗(yàn)?zāi)M煙氣凈化設(shè)備是生物膜填料塔(見(jiàn)圖1)，它由直徑為50mm、高度為650mm的玻璃管制成，塔內(nèi)裝填直徑約為1.0～1.5cm的類球形陶粒，填料層總高度為450mm。

在常溫常壓條件下，實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)法配制SO2和NOx混合模擬煙氣，即通過(guò) Na2SO3溶液與H2SO4溶液及NaNO2溶液與H2SO4和FeSO4的混合溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制取SO2和NOx，之后將它們與空氣混合。混合氣體從生物膜填料塔的底部自下而上進(jìn)入塔內(nèi)，同時(shí)塔內(nèi)的循環(huán)液自上向下噴淋，氣液相在塔內(nèi)逆向流動(dòng)，以促進(jìn)氣液兩相充分接觸。SO2和NOx混合模擬煙氣在上升過(guò)程中與附著在填料表面上的濕潤(rùn)生物膜接觸，進(jìn)而被其中的功能微生物捕獲、降解，凈化后的氣體從塔頂排出。循環(huán)液從生物膜填料塔塔底流出進(jìn)入循環(huán)槽后，再由人工連續(xù)輸送至高位槽中，隨后從生物塔塔頂流入塔內(nèi)向下噴淋，實(shí)現(xiàn)循環(huán)操作。

本研究主要通過(guò)添加含有硝化菌的脫氮功能菌群、反硝化菌群、以及它們的混合菌群液，進(jìn)行生物強(qiáng)化對(duì)生物塔煙氣脫氮性能的影響實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，總共運(yùn)行了3套生物膜填料塔，對(duì)應(yīng)的操作運(yùn)行工藝參數(shù)條件為：入口氣體SO2、NOx濃度分別為1500～3000mg/m3、1400～1600mg/m3，氣體流量為0.2m3/h，循環(huán)液流量為9.0L/h。

由于實(shí)驗(yàn)中各生物膜填料塔的脫硫效率一直穩(wěn)定為100%，所以本研究主要考察了添加脫氮功能菌群對(duì)生物膜填料塔脫氮性能的強(qiáng)化作用。

1.2 功能菌的來(lái)源

由本項(xiàng)目組前期對(duì)生物膜填料塔內(nèi)微生物菌群的分析研究結(jié)果[15]可知，生物膜填料塔內(nèi)具有脫氮作用的功能菌主要有：硝化螺菌(Nitrospira)、硝化桿菌(Nitrobacter)、亞硝化球菌(Nitrosococcus)、亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)、鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)、新鞘氨醇桿菌(Novosphingobium)、寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas)、伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)、產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes)。由上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，生物膜填料塔內(nèi)同時(shí)存在硝化菌和反硝化菌。其中的硝化螺菌屬(Nitrospira)、硝化桿菌屬(Nitrobacter)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)、亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)4種典型的硝化菌，是已被應(yīng)用于煙氣凈化研究領(lǐng)域[15-17]的功能菌。鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)、新鞘氨醇桿菌(Novosphingobium)、寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas)、伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)、產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes)都屬于反硝化菌[18-22]。經(jīng)查閱文獻(xiàn)可知，鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)是具有廣泛降解能力的反硝化菌[23-25]，產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes)是具有反硝化能力的脫氮菌[26,27]，伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)也具有一定的生物降解能力，可降解高氨氮廢水、含酚廢水、原油等污染物[28-30]。

以上述文獻(xiàn)資料記載為基礎(chǔ)，結(jié)合《伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)》中對(duì)上述細(xì)菌的生長(zhǎng)條件、性質(zhì)和作用的記載，經(jīng)分析比較最終篩選出了鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)、伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)、產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes)，作為本實(shí)驗(yàn)使用的專項(xiàng)生物強(qiáng)化反硝化菌。反硝化菌從中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)購(gòu)買獲得。實(shí)驗(yàn)中，購(gòu)買了3株反硝化菌的純菌株，分別是越南伯克霍爾德氏菌(Burkholderiavietnamiensis)、糞產(chǎn)堿菌糞亞種(Alcaligenesfaecalissubsp.faecalis)、胞外多聚物鞘氨醇單胞菌(Sphingomonassanxanigenens)。

本實(shí)驗(yàn)使用的專項(xiàng)生物強(qiáng)化用硝化菌，是利用本項(xiàng)目組前期研究使用的生物膜填料塔中含有硝化功能菌群的菌液(即循環(huán)液)，經(jīng)過(guò)專項(xiàng)培養(yǎng)獲得。

由此，即可有針對(duì)性地對(duì)上述含有硝化菌的脫氮功能菌群和反硝化菌進(jìn)行取樣及專項(xiàng)培養(yǎng)，之后將完成培養(yǎng)的菌液直接添加到生物膜填料塔內(nèi)，用以進(jìn)行脫氮性能的探索實(shí)驗(yàn)研究。

1.3 脫氮功能菌培養(yǎng)基配方

(1) 硝化菌培養(yǎng)基配方

經(jīng)查閱文獻(xiàn)資料[31-33]，并對(duì)比本實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象、目標(biāo)、條件等，經(jīng)分析及預(yù)實(shí)驗(yàn)研究確定了硝化菌的基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方，見(jiàn)表1。

(2)反硝化菌培養(yǎng)基配方

越南伯克霍爾德氏菌(Burkholderiavietnamiensis)和糞產(chǎn)堿菌糞亞種(Alcaligenesfaecalissubsp.faecalis)的培養(yǎng)基配方見(jiàn)表2，胞外多聚物鞘氨醇單胞菌(Sphingomonassanxanigenens)的培養(yǎng)基配方見(jiàn)表3，培養(yǎng)溫度均為30℃。

表1 硝化菌培養(yǎng)基配方

表2 營(yíng)養(yǎng)肉汁瓊脂培養(yǎng)基配方

表3 PYG培養(yǎng)基配方

1.4 脫氮功能菌培養(yǎng)方法及培養(yǎng)裝置

1.4.1 脫氮功能菌群的培養(yǎng)

在1個(gè)1.0L的燒杯中配制500mL的液體培養(yǎng)基(pH=8.0，依一般硝化菌生長(zhǎng)條件定)，加入取自生物膜填料塔循環(huán)槽中含有專用高效硝化菌群的菌液20mL，充分混勻后，放于溫度為30℃、轉(zhuǎn)速為150rpm條件下的搖床初步培養(yǎng)7d。之后，繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)6d，使其中的菌體濃度達(dá)到后續(xù)生物強(qiáng)化性能實(shí)驗(yàn)的要求。擴(kuò)大培養(yǎng)期間，每隔24h取出菌液樣品，采用草酸銨結(jié)晶紫染色法觀察細(xì)菌的生長(zhǎng)情況，并采用血球板計(jì)數(shù)法對(duì)樣品中的細(xì)菌進(jìn)行計(jì)數(shù)。

對(duì)于反硝化菌的培養(yǎng)，由于菌源是外購(gòu)來(lái)的純菌株，因此按常規(guī)微生物學(xué)菌種培養(yǎng)方法進(jìn)行接種，用30℃恒溫?fù)u床初步培養(yǎng)7d。之后，繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)6d，使其中的菌體濃度達(dá)到后續(xù)生物強(qiáng)化性能實(shí)驗(yàn)的要求，并對(duì)反硝化細(xì)菌進(jìn)行計(jì)數(shù)及生長(zhǎng)情況觀察。

1.4.2 脫氮功能菌群的硝化與反硝化能力測(cè)試

在對(duì)含有硝化菌的脫氮功能菌群、反硝化菌群進(jìn)行培養(yǎng)與觀察的同時(shí)，分別采用分光光度法跟蹤測(cè)試不同時(shí)間段含有硝化菌的脫氮功能菌群、反硝化菌的菌液中硝酸根以及亞硝酸根的濃度變化，以考察并驗(yàn)證上述硝化菌、反硝化菌的硝化、反硝化能力。其中，亞硝酸根濃度均采用格里斯(Griess)試劑比色法測(cè)定，硝酸根濃度均采用麝香草酚分光光度法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)擴(kuò)大培養(yǎng)過(guò)程中的脫氮功能菌群生長(zhǎng)狀況的觀察

(1)對(duì)擴(kuò)大培養(yǎng)過(guò)程中含有硝化菌的脫氮功能菌群的計(jì)數(shù)觀察

對(duì)擴(kuò)大培養(yǎng)過(guò)程中含有硝化菌的脫氮功能菌群的計(jì)數(shù)觀察結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延續(xù)，含有硝化菌的脫氮功能菌群在培養(yǎng)過(guò)程中菌體數(shù)目快速增多。菌液中的菌體數(shù)目從培養(yǎng)第1d的4.5×105個(gè)/mL，明顯增加到第6d的24.1×105個(gè)/mL。這表明本研究經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定的培養(yǎng)基配方適用且有效。

(2)對(duì)擴(kuò)大培養(yǎng)過(guò)程中反硝化菌群的計(jì)數(shù)觀察

對(duì)擴(kuò)大培養(yǎng)過(guò)程中反硝化菌群的計(jì)數(shù)觀察結(jié)果如圖3所示。由圖3A、3B可知，產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes)、伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)和鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)3種反硝化菌在培養(yǎng)過(guò)程中菌體數(shù)目均隨時(shí)間的延續(xù)而快速增多。其中以鞘氨醇單胞菌的菌體數(shù)目增加最快，到培養(yǎng)第6d時(shí)，其菌體數(shù)目已達(dá)到1150×106個(gè)/mL；而伯克霍爾德氏菌和產(chǎn)堿桿菌則增加較慢，菌體數(shù)目分別達(dá)到550×106個(gè)/mL和20×106個(gè)/mL。這同樣表明了3種反硝化菌基本適合于采用本研究選用的培養(yǎng)基配方進(jìn)行培養(yǎng)繁殖。

2.2 脫氮功能菌群的硝化與反硝化能力測(cè)試

(1)含有硝化菌的脫氮功能菌群的硝化能力測(cè)試結(jié)果

含有硝化菌的脫氮功能菌群菌液中亞硝酸根含量、硝酸根含量隨時(shí)間的變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延續(xù)，含有硝化菌的脫氮功能菌群菌液中出現(xiàn)了亞硝酸根含量逐漸減少、硝酸根含量逐漸增多的變化趨勢(shì)。當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間至5d時(shí)，硝化菌群菌液中的亞硝酸根含量從初始的1.35mg/mL，逐步下降了0.11 mg/mL，之后基本穩(wěn)定在1.24mg/mL的水平；對(duì)應(yīng)的硝酸根含量則從初始的0.32mg/mL，逐步增加了0.22 mg/mL，之后基本穩(wěn)定在培養(yǎng)6d時(shí)的0.54mg/mL水平。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含有硝化菌的脫氮功能菌群具有硝化特性。

(2)反硝化菌的反硝化能力測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)的產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes)、伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)和鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)等3種反硝化菌的菌液中亞硝酸根含量、硝酸根含量隨時(shí)間的變化分別如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延續(xù)，產(chǎn)堿桿菌、伯克霍爾德氏菌、鞘氨醇單胞菌的菌液中亞硝酸根的含量均在逐漸增多，硝酸根含量都在逐漸減少。其中以鞘氨醇單胞菌菌液中硝酸根和亞硝酸根含量整體變化趨勢(shì)最為明顯。由上述結(jié)果可知，本實(shí)驗(yàn)采用的產(chǎn)堿桿菌、伯克霍爾德氏菌、鞘氨醇單胞菌均能夠利用硝酸鹽作為氮源，將硝酸鹽轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，即上述3種反硝化菌均具有一定的反硝化特性。

2.3 添加脫氮功能菌群的強(qiáng)化脫氮性能實(shí)驗(yàn)考察

(1)添加含有硝化菌的脫氮功能菌群的強(qiáng)化脫氮性能實(shí)驗(yàn)考察

從生物膜填料塔內(nèi)原有的10.0L循環(huán)液中取出1.0L，將完成擴(kuò)大培養(yǎng)的含有硝化菌的菌液1000mL添加到相應(yīng)的生物膜填料塔的循環(huán)槽中，此時(shí)生物膜填料塔的循環(huán)液體積為10.0L。之后，運(yùn)行生物膜填料塔并每天定時(shí)測(cè)定其煙氣脫氮效率。

添加含有硝化菌的脫氮功能菌群專項(xiàng)生物強(qiáng)化生物膜填料塔脫氮性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。由圖6可知，添加含有硝化菌的脫氮功能菌群后，生物膜填料塔的脫氮效率出現(xiàn)了明顯的提升，脫氮效率的平均值由添加前的30.01%增至添加后的35.91 %，平均值提高了5.90%。添加后，脫氮效率的最高值達(dá)到了42.29%。由此可知，添加經(jīng)專項(xiàng)培養(yǎng)的脫氮功能菌群可以強(qiáng)化提升生物膜填料塔的煙氣脫氮性能。

(2)添加反硝化菌群的強(qiáng)化脫氮性能實(shí)驗(yàn)考察

從生物膜填料塔內(nèi)原有的10.0L循環(huán)液中依次取出1.0L，將完成擴(kuò)大培養(yǎng)的3種反硝化菌的菌液按照1∶1∶1的比例(每種反硝化菌的菌液約為333mL)，配制成總體積為1.0L的反硝化菌群液，并將其添加到生物膜填料塔的循環(huán)槽中。此時(shí)生物膜填料塔的循環(huán)液體積為10.0L。之后，運(yùn)行生物膜填料塔并每天定時(shí)測(cè)定其煙氣脫氮效率。

添加含有反硝化菌的脫氮功能菌群專項(xiàng)生物強(qiáng)化生物膜填料塔脫氮性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示。

由圖7可知，含有反硝化菌的脫氮功能菌群添加后，生物膜填料塔的煙氣脫氮效率最高值達(dá)到了42.06 %，平均值從添加前的32.01%，上升到了36.02%，即添加后比添加前提高了4.01%。這一結(jié)果表明添加經(jīng)專項(xiàng)培養(yǎng)的含有反硝化菌的脫氮功能菌群能夠起到強(qiáng)化提升生物膜填料塔煙氣脫氮性能的作用。

(3)添加復(fù)合脫氮功能菌群的強(qiáng)化脫氮性能實(shí)驗(yàn)考察

從生物膜填料塔內(nèi)原有的10.0L循環(huán)液中取出2.0L，將含有硝化菌的脫氮功能菌群的1.0L菌液與含有反硝化復(fù)合菌群(每種反硝化菌的菌液約為333mL)的1.0L菌液混合制成2.0L的復(fù)合脫氮功能菌群的菌液，并添加到生物膜填料塔的循環(huán)槽中，此時(shí)生物膜填料塔的循環(huán)液體積為10.0L。之后，運(yùn)行生物膜填料塔并每天定時(shí)測(cè)定其煙氣脫氮效率。

添加復(fù)合脫氮功能菌群生物強(qiáng)化生物膜填料塔脫氮性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示。

由圖8可知，添加含有復(fù)合脫氮功能菌群后，生物膜填料塔的煙氣脫氮效率出現(xiàn)了明顯的提升，最高值達(dá)到了44.02%。復(fù)合功能菌群添加后，生物膜填料塔運(yùn)行15d的結(jié)果表明，添加后的生物膜填料塔的煙氣脫氮效率平均值達(dá)到38.06%，比添加前的30.91%提高了7.15%，專項(xiàng)生物強(qiáng)化效果顯著。

3 結(jié)論

本探索實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，通過(guò)添加脫氮功能菌群的專項(xiàng)生物強(qiáng)化方法能夠有效提升生物膜填料塔的煙氣脫氮性能。實(shí)驗(yàn)中添加硝化菌、反硝化菌及它們的混合菌群液，使生物膜填料塔的煙氣脫氮效率分別提高了5.90%、4.01%、7.15%。這表明采用脫氮功能菌群專項(xiàng)生物強(qiáng)化煙氣同時(shí)脫硫脫氮，用生物膜填料塔的脫氮性能在技術(shù)上是可行的。本探索實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為生物法煙氣脫硫脫氮技術(shù)基礎(chǔ)研究提供了重要參考。

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Experimental Exploration of Special Bio-augmenting on Denitrification Capability of Biofilm-packing Tower Using Simultaneous Desulfurization and Denitrification from Flue Gas

JIANG Yue1,2,SUN Pei-shi2, ZOU Ping2, WU Zhi-hao2,3, ZHENG Chao-qun2,3,WEI Zhong-hua2,BI Xiao-yi2,WANG Jie2, REN Hong-qiang4, WANG Yan-ru4

(1. School of Ecology and Environmental Science of Yunnan University, Kunming Yunnan 650091,China)

An exploring test for the feasibility of bio-augmenting the denitrification capability of biofilm-packing tower using simultaneous desulfurization and denitrification from flue gas was done by adding denitrogenationbacteriapopulation. The test results indicated that the denitrification efficiency ofbiofilm-packing tower had beenincreased 5.90%, 4.01% and 7.15% respectively through adding denitrogenation bacteria population containing nitrification bacteria, denitrification bacteria population, and their mixed bacteria liquid. The feasibility of special bioaugmentation technique had been verified.

bio-method; simultaneous desulfurization and denitrification from flue gas; special bio-augmentation on performance of denitrification; biofilm-packing tower; test

2016-11-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278447,51168046,51008264)。

姜閱(1989-),女,吉林省松原市人，碩士研究生,主要從事生物法煙氣脫硫脫氮方面的研究。

X17

A

1673-9655(2017)03-0007-07