2.2微生物的培养及挂膜
本项目中，微生物填料塔中的菌种是通过接种脱臭生物菌剂和某污水处理厂的污泥混合培养而成。在一桶内放入500L污泥菌剂混合液，加入如表1所示的适当比例的营养液。
表1 营养盐投加量
Table 1 The composition of nutrition solution
对混合液进行曝气，并每天停曝1小时，等混合液静置后，去掉部分上清液，再补充营养，继续曝气。进行显微镜观察，当发现有少量钟虫、轮虫出现时，表明污泥菌剂培养已成熟，可注入到微生物填料塔中进行挂膜驯化。
本项目中，生物膜挂膜采用排泥挂膜法，即将培养好的活性污泥菌剂注入生物滤床中，静置10~12小时，使污泥菌剂与载体充分接触，进行微生物接种。之后全部排放掉，再连续打进不含污泥菌剂的污水，并逐渐加大进水量。
排泥法挂膜，它优于传统的循环法。接种污泥菌剂加入滤床后，少量污泥菌剂截留附着在载体表面，这些固着态微生物将摄取废水中的营养物， 进行降解代谢有机物的生命活动，并在载体表面生长、繁殖，逐渐形成薄的胶质粘膜，随着时间的增加，微生物不断增长，进而形成成熟的生物膜。
载体上的生物膜的生长并不是靠悬浮微生物的粘着，而是载体上固着微生物自动生长的结果。为使挂膜速度快，必须保证充足的营养基质。如果悬浮微生物浓度较高，在对营养物的争食中占明显的优势，则减弱了生物膜中固着态微生物的生长，使挂膜速度减慢。排泥挂膜即可将悬浮微生物排除，以保证固着微生物获得很好的生长条件而快速挂膜。
同时，挂膜时应选用活性良好的污泥菌剂，并加入易被微生物降解的化合物。影响生物膜附着性的因素除了载体（填料）的外观形状，还与载体的表面粗糙度、亲水性等有关，本项目所用填料表面粗糙，易于挂膜。
2.3 分析方法
（1）H2S检测方法：乙酸锌溶液吸收，碘滴定法；
（2）SO42-浓度分析：重量法；
（3）S2- 浓度分析：碘量法；
（4）pH值：pHS—2C型精密酸度计，玻璃电极法，GB6920-86；
（5）MLSS：重量法，GB11901-89；
（6）微生物形态：电子显微镜观察。
3、结果及分析
3.1 脱硫微生物的Na2S驯化结果
活性污泥菌剂采用Na2S的驯化结果如表2所示。分析水溶液中的Na2S浓度，驯化培养至第10天时，进水中Na2S浓度是22.3 mg/L，出水中其浓度是4.07 mg/L，Na2S去除率达到81.7%，出水的pH值为7.81。此时的生物膜已经具有了一定的脱硫能力，接下来可以用H2S气体进行直流驯化。
表2 驯化阶段Na2S浓度和pH值变化
Table 2 Changes of Na2S concentration and pH value in domestication phase
3.2 微生物的H2S直流驯化结果
H2S直流驯化期H2S浓度的变化
Figure2 Changes of H2S concentration in direct domestication phase
图2所示是采用H2S对污泥菌剂进行驯化时，进出口H2S浓度随时间的变化趋势。在通气初期，随着进口H2S浓度的提高，有少量H2S溢出，这表明微生物需要有一个适应过程。持续驯化4、5天，H2S的去除率逐渐提高(可达90%以上)，而且保持稳定，出水的pH值此时保持在6~7之间。
3.3 挂膜及驯化结果分析
污泥菌剂中含有比较复杂的微生物群体，因其各自不同的生理特性，所以能去除各种有机物。但是，对本项目来说，只考虑H2S的处理效果，所以需要的是大量能够氧化H2S的微生物，因而运行前需要进行对活性污泥菌剂进行培养和驯化。所谓培养是生长大量所需数量的微生物的过程；而驯化则是微生物的定向培养和纯化过程。本项目的培养过程即取用合适的微生物进行接种，然后投加适宜的营养使其不断繁衍增殖并提高其活性。
取一定量的活性污泥菌剂混合液，加入构成有机物碳架的碳源和构成含氮物质的氮源，以及含有磷、镁、钾、钠、硫，微量的铁、铜、锌、锰等元素的无机盐类作为营养源进行培养。营养物质对细菌起着如下两个方面的作用：一是在细菌进行新陈代谢过程中提供所需要的能量；二是能够合成为菌体的自身组成。
表3 驯化阶段Na2S浓度和pH值变化
Table 3 Changes of Na2S concentration and pH value in domestication phase
表3所示培养结果表明，在营养充分的条件下，活性污泥菌剂中的微生物的增殖速度很快。3天后，菌胶团的颜色由暗灰色变为棕褐色，微生物的活性显著增加，水质变好。
污泥菌剂培养结束后，进一步进行挂摸驯化工作。驯化是基于微生物遗传与变异的原理，细菌通过分裂而产生下一代，所生的子代与亲代之间，不论在形态构造方面和生理方面都十分相似，这就是遗传性的表现，但是又不完全相同，或多或少有些差异，这又是变异性的表现。
综上，驯化工作是让微生物获取一个适应性变异的过程，即改变微生物的生存条件，而使其逐渐适应变化后的环境。这包括两个方面，一是使不适应所处理对象的微生物逐渐被淘汰；二是使能适应环境的微生物得到发展和繁殖。项目所采用的方法就是改变环境条件，利用在喷淋水中投加Na2S和直接通入H2S气体的方法进行驯化。硫化物的存在一方面刺激了硫细菌的生长，另一方面淘汰了不能利用和处理硫化物的菌种。
3.4系统正式运行结果
H2S对微生物生长会产生一种抑制作用。在微生物填料塔的运行过程中，耐酸、耐硫的硫杆菌和硫磺菌虽然能以H2S为食料，但当H2S浓度较高时，也会对这些细菌产生抑制作用。在适宜的H2S浓度范围内，可达到生物脱硫的目的；若供给的H2S超过了微生物的分解能力，则处理效率会因微生物受抑制而降低。因此必须在不同条件下进行试验，研究微生物填料塔的脱臭性能，探讨生物脱臭工艺过程及主要影响因素。
本项目研究结果表明，在空间速度为100 h-1，流量为450 m3/h的条件下，系统稳定运行，其运行结果如表4所示。
4系统正式运行项目结果
Table 4 Experimental results of the system
表中：Cin：进气H2S浓度 , Cout：出气H2S浓度, L：生物滤池容积负荷,η：H2S去除率(%)
3.5影响硫化氢去除效率主要因素的研究
关于微生物氧化分解恶臭物质的生化反应的机制，现在还未能充分地了解。许多研究者通过项目研究来分析生物脱臭的影响因素，改进工艺条件，提高了除臭效率。根据国内外经验和我们的试验研究结果，发现影响微生物填料塔脱臭效率的因素很多，而通过影响微生物生长而影响去除效率的因素主要有pH值、温度、营养等；非微生物方面的因素有进气浓度，填料性能，循环水中SO42-浓度等。
1. pH值对脱臭效率的影响
在微生物填料塔的运行中，pH值是影响微生物生命活动的重要因素，因此也影响了生物脱硫效率。在本试验中，接种除臭菌种自己培养，同时接种的污泥菌剂是取自普通曝气池的活性污泥菌剂，其适宜的pH值是6.5~8.5。H2S被氧化成H2SO4，由于SO42-不断产生，使得溶液的pH值下降。在试验中没有加入药品调节pH值，观察了处理过程中自然形成的酸性条件下脱硫效率。由图3可知，运行至第7天时，循环液的pH值下降至2.1左右，微生物是在酸性条件下生长的。
图3 循环液中pH值变化图
Figure 3 Changes of pH value of recycling water
由表4中微生物在酸性条件下的脱臭效率可见，当微生物填料塔在负荷由4.91 gH2S/ m3.h增至78.66 gH2S/ m3.h左右时，循环水的pH值由7.1降到2.6左右，H2S的去除率保持在99%以上。这表明，普通的活性污泥菌剂中的菌种和脱臭菌剂经过培养、驯化后，已具有了去除H2S的能力。并且耐硫的硫杆菌最佳pH值为2.0~3.5，当pH值为1.0~1.5时仍可生长。在运行过程中，pH值下降，使得菌种进一步被筛选、驯化，生物膜中聚集了能在强酸性条件下顽强维持着生命活动的微生物群落。使微生物填料塔保持着良好的工作状况。以往处理H2S 的试验中也得到了类似的结论，所以pH值下降对滤池脱臭效率的影响不大。
对于组成较复杂的恶臭气体的处理过程，应进一步地探讨pH值对生物转化过程的影响。当处理其它恶臭气体时，有时需要控制pH在中性范围内，这时需投加NaOH等碱液，但这样不仅增加了费用，也提高了运行管理的复杂性。
本项目中，因为生物在酸性条件下对除硫效率仍很高，故不需要投加药剂。但应防止pH值过低腐蚀设备，以及影响H2S 由气相向液相转移的问题，这些都值得进行更加深入的研究。
2. 温度对除臭效率的影响
微生物的生长受温度的影响很大，在生物脱臭的研究中表明，一般在30℃~40℃左右时,微生物生长最佳，脱臭效率也很高。本项目受条件限制，运行期间在3至6月，此时温度在10~30℃范围内，波动范围较大。在3月份，进行微生物培养时，外界温度较低，采用在培养容器外加水浴装置进行人工控温，保证微生物的正常生长。4月份进行微生物驯化培养时，外界温度基本已达20℃以上，因此不再采取任何人工加温措施，驯化过程在自然温度下可以顺利进行。由于我们采取的微生物填料塔转化效率高，在本试验过程中，温度对脱臭效率影响不十分显著，但在实际应用中应加以考虑。如有文献记载，在从25℃到50℃温度范围内，温度对H2S去除效率影响很小，然而H2S去除效率在低温度范围内随着温度下降而快速下降。低温下微生物填料塔运行状况差，对冬天微生物填料塔的运行有一定影响。
3. 关于循环水中营养盐的投加问题
在循环水中投加营养盐，是微生物生长所必需。营养不足会影响生物膜的代谢功能引起处理效率降低。脱硫菌一般都是自养型的，能直接利用CO2合成有机物。但空气中CO2的含量较低，不能满足菌体大量繁殖的需要，所以本试验在循环水中投加一定营养盐（COD为200 mg/L左右），用以维持生物的生长，保证了微生物填料塔的正常运转。尤其是当H2S进气浓度高时，空气中的CO2明显不足，这时需要人为投加碳源。但是营养盐浓度不宜过高，因为营养过度，会与H2S 在微生物摄取食物的过程中产生竞争，导致了脱硫效率下降；同时营养过多，微生物生长速率高，生物膜内可能产生厌氧引起膜的脱落；而另一方面，投加盐量高，会增加循环水废弃液的处理费用。
营养盐的投加要根据气体性质，运行条件和填料等来确定。当营养盐过少时，应及时更换循环液。大规模处理过程中，如果循环水用生活污水替代，可以减少营养盐的投加量。
4. 进气浓度对脱硫效率的影响
由表4中的数据，可以得到在稳定运行状态下不同的H2S进气浓度与脱硫效率的关系，如图4所示。可以看出，在空间速度SV一定时（即Q一定），进气中H2S浓度（Cin）的改变会影响微生物填料塔的脱硫效率η。
进气浓度对去除率的影响
Figure5 Effects of H2S inlet load on its removal efficiency
由试验的结果可以看出，在一定的进气量下，系统的脱臭能力随进气浓度的提高而下降。随着进气浓度的提高，负荷增大，出气中H2S浓度将会升高。但是，随着装置运转时间的延长，微生物活性不断增强，系统的脱臭能力也不断提高。如图中所示，对于同一浓度的进气，由于提高气量而改变负荷，造成出气浓度降低的幅度在变小。这点在高浓度进气时，最为明显。如H2S浓度Cin在37~600 mg/m3范围内时，处理效率都在99％以上，而且比较稳定；当进气浓度在800 mg/m3以上时，去除效率明显降低，如：在进气浓度为1174 mg/m3时，去除效率仅为80.49％。因此得出最佳进气浓度范围为<600 mg/m3。
由图4的关系曲线，可以明显地看出，在高浓度范围内，Cin增大会严重地影响处理效率。当进气中H2S浓度达到一定程度时，导致去除率急剧下降，可能是供给微生物H2S的速率超出了微生物分解能力，即微生物的去除速率小于H2S的供给能力，导致去除率降低。
5. 填料性能对脱臭效率的影响
填料作为微生物的附着物，在整体处理系统中起着重要的作用。从理论上讲，它的总表面积越大，即生物可附着的面积越大，微生物的数量就越多，生物反应器的去除效率就越高。同时，填料还要有相当的空隙度，空隙度越高，在同体积的反应器中，当处理量一定时，实际停留时间越长，反应器的容积利用系数越高。另外，高空隙对防止滤池堵塞、防止产生短流均有好处。又有利于微生物的新陈代谢，气体与喷洒水量既能通畅流动，又能充分接触。因此，填料的粒径与强度均要适宜，即不能过大也不能过小。但是，空隙度太高，其处理效果要差一些。在不致大幅度影响处理效果时，对比表面积相当的载体，应选择采用空隙度较高的载体。
填料的性能关系到微生物的生长状况及压力损失，因此直接影响着微生物填料塔的效率及费用。一般要求填料应具备下列性质：
1）比表面积大，附着的生物量大；
2）抗压强度高，不易变形，耐酸耐腐蚀耐磨损，使用寿命长；
3）空隙率大，不易堵塞，压力损失小；
4）无有害成份，反应中若产生副产品，也会影响生物转化的过程；
5）含水率高、保水性好，易于生物生长；
6）价格便宜，易于购买。
在生物脱臭的过程中，填料的含水率是十分重要的因素。有关研究表明，当填料的含水率由20%上升到50%时，H2S的去除率由30%迅速升高到99%，所以填料的含水率易保持在50%左右。
本项目选用的软性填料，能够较好地满足这些条件。
6. 循环水中SO42-浓度对微生物填料塔除臭的影响
在微生物氧化H2S生成H2SO4的过程中，会使溶液中SO42-的浓度增加。而大量的SO42-存在，对微生物生长会产生抑制作用。而增加喷淋水量，可降低SO42-的浓度。
但在实际应用中，为节约费用，喷淋液是循环使用的，而且投加量也有一最佳值，随着生物脱硫的持续进行，循环液中SO42-浓度必然越来越高，因此对微生物生长的抑制作用增强，势必影响微生物填料塔脱硫效率。
在废水处理过程中，人们在考察无机盐对活性污泥菌剂生长的危害时发现，SO42-的极限容许浓度为5000 mg/L。由表4的测定结果可以看出，在本试验范围内，SO42-浓度在2000 mg/L之内，大大低于容许范围（5000 mg/L）。因此在生物脱臭中毒害作用比较低，对脱臭效率影响不大。由表4数据给制SO42-浓度变化曲线，如图5所示。
图5 循环水中SO42-浓度变化曲线
Figure6 Change of SO42- concentrations in recycling water
由图中可知，当液相中SO42-浓度很低时，对H2S 去除率影响甚微或无影响。但随着SO42-积累，浓度高时，H2S 去除率下降幅度增加，表明循环液中SO42-浓度高时，可能会抑制微生物的生长与代谢活动，从而影响脱硫效果，这时应更换或补充循环水。同时，在工业应用中，应考虑到防腐问题，因此，对废弃的喷淋液应加NaOH等碱液进行中和处理。
4、结论
通过本课题试验研究，从硫细菌的培养、挂膜、驯化到运行条件等多方面对硫化氢气体的好氧生物处理进行了初步的探讨，研究得到了如下几点结论：
1. 采用脱臭菌剂和来自普通曝气池的活性污泥菌剂接种、排泥法挂膜、低负荷条件下直通气流驯化获得成功。利用排泥法挂膜具有速度快、效果好的特点。生物膜培养驯化期短，培养出高选择性生物脱硫杆菌，并观察到菌体结构，脱硫效率达到95%，操作方便。
2. 本项目选用的弹性软性填料，价格低廉，在中低负荷条件下，性能优良，具有开发价值。在10~30℃自然条件下进行试验，获得了满意的效果。
3. 本系统能使H2S的去除率在进气H2S浓度小于600mg/L时达到99％以上，相应的去除负荷最高可以到达78.66g/m3/h。
4. 微生物填料塔运行中，将产生H2SO4，使容器的pH值下降、SO42-浓度增多，但通过试验观察到SO42-对滤池除臭效率影响比较小。滤池在强酸性条件下，能使H2S去除率保持在91%以上。而且不需要投加试剂来调节 pH 值，使操作系统管理方便。但在实际应用中，要考虑到恶臭气体中的其它组成在酸性条件下的转化效率，以及防腐问题，可适当加NaOH中和。
5. 应用微生物填料塔处理H2S系统具有较强的抗击冲击负荷的能力，在供气间断、浓度不稳定的条件下进行时，微生物填料塔具有较好的自我恢复与调节能力，两三天内能够恢复正常的处理性能。
生物法脱除含硫化氢气体研究报告