基于氢气的膜生物膜反应器中的高效硫化反应韧性：在可变负荷条件下动力学限制性能的机制分析

《Biotechnology and Bioengineering》：Resilient High-Rate Sulfidogenesis in a Hydrogen-Based Membrane Biofilm Reactor: Mechanistic Analysis of Kinetic-Limited Performance Under Variable Loading

　　

摘要

铜矿行业产生的水中硫酸盐（SO₄^2?）浓度很高。基于氢气的膜生物膜反应器（H₂-MBfR）是一种有前景的硫化物生成解决方案，它使用H₂作为清洁的电子供体。一个H₂-MBfR在不同的条件下（HRT、H₂压力、SO₄^2?负荷）运行了209天，用于处理受采矿影响的合成水。该系统表现出极高的韧性，实现了稳定的SO₄^2?去除率（>90%），并且能够从严重的冲击负荷（4500 mg S L^?1）中完全恢复。为了确定控制机制，开发了一个瞬态伪解析生物膜模型。全局敏感性分析（Sobol）表明，系统的性能主要受最大特定生长率（$$）、脱落系数（$$）和H₂S抑制（$$）的影响。该模型在阶段1-3（第0-169天，n = 44）进行了校准，校准后的R2值为0.962，盲验证（第4阶段）的R2值为0.572。模型校准的关键发现（$$ = 0.344 d^?1）以及使用Thiele模量（平均$$ = 0.224）强烈表明，系统处于动力学受限的状态。系统的性能受到缓慢生长和高脱落速率之间的微妙平衡的影响，而不是由质量传递（H₂供应或SO₄^2?扩散）所控制。这项研究验证了H₂-MBfR在高速率应用中的有效性，并正确地将未来优化的重点从质量传递转移到了生物膜保留动力学上。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

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