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外文翻譯 題目1：接種活性污泥的生物滴濾池處理氯苯的性能研究 題目2：采用活性炭顆粒作為生物濾池中的微生物載體處理硫化氫 外文翻譯之二 采用活性炭顆粒作為生物濾池中的微生物載體處理硫化氫 作者：段慧琪a，Lawrence C.C. Koea，顏容b，*，陳曉鴿b 國籍：新加坡 出處：a環(huán)境工程技術(shù)研究中心，土木與環(huán)境工程學(xué)院，南洋理工大學(xué)，N1座，南洋大道50號，新加坡639798，新加坡 b環(huán)境科學(xué)與工程研究所，南洋理工大學(xué)創(chuàng)新中心2座237室，南洋大道18號，新加坡637723，新加坡 *通訊作者：聯(lián)系電話：006567943244；傳真：006567921291； 電子郵件地址：ryan@ntu.edu.sg（R.Yan）。 摘要：生物處理是一種處理污水處理廠排放的廢氣的新興技術(shù)。在污水處理廠排放的廢氣中最常見的惡臭氣體是硫化氫（H2S），它具有非常低的氣味閾值。本研究使用生物活性炭作為填料，把細(xì)菌固定在填料上將活性炭吸附和H2S的生物降解作用相結(jié)合，從而達到生物過濾工藝性能的強化。生物膜主要通過將細(xì)菌培養(yǎng)在碳粒的礦物介質(zhì)中進行開發(fā)。掃描電子顯微鏡（SEM）用來觀察生物膜在活性炭上的形成。設(shè)置二個相同實驗規(guī)模的生物濾池，一個用生物活性炭（BAC）操作，而另一個用無固定化細(xì)菌的碳。不同H2S濃度（高達125ppmv ）實驗用以確定最佳性能。生物濾池實現(xiàn)了快速啟動(幾天)，就使硫化氫得到了去除的效果。容積負(fù)荷為1600m3m-3h-1（入口H2S濃度為87ppmv），BAC的去除速率是181gH2Sm-3h-1，去除效率（RE）達94％。如果入口濃度低于30ppmv ，在氣體停留時間（GRT）低至2s時，H2S的去除效率高達到99％，而該GRT值小于已有的報道。細(xì)菌群落證明，在廣泛的pH范圍內(nèi)（pH值為1-7），酸性生物濾池有去除H2S的能力。有實驗數(shù)據(jù)表明，在生物濾池中的BAC填料可以被重復(fù)使用?？傮w而言，結(jié)果表明， BAC可以作為硫化氫生物過濾的支持媒介。 關(guān)鍵詞：硫化氫；氧化硫硫酸桿菌；生物活性炭；生物濾池 1引言 生物處理過程是一種有前途的技術(shù),在有氣味的空氣污染控制方面也有廣泛應(yīng)用。選擇適當(dāng)?shù)奶盍蠈φ麄€生物反應(yīng)器系統(tǒng)的異味去除性能非常重要，一般認(rèn)為主要取決于填料的類型（羅，2001）。填料應(yīng)該有一個大的比表面積，好的空氣和水的滲透性，并能提供一個好的微生物生長環(huán)境（Elias等，2002年）。它對空氣和水的分布以及傳質(zhì)也起到了重要作用（楊等，2000）。到目前為止，已經(jīng)有例子系統(tǒng)地報道了有關(guān)填料的特性和生物反應(yīng)器的性能之間的關(guān)系（Higuchi等，2000）。 使用的新型填料包括任一天然材料（Cho等, 2000；Smet, 1996；楊和Allen ,1994）如土壤，堆肥，泥炭，木屑和火山石，或合成材料（Gabriel和Deshusses ,2003；Kinney等，1996；Koe等，2001 ；Sorial等，1998），例如陶瓷鞍座，聚乙烯鮑爾環(huán)，聚氨酯彈性乙烷泡沫，活性炭和擠壓的硅藻土顆粒。天然材料，如堆肥和木片，它們的比表面積較低，會導(dǎo)致容積反應(yīng)速率低（ Cho等人，2000）。天然材料通常要求大的占地面積，并且會因流程擴展使流量增加最終讓升級變得很困難。對于長期運作，隨著時間的推移，介質(zhì)沉降可能影響管道流通從而降低性能。有機介質(zhì)， 3-5年后也需要進行更換，而且他們很難再生（ Gabriel和Deshusses ，2003a）。另一方面，必須進行空氣加濕和提供營養(yǎng)。使用合成填料的優(yōu)點有很多，如水頭損失低是由于填料顆?；蛩槠g較大的間隙，有較大的比表面積和污染物的固相吸附（Martin等，2002）。 合成填料中，活性炭一直是物理吸附氣味的最廣泛使用的材料。然而，它的容量有限，成本高阻止了活性炭成為一個更廣泛的應(yīng)用。生物系統(tǒng)采用生物活性炭（BAC）在處理在水，廢水或空氣中的有機污染物方面已經(jīng)表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能（Ehrhardt和Rehm, 1985；李等, 2002a；劉和 Barkley, 1994）?；钚蕴康闹饕δ苁侵挝⑸锊⒆鳛樨?fù)載波動的緩沖器，因為生物膜可能會阻礙碳吸附。與傳統(tǒng)的生物系統(tǒng)比，增強的性能可能體現(xiàn)在較高的去除率上。微生物系統(tǒng)在較短的馴化期間，增加進水污染物濃度時，流出物中污染物濃度變低（Voice等，1992）。活性炭與其它材料（主要是堆肥）作為混合的過濾材料在某些生物濾池的應(yīng)用上表現(xiàn)十分成功（Abumaizar等，1998； Mohseni等，1998）。雖然一些使用BAC處理有機污染物的研究已有報道，但進一步采用碳作為填料進行細(xì)菌固定化的研究仍然需要，特別是BAC用于生物除臭過程的應(yīng)用。相比其它傳統(tǒng)介質(zhì)，BAC能提供更有效的氣味處理，但對于這個假設(shè)的支持?jǐn)?shù)據(jù)還是不夠的。 在本研究中，實驗室規(guī)模的圓柱形生物濾池系統(tǒng)建成以探究BAC的性能（例如，去除能力，去除率）。實驗對各種運行參數(shù)進行了研究，包括入口H2S濃度，氣體停留時間（GRT），氣體流量，以及沖洗系統(tǒng)的頻率等。針對潛在目標(biāo)再利用或生物再生，實驗對廢棄的活性炭（SAC；飽和H2S）也進行了研究。掃描電子顯微鏡（SEM）用來觀察生物膜在活性炭上的形成。 2材料和方法 2.1 活性污泥的馴化 在這項工作中使用馴化的活性污泥而非活性污泥本身。它是用一個正常的活化污泥在硫代硫酸鹽（TS）的培養(yǎng)基中馴化5天，并轉(zhuǎn)移到新鮮培養(yǎng)基中培養(yǎng)五天后制備得到。TS培養(yǎng)基的組成如下：Na2S2O2·5H2O，10gL-1；KH2PO4，1.5gL-1；K2HPO4，1.5gL-1；NH4Cl，0.4g；MgCl2·6H2O， 0.8gL-1； CaCl2·2H2O，0.05gL-1； 放線菌酮（抗真菌劑），0.05gL-1（pH=6.8±0.2）。硫化物氧化細(xì)菌從當(dāng)?shù)氐奈鬯幚韽S的二沉池的回流活性污泥中獲得。馴化時間為15天左右（2次轉(zhuǎn)換），細(xì)菌的種子準(zhǔn)備就緒，接種到活性炭床上。 2.2 生物濾池系統(tǒng) 設(shè)計和建構(gòu)實驗室規(guī)模的生物過濾系統(tǒng)。它包括平行雙立塔，可同時分別進行操作和控制（圖1）。填料（卡爾岡AP460）置于透明和硬質(zhì)的有機玻璃管中，其具有3.6cm的內(nèi)徑和30cm的高度。炭床填充于管內(nèi)到20cm的高度，填充容積為0.2L。填料支承在塑料篩板上，以確保入口氣體通過炭床均勻分布。在這項工作中，塔A和B是由炭床是否有被固定化的細(xì)菌進行區(qū)分。該組合物和各塔的物理性質(zhì)總結(jié)于表1中。 取樣口位于塔沿氣體采樣和壓力測量處。各個采樣口的確定是基于沿生物過濾塔入口，5，10，15cm和出口處的位置。在這項研究中，大多數(shù)的采樣是在出口進行的，除了幾個10cm點處的取樣端口被用于處理短的GRTS（在1s時）。加濕空氣流的制備是通過包含水（加濕室）的氣體洗瓶吹氣。此外，炭床一天澆水兩次，將炭床浸沒在培養(yǎng)基中10分鐘，然后釋放溶液。所需的入口H2S濃度通過調(diào)整氣體鋼瓶出口針閥處的H2S為5％（N2中平衡，林德氣體新加坡私人有限公司）得到。 使用最小單位為L·min-1的AALBORG（Orangeburg NY，USA）流量計控制和測量臭氣（含不同濃度的H2S）的流速，位于洗瓶的入口，從塔底向上吹氣。兩個額外的壓力端口分別安裝在塔頂和塔底，以便通過最小讀數(shù)為1毫米水柱的水壓計測量壓降。柱子用橡膠塞密封。橡膠塞在塔頂可移動，使得水和礦物源引入過濾材料，保持炭床上有足夠的水分和礦質(zhì)營養(yǎng)。所有的氣體管路為1/4英寸直徑的聚四氟乙烯管。該系統(tǒng)在約251℃的溫度下操作在所有的實驗中。 2.3固定化細(xì)菌 在這項研究中采用網(wǎng)上固定來啟動生物濾池，并如下程序：活性炭顆粒高壓滅菌并隨機塞到兩柱中。濃縮的微生物發(fā)酵液5mL加入到45mL的新鮮礦物介質(zhì)（液體中無Na2S2O3·5H2O）。然后，50mL細(xì)菌濃度為1.96×108cfu mL-1的細(xì)菌溶液從A塔頂部倒入淹沒炭床5mm水位之上。B塔中，用50mL蒸餾水來代替細(xì)菌溶液。在同一時間，用低濃度的H2S合成臭氣（約20-50ppmv）吹入兩填料塔內(nèi)。H2S的進料為細(xì)菌的生長提供能量。完成固定和馴化階段（在這項研究中約1周），該系統(tǒng)被部署為BAC的性能評估。操作條件列于表2。如先前報道（Yan等人，2002），在表2中，未接種的塔比接種塔的pH值低，這是因為H2S氣體通過活性炭被吸附。 2.4分析方法 ?使用以下的設(shè)備周期性測量取樣口的氣體濃度，各塔的壓降，和各塔中生物過濾系統(tǒng)的氣體流速。Tedlar袋被用來收集塔上各位置的氣體樣品。H2S濃度采用Jerome 631-X硫化氫分析儀（亞利桑那州儀器，美國）測定。每個氣體樣品應(yīng)立即進行分析，以避免H2S樣品變質(zhì)。為了消除Tedlar袋中殘留H2S的影響，所有樣品袋被分析后，立即用清潔空氣進行沖洗。每個樣品進行三次分析以保持一致性。氣體流速使用單位為L·min-1的AALBOR（Orangeburg NY，USA）流量計進行控制和測量。流動注射分析儀，離子色譜儀（FIA/集成電路，Lachat公司，QuickChem8000）用于硫酸鹽分析。掃描電鏡（立體掃描420，LEO，UK）被用來確定生物膜發(fā)展和BAC的孔隙率。BAC是通過在pH為4的TS培養(yǎng)基上利用平板計數(shù)法定期取樣進行微生物檢驗。將出現(xiàn)在TS培養(yǎng)基上的優(yōu)勢硫氧化菌進行分離，須鑒定16S rRNA基因部分序列。碳懸浮液的pH值，為有關(guān)碳表面的平均酸度/堿提供了有用的信息，以下列方式測定：約1g二氧化碳浸入50ml的超純水，在自動搖床上攪拌24小時以達到平衡。將樣品過濾，溶液的pH值用Horiba pH計F-21（Horiba Interna-tional Corporation）進行測定。結(jié)果被稱為簡化的“碳的pH值”。 3 結(jié)果與討論 3.1在啟動期間的性能 圖2中a和b顯示出了兩個生物過濾器最初21天的運行過程中的性能。在啟動階段的H2S去除性能的分析（GRT調(diào)至-21，圖2a）顯示，操作1天后去除效率（RE）開始增加，其中含BAC的A塔達到90％，含碳的B塔達到70％，約6天進入實驗運行階段。該BAC的pH值在4天操作后下降到2。RE的增長與pH值的下降相關(guān)，這是由于產(chǎn)生了H+和硫化氫氧化形成硫酸鹽。馴化歷時約6天，在這之后的剩余時間里H2S的RE居高不下。實驗運行期間，入口H2S濃度分別從10到125ppmv不等?；讷@得的數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為，使用BAC的生物濾池，6天的啟動時間已經(jīng)足夠（圖2）。如果BAC用于較大規(guī)模的生物濾池中，更長的啟動時間是必要的。 在圖2b中，雖然在21天的運行時間里入口濃度高度波動，但生物過濾系統(tǒng)強大到足以持續(xù)吸收和處理可變濃度為10-125ppmv的硫化氫。為了確認(rèn)碳表面上是否形成了合適的生物膜，BAC的樣品顆粒在運行第16天從介質(zhì)床中取出用于分析。樣品的表面特征通過SEM測定。如圖3所示，從SEM照片圖可以看出，在碳表面形成含有棒狀細(xì)菌的生物膜。優(yōu)勢硫氧化菌在這個系統(tǒng)被認(rèn)定為氧化硫硫酸桿菌的部分rRNA基因的部分序列。另一方面，塔B用蒸餾的水澆灌，細(xì)菌在蒸餾水中生長是不可能的。塔B的SEM照片中，沒有生物膜，只顯示化學(xué)晶體。 在啟動階段，將塔A和B中使用的活性炭顆粒浸泡在液體培養(yǎng)基中（無論是塔A中的細(xì)菌溶液或塔B中的水）一段時間。濕碳顆粒的含水量平均約56wt％。對生物膜來說，生物濾池中圍繞在介質(zhì)周圍的水層的存在會抑制來自氣相傳質(zhì)的污染物（Li等，2002），故塔A中的BAC生物濾池的平均去除率小于94％是毫不奇怪的。 3.2 長期性能 啟動21天之后，多余的培養(yǎng)液從生物濾池中排出，而下一個79天進行評估其長期性能。在此期間，生物濾池每天加水兩次，以保持系統(tǒng)的水分。生物過濾試驗長期性能報告如圖4所示，表現(xiàn)去除能力與負(fù)荷率的關(guān)系。污染物負(fù)荷率在生物濾池的設(shè)計中是一個重要變量。這項研究中，負(fù)荷率的變化是H2S入口濃度和流入氣體的流速變化的結(jié)果。當(dāng)負(fù)荷不到100gH2Sm-3h-1時，含BAC的生物濾池持續(xù)降解硫化氫的RE超過97％（圖4）。負(fù)荷在100gH2Sm-3h-1在以上， BAC的發(fā)生破裂。負(fù)荷超過150gH2Sm-3h-1，觀察到一個準(zhǔn)零次降解機制，RE逐漸減小。在GRT為2S時，BAC的去除能力可以達到100 gH2Sm-3h-1，堪比先前報道的在GRT為2s左右時的最大值（110gH2Sm-3h-1）（Gabriel和Deshusses，2003年b）。在容積負(fù)荷為1600m3m-3h-1（H2S入口濃度為87ppmv）時，BAC的最大去除能力（181gH2Sm-3h-1）RE為94％可以實現(xiàn)。 入口硫化氫濃度，GRT和H2S的去除效率之間的關(guān)系如圖5所示。硫化氫濃度從20變化到100ppmv，生物濾池的GRT從1s到6s。即使流入的H2S的濃度一直變化，在GRT為4s或以上時，BAC能夠有效地工作。進一步降低GRT（﹤4s），如預(yù)期般會導(dǎo)致H2S的去除率降低。即使如此，當(dāng)系統(tǒng)在GRT短至2s運行，入口H2S濃度高達30ppmv時能普遍達到RE為98％。相比其他生物濾池，即使在??較長的GRT去除低濃度硫化氫，其性能也是非常高的。對于大多數(shù)本地污水處理廠，污水廠氣流中的硫化氫濃度通常小于30ppmv。因此，生物濾池填充BAC應(yīng)該能夠更有效地工作，并且可以在GRT低至2s時有效地除去H2S。 3.3 BAC與非細(xì)菌性活性炭 運行34天之后，VAC的H2S去除能力（控制塔B）大幅下跌，而BAC的RE在大部分的時間內(nèi)可維持99％以上的高水平。然后在操作34天控制塔的基礎(chǔ)上，計算VAC的H2S去除能力，發(fā)現(xiàn)在這個控制塔內(nèi)VAC已去除的H2S約0.49wt％（濕重）。這個值接近于VAC的H2S穿透容量（0.44wt％，濕重為基準(zhǔn)）。與BAC去除H2S的能力相比較，結(jié)果表明，操作100天左右，BAC消除的H2S為20.08％（濕重），生物濾池仍然能夠除去額外的H2S。研究結(jié)果初步證明，BAC對脫除H2S的優(yōu)良性能，而且BAC可以延長活性炭的使用壽命。 3.4 性能影響因素 在這一系統(tǒng)中存在一些限制。首先，填料床中過量的硫酸和生物質(zhì)的積累是經(jīng)常遇到的問題。在生物濾池的操作中，在碳表面上觀察到白色沉積物，并且從床的底部到上部，該床的顏色逐漸從黑色變?yōu)榘l(fā)白的黃色。沉積速率似乎正比于H2S負(fù)載率。突然增加的硫化氫負(fù)載在很寬的濃度范圍內(nèi)，長時間在H2S高負(fù)荷率下操作引起白色的物質(zhì)迅速積累。床的這種變色是由床邊pH值急劇下降引起的。 極高的系統(tǒng)酸度有害于微生物生態(tài)位。在這項研究中，系統(tǒng)的pH低于1時，微生物生態(tài)位的活性細(xì)胞數(shù)目迅速下降。雖然低pH值不協(xié)助硫化氫吸附，但它提供了硫化物氧化的有利條件。對A.硫桿菌最適pH通常為1.0到1.5之間。 （Gabriel和Deshusses，2003b）。然而還需要進一步研究，以更好地了解低pH值對BAC生物濾池的影響。生物量和硫化物的生物氧化物，包括元素硫，硫酸鹽，TS等的積累可能會抑制系統(tǒng)的性能。生物量和元素硫最容易引起結(jié)垢，其他大多數(shù)的硫中間體是可溶的。污垢會堵塞碳表面孔隙和氣流的通路從而使生物濾池去除效率降低。 其次，床層容易變干，需要定期清洗，因為生物濾池填料中適當(dāng)?shù)暮浚瞧淞己眯阅艿牧硪粋€重要參數(shù)。過高的水分含量會抑制生物膜的氣相傳質(zhì)和碳表面的吸附。相反，變干的填料肯定會損害被固定在支撐填料表面（莫拉萊斯Morales等，2003）的微生物的健康成長?？刂扑中枰捞盍系母稍锸怯捎谌肟跉怏w溫度和相對濕度的改變，和污染物氧化代謝產(chǎn)熱引起的。 多余的生物量和氧化產(chǎn)物（如硫）的積累可以通過填料床水灌來定期清洗使其減少。這個沖洗還可以幫助保持填料床中的水分含量供生物膜健康發(fā)展。用50mL去離子（DI）水洗滌該系統(tǒng)10分鐘可除去約40％的碳床上積累的硫酸，但它只能增加pH值0.1-0.2個單位。Morales等（1998）報道，生物濾池系統(tǒng)啟動后活性炭可以成為攪渾的生物質(zhì)，與木屑和菇渣混合以修正活性炭。類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在我們的應(yīng)用假單胞菌等在BAC中處理甲苯的研究中（Koe和梁，2005）。然而，這種現(xiàn)象并沒有在這項研究中發(fā)現(xiàn)，可能由于選擇了合適的清洗頻率。減少結(jié)垢的另一個原因是在塔中去除H2S的生物量低。自養(yǎng)生物（A.硫桿菌）產(chǎn)生比異養(yǎng)生物（甲苯降解菌株）的生物量要少得多。 3.5使用SAC作為填料 用過的碳可以被重新使用，通過預(yù)先吸附在活性炭的硫化氫分子消耗微生物來生物再生固定化細(xì)菌。其中硫化氫排放二氧化碳的塔用來驗證這一假說。類似的細(xì)菌固定化程序是用于排放的二氧化碳，其次是生物濾池性能評估。其結(jié)果如圖6所示。SAC初始的 pH為2.5相比VAC的pH為7.96。在GRT為24s時，經(jīng)過6天（這是因為VAC用同一固定期）的初始固定化，GRT減少到12s，然后達到6s是由于增加生物濾池中通過的氣體流量。我們發(fā)現(xiàn)，由SAC作用產(chǎn)生的BAC和 VAC作用產(chǎn)生的差不多。在98％的去除效率時，H2S負(fù)荷可以高達125gH2Sm-3h-1。但是，GRT至少需要6s，才能實現(xiàn)了98％以上的去除效率。運行55天后來自SAC的BAC還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有窮盡。在填料床變干或發(fā)生堵塞時，生物濾池的RE周期性下降。結(jié)果表明，可以開發(fā)基于SAC的 BAC。這可能是在工業(yè)應(yīng)用中重復(fù)使用活性炭的潛在解決方案。 4結(jié)論 該實驗室規(guī)模的生物濾池的試驗性能表明，BAC顯示了比非細(xì)菌性活性碳作為氣味吸附劑更好的性能?；钚蕴渴沁m用于生物處理硫化氫的一個極好的微生物載體。在活性炭上的固定化微生物能夠延長活性炭的能力和壽命。最早期的非BAC生物過濾器的研究，有效地除去20-100ppmv 的H2S需要10-30s的GRT來實現(xiàn)，因此導(dǎo)致其去除能力為110gH2Sm-3h-1或更少。在這個生物濾池的研究中，6天的短暫固定時間，BAC可以實現(xiàn)更好的性能，以及特別是對于低濃度廢氣，去除能力高達181gH2Sm-3h-1是可以實現(xiàn)的，并且生物濾池高性能運行至少可以維持100天。優(yōu)勢細(xì)菌種群A.硫桿菌的鑒定由16S rRNA基因測序。此外，使用過的活性炭也可以用來作為生物反應(yīng)器填料。這可能成為在同行業(yè)中重復(fù)使用活性炭的一個潛在解決方案。 從上述結(jié)果可以看出，雖然兩者的硫化氫的吸附容量和活性炭的吸附速率均受到生物膜的形成的影響，但BAC由于蓄水能力好仍可提供有吸引力的，營養(yǎng)豐富的環(huán)境供細(xì)菌良好生長，并且它具有較大的比表面積和較好的H2S的吸附能力?；钚蕴课胶虷2S的生物膜降解的聯(lián)合作用使BAC生物濾池實現(xiàn)了比那些細(xì)菌性活性炭更好的性能。 參考文獻 [1]Abumaizar, R.J., Kocher, W., Smith, E.H., 1998. 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