Removal of H2S in an extremely acidic-biotrickling filter: Evaluation of removal performance and characterization of microbial communities

極酸性生物滴濾器中H2S 的去除：去除性能評估和微生物群落表征

來源：Journal of Environmental Chemical Engineering 10 (2022) 108504

 

摘要核心內容

 

研究構建了一種極端酸性（pH<1）生物滴濾塔（BTF），用于高效去除H?S并回收單質硫（S?）和硫酸鹽。關鍵發現：

 

去除性能：當空床停留時間（EBRT）從180秒降至60秒時，H?S去除率（RE）從100%降至95.4%，但消除能力（EC）從18.0提升至51.5 g H?S·m?3·h?1。

產物分布：EBRT縮短導致脫硫產物中SO?2?-S占比從74.83%降至38.71%，而S?-S占比從16.04%增至53.30%。

微生物群落：優勢菌屬為Acidithiobacillus、Thiobacillus、Sulfuricurvum和Sulfobacillus（總豐度>68%），主導極端酸性環境下的H?S氧化。

系統穩定性：BTF在沖擊負荷和饑餓條件下表現出強魯棒性，H?S去除率可快速恢復至95%以上。

 

研究目的

 

驗證極端酸性（pH<1）BTF處理高濃度H?S的可行性；

探究EBRT對H?S去除效率、硫產物分布及微生物群落的影響；

解析生物降解動力學參數，優化工藝運行策略。

 

研究思路

 

graph TD

A[BTF構建] --> B[參數調控]

B --> C[性能評估]

C --> D[產物分析]

D --> E[微生物群落解析]

E --> F[動力學建模]

F --> G[穩定性驗證]

 

實驗設計：

反應器：實驗室級BTF（有效體積750 mL，聚氨酯多孔凝膠填料）

條件：H?S濃度900 mg·m?3，O?濃度3%（v/v），EBRT分5階段（180→60 s）

檢測指標：H?S去除率、硫產物（S?/SO?2?/SO?2?/S2?）、胞外聚合物（EPS）、微生物群落（16S rRNA測序）

 

關鍵數據及意義

數據類別 來源圖表 研究意義

H?S去除性能 圖2, 圖3 EBRT縮短雖降低RE但提升EC，揭示傳質限制與微生物活性的平衡（EC???=51.5 g·m?3·h?1）

 

 

 

硫產物分布 圖4, 圖5 EBRT縮短促進S?積累（53.3%），為硫資源回收提供優化路徑

 

 

 

 

EPS組成變化 圖6 多糖（PS）占比升高（PN/PS=0.75），增強生物膜在酸性環境下的穩定性

 

 

微生物群落演替 圖8, 表2 Acidithiobacillus（60.3%）主導低EBRT階段，證實嗜酸硫氧化菌的適應性優勢

 

 

 

動力學參數 表3, 圖9 EBRT↓導致半飽和常數K?↓（3.72→0.45 g·m?3），揭示微生物對H?S親和力提升

 

 

 

 

核心結論

 

高效脫硫：極端酸性BTF在EBRT=60 s時仍保持95.4%的H?S去除率，EC達51.5 g·m?3·h?1，為高負荷廢氣處理提供技術支撐。

硫定向轉化：EBRT縮短促進S?生成（53.3%），可通過工藝調控實現硫資源化回收。

微生物適應性：嗜酸硫氧化菌（如Acidithiobacillus）通過分泌EPS（高PS占比）維持生物膜穩定性，主導低pH下的H?S氧化。

系統魯棒性：BTF耐受沖擊負荷（H?S濃度突增300%）和饑餓期（20天），RE可在10小時內恢復至95%以上。

 

Unisense電極數據的深度解讀

 

技術原理

 

傳感器類型：Unisense H?S微電極（OX-MR型）

檢測原理：安培法實時監測溶解態H?S（DH?S）濃度

優勢：

高靈敏度：μM級檢測限，精準捕捉生物膜內H?S擴散通量

原位無損：避免取樣誤差，真實反映氣-液-生物膜界面傳質過程

 

關鍵發現與意義

 

DH?S濃度動態（圖4b）：

DH?S濃度維持在0.95–2.35 mg·L?1，EBRT縮短時輕微上升

意義：證實氣液傳質是限速步驟，EBRT縮短導致H?S溶解量增加，與RE下降直接關聯

 

硫氧化路徑驗證：

DH?S濃度極低（<<氣相H?S），但SO?2?持續積累（圖4a）

意義：結合硫平衡（圖5），證明H?S主要通過生物氧化而非物理吸收去除，且短EBRT下O?傳遞受限促使S?積累

 

工藝優化指導：

DH?S濃度與S?生成率呈負相關（r=-0.89, p<0.01）

意義：通過Unisense數據調控EBRT，可最大化S?回收（如EBRT=60 s時S?-S占比53.3%）

 

技術價值總結

 

解析傳質-反應耦合：實時監測DH?S揭示EBRT對氣液傳質效率的影響，為反應器設計提供參數依據。

指導硫產物調控：DH?S濃度與硫產物分布的關聯性，為定向回收S?或SO?2?提供調控策略。

驗證微生物活性：低DH?S濃度（<2.35 mg·L?1）表明高效生物氧化，佐證嗜酸菌的高活性。

 

注：Unisense電極在本研究中的不可替代性在于其兼具高靈敏度與無損監測能力，為極端酸性環境下生物膜內反應機制的解析提供了關鍵技術支撐。