硫化氢胁迫条件下甲硫醇废气生物净化的机理研究

Methanethiol(MT) is a kind of volatile sulphur compounds, with its very low odor threshold concentration and high toxicity. Efficient purification of MT becomes a popular issue in the treatment of waste gas. Hydrogen sulfide (H2S), the major coexist pollutant, could have negative effect on the biodegradation of MT. However, the mechanism of biodegradation of MT whith the negative effect presence is unclear, which lead to a lack of direction for the operation optimization of the bioreactor. The purpose of this project is to reveal the mechanism for biological purification of MT affected by H2S. The effect of H2S on the performance of the biotrickling filter treating MT is studied to determine the inhibition threshold of the H2S. And the kinetics for the biodegradation of MT in the biotrickling filter is established. To reveal the relation among operation condition, removal efficiency and microbial populations, variation in functional microorganism activity is analyzed and the microbial population dynamics are examined by molecular biological technologies. Furthermore, metabolic products of the biodegradation of MT and the characteristics of chemical reaction between MT and biologically produced sulphur particles are studied. On the basis of above investigation, the role of H2S in the biodegradation of MT will be revealed. The results of this research can provide valuable instructions on how to improve the treatment effect of MT in the bioreactor, and can lay sound foundation for efficiently purification of waste gas containing mixtures of volatile sulphur compounds.

作为一种具有高毒性与低嗅阈值的含硫气态污染物，甲硫醇的高效生物净化已成为当前的研究热点。然而，当甲硫醇废气中共存有大量H2S时，其生物净化效率较低。由于相应条件下的净化机理尚未明确，使得净化过程难以进行有效调控。本申请旨在揭示H2S胁迫条件下甲硫醇废气生物净化的机理，考察H2S对生物滴滤塔净化甲硫醇性能的影响并明确作用阈值，建立H2S胁迫条件下生物滴滤塔降解甲硫醇的动力学模型；结合分子生物学手段，研究受H2S胁迫时微生物活性的变化及微生物种群结构的演替规律，阐明运行条件、净化性能与微生物种群结构之间的关系；分析甲硫醇的代谢产物，并研究H2S生物氧化生成的单质硫与甲硫醇的反应规律，探讨该反应与甲硫醇生物降解之间的相互关系；在此基础上，解析H2S对甲硫醇生物降解的内在作用机制。研究结果可为提高H2S胁迫条件下甲硫醇的生物降解效率提供理论指导，为实现硫系混合恶臭废气的高效净化奠定基础。

以甲硫醇为代表的高毒性、低嗅阈值的挥发性有机硫化合物的去除是废气治理领域的一大难题。实际排放的工业废气中，往往还共存有大量H2S，进一步增加了处理难度。因此，本项目围绕甲硫醇废气的生物净化以及H2S对甲硫醇净化的影响规律及相关作用机理开展研究，以为实现硫系混合恶臭废气的高效生物净化提供相关理论和技术支持。. 通过筛选富集获得了一组能够有效降解MT的混合菌群，在30℃，pH 7.0的最适条件下，可实现MT的完全降解，混合菌群中优势菌属主要有Pseudomonas sp.、Thiobacillus sp.和Acinetobacter sp等。推测混合菌群降解MT的途径可能有如下两条：（1）MT在MT氧化酶作用下形成甲醛和H2S，随后氧化为SO42-；（2）MT依次转化为DMDS、DMS、DMSO和DMSO2，最后经甲基磺酸可生成SO42-。还选育获得一株能以丙硫醇为唯一碳源和能源生长的高效降解菌Pseudomonas putida S-1，发现该菌能将MT迅速转化为中间产物DMDS，但不能进一步降解DMDS。然而，当有丙硫醇共存时，菌株S-1能以丙硫醇为共代谢基质，实现中间产物DMDS的降解，而且体系中添加S2O32-可显著提高处理效果。实验结果表明S-1共代谢降解DMDS的降解酶是胞内酶。. 基于获得的MT降解混合菌群，研究了H2S对MT降解效率的影响，发现低浓度的H2S对MT的去除有促进作用，但高浓度的H2S会对MT的去除产生不利影响。H2S和甲硫醇共存时，底物降解过程符合Haldane动力学模型。与降解单一底物MT相比，发现共存有H2S时，中间产物中还有DMTS生成，说明有生物单质硫和MT的反应发生。H2S胁迫条件下，MT主要通过三个过程被转化去除：①微生物氧化作用；②H2S氧化生成的生物单质硫与其发生化学反应；③O2氧化作用，其中微生物氧化作用是MT去除的主要机制。. 利用获得的混合菌群强化启动的BTF在中性pH条件下可有效净化H2S和MT混合废气，但H2S浓度高于300mg/m3会使BTF对MT的去除率降低。BTF运行过程中有生物单质硫的积累。利用高通量测序技术对BTF中的微生物群落结构进行了分析，发现在H2S胁迫条件下，微生物种群中Thiobacillus sp.变为优势菌属，比例达到64.31%。