蓝藻厌氧发酵产沼气及沼气生物脱硫初步研究

蓝藻厌氧发酵产沼气及沼气生物脱硫初步研究摘要蓝藻厌氧发酵是其资源化利用的主要方法之一，对发酵产生的沼气净化提纯是沼气资源化利用的关键。本文在35±1℃，pH为7.0条件下，将蓝藻、厌氧接种污泥和香蒲秸秆按不同比例混合进行了发酵产沼气实验研究。结果表明秸秆、蓝藻和接种污泥以2：8：1的比例发酵时，产气效果最佳，发酵时间52天，在产气高峰时沼气中甲烷含量可达72.24%，发酵结束后蓝藻TS利用率为55.73%，VS利用率为40.49%，发酵前后各组pH均保持在7.0左右。实验中对沼气中含硫成分进行了检测，主要为硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲基二硫醚和二甲基三硫醚，它们是主要的致臭因素，其中以硫化氢为主，在发酵30d时达到高峰，浓度为14016.12μL/L，其次是甲硫醇，在35d时达到94.02μL/L。沼气纯化过程中的H₂S的脱硫是十分必要的，利用氧化亚铁硫杆菌和铁盐联合作用脱除H₂S是目前的研究热点。本文利用固定床-固定化氧化亚铁硫杆菌方法进行沼气中H₂S的脱除。分别从菌种、固定化微生物和H₂S脱除三个方面进行了研究。从铜陵尾矿区酸性废水中富集培养出一批耐低pH2.0的氧化亚铁硫杆菌（T.f菌），经鉴定该菌为嗜酸氧化亚铁硫杆菌。为进一步提高其对Fe²⁺的氧化活性，分别研究了培养温度、初始pH及氮源方面对该菌氧化活性的影响。结果表明，该菌在25-35℃之间均可以较好的生长，最适宜的培养温度为30℃，培养45h后Fe²⁺氧化率可以达到60%；初始pH在1.8-2.5范围内其均可以正常生长，pH2.0时氧化活性最佳；当氮源为硫酸铵时其氧化活性最佳，最终氧化率为62.81%，最大氧化速率为0.5899/Lh⁻¹。对其生长特征研究得出T.f菌培养停滞期很短，10-30h为对数增长期。为提高T.f菌的氧化能力，以海藻酸钙为载体包埋固定T.f菌，并在有效体积为1.07L，床层空隙率为0.56的生物填料塔中培养，并初步考察了不同稀释率和初始Fe²⁺浓度对固定化微生物的影响。结果表明在达到最佳稀释率1.05之前，随着稀释率的提高，Fe²⁺氧化速率也是逐渐提高的。初始Fe²⁺浓度为15g/L时固定化微生物对Fe²⁺的氧化能力最佳，比固定化前同时期的氧化速率和转化率都有大大的提高。以吸收塔作为脱硫装置，考察了不同的液气比、入口Fe³⁺浓度及吸收塔液面高度对脱硫效果的影响。结果表明，液气比为20L/m³，入口Fe³⁺浓度为15g/L，吸收塔液面高度为1.2m时，脱硫效果最佳，H₂S的去除率可以达到98%以上。关键词蓝藻；厌氧发酵；沼气；生物脱硫；氧化亚铁硫杆菌一、引言随着全球经济的快速发展，能源需求不断增加，传统化石能源的短缺和环境污染问题日益严重。寻找可再生、清洁的能源成为当务之急。沼气作为一种清洁能源，具有可再生、污染小等优点，其利用越来越受到人们的关注。蓝藻是一种广泛存在于各种湖泊、水库、河流和养殖场等水体中的藻类。与其他微生物相比，蓝藻含有高量的蛋白质、脂肪和糖类等营养成分，具有很高的能量价值。利用蓝藻生产沼气不仅可以实现蓝藻的资源化利用，减少其对水体环境的危害，还能提供可再生能源，具有重要的现实意义。然而，蓝藻厌氧发酵产沼气过程中产生的沼气通常含有一定量的含硫气体，如硫化氢等，这些含硫气体不仅会对设备造成腐蚀，还会污染环境，影响沼气的高效、安全利用。因此，开展沼气生物脱硫技术研究，对于提高蓝藻厌氧发酵产沼气的综合效益至关重要。二、蓝藻厌氧发酵产沼气实验2.1实验材料与方法2.1.1实验材料蓝藻取自某富营养化湖泊，经过简单的过滤去除大颗粒杂质后备用；厌氧接种污泥取自当地污水处理厂厌氧消化池，具有丰富的厌氧微生物菌群；香蒲秸秆收集后进行粉碎处理，过一定目数筛网备用。主要实验仪器包括恒温培养箱、厌氧发酵装置（带气体收集系统）、pH测定仪、气相色谱仪等。2.1.2实验设计设置不同比例的蓝藻、厌氧接种污泥和香蒲秸秆混合实验组，以探究最佳发酵配比。具体比例设置为（秸秆：蓝藻：接种污泥，质量比）1：9：1、2：8：1、3：7：1、4：6：1等。将各原料按比例混合均匀后，放入厌氧发酵装置中，调节初始pH至7.0，通入氮气排尽装置内空气，营造厌氧环境。将发酵装置置于35±1℃的恒温培养箱中进行发酵实验。2.1.3分析方法定期测定发酵产生沼气的体积，采用排水集气法收集沼气并用量筒测量体积。利用气相色谱仪分析沼气中甲烷、二氧化碳等气体成分含量；使用便携式硫化氢检测仪及相关化学分析方法检测沼气中含硫气体的种类及浓度。同时，定期测定发酵底物的总固体（TS）和挥发性固体（VS）含量，以计算TS和VS利用率，判断发酵效果。2.2实验结果与讨论2.2.1不同配比产气效果实验结果表明，在不同配比中，秸秆、蓝藻和接种污泥以2：8：1的比例发酵时，产气效果最佳。该组发酵时间持续52天，整个发酵过程中产气量呈现先上升后下降的趋势。在产气高峰时，沼气中甲烷含量可达72.24%，较高的甲烷含量意味着沼气具有更高的能量价值。发酵结束后，对蓝藻TS利用率进行计算，结果为55.73%，VS利用率为40.49%，表明该配比下蓝藻中的有机物质得到了较为充分的分解利用。与其他配比组相比，该最佳配比可能是由于秸秆的添加为厌氧微生物提供了适宜的碳源补充，调节了发酵体系的碳氮比，使得微生物生长代谢更为协调，促进了蓝藻的厌氧发酵过程，从而提高了产气效率和甲烷含量。而其他配比组可能由于碳氮比不合理等因素，导致微生物生长受限，产气效果不佳。2.2.2发酵过程pH变化在整个发酵过程中，对各组发酵液的pH进行监测发现，发酵前后各组pH均保持在7.0左右。稳定的pH环境对于厌氧微生物的生长和代谢至关重要，适宜的pH范围有利于维持微生物体内酶的活性，保证发酵过程的顺利进行。这说明在本实验条件下，发酵体系具有较好的酸碱缓冲能力，能够抵御发酵过程中因代谢产物积累等因素引起的pH波动，为厌氧发酵产沼气提供了稳定的环境基础。2.2.3沼气中含硫成分分析通过对沼气中含硫成分的检测分析，发现主要含硫气体为硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲基二硫醚和二甲基三硫醚。其中，硫化氢是最主要的致臭因素，在发酵30d时其浓度达到高峰，为14016.12μL/L。硫化氢具有强烈的刺激性气味，不仅会污染环境，还会对人体健康造成危害，同时对金属设备具有较强的腐蚀性，严重影响沼气设备的使用寿命。其次是甲硫醇，在发酵35d时浓度达到94.02μL/L。这些含硫气体的存在严重影响了沼气的品质，因此，对沼气进行脱硫处理势在必行。研究表明，沼气中含硫气体的产生与发酵底物的成分以及厌氧微生物的代谢活动密切相关。蓝藻中本身可能含有一定量的含硫有机化合物，在厌氧发酵过程中，这些含硫物质在微生物的作用下逐步分解转化为各种含硫气体释放到沼气中。此外，厌氧微生物在利用含硫化合物进行能量代谢时，也会产生硫化氢等含硫气体。不同含硫气体在发酵过程中的浓度变化规律不同，这可能与它们的生成途径以及微生物对其代谢利用能力有关。三、沼气生物脱硫研究3.1氧化亚铁硫杆菌的富集培养与鉴定3.1.1菌种来源与富集培养从铜陵尾矿区酸性废水中采集水样，作为氧化亚铁硫杆菌的富集菌种来源。将采集的水样接种到含有硫酸亚铁、硫酸铵等营养成分的9K培养基中，在25-35℃的温度条件下进行富集培养。定期观察培养基颜色变化，当培养基由淡绿色变为棕黄色时，表明氧化亚铁硫杆菌在培养基中生长繁殖，将其转接至新鲜培养基中继续培养，经过多次转接富集，获得了浓度较高的氧化亚铁硫杆菌菌液。3.1.2菌种鉴定对富集培养得到的菌株进行形态学观察和生理生化特性鉴定。通过显微镜观察，发现该菌株呈短杆状，革兰氏染色阴性。进一步对其生理生化特性进行分析，该菌能够在酸性环境下以亚铁离子为能源生长，且对多种重金属具有一定的耐受性。结合16SrRNA基因序列分析，最终鉴定该菌为嗜酸氧化亚铁硫杆菌（T.f菌）。嗜酸氧化亚铁硫杆菌在自然界中广泛存在，尤其在酸性矿山废水等环境中，它能够利用亚铁离子氧化产生的能量进行生长代谢，在沼气生物脱硫领域具有重要的应用潜力。3.2环境因素对T.f菌氧化活性的影响3.2.1培养温度的影响将T.f菌接种到不同温度（20℃、25℃、30℃、35℃、40℃）的9K培养基中，培养45h后测定Fe²⁺氧化率。实验结果表明，该菌在25-35℃之间均可以较好的生长，最适宜的培养温度为30℃。在30℃条件下，培养45h后Fe²⁺氧化率可以达到60%。当温度低于25℃时，随着温度降低，微生物体内酶的活性受到抑制，代谢速率减慢，导致Fe²⁺氧化率下降；而当温度高于35℃时，过高的温度可能会使酶蛋白变性，同样影响微生物的生长和代谢，使Fe²⁺氧化活性降低。因此，30℃是T.f菌氧化Fe²⁺的较为适宜温度，在实际应用中，应尽量将培养温度控制在该范围内，以提高T.f菌的氧化活性。3.2.2初始pH的影响设置不同初始pH（1.5、1.8、2.0、2.5、3.0）的9K培养基，接种T.f菌进行培养。结果显示，初始pH在1.8-2.5范围内其均可以正常生长，pH2.0时氧化活性最佳。T.f菌是嗜酸微生物，适宜在酸性环境下生长，在该pH范围内，微生物细胞表面的电荷状态、细胞膜的通透性以及酶的活性等都处于较为理想的状态，有利于其对Fe²⁺的摄取和氧化。当pH超出这个范围时，过酸或过碱的环境都会对微生物细胞结构和功能产生不利影响，抑制其生长和代谢，从而降低Fe²⁺氧化活性。所以，在培养T.f菌时，调节初始pH至2.0左右，能够充分发挥其氧化亚铁离子的能力。3.2.3氮源的影响分别以硫酸铵、氯化铵、硝酸铵作为氮源，配置9K培养基，接种T.f菌培养。研究发现，当氮源为硫酸铵时其氧化活性最佳，最终氧化率为62.81%，最大氧化速率为0.5899/Lh⁻¹。不同氮源对T.f菌生长和氧化活性的影响主要体现在氮源的可利用性以及对培养基理化性质的改变上。硫酸铵作为氮源时，能够为微生物提供适宜的氮素营养，同时其在培养基中的存在形式和代谢产物对微生物生长环境的影响较小，有利于维持微生物正常的生理代谢活动，从而提高其对Fe²⁺的氧化能力。而氯化铵、硝酸铵等氮源可能在代谢过程中产生一些不利于微生物生长的物质，或者影响培养基的酸碱度等，导致T.f菌氧化活性下降。3.3T.f菌固定化及对固定化微生物的影响研究3.3.1T.f菌固定化方法为提高T.f菌的氧化能力和稳定性，采用海藻酸钙为载体包埋固定T.f菌。具体方法为：将一定量的海藻酸钠溶解于蒸馏水中，加热搅拌使其完全溶解，冷却至室温后，加入适量的T.f菌菌液，混合均匀。然后用注射器将混合液缓慢滴加到氯化钙溶液中，形成凝胶珠，即得到固定化T.f菌。海藻酸钙具有良好的生物相容性、机械强度和化学稳定性，能够为T.f菌提供一个相对稳定的微环境，使其在固定化状态下仍能保持较高的活性。3.3.2不同稀释率对固定化微生物的影响在有效体积为1.07L，床层空隙率为0.56的生物填料塔中培养固定化T.f菌，考察不同稀释率（0.5、0.8、1.05、1.2）对固定化微生物Fe²⁺氧化速率的影响。结果表明，在达到最佳稀释率1.05之前，随着稀释率的提高，Fe²⁺氧化速率也是逐渐提高的。当稀释率较低时，固定化微生物周围底物浓度相对较高，但传质效率较低，限制了微生物对底物的利用，导致Fe²⁺氧化速率较慢；随着稀释率增加，底物和溶解氧等物质的传质效率提高，微生物能够更好地接触和利用底物，从而使Fe²⁺氧化速率加快。然而，当稀释率超过1.05后，由于微生物在单位体积内的数量相对减少，且营养物质的停留时间过短，微生物对底物的利用不充分，Fe²⁺氧化速率反而下降。因此，在实际应用中，应根据具体情况选择合适的稀释率，以充分发挥固定化微生物的氧化能力。3.3.3初始Fe²⁺浓度对固定化微生物的影响研究不同初始Fe²⁺浓度（5g/L、10g/L、15g/L、20g/L）对固定化微生物氧化能力的影响。结果显示，初始Fe²⁺浓度为15g/L时固定化微生物对Fe²⁺的氧化能力最佳，比固定化前同时期的氧化速率和转化率都有大大的提高。当初始Fe²⁺浓度较低时，微生物生长受到底物限制，无法充分发挥其氧化能力；而当Fe²⁺浓度过高时，可能会对微生物产生一定的毒性作用，影响其生长和代谢，同样不利于Fe²⁺的氧化。15g/L的初始Fe²⁺浓度为固定化T.f菌提供了适宜的底物浓度，既能满足微生物生长代谢的需求，又不会对其产生抑制作用，使得固定化微生物能够高效地氧化Fe²⁺。3.4固定床-固定化氧化亚铁硫杆菌脱硫实验3.4.1实验装置与流程以吸收塔作为脱硫装置，构建固定床-固定化氧化亚铁硫杆菌脱硫系统。在吸收塔内填充固定化T.f菌的生物填料，含有硫化氢等含硫气体的沼气从吸收塔底部通入，与塔内自上而下流动的含有Fe³⁺的吸收液逆流接触。在固定化T.f菌的作用下，吸收液中的Fe³⁺将沼气中的硫化氢氧化为单质硫，同时Fe³⁺被还原为Fe²⁺，Fe²⁺在固定化T.f菌的催化下又被氧化为Fe³⁺，实现吸收液的循环利用。净化后的沼气从吸收塔顶部排出，定期对吸收塔底部的单质硫进行收集处理。3.4.2脱硫效果影响因