微生物法脱除工业烟气二氧化硫的研究

论文摘要

根据硫酸盐还原菌和无色硫细菌的硫代谢特点,设计出烟气微生物脱硫工艺。本工艺脱硫原理:SO2烟气先经碱液吸收后转变为SO32-,SO32-吸收液被硫酸盐还原菌还原为S2-,S2-消化液再经硫氧化菌氧化为元素硫。微生物脱硫系统由SO2吸收器、厌氧硫酸盐还原磁性稳态流化床反应器（anMSFB）、好氧产硫磁性稳态流化床反应器（aMSFB）、硫沉降池组成。微生物脱硫工艺既节约了能源,而且具有成本低、无煤流失、工艺简单、占地小、无二次污染等优点。采用种子溶胀法合成出磁性多孔珠（MPB）。电镜分析表明MPB表面粗糙、孔洞密集、粒径均匀、呈单分散性;压汞仪和孔径仪测定表明MPB具有大的比表面积,孔径介于细菌大小范围内;电子顺磁共振仪和振荡样本磁力计研究表明MPB是铁磁性的。通入模拟烟气进行了系统的启动运行,通过显微、扫描电镜等方法研究了生物膜的形成过程,提出了生物膜形成机制。启动结束后进入负荷运行,考察了气液比、pH对SO2吸收的影响,研究了烟气进气负荷、液体上升流速、溶解氧对系统SO2脱除率、硫产率的影响;由于磁力稳定作用,系统可以在9.6 L/h的高流速下运行,单质硫产量可达51.7g/d, SO2去除率达95%。采用TGGE-PCR技术分离了系统运行不同阶段生物膜菌群的16S rDNA,通过克隆技术建立了生物膜菌群的16S rDNA文库,揭示了生物膜菌群的组成,TGGE指纹图谱分析了生物膜菌群的多样性。从来源于anMSFB的分离菌中纯化出APS还原酶。SDS-PAGE表明APS还原酶由分子量为51和44 kDa两个亚基构成的αβ异二聚体;辅因子分析表明APS还原酶含有1 FAD、8 Fe和8S;对FAD的表观Km:有激活剂VK3时等于0.01mM,无VK3时为0.11 mM。从来源于aMSFB的分离菌中纯化出硫化氢脱氢酶。光谱分析表明该酶含有1分子的血红素c和1 FAD; SDS-PAGE表明该酶由42.6和51.3 kDa双亚基构成,血红素c共价结合在小亚基上,该酶属于氧还蛋白家族,其最适pH为8.6,最大反应速度为5.0μmol细胞色素c/ mg蛋白·min,对硫化物和细胞色素c的Km值分别是6.1μM和2.5μM。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 烟气污染现状及危害
• 1.2 烟气脱硫技术简介
• 1.3 微生物法脱硫的研究现状
• 1.4 烟气脱硫微生物的筛选
• 1.4.1 硫酸盐还原菌
• 1.4.2 无色硫细菌
• 1.5 微生物烟气脱硫机理
• 1.5.1 微生物氧化和过渡金属离子的催化氧化机理
• 1.5.2 硫酸盐还原菌和硫氧化菌协同作用机理
• 1.6 影响无色硫细菌脱硫的因素
• 1.6.1 溶解氧与硫化物负荷
• 1.6.2 反应器及填料
• 1.6.3 pH值
• 1.6.4 化学氧化
• 1.6.5 有机物
• 1.7 流化床（AFB）
• 1.8 磁性稳态流化床（MSFB）
• 1.9 磁性多孔载体的制备
• 1.9.1 多孔聚苯乙烯微球的制备方法
• 1.9.2 磁性聚苯乙烯微球的制备方法
• 1.9.3 磁性多孔珠的制备
• 1.10 生物流化床中生物膜形成机理及特性
• 1.10.1 生物膜形成机理
• 1.10.2 生物膜的结构及对有机物的降解
• 1.10.3 生物膜的特性参数及对有机物降解性能的影响
• 1.10.3.1 生物膜的特性参数
• 1.10.3.2 挥发性生物膜量（活性生物膜）
• 1.10.3.3 生物膜厚度
• 1.10.3.4 脱氢酶活性
• 1.10.3.5 生物膜耗氧率
• 1.10.3.6 生物膜总蛋白质
• 1.10.3.7 生物膜多聚糖
• 1.10.4 生物膜内微生物种群分布状况
• 1.10.4.1 生物膜中微生物种群分布特征及研究进展
• 1.10.5 生物膜中菌群的演替过程
• 1.10.6 生物膜特性的影响因素及其强化途径
• 1.11 生物脱硫反应器微生态分析
• 1.12 酶催基础理论研究
• 1.12.1 硫还原酶类研究进展
• 1.12.2 硫氧化酶研究进展
• 第二章 课题的提出及研究内容
• 2.1 课题的提出及意义
• 2.2 研究方案
• 2.3 研究内容
• 2.3.1 种子聚苯乙烯磁性微球的制备
• 2.3.2 种子溶胀法制备磁性多孔珠的研究
• 2.3.3 MSFB的设计及运行参数研究
• 2.3.4 微生物脱硫系统的启动运行研究
• 2.3.5 微生物脱硫系统的稳定负荷运行研究
• 2.3.6 anMSFB和aMSFB生物膜微生态研究
• 2.3.7 anMSFB 和 aMSFB 中分离菌酶学研究
• 2.3.8 aMSFB中分离菌酶学研究
• 第三章 实验部分
• 3.1 仪器与试剂
• 3.1.1 主要仪器和设备
• 3.1.2 原料与试剂
• 3.2 磁性多孔珠的制备和表征
• 3.2.1 磁性种子粒子的制备
• 3O₄/Poly（St-AA）核-壳复合微球'>3.2.2 乳液共聚法制备Fe₃O₄/Poly（St-AA）核-壳复合微球
• 3O₄/Poly（St-MA）多孔微球（MPB）'>3.2.3 种子溶胀法制备Fe₃O₄/Poly（St-MA）多孔微球（MPB）
• 3.2.4 MPB的形态和结构
• 3.2.5 MPB的物理性状
• 3.2.6 MPB的磁学性质
• 3.3 烟气微生物脱硫系统的运行
• 3.3.1 烟气脱硫微生物的驯化和富集
• 3.3.1.1 硫酸盐还原菌（SRB）的驯化和富集
• 3.3.1.2 无色硫细菌的驯化和富集
• 3.3.2 滴滤床设备和运行
• 3.3.3 anMSFB的启动运行
• 3.3.4 aMSFB的启动
• 3.3.5 生物脱硫系统的负荷运行
• 3.3.6 分析方法
• 3.3.7 磁性载体上生物量的测定
• 3.4 anMSFB和aMSFB反应器微生态分析
• 3.4.1 样品的制备
• 3.4.2 基因组DNA的提取
• 3.4.3 基因组DNA的PCR扩增
• 3.4.4 PCR 反应产物的变性梯度凝胶电泳
• 3.4.5 变性梯度凝胶电泳（TGGE）胶DNA条带分析
• 3.4.6 TGGE条带的回收、扩增和纯化
• 3.4.7 TGGE条带的克隆、转化及重组子的筛选和鉴定
• 3.4.7.1 克隆载体
• 3.4.7.2 连接反应
• 3.4.7.3 连接产物转化JM109 大肠杆菌
• 3.4.7.4 重组质粒的筛选
• 3区DNA的序列测定'>3.4.8 TGGE条带V₃区DNA的序列测定
• 3.4.9 TGGE条带的序列测定和同源性比较
• 3.5 anMSFB分离菌硫酸盐还原关键酶的纯化和性质
• 3.5.1 anMSFB分离菌的纯化
• 3.5.2 分离菌无细胞提取物的制备
• 3.5.3 APS还原酶的纯化
• 3.5.4 酶活力分析
• 3.5.5 APS还原酶催化的电子载体的氧化
• 3的氧化'>3.5.6 核黄素参于的APS还原酶对铁细胞色素c₃的氧化
• 3.5.7 蛋白质电泳
• 3.5.8 UV/可见光谱分析
• 3.5.9 anMSFB无细胞提取物对氢的利用实验
• 3的反应计量关系实验'>3.5.10 APS与细胞色素c₃的反应计量关系实验
• 3.5.11 核苷酸类辅酶和亚硫酸钠对APS还原酶的影响
• 3.6 aMSFB分离菌硫氧化关键酶的纯化和性质
• 3.6.1 微生物和培养
• 3.6.2 硫化物脱氢酶的纯化
• 3.6.3 酶活力分析
• 3.6.4 底物专一性和电子受体
• 3.6.5 抑制剂
• 3.6.6 蛋白质电泳
• 3.6.7 UV/可见光谱分析
• 3.6.8 分析方法
• 第四章 磁性多孔珠的制备和性质表征
• 4.1 磁性胶体种子粒子
• 4.2 单分散磁性种子微球的形态和结构
• 3O₄/Poly（St-MA）多孔珠（MPB）'>4.3 Fe₃O₄/Poly（St-MA）多孔珠（MPB）
• 4.3.1 MPB的形态和结构
• 4.3.2 MPB的粒径
• 4.3.3 MPB的磁响应性
• 4.3.4 MPB的表面酐基
• 4.3.5 MPB的物理性状
• 4.3.6 MPB的磁学性质
• 4.4 本章小结
• 2生物脱硫系统的运行'>第五章 烟气SO₂生物脱硫系统的运行
• 5.1 磁性稳态生物脱硫反应器（MSFB）工艺参数的确定
• 5.1.1 磁性多孔珠的选择
• 5.1.2 MSFB运行参数的确定
• 5.2 微生物脱硫系统的启动过程
• 5.3 生物脱硫系统的生物膜组成和性质
• 5.3.1 生物脱硫系统的生物膜组成
• 5.3.2 生物脱硫系统的生物膜特性
• 5.3.3 生物脱硫系统的生物膜形成机制
• 5.4 烟气微生物脱硫系统的负荷运行
• 2的吸收运行'>5.4.1 滴滤床对SO₂的吸收运行
• 2的吸收影响'>5.4.1.1 pH对SO₂的吸收影响
• 2的吸收影响'>5.4.1.2 气液比对SO₂的吸收影响
• 5.4.2 anMSFB的负荷运行
• 5.4.2.1 anMSFB中SRB对COD的降解
• 2-生成的影响'>5.4.2.2 烟气进气浓度对anMSFB中S^2-生成的影响
• 2-生成的影响'>5.4.2.3 COD/S对anMSFB S^2-生成的影响
• 5.4.3 aMSFB的负荷运行
• 5.4.3.1 不同进气浓度对aMSFB运行的影响
• 5.4.3.2 不同DO对aMSFB产硫的影响
• 5.4.3.3 液体流速对系统硫产量的影响
• 5.4.4 硫的回收
• 5.4.4.1 系统产硫率
• 5.4.4.2 回收硫的形状和性质
• 5.5 本章小结
• 第六章 系统中anMSFB和aMSFB的微生物群落分析
• 6.1 anMSFB和aMSFB中磁性固定化细菌的总DNA提取结果
• 6.2 总DNA的16S rDNA片断扩增结果
• 6.3 anMSFB和aMSFB磁性固定化细菌群落分析
• 6.3.1 TGGE图谱分析
• 6.3.2 条带变化分析
• 6.3.3 样品相似性分析
• 6.3.4 多样性指数分析
• 6.3.5 部分优势菌群的16S rDNA片段测序结果及入库比对
• 6.4 本章小结
• 第七章 anMSFB中硫酸盐还原代谢途径关键酶的研究
• 7.1 APS还原酶的纯化
• 7.2 APS还原酶的纯度鉴定及理化性质
• 7.2.1 APS还原酶的纯度鉴定及分子量
• 7.2.2 APS还原酶的紫外-可见光吸收特性
• 7.2.3 anMSFB无细胞提取物对氢的利用
• 7.2.4 APS 还原酶催化的还原性电子载体的氧化
• 7.2.5 APS还原酶的动力学
• 7.2.6 APS浓度对APS还原酶还原速率的影响
• 3之间的反应计量关系'>7.2.7 底物APS和ferro-c₃之间的反应计量关系
• 7.2.8 核苷酸辅酶和亚硫酸根对APS还原酶的影响
• 7.3 本章小结
• 第八章 aMSFB中硫氧化代谢途径关键酶的研究
• 8.1 硫化物脱氢酶的纯化
• 8.2 硫化物脱氢酶的纯度鉴定及分子量性质
• 8.3 硫化物脱氢酶的光谱性质
• 8.4 硫化物脱氢酶的最适pH和最适温度
• 8.4.1 最适pH
• 8.4.2 最适温度
• 8.5 动力学性质
• 8.6 底物专一性
• 8.7 抑制剂对黄素细胞色素c硫化物脱氢酶的影响
• 8.8 电子转移的化学计量学
• 8.9 aMSFB中硫化物醌还原酶（SQR）活性
• 8.10 本章小结
• 第九章 主要结论与创新
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 附录
• 致谢