生物法降解能源氣中硅氧烷和硫化氫的基礎(chǔ)研究.pdf

1、生物法降解能源氣中硅氧烷和硫化氫的生物法降解能源氣中硅氧烷和硫化氫的基礎(chǔ)研究基礎(chǔ)研究FundamentalStudiesonSiloxanesHydrogenSulfideRemovalfromEnergyGasesUsingBiologicalProcess一級學(xué)科：化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科專業(yè)：化學(xué)工程研究生：李云輝指導(dǎo)教師：張衛(wèi)江教授天津大學(xué)化工學(xué)院二零一四年五月摘要能源氣（如天然氣和生物氣等）中含有的硅氧烷、H2S等雜質(zhì)是限制其開發(fā)利

2、用的主要因素。本文以好氧生物滴濾塔（BTF）降解模擬能源氣中八甲基環(huán)四硅氧烷（D4）和H2S的過程為研究體系，以16SrDNA、TEM、GCMS、HPLCMS、ATRFTIR、NDIR和SEMEDS分析等為核心測試手段，針對BTF降解D4和H2S過程中的參數(shù)調(diào)控、氣液傳遞和降解產(chǎn)物等方面展開研究。主要研究成果和結(jié)論如下：在活性污泥接種的BTF內(nèi)：當(dāng)循環(huán)營養(yǎng)液流速在1.1mh1~4.5mh1的范圍內(nèi)變化時，D4的降解效率（RE）基本不受流

3、速變化的影響；模擬能源氣空床停留時間（EBRT）的增大有助于RE的提高，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm3，EBRT為17.7min時，RE可達(dá)53%左右。GCMS的檢測結(jié)果表明，此時BTF降解D4的限速步驟為D4的氣液傳質(zhì)限制；RE隨填料高度變化的研究結(jié)果表明D4的降解主要發(fā)生在靠近BTF進(jìn)口的區(qū)域。為提高D4的氣液傳質(zhì)速率，我們在BTF內(nèi)分別引進(jìn)了陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和非離子型表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AE

4、O7）。結(jié)果表明，CTAB的加入會導(dǎo)致RE的下降，而AEO7的加入只能短暫提高D4的RE。從活性污泥接種的BTF內(nèi)，經(jīng)篩選純化得到了高效降解D4的菌株——銅綠假單胞菌S240；在菌株S240掛膜的BTF內(nèi)，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm3，EBRT為13.2min時，RE可達(dá)74%左右；S240能夠通過降解D4合成三種鼠李糖脂Rha?Rha?C10、Rha?Rha?C8?C8和Rha?C12:1?C10，鼠李糖脂能夠增強(qiáng)D4的氣液傳質(zhì)速率，

5、從而提高D4的RE；在S240接種的BTF內(nèi)，D4的主要產(chǎn)物為二甲基硅二醇、甲醇、硅酸和CO2，其中甲醇作為D4的代謝產(chǎn)物尚屬首次被發(fā)現(xiàn)。富含氧化亞鐵硫桿菌的BTF中，當(dāng)EBRT為88s，H2S進(jìn)口濃度為7500ppm左右時，H2S的RE在99%以上；當(dāng)H2S進(jìn)口濃度保持不變，不斷縮短EBRT時，氣液傳質(zhì)速率會成為降解H2S的限速步驟，而當(dāng)EBRT保持不變，不斷提高H2S進(jìn)口濃度時，微生物降解H2S的能力會成為限速步驟；當(dāng)BTF中沒有H

6、2S通入達(dá)48h后，生物滴濾塔內(nèi)會生成大量的黃鉀鐵礬，導(dǎo)致H2S的RE嚴(yán)重下降，而通過更換營養(yǎng)液可以抑制黃鉀鐵礬的生成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：能源氣；D4；H2S；生物滴濾塔；鼠李糖脂；黃鉀鐵礬）降解模擬能源氣中八甲基環(huán)四硅氧烷（D4）和H2S的過程為研究體系，以16SrDNA、TEM、GCMS、HPLCMS、ATRFTIR、NDIR和SEMEDS分析等為核心測試手段，針對BTF降解D4和H2S過程中的參數(shù)調(diào)控、氣液傳遞和降解產(chǎn)物等方面展開研

7、究。主要研究成果和結(jié)論如下：在活性污泥接種的BTF內(nèi)：當(dāng)循環(huán)營養(yǎng)液流速在1.1mh1~4.5mh1的范圍內(nèi)變化時，D4的降解效率（RE）基本不受流速變化的影響；模擬能源氣空床停留時間（EBRT）的增大有助于RE的提高，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm3，EBRT為17.7min時，RE可達(dá)53%左右。GCMS的檢測結(jié)果表明，此時BTF降解D4的限速步驟為D4的氣液傳質(zhì)限制；RE隨填料高度變化的研究結(jié)果表明D4的降解主要發(fā)生在靠近BTF進(jìn)口的區(qū)

8、域。為提高D4的氣液傳質(zhì)速率，我們在BTF內(nèi)分別引進(jìn)了陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和非離子型表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO7）。結(jié)果表明，CTAB的加入會導(dǎo)致RE的下降，而AEO7的加入只能短暫提高D4的RE。從活性污泥接種的BTF內(nèi)，經(jīng)篩選純化得到了高效降解D4的菌株——銅綠假單胞菌S240；在菌株S240掛膜的BTF內(nèi)，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm3，EBRT為13.2min時，RE可達(dá)74%左右；S240能

9、夠通過降解D4合成三種鼠李糖脂Rha?Rha?C10、Rha?Rha?C8?C8和Rha?C12:1?C10，鼠李糖脂能夠增強(qiáng)D4的氣液傳質(zhì)速率，從而提高D4的RE；在S240接種的BTF內(nèi)，D4的主要產(chǎn)物為二甲基硅二醇、甲醇、硅酸和CO2，其中甲醇作為D4的代謝產(chǎn)物尚屬首次被發(fā)現(xiàn)。富含氧化亞鐵硫桿菌的BTF中，當(dāng)EBRT為88s，H2S進(jìn)口濃度為7500ppm左右時，H2S的RE在99%以上；當(dāng)H2S進(jìn)口濃度保持不變，不斷縮短EBRT

10、時，氣液傳質(zhì)速率會成為降解H2S的限速步驟，而當(dāng)EBRT保持不變，不斷提高H2S進(jìn)口濃度時，微生物降解H2S的能力會成為限速步驟；當(dāng)BTF中沒有H2S通入達(dá)48h后，生物滴濾塔內(nèi)會生成大量的黃鉀鐵礬，導(dǎo)致H2S的RE嚴(yán)重下降，而通過更換營養(yǎng)液可以抑制黃鉀鐵礬的生成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：能源氣；D4；H2S；生物滴濾塔；鼠李糖脂；黃鉀鐵礬降解D4和H2S過程中的參數(shù)調(diào)控、氣液傳遞和降解產(chǎn)物等方面展開研究。主要研究成果和結(jié)論如下：在活性污泥接種

11、的BTF內(nèi)：當(dāng)循環(huán)營養(yǎng)液流速在1.1mh1~4.5mh1的范圍內(nèi)變化時，D4的降解效率（RE）基本不受流速變化的影響；模擬能源氣空床停留時間（EBRT）的增大有助于RE的提高，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm3，EBRT為17.7min時，RE可達(dá)53%左右。GCMS的檢測結(jié)果表明，此時BTF降解D4的限速步驟為D4的氣液傳質(zhì)限制；RE隨填料高度變化的研究結(jié)果表明D4的降解主要發(fā)生在靠近BTF進(jìn)口的區(qū)域。為提高D4的氣液傳質(zhì)速率，我們在BTF

12、內(nèi)分別引進(jìn)了陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和非離子型表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO7）。結(jié)果表明，CTAB的加入會導(dǎo)致RE的下降，而AEO7的加入只能短暫提高D4的RE。從活性污泥接種的BTF內(nèi)，經(jīng)篩選純化得到了高效降解D4的菌株——銅綠假單胞菌S240；在菌株S240掛膜的BTF內(nèi)，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm3，EBRT為13.2min時，RE可達(dá)74%左右；S240能夠通過降解D4合成三種鼠李糖脂Rha?Rh

13、a?C10、Rha?Rha?C8?C8和Rha?C12:1?C10，鼠李糖脂能夠增強(qiáng)D4的氣液傳質(zhì)速率，從而提高D4的RE；在S240接種的BTF內(nèi)，D4的主要產(chǎn)物為二甲基硅二醇、甲醇、硅酸和CO2，其中甲醇作為D4的代謝產(chǎn)物尚屬首次被發(fā)現(xiàn)。富含氧化亞鐵硫桿菌的BTF中，當(dāng)EBRT為88s，H2S進(jìn)口濃度為7500ppm左右時，H2S的RE在99%以上；當(dāng)H2S進(jìn)口濃度保持不變，不斷縮短EBRT時，氣液傳質(zhì)速率會成為降解H2S的限速步驟

14、，而當(dāng)EBRT保持不變，不斷提高H2S進(jìn)口濃度時，微生物降解H2S的能力會成為限速步驟；當(dāng)BTF中沒有H2S通入達(dá)48h后，生物滴濾塔內(nèi)會生成大量的黃鉀鐵礬，導(dǎo)致H2S的RE嚴(yán)重下降，而通過更換營養(yǎng)液可以抑制黃鉀鐵礬的生成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：能源氣；D4；H2S；生物滴濾塔；鼠李糖脂；黃鉀鐵礬內(nèi)：當(dāng)循環(huán)營養(yǎng)液流速在1.1mh1~4.5mh1的范圍內(nèi)變化時，D4的降解效率（RE）基本不受流速變化的影響；模擬能源氣空床停留時間（EBRT）的增

15、大有助于RE的提高，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm3，EBRT為17.7min時，RE可達(dá)53%左右。GCMS的檢測結(jié)果表明，此時BTF降解D4的限速步驟為D4的氣液傳質(zhì)限制；RE隨填料高度變化的研究結(jié)果表明D4的降解主要發(fā)生在靠近BTF進(jìn)口的區(qū)域。為提高D4的氣液傳質(zhì)速率，我們在BTF內(nèi)分別引進(jìn)了陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和非離子型表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO7）。結(jié)果表明，CTAB的加入會導(dǎo)致RE的下降，而

16、AEO7的加入只能短暫提高D4的RE。從活性污泥接種的BTF內(nèi)，經(jīng)篩選純化得到了高效降解D4的菌株——銅綠假單胞菌S240；在菌株S240掛膜的BTF內(nèi)，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm3，EBRT為13.2min時，RE可達(dá)74%左右；S240能夠通過降解D4合成三種鼠李糖脂Rha?Rha?C10、Rha?Rha?C8?C8和Rha?C12:1?C10，鼠李糖脂能夠增強(qiáng)D4的氣液傳質(zhì)速率，從而提高D4的RE；在S240接種的BTF內(nèi)，D4的

17、主要產(chǎn)物為二甲基硅二醇、甲醇、硅酸和CO2，其中甲醇作為D4的代謝產(chǎn)物尚屬首次被發(fā)現(xiàn)。富含氧化亞鐵硫桿菌的BTF中，當(dāng)EBRT為88s，H2S進(jìn)口濃度為7500ppm左右時，H2S的RE在99%以上；當(dāng)H2S進(jìn)口濃度保持不變，不斷縮短EBRT時，氣液傳質(zhì)速率會成為降解H2S的限速步驟，而當(dāng)EBRT保持不變，不斷提高H2S進(jìn)口濃度時，微生物降解H2S的能力會成為限速步驟；當(dāng)BTF中沒有H2S通入達(dá)48h后，生物滴濾塔內(nèi)會生成大量的黃鉀鐵礬

18、，導(dǎo)致H2S的RE嚴(yán)重下降，而通過更換營養(yǎng)液可以抑制黃鉀鐵礬的生成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：能源氣；D4；H2S；生物滴濾塔；鼠李糖脂；黃鉀鐵礬降解D4的限速步驟為D4的氣液傳質(zhì)限制；RE隨填料高度變化的研究結(jié)果表明D4的降解主要發(fā)生在靠近BTF進(jìn)口的區(qū)域。為提高D4的氣液傳質(zhì)速率，我們在BTF內(nèi)分別引進(jìn)了陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和非離子型表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO7）。結(jié)果表明，CTAB的加入會導(dǎo)致RE的下降

19、，而AEO7的加入只能短暫提高D4的RE。從活性污泥接種的BTF內(nèi)，經(jīng)篩選純化得到了高效降解D4的菌株——銅綠假單胞菌S240；在菌株S240掛膜的BTF內(nèi)，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm3，EBRT為13.2min時，RE可達(dá)74%左右；S240能夠通過降解D4合成三種鼠李糖脂Rha?Rha?C10、Rha?Rha?C8?C8和Rha?C12:1?C10，鼠李糖脂能夠增強(qiáng)D4的氣液傳質(zhì)速率，從而提高D4的RE；在S240接種的BTF內(nèi)，D

20、4的主要產(chǎn)物為二甲基硅二醇、甲醇、硅酸和CO2，其中甲醇作為D4的代謝產(chǎn)物尚屬首次被發(fā)現(xiàn)。富含氧化亞鐵硫桿菌的BTF中，當(dāng)EBRT為88s，H2S進(jìn)口濃度為7500ppm左右時，H2S的RE在99%以上；當(dāng)H2S進(jìn)口濃度保持不變，不斷縮短EBRT時，氣液傳質(zhì)速率會成為降解H2S的限速步驟，而當(dāng)EBRT保持不變，不斷提高H2S進(jìn)口濃度時，微生物降解H2S的能力會成為限速步驟；當(dāng)BTF中沒有H2S通入達(dá)48h后，生物滴濾塔內(nèi)會生成大量的黃鉀

21、鐵礬，導(dǎo)致H2S的RE嚴(yán)重下降，而通過更換營養(yǎng)液可以抑制黃鉀鐵礬的生成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：能源氣；D4；H2S；生物滴濾塔；鼠李糖脂；黃鉀鐵礬進(jìn)口的區(qū)域。為提高D4的氣液傳質(zhì)速率，我們在BTF內(nèi)分別引進(jìn)了陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和非離子型表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO7）。結(jié)果表明，CTAB的加入會導(dǎo)致RE的下降，而AEO7的加入只能短暫提高D4的RE。從活性污泥接種的BTF內(nèi)，經(jīng)篩選純化得到了高效降解D4的

22、菌株——銅綠假單胞菌S240；在菌株S240掛膜的BTF內(nèi)，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm3，EBRT為13.2min時，RE可達(dá)74%左右；S240能夠通過降解D4合成三種鼠李糖脂Rha?Rha?C10、Rha?Rha?C8?C8和Rha?C12:1?C10，鼠李糖脂能夠增強(qiáng)D4的氣液傳質(zhì)速率，從而提高D4的RE；在S240接種的BTF內(nèi)，D4的主要產(chǎn)物為二甲基硅二醇、甲醇、硅酸和CO2，其中甲醇作為D4的代謝產(chǎn)物尚屬首次被發(fā)現(xiàn)。富含氧化

23、亞鐵硫桿菌的BTF中，當(dāng)EBRT為88s，H2S進(jìn)口濃度為7500ppm左右時，H2S的RE在99%以上；當(dāng)H2S進(jìn)口濃度保持不變，不斷縮短EBRT時，氣液傳質(zhì)速率會成為降解H2S的限速步驟，而當(dāng)EBRT保持不變，不斷提高H2S進(jìn)口濃度時，微生物降解H2S的能力會成為限速步驟；當(dāng)BTF中沒有H2S通入達(dá)48h后，生物滴濾塔內(nèi)會生成大量的黃鉀鐵礬，導(dǎo)致H2S的RE嚴(yán)重下降，而通過更換營養(yǎng)液可以抑制黃鉀鐵礬的生成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：能源氣；D

24、4；H2S；生物滴濾塔；鼠李糖脂；黃鉀鐵礬內(nèi)分別引進(jìn)了陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和非離子型表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO7）。結(jié)果表明，CTAB的加入會導(dǎo)致RE的下降，而AEO7的加入只能短暫提高D4的RE。從活性污泥接種的BTF內(nèi)，經(jīng)篩選純化得到了高效降解D4的菌株——銅綠假單胞菌S240；在菌株S240掛膜的BTF內(nèi)，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm3，EBRT為13.2min時，RE可達(dá)74%左右；S240能

25、夠通過降解D4合成三種鼠李糖脂Rha?Rha?C10、Rha?Rha?C8?C8和Rha?C12:1?C10，鼠李糖脂能夠增強(qiáng)D4的氣液傳質(zhì)速率，從而提高D4的RE；在S240接種的BTF內(nèi)，D4的主要產(chǎn)物為二甲基硅二醇、甲醇、硅酸和CO2，其中甲醇作為D4的代謝產(chǎn)物尚屬首次被發(fā)現(xiàn)。富含氧化亞鐵硫桿菌的BTF中，當(dāng)EBRT為88s，H2S進(jìn)口濃度為7500ppm左右時，H2S的RE在99%以上；當(dāng)H2S進(jìn)口濃度保持不變，不斷縮短EBRT

26、時，氣液傳質(zhì)速率會成為降解H2S的限速步驟，而當(dāng)EBRT保持不變，不斷提高H2S進(jìn)口濃度時，微生物降解H2S的能力會成為限速步驟；當(dāng)BTF中沒有H2S通入達(dá)48h后，生物滴濾塔內(nèi)會生成大量的黃鉀鐵礬，導(dǎo)致H2S的RE嚴(yán)重下降，而通過更換營養(yǎng)液可以抑制黃鉀鐵礬的生成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：能源氣；D4；H2S；生物滴濾塔；鼠李糖脂；黃鉀鐵礬內(nèi)，經(jīng)篩選純化得到了高效降解D4的菌株——銅綠假單胞菌S240；在菌株S240掛膜的BTF內(nèi)，當(dāng)D4進(jìn)口濃

27、度為50mgm3，EBRT為13.2min時，RE可達(dá)74%左右；S240能夠通過降解D4合成三種鼠李糖脂Rha?Rha?C10、Rha?Rha?C8?C8和Rha?C12:1?C10，鼠李糖脂能夠增強(qiáng)D4的氣液傳質(zhì)速率，從而提高D4的RE；在S240接種的BTF內(nèi)，D4的主要產(chǎn)物為二甲基硅二醇、甲醇、硅酸和CO2，其中甲醇作為D4的代謝產(chǎn)物尚屬首次被發(fā)現(xiàn)。富含氧化亞鐵硫桿菌的BTF中，當(dāng)EBRT為88s，H2S進(jìn)口濃度為7500ppm

28、左右時，H2S的RE在99%以上；當(dāng)H2S進(jìn)口濃度保持不變，不斷縮短EBRT時，氣液傳質(zhì)速率會成為降解H2S的限速步驟，而當(dāng)EBRT保持不變，不斷提高H2S進(jìn)口濃度時，微生物降解H2S的能力會成為限速步驟；當(dāng)BTF中沒有H2S通入達(dá)48h后，生物滴濾塔內(nèi)會生成大量的黃鉀鐵礬，導(dǎo)致H2S的RE嚴(yán)重下降，而通過更換營養(yǎng)液可以抑制黃鉀鐵礬的生成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：能源氣；D4；H2S；生物滴濾塔；鼠李糖脂；黃鉀鐵礬內(nèi)，當(dāng)D4進(jìn)口濃度為50mgm

29、3，EBRT為13.2min時，RE可達(dá)74%左右；S240能夠通過降解D4合成三種鼠李糖脂Rha?Rha?C10、Rha?Rha?C8?C8和Rha?C12:1?C10，鼠李糖脂能夠增強(qiáng)D4的氣液傳質(zhì)速率，從而提高D4的RE；在S240接種的BTF內(nèi)，D4的主要產(chǎn)物為二甲基硅二醇、甲醇、硅酸和CO2，其中甲醇作為D4的代謝產(chǎn)物尚屬首次被發(fā)現(xiàn)。富含氧化亞鐵硫桿菌的BTF中，當(dāng)EBRT為88s，H2S進(jìn)口濃度為7500ppm左右時，H2S

30、的RE在99%以上；當(dāng)H2S進(jìn)口濃度保持不變，不斷縮短EBRT時，氣液傳質(zhì)速率會成為降解H2S的限速步驟，而當(dāng)EBRT保持不變，不斷提高H2S進(jìn)口濃度時，微生物降解H2S的能力會成為限速步驟；當(dāng)BTF中沒有H2S通入達(dá)48h后，生物滴濾塔內(nèi)會生成大量的黃鉀鐵礬，導(dǎo)致H2S的RE嚴(yán)重下降，而通過更換營養(yǎng)液可以抑制黃鉀鐵礬的生成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：能源氣；D4；H2S；生物滴濾塔；鼠李糖脂；黃鉀鐵礬內(nèi)，D4的主要產(chǎn)物為二甲基硅二醇、甲醇、硅酸

31、和CO2，其中甲醇作為D4的代謝產(chǎn)物尚屬首次被發(fā)現(xiàn)。富含氧化亞鐵硫桿菌的BTF中，當(dāng)EBRT為88s，H2S進(jìn)口濃度為7500ppm左右時，H2S的RE在99%以上；當(dāng)H2S進(jìn)口濃度保持不變，不斷縮短EBRT時，氣液傳質(zhì)速率會成為降解H2S的限速步驟，而當(dāng)EBRT保持不變，不斷提高H2S進(jìn)口濃度時，微生物降解H2S的能力會成為限速步驟；當(dāng)BTF中沒有H2S通入達(dá)48h后，生物滴濾塔內(nèi)會生成大量的黃鉀鐵礬，導(dǎo)致H2S的RE嚴(yán)重下降，而通過

32、更換營養(yǎng)液可以抑制黃鉀鐵礬的生成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：能源氣；D4；H2S；生物滴濾塔；鼠李糖脂；黃鉀鐵礬中，當(dāng)EBRT為88s，H2S進(jìn)口濃度為7500ppm左右時，H2S的RE在99%以上；當(dāng)H2S進(jìn)口濃度保持不變，不斷縮短EBRT時，氣液傳質(zhì)速率會成為降解H2S的限速步驟，而當(dāng)EBRT保持不變，不斷提高H2S進(jìn)口濃度時，微生物降解H2S的能力會成為限速步驟；當(dāng)BTF中沒有H2S通入達(dá)48h后，生物滴濾塔內(nèi)會生成大量的黃鉀鐵礬，導(dǎo)致H2