專(zhuān)利名稱(chēng)：一種生物及化學(xué)兩級(jí)反應(yīng)器處理硫化氫工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以嗜酸性鐵氧化細(xì)菌固定化技術(shù)為基礎(chǔ)的生物與化學(xué)兩級(jí)反應(yīng)器處理硫化氫的工藝。
背景技術(shù)：
硫化氫(hydrogen sulfide)是具有刺激性和窒息性的無(wú)色劇毒氣體。在采礦、冶煉、甜菜制糖，制造二硫化碳、有機(jī)磷農(nóng)藥，以及皮革、硫化染料、顏料、動(dòng)物膠等工業(yè)中都有硫化氫產(chǎn)生；有機(jī)物腐敗場(chǎng)所如沼澤地、陰溝、化糞池、污物沉淀池等處作業(yè)時(shí)均可有大量硫化氫逸出，作業(yè)工人中毒并不罕見(jiàn)。目前，人們多采用物理和化學(xué)方法來(lái)處理硫化氫，但這些方法操作條件較為苛刻，催化劑的價(jià)格昂貴，對(duì)設(shè)備有較大的腐蝕，并且處理過(guò)程較為復(fù)雜，設(shè)備的投資額和運(yùn)行費(fèi)用較高。人們一直希望有能夠克服上述缺陷的新的硫化氫處理工藝出現(xiàn)。
近年來(lái)，微生物技術(shù)逐漸被引入硫化氫處理領(lǐng)域，由于微生物處理硫化氫能夠較好的克服上述缺陷，因而得到廣泛的研究。但實(shí)際應(yīng)用中微生物處理硫化氫多采用單級(jí)反應(yīng)器，還存在以下不足①填料層容易被堵塞。由于廢氣直接通過(guò)吸附有微生物膜的填料層，在生物降解和反應(yīng)的過(guò)程中，往往因產(chǎn)生出的沉淀和雜質(zhì)的吸附而堵塞填料，增加了廢氣流通阻力，并使處理效率下降，通常要定時(shí)對(duì)填料清洗和微生物掛膜，增加了處理過(guò)程的復(fù)雜性和不穩(wěn)定因素；②菌種單一、廢氣處理效率不高。目前研究的能處理含硫廢氣的微生物多集中在氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferroxidans)、脫氮硫桿菌(Thiobacillus denitrificans)。就這兩種微生物而言，H2S并不是微生物主要的營(yíng)養(yǎng)和能量來(lái)源，并且在微生物利用含硫廢氣的過(guò)程中，H2S可能被氧化為H2SO3和H2SO4而使反應(yīng)器中的pH下降，并可能產(chǎn)生大量的鐵礬沉淀，影響微生物活性。
③微生物細(xì)胞的活力通常并不是維持在一個(gè)最高或較高的水平，細(xì)胞的催化活性缺乏足夠的穩(wěn)定性。在實(shí)際處理過(guò)程中，由于含硫酸性廢氣成分的復(fù)雜性、廢氣各組分濃度的不穩(wěn)定性，微生物通常不能保證最佳的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)環(huán)境和適宜的溫度、pH值等外界條件，使得微生物活力并不處于一個(gè)較高的水平，在長(zhǎng)期的處理過(guò)程中缺乏足夠的穩(wěn)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，這通常需要大量的吸附填料，增加了基建投資，同時(shí)，生物膜中優(yōu)勢(shì)高效菌種所占的比例少，微生物容易脫落。
以上這些因素在很大程度上限制了微生物法處理含硫廢氣在工業(yè)上的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的微生物法處理硫化氫廢氣的技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供一種新的處理硫化氫廢氣工藝。
該工藝采用的固定化的嗜酸性鐵氧化細(xì)菌都能夠?qū)⑺嵝原h(huán)境中的Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+，獲得維持其生長(zhǎng)的能量。Fe3+可以作為氧化劑吸收處理H2S，其反應(yīng)機(jī)理如下
②從反應(yīng)②可以看出Fe3+和H2S的反應(yīng)是一個(gè)化學(xué)吸收過(guò)程，反應(yīng)速率快，H2S被還原成單質(zhì)S，即可以得到副產(chǎn)物硫磺，生成的Fe2+又可以通過(guò)反應(yīng)①被細(xì)菌氧化，重新轉(zhuǎn)變成Fe3+。
因此，基于這種間接氧化反應(yīng)機(jī)制，我們提出了生物及化學(xué)兩級(jí)反應(yīng)器處理H2S技術(shù)，工藝流程見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖。整個(gè)裝置由生物反應(yīng)器和化學(xué)反應(yīng)器兩級(jí)反應(yīng)器串聯(lián)組成，生物反應(yīng)器內(nèi)填充固定化的嗜酸性鐵氧化細(xì)菌顆粒，兩級(jí)反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)液相由細(xì)菌培養(yǎng)液組成，其主要成分Fe2+是細(xì)菌的能量來(lái)源，循環(huán)液經(jīng)生物反應(yīng)器后，溶液中的Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+，并流入化學(xué)反應(yīng)器和H2S及進(jìn)行的反應(yīng)，在化學(xué)反應(yīng)器中Fe3+又轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+，也就是說(shuō)兩種不同價(jià)態(tài)Fe離子在兩個(gè)反應(yīng)器的循環(huán)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，就可以脫除出氣態(tài)的H2S，并從中得到副產(chǎn)物單質(zhì)硫。產(chǎn)生的單質(zhì)硫在調(diào)節(jié)池中沉淀分離，通過(guò)跟蹤檢測(cè)調(diào)節(jié)池中個(gè)離子濃度的變化，并根據(jù)固定化微生物的需要，調(diào)整保持生物反應(yīng)器中營(yíng)養(yǎng)物濃度的穩(wěn)定性。為防止兩級(jí)反應(yīng)器循環(huán)液相的蒸發(fā)，兩級(jí)通入的氣體分別進(jìn)行增濕處理。
該工藝采用的固定化的嗜酸性鐵氧化細(xì)菌可以是氧化亞鐵硫桿菌、氧化亞鐵鉤端螺旋菌、等同領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的可以氧化鐵的嗜酸微生物。微生物固定化方法可以是載體吸附法、共價(jià)結(jié)合法、包埋法等同領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的方法。
本發(fā)明的有益效果是①生物反應(yīng)和化學(xué)吸收達(dá)到最佳效果所需要條件和環(huán)境是不一致的，該工藝由生物反應(yīng)器和化學(xué)反應(yīng)器兩部分組成，兩者串聯(lián)成一個(gè)循環(huán)體系，便于對(duì)生物和化學(xué)兩步反應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，保證生物反應(yīng)器中微生物生長(zhǎng)的最適環(huán)境，達(dá)到最佳的“造血”功能，同時(shí)通過(guò)對(duì)化學(xué)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和反應(yīng)參數(shù)的研究也可以達(dá)到最佳的化學(xué)吸收效果；②固定化微生物顆粒不容易被堵塞，微生物不容易被硫化氫氣體毒害，活力高，穩(wěn)定性好。廢氣在化學(xué)反應(yīng)器中被反應(yīng)吸收后，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)池對(duì)循環(huán)液進(jìn)行pH、營(yíng)養(yǎng)物調(diào)節(jié)和沉淀分離后再流入生物反應(yīng)器，因此，固定化顆粒不容易因反應(yīng)產(chǎn)生的沉淀等而被堵塞，微生物也不易受到劇烈的化學(xué)反應(yīng)和廢氣成分復(fù)雜性所帶來(lái)的影響，生物活性高，穩(wěn)定性好；③廢氣處理量大。Fe2+是嗜酸性鐵氧化細(xì)菌最容易利用的能量來(lái)源，F(xiàn)e2+被該菌氧化為Fe3+的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般細(xì)菌對(duì)H2S的直接降解速率。Fe3+和H2S及SO2進(jìn)行的反應(yīng)是一個(gè)化學(xué)吸收過(guò)程，反應(yīng)速率較快。因此，同一般的生物脫硫技術(shù)相比，該技術(shù)和裝置可以處理更大的廢氣量。
④循環(huán)液體酸度穩(wěn)定。嗜酸性鐵氧化細(xì)菌中的鉤端螺菌不具有繼續(xù)氧化單質(zhì)硫的能力，同時(shí)，由于生物和化學(xué)反應(yīng)器的分離，也盡可能避免了固定化微生物和單質(zhì)硫的基礎(chǔ)，因而避免了H2SO3和H2SO4的生成而使反應(yīng)液酸性的上升。
⑤在微生物的催化作用下，F(xiàn)e3+和Fe2+在兩個(gè)反應(yīng)器的不斷循環(huán)使用，極大降低了能耗，運(yùn)行費(fèi)用低，產(chǎn)生的單質(zhì)硫不具有二次污染，有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
具體實(shí)施例方式
下面提供了本發(fā)明的3個(gè)具體實(shí)施例，但本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)并不限于這3個(gè)具體實(shí)施例。
實(shí)施例一本發(fā)明的主體是由生物反應(yīng)器和化學(xué)反應(yīng)器兩級(jí)反應(yīng)器串聯(lián)組成，生物反應(yīng)器內(nèi)填充的是經(jīng)包埋法固定的氧化亞鐵鉤端螺旋菌(Leptospirillum ferrooxidans)、氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferroxidans)顆粒，為防止顆粒的積壓，生物反應(yīng)器內(nèi)置多孔隔板或采用內(nèi)循環(huán)沸騰床結(jié)構(gòu)。化學(xué)反應(yīng)器采用內(nèi)循環(huán)沸騰床結(jié)構(gòu)，廢氣噴頭采用耐酸特氟綸(聚四氟乙烯)多孔噴頭，孔數(shù)≥20個(gè)，孔直徑0.02-1mm，以降低廢氣氣泡的直徑，增加氣液比。同時(shí)，為了防止因通入的氣體而造成的循環(huán)液的蒸發(fā)，生物和化學(xué)兩級(jí)反應(yīng)器通入的氣體分別經(jīng)過(guò)增濕處理。兩級(jí)反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)液相由細(xì)菌生長(zhǎng)的9K培養(yǎng)液組成，F(xiàn)e離子濃度5-60g/L，循環(huán)液經(jīng)生物反應(yīng)器后，溶液中的Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+，并流入化學(xué)反應(yīng)器和H2S及進(jìn)行的反應(yīng)，在化學(xué)反應(yīng)器中Fe3+又轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)池對(duì)沉淀分離后，重新流入生物反應(yīng)器，以提供固定化微生物生長(zhǎng)的能量。通過(guò)跟蹤檢測(cè)調(diào)節(jié)池中個(gè)離子濃度的變化，并根據(jù)固定化微生物的需要，調(diào)整保持生物反應(yīng)器中營(yíng)養(yǎng)物濃度的穩(wěn)定性。在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，生物反應(yīng)器內(nèi)溫度保持在30±1℃{固定化微生物為氧化亞鐵鉤端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)}或37.5±1℃{固定化微生物為氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillusferroxidans)}。化學(xué)反應(yīng)器常溫操作，生物反應(yīng)器通氣量20kgO2/m3d，水力停留時(shí)間(生物反應(yīng)器)1.2h，在以上條件下連續(xù)操作，硫化氫處理量可達(dá)15-45kg/m3d(以生物反應(yīng)器容積計(jì)算)，處理效率99％以上。
實(shí)施例二在建立的3種生物反應(yīng)器中，分別填充固定化氧化亞鐵鉤端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)、氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferroxidans)顆粒以及二者的混合物，三種菌的固定皆采用包埋法，對(duì)硫化氫的處理結(jié)果如下

實(shí)施例三氧化亞鐵鉤端螺旋菌不同固定方法去除硫化氫的效果比較



附圖為固定化微生物生物及化學(xué)兩級(jí)反應(yīng)器流程示意圖。
權(quán)利要求
1.一種生物及化學(xué)兩級(jí)反應(yīng)器處理硫化氫工藝，其特征為該工藝采用生物和化學(xué)兩級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器，使Fe2+和Fe3+兩種不同價(jià)態(tài)Fe離子在兩個(gè)反應(yīng)器的循環(huán)轉(zhuǎn)變過(guò)程中脫除出氣態(tài)的H2S，硫化氫僅在化學(xué)反應(yīng)器中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成單質(zhì)硫，固定化微生物裝載于生物反應(yīng)器中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物和化學(xué)兩級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器處理硫化氫工藝，其特征為生物反應(yīng)器中采用的微生物為能夠使Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3的嗜酸性鐵氧化細(xì)菌，嗜酸性鐵氧化細(xì)菌可以是氧化亞鐵硫桿菌、氧化亞鐵鉤端螺旋菌等同領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的可以氧化鐵的嗜酸微生物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的生物和化學(xué)兩級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器處理硫化氫工藝，其特征為生物反應(yīng)器中微生物的固定化方法可以是載體吸附法、共價(jià)結(jié)合法、包埋法等同領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的方法。
全文摘要
以固定化嗜酸性鐵氧化細(xì)菌為生物催化劑，采用生物和化學(xué)兩級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器，以嗜酸性氧化細(xì)菌培養(yǎng)基為循環(huán)液相，循環(huán)液經(jīng)生物反應(yīng)器后，溶液中的Fe
文檔編號(hào)B01D53/52GK1895747SQ200610200610
公開(kāi)日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2006年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日
發(fā)明者李紅玉, 王玉建, 楊曉娟, 涂瑋, 支德娟 申請(qǐng)人:蘭州大學(xué)