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(píng)估：氧氣劑量對(duì)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(nèi)容

 

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

 

氧氣劑量調(diào)控產(chǎn)物分布：低氧（1%）時(shí)單質(zhì)硫（S?）產(chǎn)率達(dá)78.13%，高氧（10%）時(shí)硫酸鹽（SO?2?）占80.39%；

微生物群落響應(yīng)：低氧主導(dǎo)菌屬為硫氧化菌（如Terrimicrobium），高氧時(shí)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(dá)6.00±0.35 gH?S·m?3·h?1；

技術(shù)亮點(diǎn)：使用丹麥Unisense微電極精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)溶解態(tài)H?S（D_{H?S}），證實(shí)微生物轉(zhuǎn)化速率快于氣液傳質(zhì)速率。

 

研究目的

 

揭示氧氣劑量對(duì)BTF脫硫性能的影響規(guī)律；

解析硫產(chǎn)物（S?、SO?2?）分配的氧控機(jī)制；

探究微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的氧適應(yīng)性；

建立H?S生物氧化路徑模型，指導(dǎo)工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化。

 

研究思路

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

構(gòu)建BTF系統(tǒng)（圖1），聚氨酯填料負(fù)載微生物；

 

分4階段調(diào)控氧氣劑量（1%、3%、5%、10%），每階段10天；

恒定H?S進(jìn)氣濃度（0.30 g·m?3），空床停留時(shí)間3分鐘。

數(shù)據(jù)采集：

性能參數(shù)：H?S去除率（RE）、去除能力（EC）（表1）；

 

硫產(chǎn)物：SO?2?、SO?2?、S2?濃度（離子色譜）及S?（質(zhì)量平衡法計(jì)算）；

微生物群落：16S rRNA高通量測(cè)序（門/屬水平）；

填料表征：SEM-EDS分析元素分布（圖5）。

 

檢測(cè)技術(shù)：

溶解H?S：Unisense H?S微電極（D_{H?S}）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

溶解氧（DO）：電極法跟蹤液相氧動(dòng)態(tài)。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. H?S去除性能（圖2 & 表1）

 

數(shù)據(jù)來源：進(jìn)氣/出氣H?S濃度監(jiān)測(cè)（表1），去除率計(jì)算。

核心發(fā)現(xiàn)：

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(shí)高氧提升微生物氧化活性，為工程化氧控策略提供依據(jù)。

 

2. 硫產(chǎn)物分布（圖3 & 圖4）

 

數(shù)據(jù)來源：液相離子色譜（SO?2?、SO?2?）、S2?電極、S?質(zhì)量平衡（式8）。

 

核心發(fā)現(xiàn)（圖4）：

 

1% O?：S?占比78.13%（主產(chǎn)物）；

10% O?：SO?2?占比80.39%（主產(chǎn)物）。

研究意義：揭示氧劑量定向調(diào)控硫形態(tài)，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(shù)據(jù)來源：16S測(cè)序（樣品S1-S4）。

核心發(fā)現(xiàn)（圖6B）：

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

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

研究意義：闡明功能菌群的氧適應(yīng)性，為菌劑強(qiáng)化提供靶標(biāo)。

 

4. 填料表征（圖5）

 

數(shù)據(jù)來源：SEM-EDS元素分析。

核心發(fā)現(xiàn)：

1% O?：硫元素占比76.08%（證實(shí)S?沉積）；

10% O?：硫元素降至16.69%（SO?2?溶解流失）。

研究意義：驗(yàn)證質(zhì)量平衡計(jì)算結(jié)果，直觀展示硫形態(tài)轉(zhuǎn)變。

 

丹麥Unisense電極的研究意義

技術(shù)原理

 

選擇性監(jiān)測(cè)溶解H?S（D_{H?S}）：微電極尖端（<0.1 mm）直接穿透液膜，實(shí)時(shí)響應(yīng)溶解態(tài)H?S濃度變化（非氣態(tài)H?S）。

高時(shí)空分辨率：秒級(jí)響應(yīng)捕捉氣液傳質(zhì)與微生物代謝動(dòng)態(tài)。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)（圖3B）

 

D_{H?S}始終低于0.1 mg·L?1（遠(yuǎn)低于進(jìn)氣H?S濃度），證明微生物轉(zhuǎn)化速率＞氣液傳質(zhì)速率。

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

 

研究價(jià)值

 

揭示限速步驟：D_{H?S}極低說明系統(tǒng)性能受氣液傳質(zhì)限制而非生物活性；

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

指導(dǎo)工程優(yōu)化：需強(qiáng)化傳質(zhì)（如增加比表面積）而非僅提高氧量。

 

結(jié)論

 

氧控產(chǎn)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(huán)境占比>72%，支撐系統(tǒng)穩(wěn)定性；

反應(yīng)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(diào)控可實(shí)現(xiàn)硫資源定向回收（S?）或硫酸鹽生成（SO?2?）。

 

Unisense電極的行業(yè)價(jià)值

 

對(duì)比傳統(tǒng)溶解H?S檢測(cè)方法（如甲基藍(lán)比色法）：

參數(shù) Unisense微電極 傳統(tǒng)方法

響應(yīng)時(shí)間 秒級(jí) 分鐘級(jí)

空間分辨率 亞毫米級(jí) 整液平均

抗干擾性 不受色度/濁度影響 需預(yù)處理

實(shí)時(shí)性 在線連續(xù)監(jiān)測(cè) 離線采樣

該技術(shù)為生物脫硫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控和機(jī)制解析提供不可替代的工具支撐。