含硫废气生物过滤过程中嗜酸性微生物的发育和稳定机制

Sulfur-containing compounds, such as hydrogen sulfide, mercaptan, sulfur ether, are key pollutants to the common odor pollutions. Sulfuric acid is usually the end product of the complete conversion of sulfur-containing compounds in the biofiltration process. Hence, the pH of the biofilm in the biofiltration reactor rapidly drops, and therefor decreases the removal efficiency and stability of biofiltration reactor. In this project, two indentical bench-scal biotrickling filters(BTFs) will be desgined, and their performance in removaling sulfur-containing compounds from waste gases will be evaluate. One BTF is inoculated with the acidophilic bacterial consortium that have been enriched in our laboratory, the other BTF is seeded with activated sludge. one objective is to investigate the degradation kinetic of sulfur-containing compounds by acidophilic bacterial consortium in batch and in biofiltration experiment. The effect of process parameters, such as pH, loading rate, gas velocity, liquid velocity, and nitrogen source, on the elimination capacity and the mass transfer coefficient of both BTFs will be examined. Another objective is to analyze in detail the composition of the bacterial communities that residing in both BTFs in acidic conditons. Main issue addressed by these objectives is to distinguish which are the important factors that affects the activaty and abundance of development of acidophilic microoganisms in biofilm? and thereafter to provide theoretical basis for the optimization of process and running parameters of acidic biofiltration reactor for the fulture application.

含硫化合物中如硫化氢、硫醇、硫醚是恶臭污染的关键物质，在治理恶臭的生物过滤系统中含硫化合物的主要降解产物为硫酸，而硫酸的积累可导致生物膜pH的急剧下降，从而影响生物反应器的处理效果和稳定性。本项目拟在已经获得嗜酸性硫氧化菌群的基础上，设计2套生物过滤装置开展含硫废气的净化试验,分别接种嗜酸性硫氧化菌群和活性污泥，在批式实验和生物滴滤池实验中研究嗜酸性硫氧化菌对含硫化合物的降解动力学，分析pH、进气负荷、气液流速及氮源等工艺参数对两套生物滴滤池的去除能力和传质过程的影响，探讨生物过滤设备启动及运行过程中嗜酸性硫氧化菌的微生物群落生长发育的规律以及所需条件。综合上述两方面的研究，本项目要解决的问题是辨明那些是影响嗜酸性微生物在生物膜中的活性和丰度的关键因素，从而为未来实际应用中酸性生物过滤反应器的合理工艺和条件的设计提供科学的理论依据。

H2S、硫醇和硫醚是恶臭污染的关键物质，不仅影响人体健康和生活质量，也引起管道和设施的腐蚀，造成严重经济损失。硫酸盐是含硫化合物生物氧化的终产物，硫酸盐在滤床的积累导致pH剧烈下降，严重影响生物反应器的净化能力。本研究详细分析了pH、空床停留时间、进气负荷以及填料对生物滴滤池净化效果和生物膜的影响，阐述了生物膜在酸性条件下的稳定机制，提出了解决H2S和有机硫化合物同步去除的有效方法。主要结果有：（1）在酸性条件下驯化生物滴滤池较为有利，在空床停留时间为15s时，酸性生物滴滤池的最大去除能力为113.4 g/m3h，远高于中性生物滴滤池的59.6 g/m3h。（2）pH是影响微生物群落结构的核心因素，Acidithiobacillus菌属是酸性环境中的主要功能微生物，其丰度决定着生物滴滤池的净化性能和稳定性。在酸性条件下，该菌属的丰度可达到30%以上，营养液的循环促进了微生物在滤床不同空间位置的趋同分布；（3）进气负荷增加，H2S的矿化率从94%以上显著下降至1.3%，主要氧化产物为元素硫，表明氧气传质速率是生物净化效率的另一个限制性因素；（4）酸性条件下，生物膜结构趋于疏松，松散型生物量与紧密型生物量的比例在0.2-2.2之间，远高于中性生物膜的0.05-0.45；（5）酸性生物滴滤池中，胞外多糖与蛋白质的比例在0.8-28.7之间，远高于中性生物滴滤池的0.2-2.9。在酸性环境中，微生物通过产生胞外多糖来维持生物膜结构的稳定性。受到胞外多聚物的保护作用，生物膜细胞的活性从外层到内层逐渐增加；（6）生物氧化主要发生在底层滤料，但在上层滤床装填塑料球可显著改善底层滤料的微环境，形成合理的梯度。改进的生物滴滤池对H2S和有机硫化合物的去除率均超过92%，达到了同步去除的目的。.项目首次系统阐述了pH对生物滴滤池去除性能、生物膜结构以及微生物组成的影响，揭示了酸性环境中生物膜应对酸胁迫的机制。首次研究了在滤床不同空间位置，使用不同滤料促进H2S和有机硫化合物同步去除的效果和原因。研究结果有助于新型生物过滤工艺和填料的设计，以强化生物净化能力。