一种用于垃圾填埋场沼气脱硫的试点规模生物洗涤器的长期性能及运行因素

《Journal of Cleaner Production》：Long-term performance and operational factors of a pilot-scale bioscrubber for landfill biogas desulfurization

本研究采用1立方米级厌氧生物脱硫系统，以硝化 landfill leachate 为硝酸盐源，连续运行61周处理真实 landfill biogas，验证其长期性能与关键参数调控机制。系统平均硫化氢去除效率达85.2%，最佳工况（进负荷7.71 gS-H2S/m3h，pH 7.98，30.58°C）效率达97%。分析表明温度（<22°C效率下降）、pH（<7.5效率降低）和ORP控制对系统性能显著影响，微生物群落以 Thioalkalispira-Sulfurivermis 为主（相对丰度>18%），系统对运行扰动（如循环泵故障、气量波动）表现出较强适应性。研究为规模化应用提供了技术参数与优化方向。

　　在当今全球对可持续能源解决方案日益增长的需求背景下，垃圾填埋场产生的沼气作为一种可再生资源，具有巨大的潜力。然而，这种沼气的利用往往受到氢硫化物（H?S）这一有害且具有腐蚀性的成分的限制。为了应对这一挑战，研究者们探索了厌氧生物脱硫技术，利用硝化后的垃圾渗滤液作为可持续的硝酸盐来源，从而提供了一种成本效益高且符合循环经济理念的解决方案。本研究在实际条件下对一个1立方米的试点规模生物洗涤器进行了长达61周的测试，处理了264,812立方米的沼气，平均H?S去除效率（RE）达到了85.2±10.1%。在最佳操作条件下，即H?S进水负荷为7.71±0.16 gS-H?S/m3·h，pH值为7.98±0.07，温度为30.58±3.16°C时，系统实现了高达97±3%的去除效率。

研究中分析了多个关键操作参数对H?S去除效率的影响，包括氧化还原电位（ORP）、温度和pH值。ORP控制对硫的选择性有重要影响，但其稳定控制较为困难；温度对系统性能有显著影响，当反应器温度低于约22°C时，去除效率通常会下降；pH值的变化对去除效率有重大影响，随着pH值的降低，去除效率显著下降，当pH值低于7.5时，去除效率甚至降至60%以下。微生物分析揭示了动态的细菌群落，这些微生物能够适应操作条件的变化，其中Thioalkalispira-Sulfurivermis这一功能菌属在相对丰度超过18%的情况下成为主导。此外，系统表现出良好的抗干扰能力，例如在循环泵故障和沼气流量波动等情况下仍能快速恢复性能。

该研究提供了重要的实际应用见解，强调了生物脱硫系统在现实操作条件下的关键控制因素，为提高生物沼气净化技术的效率和可持续性奠定了基础。在实验过程中，研究人员对不同操作条件下的系统表现进行了深入分析，包括在不同pH值下的短期响应测试，以及模拟操作中断情况下的系统恢复能力评估。这些测试表明，系统在面对突发状况时具有较强的适应性和恢复能力，这对于工业应用至关重要。

通过微生物群落的动态分析，研究揭示了生物脱硫过程中微生物组成的演变过程。初始的接种物（E0）具有较高的多样性，而随着系统运行和适应垃圾填埋场沼气的条件，微生物群落逐渐转变为更具针对性的组成。在稳定操作条件下，Thioalkalispira–Sulfurivermis菌属占据主导地位，而pH值的变化则导致其相对丰度的显著下降，并促使Flavobacteriaceae家族的微生物成为新的优势菌群。这些微生物对pH值的适应性表明，尽管操作条件的变化会对微生物组成产生影响，但整个微生物群落仍展现出强大的恢复能力。

本研究还强调了温度和pH值对系统性能的显著影响。在温度低于22°C的情况下，H?S去除效率明显下降，而pH值维持在7.5至8.0之间则有助于实现较高的去除效率。尽管目标是生成元素硫，但实验结果表明，硫酸盐仍是主要的硫最终产物。这一现象可能与硝酸盐的可用性以及微生物群落对pH值变化的响应有关。

此外，系统在面对操作干扰时展现出良好的适应性和恢复能力。例如，在循环泵停止运行30分钟后，H?S浓度迅速上升，但在恢复循环后，系统性能迅速回到接近原始基准水平。同时，当沼气流量突然增加时，系统仍能维持较低的H?S浓度，表明其具有足够的处理能力。这些发现对于实际应用中可能出现的意外情况具有重要的指导意义。

本研究的结果表明，基于硝化渗滤液的厌氧生物洗涤器在长期运行中表现出稳定性和高效性，能够有效去除沼气中的H?S。同时，研究还揭示了操作条件对微生物群落和系统性能的动态影响，强调了在实际应用中对关键参数进行精确控制的重要性。未来的研究可以进一步探讨在脱氮过程中可能产生的氮氧化物（N?O/NOx）排放，这对于温室气体控制和清洁生产具有重要意义。总体而言，这项研究为垃圾填埋场沼气的可持续净化提供了坚实的科学基础和技术支持。