环境科学  2014, Vol. 35 Issue (4): 1256-1262   PDF    
引用本文
李华琴, 何觉聪, 陈洲洋, 黎宝仁, 黄倩茹, 张再利, 魏在山. 低温等离子体-生物法处理硫化氢气体研究[J]. 环境科学, 2014, 35(4): 1256-1262.
LI Hua-qin, HE Jue-cong, CHEN Zhou-yang, LI Bao-ren, HUANG Qian-ru, ZHANG Zai-li, WEI Zai-shan. Hydrogen Sulfide Removal by the Combination of Non-Thermal Plasma and Biological Process[J]. Environmental Science, 2014, 35(4): 1256-1262.
低温等离子体-生物法处理硫化氢气体研究
李华琴, 何觉聪, 陈洲洋, 黎宝仁, 黄倩茹, 张再利, 魏在山     
中山大学环境科学与工程学院,广东省环境污染控制与修复技术重点实验室,广州 510275
收稿日期: 2013-8-7; 修订日期: 2013-10-16.
基金项目： 科技部科技型中小企业技术创新基金项目（11C2621441321）；广州市科技计划项目（2010Z2-C361）；广州市海珠区科技计划项目（2011-C-22）
作者简介：李华琴(1987~),女,硕士研究生,主要研究方向为废气的低温等离子体-生物处理新技术,E-mail:lihuaqin2010@yeah.net
通讯联系人,E-mail:wzs89@126.com
摘要：采用低温等离子体-生物法处理硫化氢恶臭气体，硫化氢的去除效率比单独等离子体提高83.4%~90.1%，而且可消除等离子体氧化硫化氢产生的二氧化硫等二次污染物，将其转化为硫酸根和水.采用PCR-DGGE技术研究低温等离子体臭氧对处理硫化氢恶臭气体的生物滴滤塔内微生物群落结构变化规律.结果表明，低温等离子体臭氧影响生物滴滤塔内微生物群落结构，会导致一部分菌群消失，同时产生一些新的菌群；塔内微生物由8个菌种变为9个菌种，3个脱硫作用的硫杆菌菌群消失，出现4个分别具有脱硫作用和嗜酸性的新菌种，5个分别具有脱硫和硫酸盐还原菌种不变.低温等离子体-生物法系统生物滴滤塔内主要有硫杆菌属（Uncultured Thiobacillus sp.，Acidithiobacillus thiooxidans strain dfI，Uncultured Thiobacillus sp.，Uncultured Acidiphilium sp.），黄单胞菌属（Uncultured Xanthomonadaceae bacterium clone SBLE6C12），δ-变形菌（Uncultured δ-Proteobacterium）及副球菌属（Paracraurococcus sp. 1PNM-27）.
关键词： 低温等离子体-生物法     硫化氢     恶臭     PCR-DGGE     微生物群落结构    
Hydrogen Sulfide Removal by the Combination of Non-Thermal Plasma and Biological Process
LI Hua-qin, HE Jue-cong, CHEN Zhou-yang, LI Bao-ren, HUANG Qian-ru, ZHANG Zai-li, WEI Zai-shan     
Guangdong Provincial Key Laboratory of Environmental Pollution Control and Remediation Technology, School of Environmental Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
Abstract: A bench scale system integrating a non-thermal plasma (NTP) unit with a biotricking filtration (BTF) unit for the treatment of gases containing hydrogen sulfide (H2S) was investigated. The additional use of the biotrickling filter to NTP reactor not only leads to the enhancement of hydrogen sulfide removal efficiency up from 83.4% to 90.1%, but also eliminates gas-phase intermediate products from NTP degradation of H2S to produce sulfate and H2 O. The dynamic changes of microbial community in BTF influenced by ozone from NTP were assessed by PCR-DGGE. Results show that the microbial community was affected by ozone. After the integration, a part of microorganisms disappeared, and meanwhile some new microorganisms appeared. The microbial community structure in BTF changed from eight bands to nine bands; three bands which have the functions of desulfurization disappeared and four bands which have the functions of desulfurization appeared; five bands which have the functions of desulfurization and sulfate reduction were unchanged. The bacterial groups in the BTF unit of NTP-BTF system include Uncultured Thiobacillus sp.,Acidithiobacillus thiooxidans strain dfI,Uncultured Thiobacillus sp.,Uncultured Acidiphilium sp., Uncultured Xanthomonadaceae bacterium clone SBLE6C12, Uncultured δ-Proteobacterium and Paracraurococcus sp. 1PNM-27.
Key words: non-thermal plasma and biological process     hydrogen sulfide     odor     PCR-DGGE     microbial community    

目前我国城镇正处于恶臭污染的高发阶段，居民投诉日益增多，臭气扰民事件时有发生[1].恶臭污染来源于污水处理、污泥处理、畜牧场、饲养场、屠宰厂、水产饲料、水产加工、化工、化肥、橡胶、 炼油、 制革、 制药、 农药、 造纸、 烟草、 垃圾场等.因此恶臭污染治理已经成为我国环境保护一个必须解决的问题.

恶臭废气污染防治技术主要有吸收法、吸附法、催化氧化法、臭氧法、等离子体法和微生物法等.近年来，等离子体技术被广泛运用于恶臭气体处理，利用介质阻挡放电反应器处理含硫化氢和二硫化碳恶臭气体[2]，脉冲放电等离子体处理硫化氢[3]、 恶臭气体混合物[4]，Tsai等[5]利用射频等离子体分解甲硫醇，内部填充纳米钛酸钡基介电填料的管-线式低温等离子体反应器处理含硫化氢和氨的污水厂恶臭气体[6]； 利用低温等离子体技术处理恶臭的工程应用研究[7, 8, 9, 10].生物法处理含NH3臭气、 硫化氢和甲硫醇混合恶臭气[9]、 生活垃圾恶臭[10]、 多组分臭味气体[11]、 制药厂挥发性混合废气[12]、 水产饲料恶臭废气[13]等已经有大量研究报道.国内生物技术已在再生胶厂[14]、 制药厂兼氧池高浓度恶臭[15]、 炼油污水厂恶臭[16]和污水厂臭气[17]等废气处理实现了工程应用.目前等离子体技术治恶臭气体主要存在的问题有：气体流量较大时，转化率不高、 能耗高、 其降解产物的成分复杂、 可能造成二次污染； 而生物处理恶臭废气存在工程装置体积较大，投资费用增加，易受污染负荷及组分的变化、 非稳态工况和外界环境温度的影响[18].为了满足更加严格除臭要求和提高系统的适应性以及可靠性，开发组合工艺具有很好的实用价值.某污水厂利用脉冲电晕放电等离子体-光催化复合技术处理污水处理泵站臭气[19]，光催化-生物法处理有机废气也有相关报道[20].等离子体和生物法联合处理技术是利用等离子体中的大量活性粒子对有毒有害恶臭污染物进行直接分解去除，生物法将等离子体分解产物和恶臭废气继续好氧降解成无害的物质.进而减少生物除臭装置和等离子体装置的体积，以及等离子体产生的副产物被生物降解成无害的物质，避免二次污染的发生； 这不仅可以减少等离子体电耗，而且能控制有害副产物的形成，提高性价比.

本研究采用低温等离子体-生物法处理硫化氢恶臭气体，考察系统运行稳定性； 采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)分子生物学方法研究低温等离子体臭氧对处理硫化氢恶臭气体的生物滴滤塔内微生物群落结构变化规律，推测低温等离子体-生物法除臭过程机制，以期为低温等离子体-生物法脱臭技术的产业化应用奠定基础.

1 材料与方法 1.1 实验装置与方法

低温等离子-生物法联合系统处理硫化氢恶臭气体的实验流程如图1所示.联合装置由低温等离子体和生物塔两部分组合而成，低温等离子体降解恶臭气体的装置包括气体发生装置、 电压调节装置、 等离子体反应器和尾气吸收装置4个部分组成； 等离子反应器外部采用绝缘的有机玻璃板制作，内部电极采用铝合金制作，阴极采用针端形式，阳极采用多孔板形式.铝合金片为长14 cm，宽10 cm的长方形.由若干铝合金片排列成为长21 cm，宽10 cm，高14 cm的铝合金长方体.等离子体控制箱产生的高压接入到等离子反应器内的铝合金长方体中，在一个由高压和接地电极形成的场强中形成稳定的流光放电.生物滴滤塔用有机玻璃柱制成，总高度1 000 mm，内径90 mm，填料为轻质陶粒，生物滴滤塔内的填料分为3层，每层高度约为150 mm，中间间隔100 mm，填料总高度约为450 mm.恶臭气体采用动态法配置，硫化氢恶臭气体同压缩空气混合后经气体流量计调节流量后进入等离子体反应器，与等离子体反应器内产生的电子、 离子、 自由基反应产生中间产物，然后进入生物滴滤塔，恶臭气体和中间产物在上升的过程中与塔顶喷淋而下的循环液及生物膜接触，目标污染物首先被循环液及生物膜吸附，再进入微生物细胞最终被降解，恶臭气体得到净化，被净化的气体从塔顶排出.生物滴滤塔长期运行中，只对耗掉的水分进行定期补充，无需更换循环液.

图1 低温等离子体-生物法处理硫化氢恶臭气体实验装置示意

Fig.1 Schematic diagram of hydrogen sulfide removal by the combination of non-thermal plasma and biological process

1.2 分析方法 硫化氢浓度采用德国Testo-Pro350烟气分析仪测定.臭氧浓度采用AIC-800-03臭氧浓度检测仪.循环液pH值采用上海三信仪表厂的PHB-3型笔式pH计测定.气体流量：LZB-10型玻璃转子流量计测定，测量范围为0.4~4.0 m3 ·h-1.

生物滴滤塔循环液中离子产物采用离子色谱仪(IC)进行定性分析，具体分析方法见文献[21]. PCR-DGGE分析方法[22]：首先提取样品的DNA，所用引物为细菌16S rDNA V3高变区F338和R534，采用PCR仪(ABI 9700，美国ABI公司)进行扩增，采用D-Code突变检测系统对样品进行DGGE分析.最后将DGGE电泳条带的切胶回收、 V3区再扩增及测序.

2 结果与讨论

2.1 低温等离子-生物法处理硫化氢恶臭气体运行稳定性

在输入电压2.0 kV，恶臭气体在等离子体反应器和生物滴滤塔的停留时间分别为10.6 s、10.3 s，生物滴滤循环液喷淋密度为1.13 m3 ·(m2 ·h)-1和pH值为2~7的条件下，考察等离子体-生物法处理硫化氢恶臭气体运行稳定性(如图2所示).从中可知，硫化氢的进气浓度在100~120 mg ·m-3之间，等离子体-生物法处理系统在30 d中稳定运行，硫化氢的去除率为93.2%~100%，

图2 等离子体-生物法处理硫化氢30 d运行图

Fig.2 Performance of the NTP-BTF system for H2S removal during the 30 d continuous running test

第4~30 d保持在97%以上； 其中等离子体对硫化氢的去除效率9.2%~10.2%，生物净化效率为92.5%~100%.生物滴滤塔加入到低温等离子体不仅可以提高硫化氢去除效率83.4%~90.1%，而且可消除等离子体氧化硫化氢产生的二氧化硫等二次污染物，将其转化为硫酸根和水.低温等离子体加入到生物滴滤塔虽然提高硫化氢去除效率很小，但可减少生物滴滤塔的体积.在达到相同的去除效率97%以上和处理相同风量的情况下，同单独生物除臭技术相比，等离子体-生物法系统中生物滴滤塔体积减少50%，能够有效降低生物反应器的投资费用.采用AIC-800-03臭氧浓度检测仪监测处理硫化氢生物滴滤塔进出口臭氧浓度，进入生物滴滤塔的臭氧浓度在18.7×10-6~23.2×10-6之间，生物滴滤塔出口浓度在0.6×10-6~2.5×10-6之间，生物滴滤塔对低浓度臭氧有良好的去除作用.因此等离子体-生物法处理恶臭废气可避免等离子体产生的二次污染的发生，能控制有害副产物的形成，同时还可以减少生物除臭装置和等离子体装置的体积，进一步提高除臭效率和满足更加严格要求.

等离子体-生物法处理硫化氢恶臭废气是将等离子体和生物滴滤法联合处理硫化氢废气.利用等离子体中的大量活性粒子对有毒有害硫化氢恶臭污染物进行直接分解去除，采用高频脉冲电源，在反应器内建立分布合理的流光放电等离子场，在等离子场中，废气中的硫化氢臭气化合物的分子键更容易被打开或氧化； 在等离子场中气体被局部电离，产生较高浓度的离子O、O3、OH等自由基，这些活性因子直接参与裂解和氧化废气中的硫化氢，可能生成二氧化硫和水[23]； 等离子体的预处理将硫化氢转化成更溶于水的二氧化硫，等离子体产生的臭氧有助于控制生物膜的过度生长和生物滴滤塔的压降.生物滴滤法将等离子体分解产物和硫化氢废气继续好氧降解成无害的物质.

2.2 进气负荷对联合系统净化效率的影响

在温度为25℃，输入电压为2.0kV，进气量为1.0 m3 ·h-1，恶臭气体在生物滴滤塔内的停留时间为10.3 s的条件下，考察进气负荷对等离子体-生物法处理硫化氢的影响如图3所示. 从中可知，随着硫化氢恶臭气体进气负荷的增加，去除率呈现下降的趋势，但等离子体-生物法系统的下降趋势较为缓慢.当硫化氢的进气负荷小于97.3 mg ·h-1时，等离子体-生物法对硫化氢的去除率为100%，出口检测不到硫化氢.随着硫化氢进口负荷的增加，单一等离子体、 单一生物法和等离子体-生物法系统对硫化氢的去除率都逐渐下降.当硫化氢的进气负荷为180.8 mg·h-1，单一等离子体对硫化氢的去除率只有2.3%，单一生物法对硫化氢的去除率为78.7%，等离子体-生物法对硫化氢的去除率为84.0%，耦合作用最大，为3.8%.为使硫化氢的去除率为99.3%，则硫化氢的进气负荷为111.2 mg·h-1，此时等离子体对硫化氢的去除率为10%，等离子体-生物法系统耦合促进作用为2.2%.等离子体-生物法对硫化氢的去除作用，与单独的等离子体和单独的生物法两者加和相差不大，因此等离子体-生物法对硫化氢的降解的促进作用不大.

图3 进气负荷对等离子体-生物法处理硫化氢的影响

Fig.3 Influence of inlet loading rate on H2S removal in NTP-BTF system

2.3 输入电压对等离子体处理硫化氢恶臭气体的影响

在进气流量为0.5 m3 ·h-1，硫化氢的进气浓度为70.1 mg ·m-3，输入电压对低温等离子体去除硫化氢恶臭气体的影响如图4所示.硫化氢的去除率随电压增加而升高.当输入电压从1.2kV增加到2.0 kV，硫化氢的去除率从7.9%升高到30.9%； 继续将输入电压从1.2kV增加到6.95kV时，等离子体除臭率提高的趋势比较明显，硫化氢的去除率由30.9%提高到65.1%； 当电压提高到8.56kV时硫化氢的去除率为93.6%.随着电压的升高，等离子体放电产生的高能电子、 自由基及臭氧等活性粒子的浓度大大地提高，

图4 电压对低温等离子体除臭率的影响

Fig.4 Influence of voltage on H2S removal

放电铝合金片产生的电晕区间也增大，产生更多的活性粒子，促进硫化氢的氧化.因此增加施加在等离子体反应器上的电压，对恶臭气体的降解有积极的促进作用，但是电压的增加意味着能耗的增加，在实际的工程运用中，应结合投资运行费用，选用合适的输入电压.等离子体放电产生的臭氧浓度与输入电压有关，Samaranayake等[24]研究表明，无介质材料时臭氧浓度随着输入反应器中能量密度的增大而增大.臭氧浓度随着输入电压的提高而增大，当输入电压为1.0 kV时臭氧浓度只有8.3×10-6，当输入电压由2 kV升高到6.95 kV时，臭氧浓度由20.3×10-6增加到了101.2×10-6； 当电压为8.56 kV时臭氧浓度为168.3×10-6.臭氧具有强氧化性且对有机微生物有一定的毒害作用[25].实验研究发现当进入到生物滴滤塔中臭氧浓度小于25×10-6时，臭氧对生物滴滤塔对硫化氢的降解还有略微的促进作用，生物除臭效率不受影响.Moussavi等[26]和Wang等[27]的研究表明适宜的臭氧浓度，在一定程度上能促进生物塔对有机物的去除，同时可控制生物塔中微生物过量的生长，降低系统压降.要使生物滴滤塔能够良好地运行，适宜的臭氧浓度为20.3×10-6，而此时对应的输入电压为2.0 kV.

2.4 等离子体-生物法处理硫化氢的循环液分析

循环液可以为生物滴滤塔中微生物提供营养物质，维持生物滴滤塔内微生物的正常生命活动； 带走生物滴滤塔内代谢产物，以免生物滴滤塔内因产物累积而对微生物产生毒害作用.等离子体-生物法系统中循环液的pH值随着系统运行时间的延长逐渐减小，为防止循环液pH值过小、 酸性过强而影响微生物活性，需定期加0.1 mol ·L-1的NaOH调节循环液pH值在2~7之间.

采用离子色谱法，对等离子体-生物法联合系统处理硫化氢生物反应器内循环液离子如图5所示.将样品测定结果与标准样品的离子色谱进行比较，可以定性判定循环液内含有Cl-、 NO-3、 PO3-4和SO2-4.由于处理硫化氢生物滴滤塔的循环液中未加入任何含硫营养物质，因而可以判定循环液中的SO2-4来自硫化氢的生物降解，而其他离子则来自于外加入循环液的无机营养物质.等离子体和生物滴滤塔均未观察到硫磺沉积现象，低温等离子体臭氧和其它活性粒子将硫化氢氧化为二氧化硫，等离子体对硫化氢的去除效率低，二氧化硫的生成量较小，而单质硫有可能沉淀在生物膜的内部，而未被检测到.

图5 等离子体-生物法联合系统循环液离子色谱

Fig.5 IC analysis of the circulating fluid from NTP-BTF system

2.5 低温等离子体臭氧对硫化氢生物滴滤塔内微生物群落结构的变化影响

为研究低温等离子与生物法联合前后处理硫化氢生物滴滤塔内微生物群落结构的变化，稳定运行时取处理硫化氢生物滴滤塔(BTF)和等离子体-生物(NTP-BTF)联合系统生物滴滤塔内的微生物样品进行PCR-DGGE分析.将13个菌群的16S rDNA序列分别利用Blast程序与GenBank中已知菌种的16S rDNA序列进行对比分析，可以确定菌群所代表的微生物菌属，结果如表1所示.

采用PCR-DGGE技术分析低温等离子体与生物滴滤塔联合前后处理硫化氢生物滴滤塔内微生物群落结构的变化.BTF处理硫化氢的生物反应器内主要有8个菌群：硫杆菌属(Acidithiobacillus thiooxidans strain ABRM2011、 Acidithiobacillus thiooxidans strain dfI、 Thiobacillus ferrooxidans、 Acidithiobacillus thiooxidans strain ABRM2011、 Uncultured Thiobacillus sp.)，黄单胞菌属(Uncultured Xanthomonadaceae bacterium clone SBLE6C12),δ-变形菌(Uncultured δ-Proteobacterium). NTP-BTF系统生物滴滤塔内Acidithiobacillus thiooxidans strain ABRM2011、 Thiobacillus ferrooxidans、 Uncultured bacterium这3个菌群消失； 同时出现了Uncultured Thiobacillus sp.、 Uncultured bacterium、 Uncultured Acidiphilium sp.、 Paracraurococcus sp. 1PNM-27这4个新的菌群.等离子体-生物法系统联合后生物反应器内主要有硫杆菌属(Uncultured Thiobacillus sp.、 Acidithiobacillus thiooxidans strain dfI、 Uncultured Thiobacillus sp.、 Uncultured Acidiphilium sp.)，黄单胞菌属(Uncultured Xanthomonadaceae bacterium clone SBLE6C12)，δ-变形菌(Uncultured δ-Proteobacterium)及副球菌属(Paracraurococcus sp.1PNM-27).NTP和BTF联合前后生物滴滤塔降解硫化氢反应器内起主要作用的都是硫杆菌属和δ-变形菌属，存在着好氧降解和厌氧降解生化作用，硫杆菌属将硫化氢氧化为硫酸而δ-变形菌属可以将硫酸根离子还原为硫离子及单质硫.由此可知NTP-BTF的生物滴滤塔内微生物多样性增加，硫化氢降解作用的微生物与单独生物滴滤塔相似.NTP-BTF和单独BTF中微生物群落结构的差别可能是由于低温等离子体预降解硫化氢产生的中间产物(如SO2等)的影响； 也有可能是低温等离子体产生的臭氧进入生物滴滤塔，使得生物滴滤塔内对臭氧耐受性差的微生物消亡，同时对臭氧耐受性强的微生物出现.

表1 硫化氢生物滴滤塔优势菌16S rDNA DGGE片断测序分析结果

Table 1 Predominant bacteria unveiled by 16S rDNA sequence of DGGE analysis in the biotrickling filter for H2S removal

硫杆菌属、 黄单胞菌属和副球菌属在好氧的条件下降解硫化氢，δ-变形菌能够在厌氧的条件下还原硫酸盐.硫杆菌属中的氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans strain ABRM2011、 Acidithiobacillus thiooxidans strain dfI)好氧专性自养的微生物，可以将还原态的无机硫氧化成硫酸从中获得能量，并且以CO2作为碳源而生长[28]，黄单胞菌属(Thiobacillus sp.)可以将H2S氧化为硫酸[29].单独硫化氢生物滴滤塔内硫化氢的去除主要靠硫杆菌属和黄单胞菌属的好氧降解作用.δ-变形菌则是在厌氧的条件下利用碳氢化合物以及醇类和醛类等电子供体将硫酸盐还原为硫离子和单质硫[30]，起到氧化降解产生的硫酸盐的还原作用.Thiobacillus sp.和Uncultured Acidiphilium sp.同样属于硫杆菌属，可以在好氧的条件下将硫化氢氧化为硫酸，δ-变形菌属同样起到还原硫酸盐的作用.Uncultured bacterium 在GenBank内未找到相似的菌，Paracraurococcus sp.能降解含硫化合物(二硫化碳、 氧硫化碳、 元素S等)获得能量供自身生长[31].

因此，等离子体-生物法处理硫化氢降解机理：低温等离子体臭氧可以在有氧的条件下将H2S氧化为SO2和单质硫[32]，离子色谱检测到硫化氢生物反应器循环液里含有SO2-4，应是来自于硫杆菌属对硫化氢的生物降解.生物反应器内的硫杆菌属(Uncultured Thiobacillus sp.、 Acidithiobacillus thiooxidans strain dfI、 Uncultured Thiobacillus sp.、 Uncultured Acidiphilium sp.)能够在好氧的条件下将硫化氢降解为最终产物SO2-4； 副球菌属(Paracraurococcus sp.1PNM-27)可能将硫化氢氧化为硫酸而获得能量供自身生长； 黄单胞菌属(Uncultured Xanthomonadaceae bacterium clone SBLE6C12)能够将硫化氢氧化形成硫聚物； δ-变形菌(Uncultured δ-Proteobacterium)可以将硫酸根离子还原为硫离子及单质硫等低价态的硫，而低价态的S2-容易被硫杆菌属氧化. δ-变形菌对硫酸根离子的还原可减少循环液中硫酸根离子的累积，对维持生物反应器的稳定运行具有重要作用.

3 结论

(1)低温等离子体-生物法能有效处理含硫化氢恶臭气体，硫化氢的去除率可达100%，比单独等离子体提高83.4%~90.1%，而且可消除等离子体氧化硫化氢产生的二氧化硫等二次污染物，将其转化为硫酸根和水.

(2)等离子体-生物法系统联合后生物反应器内主要有硫杆菌属(Uncultured Thiobacillus sp.、 Acidithiobacillus thiooxidans strain dfI、 Uncultured Thiobacillus sp.、 Uncultured Acidiphilium sp.)，黄单胞菌属(Uncultured Xanthomonadaceae bacterium clone SBLE6C12)，δ-变形菌(Uncultured δ-Proteobacterium)及副球菌属(Paracraurococcus sp.1PNM-27).

(3)采用PCR-DGGE技术分析低温等离子体臭氧对处理硫化氢生物滴滤塔内微生物群落结构的变化影响.NTP-BTF与NTP相比由8个菌群变为9个菌种，3个脱硫作用的硫杆菌菌群消失，出现4个分别具有脱硫作用和嗜酸性的新菌种，5个分别具有脱硫和硫酸盐还原作用菌种不变.

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