Evaluation of H2S gas removal by a biotrickling filter: Effect of oxygen dose on the performance and microbial communities

生物滴濾器去除 H 2 S 氣體的評估：氧氣劑量對性能和微生物群落的影響

來源：Process Safety and Environmental Protection 166 (2022) 30–40

 

摘要核心內容

 

研究通過生物滴濾塔（BTF） 探究氧氣劑量（1%-10%）對H?S生物去除的影響機制。核心發現：

 

氧氣劑量調控產物分布：低氧（1%）時單質硫（S?）產率達78.13%，高氧（10%）時硫酸鹽（SO?2?）占80.39%；

微生物群落響應：低氧主導菌屬為硫氧化菌（如Terrimicrobium），高氧時嗜酸菌Acidithiobacillus占比72.87%；

高效去除性能：H?S去除率≥94.1%，最大去除能力達6.00±0.35 gH?S·m?3·h?1；

技術亮點：使用丹麥Unisense微電極精準監測溶解態H?S（D_{H?S}），證實微生物轉化速率快于氣液傳質速率。

 

研究目的

 

揭示氧氣劑量對BTF脫硫性能的影響規律；

解析硫產物（S?、SO?2?）分配的氧控機制；

探究微生物群落結構與功能的氧適應性；

建立H?S生物氧化路徑模型，指導工業應用優化。

 

研究思路

 

實驗設計：

構建BTF系統（圖1），聚氨酯填料負載微生物；

 

分4階段調控氧氣劑量（1%、3%、5%、10%），每階段10天；

恒定H?S進氣濃度（0.30 g·m?3），空床停留時間3分鐘。

數據采集：

性能參數：H?S去除率（RE）、去除能力（EC）（表1）；

 

硫產物：SO?2?、SO?2?、S2?濃度（離子色譜）及S?（質量平衡法計算）；

微生物群落：16S rRNA高通量測序（門/屬水平）；

填料表征：SEM-EDS分析元素分布（圖5）。

 

檢測技術：

溶解H?S：Unisense H?S微電極（D_{H?S}）實時監測；

溶解氧（DO）：電極法跟蹤液相氧動態。

 

關鍵數據及研究意義

1. H?S去除性能（圖2 & 表1）

 

數據來源：進氣/出氣H?S濃度監測（表1），去除率計算。

核心發現：

氧濃度↑1%→10%，RE從95.4%升至100%（圖2B）；

EC最大值6.00 gH?S·m?3·h?1（10% O?）。

研究意義：證實高氧提升微生物氧化活性，為工程化氧控策略提供依據。

 

2. 硫產物分布（圖3 & 圖4）

 

數據來源：液相離子色譜（SO?2?、SO?2?）、S2?電極、S?質量平衡（式8）。

 

核心發現（圖4）：

 

1% O?：S?占比78.13%（主產物）；

10% O?：SO?2?占比80.39%（主產物）。

研究意義：揭示氧劑量定向調控硫形態，支持S?資源化回收（低氧）或硫酸鹽生成（高氧）。

 

3. 微生物群落（圖6）

 

數據來源：16S測序（樣品S1-S4）。

核心發現（圖6B）：

1% O?：Terrimicrobium（9.81%）、Azoarcus（8.53%）主導S?生成；

10% O?：Acidithiobacillus（72.87%）主導SO?2?生成。

研究意義：闡明功能菌群的氧適應性，為菌劑強化提供靶標。

 

4. 填料表征（圖5）

 

數據來源：SEM-EDS元素分析。

核心發現：

1% O?：硫元素占比76.08%（證實S?沉積）；

10% O?：硫元素降至16.69%（SO?2?溶解流失）。

研究意義：驗證質量平衡計算結果，直觀展示硫形態轉變。

 

丹麥Unisense電極的研究意義

技術原理

 

選擇性監測溶解H?S（D_{H?S}）：微電極尖端（<0.1 mm）直接穿透液膜，實時響應溶解態H?S濃度變化（非氣態H?S）。

高時空分辨率：秒級響應捕捉氣液傳質與微生物代謝動態。

 

關鍵數據（圖3B）

 

D_{H?S}始終低于0.1 mg·L?1（遠低于進氣H?S濃度），證明微生物轉化速率＞氣液傳質速率。

pH驟降時（10% O?→pH=2.18）D_{H?S}仍穩定，表明嗜酸菌保持高效代謝。

 

研究價值

 

揭示限速步驟：D_{H?S}極低說明系統性能受氣液傳質限制而非生物活性；

驗證代謝路徑：低D_{H?S}佐證H?S→S?/SO?2?的快速轉化（圖7路徑）；

指導工程優化：需強化傳質（如增加比表面積）而非僅提高氧量。

 

結論

 

氧控產物分配：低氧（≤3%）富集S?（>62.9%），高氧（≥5%）傾向SO?2?（>53.1%）；

微生物定向馴化：Acidithiobacillus在酸性高氧環境占比>72%，支撐系統穩定性；

反應路徑模型（圖7）：

限氧路徑（LOR）：H?S → S?（依賴SQR酶）；

富氧路徑（FOR）：S? → SO?2?（依賴SOR酶）；

工程啟示：通過氧劑量調控可實現硫資源定向回收（S?）或硫酸鹽生成（SO?2?）。

 

Unisense電極的行業價值

 

對比傳統溶解H?S檢測方法（如甲基藍比色法）：

參數 Unisense微電極 傳統方法

響應時間 秒級 分鐘級

空間分辨率 亞毫米級 整液平均

抗干擾性 不受色度/濁度影響 需預處理

實時性 在線連續監測 離線采樣

該技術為生物脫硫系統的動態調控和機制解析提供不可替代的工具支撐。