CN1895747A - 一种生物及化学两级反应器处理硫化氢工艺 - Google Patents

一种生物及化学两级反应器处理硫化氢工艺 Download PDF

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李红玉
王玉建
杨晓娟
涂玮
支德娟
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Abstract

以固定化嗜酸性铁氧化细菌为生物催化剂，采用生物和化学两级串联反应器，以嗜酸性氧化细菌培养基为循环液相，循环液经生物反应器后，溶液中的Fe2+转变为Fe3+，在化学反应器中Fe3+又转变为Fe2+，两种不同价态Fe离子在两个反应器的循环转变过程中除去气态的H2S。该工艺反应效率高，避免了硫化氢对微生物的毒害，固定化的微生物性能稳定，同时两级反应器还避免了单质硫被进一步氧化为高价硫的可能，得到副产物单质硫。

Description

一种生物及化学两级反应器处理硫化氢工艺
所属技术领域
本发明涉及一种以嗜酸性铁氧化细菌固定化技术为基础的生物与化学两级反应器处理硫化氢的工艺。
背景技术
硫化氢(hydrogen sulfide)是具有刺激性和窒息性的无色剧毒气体。在采矿、冶炼、甜菜制糖，制造二硫化碳、有机磷农药，以及皮革、硫化染料、颜料、动物胶等工业中都有硫化氢产生；有机物腐败场所如沼泽地、阴沟、化粪池、污物沉淀池等处作业时均可有大量硫化氢逸出，作业工人中毒并不罕见。目前，人们多采用物理和化学方法来处理硫化氢，但这些方法操作条件较为苛刻，催化剂的价格昂贵，对设备有较大的腐蚀，并且处理过程较为复杂，设备的投资额和运行费用较高。人们一直希望有能够克服上述缺陷的新的硫化氢处理工艺出现。
近年来，微生物技术逐渐被引入硫化氢处理领域，由于微生物处理硫化氢能够较好的克服上述缺陷，因而得到广泛的研究。但实际应用中微生物处理硫化氢多采用单级反应器，还存在以下不足：
①填料层容易被堵塞。由于废气直接通过吸附有微生物膜的填料层，在生物降解和反应的过程中，往往因产生出的沉淀和杂质的吸附而堵塞填料，增加了废气流通阻力，并使处理效率下降，通常要定时对填料清洗和微生物挂膜，增加了处理过程的复杂性和不稳定因素；
②菌种单一、废气处理效率不高。目前研究的能处理含硫废气的微生物多集中在氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferroxidans)、脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)。就这两种微生物而言，H2S并不是微生物主要的营养和能量来源，并且在微生物利用含硫废气的过程中，H2S可能被氧化为H2SO3和H2SO4而使反应器中的pH下降，并可能产生大量的铁矾沉淀，影响微生物活性。
③微生物细胞的活力通常并不是维持在一个最高或较高的水平，细胞的催化活性缺乏足够的稳定性。在实际处理过程中，由于含硫酸性废气成分的复杂性、废气各组分浓度的不稳定性，微生物通常不能保证最佳的营养物质环境和适宜的温度、pH值等外界条件，使得微生物活力并不处于一个较高的水平，在长期的处理过程中缺乏足够的稳定性；
④微生物固定化方法欠佳。目前大部分研究是采用生物膜法，这通常需要大量的吸附填料，增加了基建投资，同时，生物膜中优势高效菌种所占的比例少，微生物容易脱落。
以上这些因素在很大程度上限制了微生物法处理含硫废气在工业上的应用。
发明内容
为了克服现有的微生物法处理硫化氢废气的技术缺陷，本发明提供一种新的处理硫化氢废气工艺。
该工艺采用的固定化的嗜酸性铁氧化细菌都能够将酸性环境中的Fe2+转变为Fe3+，获得维持其生长的能量。Fe3+可以作为氧化剂吸收处理H2S，其反应机理如下：
    ②
从反应②可以看出：Fe3+和H2S的反应是一个化学吸收过程，反应速率快，H2S被还原成单质S，即可以得到副产物硫磺，生成的Fe2+又可以通过反应①被细菌氧化，重新转变成Fe3+。
因此，基于这种间接氧化反应机制，我们提出了生物及化学两级反应器处理H2S技术，工艺流程见说明书附图。整个装置由生物反应器和化学反应器两级反应器串联组成，生物反应器内填充固定化的嗜酸性铁氧化细菌颗粒，两级反应器内循环液相由细菌培养液组成，其主要成分Fe2+是细菌的能量来源，循环液经生物反应器后，溶液中的Fe2+转变为Fe3+，并流入化学反应器和H2S及进行的反应，在化学反应器中Fe3+又转变为Fe2+，也就是说两种不同价态Fe离子在两个反应器的循环转变过程中，就可以脱除出气态的H2S，并从中得到副产物单质硫。产生的单质硫在调节池中沉淀分离，通过跟踪检测调节池中个离子浓度的变化，并根据固定化微生物的需要，调整保持生物反应器中营养物浓度的稳定性。为防止两级反应器循环液相的蒸发，两级通入的气体分别进行增湿处理。
该工艺采用的固定化的嗜酸性铁氧化细菌可以是氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋菌、等同领域技术人员所公知的可以氧化铁的嗜酸微生物。微生物固定化方法可以是载体吸附法、共价结合法、包埋法等同领域技术人员所公知的方法。
本发明的有益效果是：
①生物反应和化学吸收达到最佳效果所需要条件和环境是不一致的，该工艺由生物反应器和化学反应器两部分组成，两者串联成一个循环体系，便于对生物和化学两步反应进行优化，保证生物反应器中微生物生长的最适环境，达到最佳的“造血”功能，同时通过对化学反应器的结构设计和反应参数的研究也可以达到最佳的化学吸收效果；
②固定化微生物颗粒不容易被堵塞，微生物不容易被硫化氢气体毒害，活力高，稳定性好。废气在化学反应器中被反应吸收后，经过调节池对循环液进行pH、营养物调节和沉淀分离后再流入生物反应器，因此，固定化颗粒不容易因反应产生的沉淀等而被堵塞，微生物也不易受到剧烈的化学反应和废气成分复杂性所带来的影响，生物活性高，稳定性好；
③废气处理量大。Fe2+是嗜酸性铁氧化细菌最容易利用的能量来源，Fe2+被该菌氧化为Fe3+的速率远远高于一般细菌对H2S的直接降解速率。Fe3+和H2S及SO2进行的反应是一个化学吸收过程，反应速率较快。因此，同一般的生物脱硫技术相比，该技术和装置可以处理更大的废气量。
④循环液体酸度稳定。嗜酸性铁氧化细菌中的钩端螺菌不具有继续氧化单质硫的能力，同时，由于生物和化学反应器的分离，也尽可能避免了固定化微生物和单质硫的基础，因而避免了H2SO3和H2SO4的生成而使反应液酸性的上升。
⑤在微生物的催化作用下，Fe3+和Fe2+在两个反应器的不断循环使用，极大降低了能耗，运行费用低，产生的单质硫不具有二次污染，有很好的经济和社会效益。
具体实施方式
下面提供了本发明的3个具体实施例，但本发明的实现并不限于这3个具体实施例。
实施例一
本发明的主体是由生物反应器和化学反应器两级反应器串联组成，生物反应器内填充的是经包埋法固定的氧化亚铁钩端螺旋菌(Leptospirillum ferrooxidans)、氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferroxidans)颗粒，为防止颗粒的积压，生物反应器内置多孔隔板或采用内循环沸腾床结构。化学反应器采用内循环沸腾床结构，废气喷头采用耐酸特氟纶(聚四氟乙烯)多孔喷头，孔数≥20个，孔直径0.02-1mm，以降低废气气泡的直径，增加气液比。同时，为了防止因通入的气体而造成的循环液的蒸发，生物和化学两级反应器通入的气体分别经过增湿处理。两级反应器内循环液相由细菌生长的9K培养液组成，Fe离子浓度5-60g/L，循环液经生物反应器后，溶液中的Fe2+转变为Fe3+，并流入化学反应器和H2S及进行的反应，在化学反应器中Fe3+又转变为Fe2+，经过调节池对沉淀分离后，重新流入生物反应器，以提供固定化微生物生长的能量。通过跟踪检测调节池中个离子浓度的变化，并根据固定化微生物的需要，调整保持生物反应器中营养物浓度的稳定性。在整个反应过程中，生物反应器内温度保持在30±1℃{固定化微生物为氧化亚铁钩端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)}或37.5±1℃{固定化微生物为氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferroxidans)}。化学反应器常温操作，生物反应器通气量20kgO2/m3d，水力停留时间(生物反应器)1.2h，在以上条件下连续操作，硫化氢处理量可达15-45kg/m3d(以生物反应器容积计算)，处理效率99％以上。
实施例二
在建立的3种生物反应器中，分别填充固定化氧化亚铁钩端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)、氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferroxidans)颗粒以及二者的混合物，三种菌的固定皆采用包埋法，对硫化氢的处理结果如下：
  菌种   生物反应器温度   生物反应器通气量   生物反应器处理量(以生物反应器容积计算)   硫化氢去除效果(碘量法)
  氧化亚铁钩端螺旋菌   37.5±1℃   20kgO2/m3d   15-45kg/m3d   未检出
  氧化亚铁硫杆菌   30±1℃   25kgO2/m3d   15-45kg/m3d   未检出
  混合物   33±1℃   30kgO2/m3d   15-45kg/m3d   未检出
实施例三
氧化亚铁钩端螺旋菌不同固定方法去除硫化氢的效果比较
  固定化方法   生物反应器温度   生物反应器通气量  处理量(以生物反应器容积计算)   硫化氢去除效果(碘量法)
  包埋法   37.5±1℃   20kgO2/m3d  15-50kg/m3d   未检出
  吸附法   30±1℃   30kgO2/m3d  15-50kg/m3d   未检出
  共价结合法   30±1℃   30kgO2/m3d  5-20kg/m3d   未检出
附图说明：
附图为固定化微生物生物及化学两级反应器流程示意图。

Claims (3)

1.一种生物及化学两级反应器处理硫化氢工艺，其特征为该工艺采用生物和化学两级串联反应器，使Fe2+和Fe3+两种不同价态Fe离子在两个反应器的循环转变过程中脱除出气态的H2S，硫化氢仅在化学反应器中发生化学反应生成单质硫，固定化微生物装载于生物反应器中。
2.根据权利要求1所述的生物和化学两级串联反应器处理硫化氢工艺，其特征为生物反应器中采用的微生物为能够使Fe2+转变为Fe3的嗜酸性铁氧化细菌，嗜酸性铁氧化细菌可以是氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋菌等同领域技术人员所公知的可以氧化铁的嗜酸微生物。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的生物和化学两级串联反应器处理硫化氢工艺，其特征为生物反应器中微生物的固定化方法可以是载体吸附法、共价结合法、包埋法等同领域技术人员所公知的方法。
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