High recycling efficiency and elemental sulfur purity achieved in a biofilm formed membrane filtration reactor

基于生物膜形成的膜過濾反應器實現高回收效率和元素硫純度

來源：Water Research, Volume 130, 2018, Pages 1-12

《水研究》第130卷，2018年，第1-12頁

 

摘要

這篇論文研究了一種新型生物膜形成的膜過濾反應器（BfMFR）用于從含硫化物和硝酸鹽的廢水中回收元素硫（S0）。通過使用Thauera sp. strain HDD在膜表面形成生物膜，并利用膜過濾實時分離生成的S0，實現了高S0回收效率（平均98%）和高純度。反應器在進水硫化物、硝酸鹽和乙酸濃度分別為100、120和115 mg/L，膜孔徑0.45 μm，接種量10 mL（約2.4×10^7細胞）條件下穩定運行，硫化物負荷達62.5 kg/m3·d。S0回收純度高，幾乎不含微生物、胞外聚合物或無機雜質。該方法通過原位生成和及時分離S0，避免了硫循環（S2- to S0, S0 to SO4^2-, SO4^2- to HS-），為含硫廢水處理提供了可行方案。

 

研究目的

本研究旨在開發一種高效回收元素硫（S0）的方法，解決傳統生物反應器中S0回收純度低、效率不高的問題。通過設計緊湊的BfMFR，實現S0的原位生成和及時分離，提高回收效率和純度，同時去除硫化物、硝酸鹽和COD。

 

研究思路

研究思路包括：首先，通過批次陣列實驗和立方樣條算法優化Thauera sp. strain HDD的S0生成條件，確定最佳進水濃度；其次，構建BfMFR系統，在不同操作參數（膜孔徑、進水濃度、接種量）下運行，評估S0回收效率、污染物去除率和膜污染；然后，使用掃描電鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）、X射線衍射（XRD）等分析回收S0的形貌和純度；最后，通過共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）和Unisense微電極系統測量生物膜結構和活性，探討機制。

 

測量的數據及研究意義

1 S0生成效率數據，來自圖3。研究意義是直接評估BfMFR在不同操作條件下的S0回收性能，顯示最佳條件（膜孔徑0.45 μm）下效率達98%，證明該方法高效可行，為優化反應器設計提供依據。

 

2 硫化物、硝酸鹽、乙酸濃度變化數據，來自圖4。研究意義是監控污染物去除效果，顯示BfMFR能同步去除多種污染物，硫化物和硝酸鹽去除率超95%，支持其在實際廢水處理中的應用潛力。

 

3 生物膜形態和結構數據，來自圖6（SEM和CLSM圖像）。研究意義是揭示生物膜隨時間的生長和膜污染過程，顯示生物膜從稀疏到成熟的變化，膜污染在12-16天完成，指導反應器維護和反洗策略優化。

 

4 生物膜活性數據，包括DO、pH和HS-濃度剖面，來自圖7（使用Unisense微電極測量）。研究意義是量化生物膜內微環境變化，顯示硫化物在生物膜上層（45-80 μm）被快速消耗（80.7%），pH升高表明反硝化過程，證實生物膜的高活性區域和反應機制。

 

 

結論

1 BfMFR能高效回收S0，回收效率達98%，純度顯著高于傳統反應器（如UASB），避免了微生物和雜質污染。

2 反應器在最佳參數下運行穩定，硫化物負荷高，但膜污染限制壽命至14-16天，需通過反洗等措施延長。

3 該方法通過原位分離S0中斷硫循環，為含硫廢水資源化回收提供了創新途徑。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極系統（型號未具體說明，但文檔提到用于測量DO、pH和HS-濃度）測量生物膜內的溶解氧（DO）、pH和硫化物（HS-）濃度剖面數據，其研究意義在于能夠以高空間分辨率（深度增量10 μm）原位監測生物膜微環境的動態變化，為理解反應機制提供直接證據。具體地，測量顯示DO在生物膜內不可檢測，證實了厭氧條件；pH從8.0升至8.7，支持反硝化過程的堿性變化；HS-濃度在生物膜表層（0-45 μm）急劇下降，表明硫化物氧化主要發生在此區域。這些數據驗證了生物膜的活性分層結構，指導了反應器操作參數優化（如接觸時間控制），并突出了Unisense電極在環境工程中用于微尺度過程研究的價值，提升了生物膜反應器的設計和性能預測能力。