烟气同时脱硫脱氮用生物膜填料塔脱氮性能专项强化实验探索

姜 阅,孙珮石,邹 平,吴志浩3,,郑超群3,,魏中华,毕晓伊,王 洁,任洪强,王艳茹

(1.云南大学生态学与环境学院,云南 昆明650091；2.云南大学工程技术研究院,云南 昆明650091；3.云南大学建筑与规划学院,云南 昆明650091；4.南京大学环境学院，江苏 南京210023)

烟气同时脱硫脱氮用生物膜填料塔脱氮性能专项强化实验探索

姜 阅1,2,孙珮石2,邹 平2,吴志浩3,2,郑超群3,2,魏中华2,毕晓伊2,王 洁2,任洪强4,王艳茹4

(1.云南大学生态学与环境学院,云南 昆明650091；2.云南大学工程技术研究院,云南 昆明650091；3.云南大学建筑与规划学院,云南 昆明650091；4.南京大学环境学院，江苏 南京210023)

对采用添加脱氮功能菌群、烟气同时脱硫脱氮、生物膜填料塔烟气脱氮性能的专项生物强化方法进行探索实验研究，结果表明：通过专项培养并添加含有硝化菌的脱氮功能菌群、反硝化菌群以及它们的混合菌群液，使生物膜填料塔的脱氮效率分别提高了5.90%、4.01%和7.15%，验证了该专项生物强化方法的技术可行性。

生物法；烟气同时脱硫脱氮；脱氮性能；生物强化；生物膜填料塔；实验

随着我国经济转型以及工业化进程的不断加快，环境污染问题越来越严峻[1-6]，针对环境污染治理技术的研究快速增多。其中，生物强化技术在环境污染治理技术领域的研究与应用较多，且处理效果较好[7-13]。近年来，本项目组[14]通过对生物强化作用方面的研究，确认了添加功能菌人工复配对生物塔净化效果的强化作用。在此基础上，项目组开展了对净化系统内微生物的鉴定工作，并筛选出具有脱氮功能的菌群。针对烟气同时脱硫脱氮用生物膜填料塔的脱硫性能远强于脱氮性能的问题，项目组继续针对生物膜填料塔的烟气脱氮性能进行了专项生物强化探索实验研究，以期为生物强化烟气脱硫脱氮技术的深入研究与实际应用提供基础依据。

1 实验装置、材料与方法

1.1 烟气净化实验装置与流程

实验采用的主体实验模拟烟气净化设备是生物膜填料塔(见图1)，它由直径为50mm、高度为650mm的玻璃管制成，塔内装填直径约为1.0～1.5cm的类球形陶粒，填料层总高度为450mm。

在常温常压条件下，实验采用动态法配制SO2和NOx混合模拟烟气，即通过 Na2SO3溶液与H2SO4溶液及NaNO2溶液与H2SO4和FeSO4的混合溶液发生化学反应制取SO2和NOx，之后将它们与空气混合。混合气体从生物膜填料塔的底部自下而上进入塔内，同时塔内的循环液自上向下喷淋，气液相在塔内逆向流动，以促进气液两相充分接触。SO2和NOx混合模拟烟气在上升过程中与附着在填料表面上的湿润生物膜接触，进而被其中的功能微生物捕获、降解，净化后的气体从塔顶排出。循环液从生物膜填料塔塔底流出进入循环槽后，再由人工连续输送至高位槽中，随后从生物塔塔顶流入塔内向下喷淋，实现循环操作。

本研究主要通过添加含有硝化菌的脱氮功能菌群、反硝化菌群、以及它们的混合菌群液，进行生物强化对生物塔烟气脱氮性能的影响实验。在实验过程中，总共运行了3套生物膜填料塔，对应的操作运行工艺参数条件为：入口气体SO2、NOx浓度分别为1500～3000mg/m3、1400～1600mg/m3，气体流量为0.2m3/h，循环液流量为9.0L/h。

由于实验中各生物膜填料塔的脱硫效率一直稳定为100%，所以本研究主要考察了添加脱氮功能菌群对生物膜填料塔脱氮性能的强化作用。

1.2 功能菌的来源

由本项目组前期对生物膜填料塔内微生物菌群的分析研究结果[15]可知，生物膜填料塔内具有脱氮作用的功能菌主要有：硝化螺菌(Nitrospira)、硝化杆菌(Nitrobacter)、亚硝化球菌(Nitrosococcus)、亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)、鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)、新鞘氨醇杆菌(Novosphingobium)、寡养单胞菌(Stenotrophomonas)、伯克霍尔德氏菌(Burkholderia)、产碱杆菌(Alcaligenes)。由上述结果可以发现，生物膜填料塔内同时存在硝化菌和反硝化菌。其中的硝化螺菌属(Nitrospira)、硝化杆菌属(Nitrobacter)、亚硝化球菌属(Nitrosococcus)、亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)4种典型的硝化菌，是已被应用于烟气净化研究领域[15-17]的功能菌。鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)、新鞘氨醇杆菌(Novosphingobium)、寡养单胞菌(Stenotrophomonas)、伯克霍尔德氏菌(Burkholderia)、产碱杆菌(Alcaligenes)都属于反硝化菌[18-22]。经查阅文献可知，鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)是具有广泛降解能力的反硝化菌[23-25]，产碱杆菌(Alcaligenes)是具有反硝化能力的脱氮菌[26,27]，伯克霍尔德氏菌(Burkholderia)也具有一定的生物降解能力，可降解高氨氮废水、含酚废水、原油等污染物[28-30]。

以上述文献资料记载为基础，结合《伯杰细菌鉴定手册》中对上述细菌的生长条件、性质和作用的记载，经分析比较最终筛选出了鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)、伯克霍尔德氏菌(Burkholderia)、产碱杆菌(Alcaligenes)，作为本实验使用的专项生物强化反硝化菌。反硝化菌从中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)购买获得。实验中，购买了3株反硝化菌的纯菌株，分别是越南伯克霍尔德氏菌(Burkholderiavietnamiensis)、粪产碱菌粪亚种(Alcaligenesfaecalissubsp.faecalis)、胞外多聚物鞘氨醇单胞菌(Sphingomonassanxanigenens)。

本实验使用的专项生物强化用硝化菌，是利用本项目组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(即循环液)，经过专项培养获得。

由此，即可有针对性地对上述含有硝化菌的脱氮功能菌群和反硝化菌进行取样及专项培养，之后将完成培养的菌液直接添加到生物膜填料塔内，用以进行脱氮性能的探索实验研究。

1.3 脱氮功能菌培养基配方

(1) 硝化菌培养基配方

经查阅文献资料[31-33]，并对比本实验研究的对象、目标、条件等，经分析及预实验研究确定了硝化菌的基础培养基配方，见表1。

(2)反硝化菌培养基配方

越南伯克霍尔德氏菌(Burkholderiavietnamiensis)和粪产碱菌粪亚种(Alcaligenesfaecalissubsp.faecalis)的培养基配方见表2，胞外多聚物鞘氨醇单胞菌(Sphingomonassanxanigenens)的培养基配方见表3，培养温度均为30℃。

表1 硝化菌培养基配方

表2 营养肉汁琼脂培养基配方

表3 PYG培养基配方

1.4 脱氮功能菌培养方法及培养装置

1.4.1 脱氮功能菌群的培养

在1个1.0L的烧杯中配制500mL的液体培养基(pH=8.0，依一般硝化菌生长条件定)，加入取自生物膜填料塔循环槽中含有专用高效硝化菌群的菌液20mL，充分混匀后，放于温度为30℃、转速为150rpm条件下的摇床初步培养7d。之后，继续进行扩大培养6d，使其中的菌体浓度达到后续生物强化性能实验的要求。扩大培养期间，每隔24h取出菌液样品，采用草酸铵结晶紫染色法观察细菌的生长情况，并采用血球板计数法对样品中的细菌进行计数。

对于反硝化菌的培养，由于菌源是外购来的纯菌株，因此按常规微生物学菌种培养方法进行接种，用30℃恒温摇床初步培养7d。之后，继续进行扩大培养6d，使其中的菌体浓度达到后续生物强化性能实验的要求，并对反硝化细菌进行计数及生长情况观察。

1.4.2 脱氮功能菌群的硝化与反硝化能力测试

在对含有硝化菌的脱氮功能菌群、反硝化菌群进行培养与观察的同时，分别采用分光光度法跟踪测试不同时间段含有硝化菌的脱氮功能菌群、反硝化菌的菌液中硝酸根以及亚硝酸根的浓度变化，以考察并验证上述硝化菌、反硝化菌的硝化、反硝化能力。其中，亚硝酸根浓度均采用格里斯(Griess)试剂比色法测定，硝酸根浓度均采用麝香草酚分光光度法测定。

2 结果与分析

2.1 对扩大培养过程中的脱氮功能菌群生长状况的观察

(1)对扩大培养过程中含有硝化菌的脱氮功能菌群的计数观察

对扩大培养过程中含有硝化菌的脱氮功能菌群的计数观察结果如图2所示。由图2可知，随着培养时间的延续，含有硝化菌的脱氮功能菌群在培养过程中菌体数目快速增多。菌液中的菌体数目从培养第1d的4.5×105个/mL，明显增加到第6d的24.1×105个/mL。这表明本研究经实验确定的培养基配方适用且有效。

(2)对扩大培养过程中反硝化菌群的计数观察

对扩大培养过程中反硝化菌群的计数观察结果如图3所示。由图3A、3B可知，产碱杆菌(Alcaligenes)、伯克霍尔德氏菌(Burkholderia)和鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)3种反硝化菌在培养过程中菌体数目均随时间的延续而快速增多。其中以鞘氨醇单胞菌的菌体数目增加最快，到培养第6d时，其菌体数目已达到1150×106个/mL；而伯克霍尔德氏菌和产碱杆菌则增加较慢，菌体数目分别达到550×106个/mL和20×106个/mL。这同样表明了3种反硝化菌基本适合于采用本研究选用的培养基配方进行培养繁殖。

2.2 脱氮功能菌群的硝化与反硝化能力测试

(1)含有硝化菌的脱氮功能菌群的硝化能力测试结果

含有硝化菌的脱氮功能菌群菌液中亚硝酸根含量、硝酸根含量随时间的变化如图4所示。

由图4可知，随着培养时间的延续，含有硝化菌的脱氮功能菌群菌液中出现了亚硝酸根含量逐渐减少、硝酸根含量逐渐增多的变化趋势。当培养时间至5d时，硝化菌群菌液中的亚硝酸根含量从初始的1.35mg/mL，逐步下降了0.11 mg/mL，之后基本稳定在1.24mg/mL的水平；对应的硝酸根含量则从初始的0.32mg/mL，逐步增加了0.22 mg/mL，之后基本稳定在培养6d时的0.54mg/mL水平。以上实验结果表明，含有硝化菌的脱氮功能菌群具有硝化特性。

(2)反硝化菌的反硝化能力测试结果

实验培养的产碱杆菌(Alcaligenes)、伯克霍尔德氏菌(Burkholderia)和鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)等3种反硝化菌的菌液中亚硝酸根含量、硝酸根含量随时间的变化分别如图5所示。

由图5可以看出，随着培养时间的延续，产碱杆菌、伯克霍尔德氏菌、鞘氨醇单胞菌的菌液中亚硝酸根的含量均在逐渐增多，硝酸根含量都在逐渐减少。其中以鞘氨醇单胞菌菌液中硝酸根和亚硝酸根含量整体变化趋势最为明显。由上述结果可知，本实验采用的产碱杆菌、伯克霍尔德氏菌、鞘氨醇单胞菌均能够利用硝酸盐作为氮源，将硝酸盐转化成亚硝酸盐，即上述3种反硝化菌均具有一定的反硝化特性。

2.3 添加脱氮功能菌群的强化脱氮性能实验考察

(1)添加含有硝化菌的脱氮功能菌群的强化脱氮性能实验考察

从生物膜填料塔内原有的10.0L循环液中取出1.0L，将完成扩大培养的含有硝化菌的菌液1000mL添加到相应的生物膜填料塔的循环槽中，此时生物膜填料塔的循环液体积为10.0L。之后，运行生物膜填料塔并每天定时测定其烟气脱氮效率。

添加含有硝化菌的脱氮功能菌群专项生物强化生物膜填料塔脱氮性能的实验结果，如图6所示。由图6可知，添加含有硝化菌的脱氮功能菌群后，生物膜填料塔的脱氮效率出现了明显的提升，脱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，脱氮效率的最高值达到了42.29%。由此可知，添加经专项培养的脱氮功能菌群可以强化提升生物膜填料塔的烟气脱氮性能。

(2)添加反硝化菌群的强化脱氮性能实验考察

从生物膜填料塔内原有的10.0L循环液中依次取出1.0L，将完成扩大培养的3种反硝化菌的菌液按照1∶1∶1的比例(每种反硝化菌的菌液约为333mL)，配制成总体积为1.0L的反硝化菌群液，并将其添加到生物膜填料塔的循环槽中。此时生物膜填料塔的循环液体积为10.0L。之后，运行生物膜填料塔并每天定时测定其烟气脱氮效率。

添加含有反硝化菌的脱氮功能菌群专项生物强化生物膜填料塔脱氮性能的实验结果，如图7所示。

由图7可知，含有反硝化菌的脱氮功能菌群添加后，生物膜填料塔的烟气脱氮效率最高值达到了42.06 %，平均值从添加前的32.01%，上升到了36.02%，即添加后比添加前提高了4.01%。这一结果表明添加经专项培养的含有反硝化菌的脱氮功能菌群能够起到强化提升生物膜填料塔烟气脱氮性能的作用。

(3)添加复合脱氮功能菌群的强化脱氮性能实验考察

从生物膜填料塔内原有的10.0L循环液中取出2.0L，将含有硝化菌的脱氮功能菌群的1.0L菌液与含有反硝化复合菌群(每种反硝化菌的菌液约为333mL)的1.0L菌液混合制成2.0L的复合脱氮功能菌群的菌液，并添加到生物膜填料塔的循环槽中，此时生物膜填料塔的循环液体积为10.0L。之后，运行生物膜填料塔并每天定时测定其烟气脱氮效率。

添加复合脱氮功能菌群生物强化生物膜填料塔脱氮性能的实验结果，如图8所示。

由图8可知，添加含有复合脱氮功能菌群后，生物膜填料塔的烟气脱氮效率出现了明显的提升，最高值达到了44.02%。复合功能菌群添加后，生物膜填料塔运行15d的结果表明，添加后的生物膜填料塔的烟气脱氮效率平均值达到38.06%，比添加前的30.91%提高了7.15%，专项生物强化效果显著。

3 结论

本探索实验研究结果表明，通过添加脱氮功能菌群的专项生物强化方法能够有效提升生物膜填料塔的烟气脱氮性能。实验中添加硝化菌、反硝化菌及它们的混合菌群液，使生物膜填料塔的烟气脱氮效率分别提高了5.90%、4.01%、7.15%。这表明采用脱氮功能菌群专项生物强化烟气同时脱硫脱氮，用生物膜填料塔的脱氮性能在技术上是可行的。本探索实验研究结果为生物法烟气脱硫脱氮技术基础研究提供了重要参考。

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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

国家自然科学基金资助项目(51278447,51168046,51008264)。

姜阅(1989-),女,吉林省松原市人，硕士研究生,主要从事生物法烟气脱硫脱氮方面的研究。

X17

A

1673-9655(2017)03-0007-07