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生物滤池和滴滤池处理硫化氢的研究

日期:2019-03-26 09:34浏览次数:10

       硫化氢(H2S)不仅具有刺激性臭鸡蛋气味,还具有强毒性。吸入的H2S会与血液中的酶反应,抑制细胞呼吸导致肺瘫痪,从而使人死亡。人持续暴露在低浓度(15~50ml/L)H2S环境中,会头痛、头昏、恶心;高浓度(15~50ml/L)会导致昏迷失去意识;在超过700ml/L的浓度环境下暴露30min以上,会导致死亡。H2S产生于蛋白质降解以及一些含硫有机化合物的消化过程。而产生H2S的工厂有石油提炼厂、污水处理厂、纸和纸浆制造厂、食品加工厂、养猪场、橡胶厂等。处理硫化氢的物理化学法有化学洗涤、活性碳吸附、焚烧等,物理化学方法虽然能快速去除硫化氢,但是运行时需要高温、高压和添加催化剂,投资大、运行费用高,并且可能造成二次污染,而生物法克服了上述缺陷,成为处理H2S的理想技术。
       生物过滤池和生物滴滤池是废气生物处理中最具前景的两种生物反应池。
       1 生物滤池和滴滤池的原理及结构
       1.1 生物滤池和滴滤池的原理
       气体污染物进入生物滤池或滴滤池后,经气、水、界面传递到附着于填料表面的生物膜中,膜中微生物将污染物转化为CO2、H2O、NO3-、SO42--等无害或少害物质,达到净化的目的。气体污染物去除的实质是作为营养物质被微生物吸收、代谢和利用,污染物质的微生物降解是该过程的限速阶段,生物过滤净化系统中微生物处于核心地位。
       1.2 生物滤池或滴滤池的结构及特点
       生物滤池和滴滤池的结构如图1所示。从结构上看,生物滤池比生物滴滤池多了一个气体增湿器。生物滤池与生物滴滤池的本质区别是生物滤池的填料有高的持水力,通过湿润的气体和间歇的喷淋液(水或营养液),为微生物生长提供湿润环境;而生物滴滤池填料持水力低,需要连续的喷淋液(营养液)来维持滤床湿度。
生物滤池生物滴滤池
图1
       生物滤池的填料大多数是自然生物活性填料,包括土壤、泥炭、堆肥、松树皮、木片、木块等,这些填料本身包含有矿质营养,所以填料除了给微生物提供载体外,还提供营养物质。生物滤池适用于处理亨利系数小于10的气体。生物滤池具有操作简单、不需要外加营养物、透支运行费用低、去除效率高等优点。主要缺点是反应器体积大、反应器运行条件较难控制,长期运行填料会被微生物分解、填料间隙率变小,导致池内压降增大,影响传质效果,需要定期进行更换。
       生物滴滤池常采用塑料环、火山岩、竹炭、活性炭、陶粒等合成货自然的惰性材料为载体,填料只起提供微生物附着生长载体的作用。生物滴滤池孔隙率比生物滤池的高、压降小、填料不易被微生物分解。连续喷淋的营养液的作用是为微生物提供矿物营养、维持滤床湿度、天界微生物生长环境的PH值,对处理具有H2S等产酸性副产物的废气污染物重要,连续流的营养液还可冲掉生长过厚的生物膜。因此生物滴滤池可承受比生物滤池更大的污染负荷,不易堵塞,使用寿命长,并具有很大的缓冲能力,操作条件可灵活调控。缺点是需要外加营养物,运行成本较高。
       2 生物滤池和滴滤池的工艺参数
       2.1 近期浓度和近期流量的影响
       在设计生物滤池时,近期浓度和近期流量是两个重要的因素。生物滤池进气负荷只有低于关键负荷时,H2S才能被完全去除。如果进气负荷超过关键负荷,出气中就会含有H2S,所以确定关键负荷至关重要。进气负荷被定义为单位时间内填料所经过的进气总量(H2Sg/m3·h),公式表达如下:
L=F*C/V
       式中,F为进气流量,C为进气浓度,V为填料体积。
       生物滤池的性能只取决于进气负荷,在零级动力学情况下,同一个生物滤池在处理低浓度高流量的污染物得到的关键负荷有可能与处理高浓度低流量的污染物得到的关键负荷相等。
       H2S是一种酸性、有毒气体,高浓度的H2S会对微生物产生毒害作用。H2S浓度变高时,H2S的最终氧化产物硫酸产量也变大,硫酸在填料中积累的量也变多,引起PH下降从而抑制细菌的活性,最终导致生物滤池对H2S去除性下降。
       在高进气流量下,废气去除效果下降,其主要原因是废气从气相扩散到液相速度受到限制,因为微生物能在极短时间(1-2s)内将H2S降解。H2S被微生物降解时,H2S先从气相扩散到液相,然后再进入生物膜,最终被微生物降解。
       2.2 填料
       早在20世纪20年代,以土壤为填料的生物滤池已被用来处理污水处理厂产生的H2S,随后木块、松树皮、木片、泥炭、堆肥等有机填料也相继被运用。有机填料已备微生物分解,滤床变塌实,影响去除效果,所以运行3-5年后,整个滤床填料需要更换。无机填料有效解决有机填料易被分解压实的问题,常用的无机填料有火山岩,陶粒等。无机填料物理化学性质稳定,不易被分解,能使滤床保持良好通透性,有利于透气、透水。
       理想的填料应该是具有以下特点:
       (1) 具有合适的大小尺寸、空隙率、有利于透气和透水,大的比表面积,有利于微生物粘附在表面;
       (2) 较高的持水性,保持一定湿度有利于微生物生长;
       (3) 高的缓冲能力避免PH变化的影响;
       (4) 有一定机械强度,化学惰性和稳定性。
       2.3 PH
       微生物生长需要适宜的PH条件,生物滤池填料PH高低直接影响微生物种类、数量、活性等。PH接近中性时,填料中生长的菌种比较多。但是生物滤池和滴滤池处理H2S时会产生硫酸,随着H2S的去除,产生的硫酸越来越多,硫酸没能快速完全地排出生物滤池,积累在填料上,导致填料PH下降,酸性环境对微生物产生了选择作用。研究表明强酸性相对中性而言对微生物具有较高的选择压力,中性环境下的多样性则较为丰富,分布也相对均匀,而在选择作用较大的酸性条件下,微生物群落结构相对比较简单,多样性较低,但个别菌群却出现较高的丰度。嗜酸性菌在处理H2S占有优势,他们研究发现一种菌在PH5.1时硫氧化速度最佳,PH降到0.15是还具有硫氧化活性。
       生物法处理H2S不可避免产生硫酸,酸性太大可能腐蚀填料,所以要建耐酸性的反应器,研发耐酸性的填料,这样可以不用调节喷淋液的PH值,产生的硫酸可以重新利用,达到变废为宝的效果。目前专门研究温度对微生物去除H2S影响的文献不多,由于温度较难控制,反应器的温度主要受外界环境影响,而微生物的活性与温度密切相关,温度过高或过低都会影响微生物对H2S的去除,一方面我们可以尝试寻找耐热、耐寒的微生物来处理H2S;另一方面可以寻找隔热性好、价格低的材料构造反应器。另外要加大对降解H2S功能的研究,揭秘微生物降解H2S的途径。

载自:生物滤池和滴滤池处理硫化氢的研究进展