Hans Journal of Chemical
Engineering and Technology化学工程与技术, 2012, 2, 91-95
http://dx.doi.org/10.12677/hjcet.2012.23016
Published Online July 2012 (http://www.abtbus.com/journal/hjcet)
Experimental Study on Simultaneous Denitrification and
Desulphurization by
Thiobacillus denitrificansin
Bio-Trickling Filter
Chengjiang Dong
1
, Xiao Song
2
, Y i Qi
2
, Zhenjie Qian1, Haibo Li1, Yan Ge1, Bin Cha i1
1
Tianjin Teda Environmental Protection Co., Ltd., Tianjin
2
Dalian Teda Environmental Protection Co., Ltd., Dalian
Email: hmstar2570@126.com
Received: May 22nd, 2012; revised: Jun. 20th, 2012; accepted: Jun. 28th, 2012
Abstract:
According to the biological characteristics and suitable growth conditions ofThiobacillus denitrificans, ex-
perimental study of simultaneous desulfurization and denitrification by
Thiobacillus denitrificansunder anaerobic con-
ditions was carried out in biotrickling filter filled with packing. The effect of gas flow, concentration of inlet gas, spray
volume of circulation liquid, etc., on H
2
S and NO removal efficiency were investigated, and the optimum experimental
conditions was determined.
Keywords:
Thiobacillus denitrificans; Bio-Trickling Filter; Simultaneous Denitrification and Desulphurization
生物滴滤塔内脱氮硫杆菌同时脱硫脱硝的实验研究
董成江
1，宋
逍2，綦
懿2
，钱振杰1，李海波
1，葛
砚1，柴
斌1
1
天津泰达环保有限公司，天津
2
大连泰达环保有限公司，大连
Email: hmstar2570@126.com
收稿日期：
2012
年5月22日；修回日期：2012年6月20日；录用日期：2012年6月28日
摘
要：
本文根据脱氮硫杆菌在厌氧条件下的生理特性，以生物滴滤塔为反应器、脱氮硫杆菌为功能菌种进行
了同时脱硫脱硝的实验研究。利用
w
垃圾渗滤液进行填料挂膜并驯化后得到了脱氮硫杆菌菌群，考察了进气浓
度、液体喷淋量、入口气体流量等因素对
H2S和NO脱除效率的影响，确定了较佳的实验条件。
关键词：
脱氮硫杆菌；生物滴滤塔；同时脱硫脱硝
1.
引言
脱氮硫杆菌为革兰氏阴性菌，广泛分布于土壤、
淡水、海水、矿山的排水、阴沟污水、含硫温泉以及
硫沉积的地方，呈淡黄色，可在
10℃~37℃，PH为
4.0~9.5
的条件下生长，最适宜的生长温度为28℃~30
℃，最适宜的
PH
值为6.5~7.0[1]。脱氮硫杆菌可以利
用不同的硫化物作为底物，通过氧化作用获取能量。
在有氧条件下，脱氮硫杆菌以
O2
为电子受体，根据
不同供氧量可将硫化物氧化生成单质硫或硫酸根离
子。在厌氧条件下，硝酸盐类又作为电子受体被还原
成为氮气，此时反应式如下
[2]：
2
32
5S+ 2NO12H5SN6HO
2
2
(1)
2
32 4
5S6NO8H O5SO4H3N
(2)
由上两式可见，在厌氧条件下，
脱氮硫杆菌以3
NO
为电子受体，氧化硫离子为单质硫或硫酸盐的同时还
原硝酸盐为氮气，这为寻求生物法同步脱硫脱硝的途
径提供了新的思路。到目前为止的研究已经证明，脱
Copyright © 2012 Hanspub
91
生物滴滤塔内脱氮硫杆菌同时脱硫脱硝的实验研究
氮硫杆菌在厌氧条件下的同步脱硫脱硝是可行的
[2-5]
。
生物法处理有害气体的常用设备主要有生物洗
涤器、生物过滤器和生物滴滤塔。由于生物洗涤器具
有处理气量小，生化反应能力差，系统压差大等缺点，
目前己经较少采用。生物过滤器则通常用于处理气量
较大，浓度较低、污染物毒性小的有害气体。相比之
下，生物滴滤塔反应器是一种广泛用于气体吸收的设
备。由于液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜
而与气相接触进行反应。故液相主体量较少，适用于
瞬间、界面和快速反应。滴滤塔反应器气体压降很小，
液体返混极小，因而是一种良好的气体液相反应器。
目前，采用脱氮硫杆菌在生物滴滤塔内进行废气
同步脱硫脱硝的研究相对较少，可参考的实验数据更
寥寥无几，基于此，本文采用生物滴滤塔为反应器进
行了脱氮硫杆菌在废气中同步脱硫脱硝的初步实验
研究，以期为相关内容机理分析、定量模型的建立等
提供实践依据。
2.
实验部分
2.1.
菌种
城市生活垃圾处理时会产生垃圾渗沥液。渗沥液
为高浓度有机废水，浓度变化大，含碳氢化合物、硫
酸盐、硝酸盐等，细菌含量很高，其中也包括脱氮硫
杆菌。本研究根据烟气及渗沥液的各自特性，通过渗
沥液进行填料挂膜以繁殖脱氮硫杆菌，实现以废治废。
2.2.
实验仪器、药品和检测方法
H
2
S：便携式H2S检测仪，仪器型号：深圳市吉
安达科技有限公司
GN8080；
NO
：手持式烟气检测仪，仪器型号：英国凯恩
(KANE)
公司KMSGA940；
S
2–
：碘量法。碘量法：使用I2标准溶液直接滴定
检测
pH(5~8)溶液中S2–浓度，其反应式为：
2
2
IS 2IS
Na
2
S2O3：天津大学科威公司，分析纯；KNO3天
津大学科威公司，分析纯；
Na
2
HPO4：天津大学科威公司，分析纯；KH2PO4：
天津大学科威公司，分析纯；
MgSO
4
·7H
2
O：天津大学科威公司，分析纯；
NH
4
Cl：天津大学科威公司，分析纯；
FeCl
3
：天津大学科威公司，分析纯；MnSO4：天
津大学科威公司，分析纯；
CaCl
2
：天津大学科威公司，分析纯；
NaHCO3：
天津大学科威公司，分析纯；
NaOH
：天津大学科威公司，分析纯。
2.3.
实验方案
用垃圾渗滤液浸泡填料
24
小时后，将有少量的菌
体截留附着在填料表面，将填料装入生物滴滤塔中。
挂膜期间，维持系统的温度在
30
℃左右，塔顶连续喷
淋适宜脱氮硫杆菌生长的营养液，喷淋量为
150 L/h。
此时填料上固着的微生物将摄取液流中的营养物质，
进行新陈代谢等生命活动，并在填料表面生长繁殖。
随着时间的推移，微生物的量逐渐增长，从载体表面
向外扩展，逐步形成成熟的生物膜。营养液以自来水
配制，
用NaOH溶液调节PH至7.0左右，每隔3天更
换一次。由于硫单质可能累积在填料上造成堵塞，本
研究选择硝酸盐过量，营养液成分如表
1所示。实验
时采用的待净化气体成分为
H2S和NO，载气为N2。
2.4.
实验装置及说明
脱氮硫杆菌处理
H2S和NOx的实验装置如图1所
示。
装置主要说明：
1)
生物滴滤塔的塔体由Φ80 mm × 1000 mm玻
璃管制成，填料层高
900 mm
，温度计紧贴塔体内壁
置于其中。
Table 1. The nutrient solution of
Thiobacillus denitrificans[6]
表
1.脱氮硫杆菌营养液成分[6]
营养液成分
浓度
(g/L)
Na
2
S2
O310.0
KNO
3
5.0
Na
2HPO
4
1.2
KH
2
PO41.8
MgSO
4
·7H
2
O 0.4
NH
4
Cl 0.5
FeCl
3
0.02
MnSO
4
0.02
CaCl
2
0.03
NaHCO
3
1.0
Cop
yright © 2012 Hanspub
92
生物滴滤塔内脱氮硫杆菌同时脱硫脱硝的实验研究
1
。生物滴滤塔，2、球阀若干，3、转子流量计，4、N2钢瓶，5、缓冲罐，6、
造气装置，
7、储液槽，
8、离心泵，
9、液体分布器，10、滴液漏斗。
Figure 1. Scheme of biotrickling filter
图
1.生物滴滤塔示意图
2)
生物滴滤塔的塔釜材料为
PVC
，装置运行前
注入
10 L喷淋液。
3)
实验采用聚丙烯阶梯环填料，主要性能参数如
表
2所示。
4)
用氮气赶净塔内空气，模拟工业废气由塔底进
入生物滴滤塔，在上升过程中与润湿的生物膜接触而
被净化，净化后的气体从塔顶排出。塔内逆流操作，
循环液体从塔顶喷淋到填料上，自上而下润湿填料层
并由塔底排出，而后由循环泵打回塔顶循环使用，依
靠阀门配合流量计来控制液体流量。
5) H
2
S和NO脱除效率表达式为：
H
2
S的脱除效率22
2
HS HS
= 100%
HS
进气 浓度出气 浓度
进气 浓度
NO
的脱除效率
NONO100%
NO
进气浓度 出气浓度
进气 浓度
3.
实验结果与讨论
3.1.
填料挂膜期间生物膜的生长状况
装置启动一周后，填料表面出现微小的黑色斑
点，表明菌体开始附着。一个月后，生物膜已布满填
料表面，此时整个填料表面呈淡黄色，可知脱氮硫杆
菌已成为塔中的优势菌群。靠近液体分布器的填料层
因受液体冲击严重，生物膜较薄，颜色较浅。
3.2.
不同进气流量下废气浓度对脱除效率
的影响
图
2(a)
为经一段时间驯化后，液体喷淋量
150
L/h
，进气浓度0~30 ppm范围内，生物膜对H2S气体
的处理效果。由图可知，在所研究条件下，脱除效率
随进气浓度升高呈增长趋势，且在进气流量较低时效
率较高，保持在
80%~96%
之间。图2(b)为进气浓度
30~160 ppm
范围内生物膜对
H
2S气体的处理效果。由
图中可以看出，随着进气浓度的升高，脱除效率迅速
下降，并且进气浓度在
30~100 ppm
之间脱除效率下
降很快，
100 ppm以上后下降趋势逐渐减缓。
综上，在较低浓度范围内，净化效率随着
H2S进
气浓度的升高而提高，当浓度超过某一负荷后，净化
效率随着浓度的增加而下降，这可能是因为：在较低
的进气浓度下，由于微生物生存所需的基质
(H2S)
少，
微生物因食物不足活性较低，对
H2S的净化效率也较
Table 2. Properties of packing
表
2.填料性能
外型
规格
mm
外径
×
高×厚
mm × mm × mm
堆积个数
n/m
3
堆积密度
kg/m
3
比表面积
m
2
/m3
空隙率
%
干填料因
子
m–1
1616 × 8.9 × 1.1211,250135.6 349 85 602.6
Figure 2. Effect of inlet concentration of H
2S on removal efficiency
图
2.不同进气浓度下H2S的脱除效率
Cop
yright © 2012 Hanspub93
生物滴滤塔内脱氮硫杆菌同时脱硫脱硝的实验研究
低。随着浓度的增加，微生物生存所需的食物增加，
微生物的活性增强，加速摄取食物，同时生长速度加
快，微生物数量增加，因而对
H2S的去除效率提高。
当微生物迅速生长到一定程度时，由于生长环境的限
制，生物量达到最大值，这时微生物的生化反应速度
达到最大，即单位时间内对底物的转化能力达到了最
大。当进气浓度再提高，体系的去除能力即单位时间
的去除量不再提高，表现为对
H2S的去除效率下降。
此外，由于微生物的大量生长，使生物膜变厚，
H2S
从生物膜表面向其内部的传质距离增大，传质成为控
制步骤。随着进气浓度不断增加，生物膜表面积聚的
营养物质无法及时扩散到内部被微生物降解，从而降
低了去除效率。在对生物滴滤塔循环液中
S2–
的测定
中，检测不到
S2–
的存在。
从图中还可观察到，进气流量越低，脱除效率越
高，这是由于入口气体流量较小时，气体在塔内的停
留时间较长，气体通过填料的速度慢，微生物有足够
的时间与其接触，透过生物膜表面的液膜进入生物膜
的传质过程和微生物将其吸附转化的过程不受时间
的限制。
图
3(a)
为经一段时间驯化后，在进气浓度25~70
ppm
范围内，生物膜对NO气体的处理效果。由图可
知，在该浓度范围内，不同进气流量下的脱除效率在
60%~65%
之间，变化范围不大，进气流量较低时效率
较高。图
3(b)为进气浓度
700~1600 ppm
范围内生物
膜对
NO
气体的处理效果。由图中可以看出，在进气
流量较高时，脱除效率随着进气浓度的升高迅速下
降，而在进气流量较低时变化不大，约由
71%降低至
65%
。
综上，在较低的入口气体流量下，生物膜对
NO
的去除效率较高，且随着浓度的变化更为稳定。这可
能是由于当气体流量较小时，气体在填料塔内停留时
间长，有害气体与生物膜接触充分，易被微生物所捕
获、降解，净化效率较高。随着气体流量的增加，气
流在反应器内的填料间复杂的空隙中湍流，增大了气
体的混合强度，但
NO
没有足够的时间被生物膜充分
吸附、降解，此外气相主体对生物膜的切线冲刷力也
相应增加，从而使部分已被生物膜吸附但结合力不强
的气体分子重新从生物膜上脱附出来进入气相主体
中，使净化效率下降。
Figure 3. Effect of inlet concentration of NO on removal efficiency
图
3.不同进气浓度下NO的脱除效率
NO
在水中的溶解性很差，靠溶于水形成浓度梯
度产生的推动力很小，传质效率很低，用“吸收–生
物膜”理论来解释它们依靠扩散通过液膜后到达生物
膜并被其中的微生物捕获的净化过程，便不再适用。
对于难溶性气体的生物处理，可用
Acuna[3]提出的“吸
附–生物膜”理论来解释。该理论认为有害气体先是
被微生物膜吸附，进而在细胞内作为能源或营养物质
被利用并降解成无害的物质，与吸收过程相比传质推
动力较低，因而脱除效率低于
H2
S。
3.3.
液体喷淋量对脱除效率的影响
图
4为进气流量0.1 m3/h，进气浓度30~160 ppm
范围内生物膜对
H2S
气体的处理效果。图5为进气流
量
0.1 m3/h，进气浓度700~1600 ppm范围内生物膜对
NO
气体的处理效果。由图可知，在所研究条件下，
随营养液喷淋量的增大
H2S及NO气体脱除效率升
高，但在喷淋量为
150 L/h
以上后升高幅度较小，可
知营养液喷淋量加大有利于废气的吸附转化，但其不
宜过高而有一较佳范围，在本文中可取
150 L/h
。实验
过程中对生物滴滤塔循环液中
S2–
进行测定，检测不
到
S2–的存在，说明反应进行完全。
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生物滴滤塔内脱氮硫杆菌同时脱硫脱硝的实验研究
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升高呈增
长趋势，且在进气流量较低时效率较高，保
持在
80%~96%
之间；30~160 ppm范围内，脱除效率
随进气浓度的升高迅速下降，且在
30~100 ppm之间
脱除效率下降幅度最大，
100 ppm以上后逐渐减缓。
2)
在液体喷淋量
150 L/h，进气浓度25~70 ppm
范围内，脱氮硫杆菌对
NO
气体的脱除效率在不同进
气流量下变化范围不大，约为
60%~65%
，进气流量
较低时效率较高；
700~1600 ppm范围内，脱除效率在
进气流量较高时随浓度的升高由
65%
迅速下降至
30%
，进气流量较低时变化不大，约由71%降低至
65%
。
Figure 4. Effect of spray amount of H
2S on removal efficiency
图
4.不同喷淋量下H2S的脱除效率
3)
营养液喷淋量加大有利于H2S及NO的吸附转
化，但其不宜过高而有一较佳范围，在本文中可取
150
L/h
。
参考文献
(References)
[1]
K. L. Sublette, N. D. Sylvester. Oxidation of hydrogen sulfide
by continuous cultures of
Thiobacillus denitrificans. Biotech-
noiogy and Bioengineering, 1987, 29: 753-758.
[2]
王爱杰,杜大仲,任南琪.脱氮硫杆菌同步脱硫反硝化技术
的关键因素研究
[J].地球科学进展, 2004, 19(S): 533-536.
[3]
张忠智,鲁莽,魏小芳等.脱氮硫杆菌的生态特性及其应用
[J].
化学与生物工程, 2005, 2: 52-54.
[4]
A. Koening, L. H. Liu. Autotrophic denitrification of landfill
leachate using elemental sulfur. Water Science and Technology,
1996, 34(5-6): 469-476.
Figure 5. Effect of spray amount of NO on removal efficiency
图
5.不同喷淋量下NO的脱除效率
[5]
王爱杰
,杜大仲,任南琪.脱氮硫杆菌在废水脱硫、脱氮处理
工艺中的应用
[J].哈尔滨工业大学学报
, 2004, 36(2): 56-60.
4.
结论
[6]K. A. Sandbeck, D. O. Hitzman.Proceeding of the fifth interna-
tional conference on MEOR and related biotechnology for solv-
ing environmental problems. US
Department of Energy, 1995:
311-319.
1)
在液体喷淋量150 L/h
，进气浓度0~30 ppm范
围内，脱氮硫杆菌对
H2S气体的脱除效率随进气浓度
|