Exploring alkali-treated corn cob for high-rate removal of NOX and SO2 from flue gas: Focus on carbon release capacity, removal performance, and comparison with conventional carbon sources

探究堿處理玉米芯高速去除煙氣中 NOX 和 SO2 的方法：關(guān)注碳釋放能力、去除性能以及與常規(guī)碳源的比較

來(lái)源：Journal of Hazardous Materials 478 (2024) 135613

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

本研究首次系統(tǒng)評(píng)估了堿處理玉米芯（CC）作為固體緩釋碳源在生物滴濾塔（BTF）中同步脫除NOx和SO?的性能。核心發(fā)現(xiàn)包括：

 

碳釋放性能：0.03 mol/L NaOH處理的玉米芯（CC0.03）化學(xué)需氧量（COD）釋放量最高（2397.94 mg/L），符合Ritger-Peppas擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型（表1）。

 

污染物去除效率：

NOx去除率隨入口濃度升高而增加（300→1000 mg/m3時(shí)，58.56%→80.00%）（圖3A）。

 

SO?去除率受NOx濃度抑制（99.96%→91.05%），但18天內(nèi)恢復(fù)至98.56%（圖3C）。

微生物機(jī)制：高NOx濃度富集反硝化菌（如Enterobacter）和硫代謝菌（如Rhodanobacter），促進(jìn)S?積累（圖3D, 圖4）。

 

碳源對(duì)比：CC0.03與葡萄糖的NOx/SO?去除效率相當(dāng)，但中間產(chǎn)物積累差異顯著（圖5），源于微生物群落結(jié)構(gòu)不同（圖6）。

 

 

 

2. 研究目的

 

優(yōu)化堿處理工藝：確定最佳NaOH濃度（0.03 mol/L）以最大化玉米芯的COD釋放能力（圖2）。

 

評(píng)估脫除性能：探究入口NOx濃度（300–1000 mg/m3）對(duì)NOx/SO?同步去除的影響及恢復(fù)機(jī)制。

揭示微生物機(jī)理：通過(guò)16S rRNA測(cè)序解析功能菌群（反硝化菌、硫酸鹽還原菌SRB、硝酸鹽還原硫氧化菌NR-SOB）的演替規(guī)律（圖4, 圖6）。

經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證：對(duì)比玉米芯與葡萄糖的性能差異，論證農(nóng)業(yè)廢棄物替代傳統(tǒng)碳源的可行性（圖5）。

 

3. 研究思路

 

采用 “堿處理優(yōu)化→BTF動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)→微生物分析→碳源對(duì)比” 四步法：

 

堿處理優(yōu)化：通過(guò)浸出實(shí)驗(yàn)比較不同NaOH濃度（0–0.03 mol/L）下CC的COD釋放動(dòng)力學(xué)（圖2, 表1）。

BTF動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)：

構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室規(guī)模BTF（圖1），以CC0.03為碳源，分三階段提升入口NOx濃度（300→700→1000 mg/m3）。

 

監(jiān)測(cè)氣體（NOx, SO?, N?O）和液相指標(biāo)（COD, NH??, NO??, SO?2?, S?等）（圖3, 圖S3）。

微生物分析：每階段取污泥樣本進(jìn)行16S rRNA測(cè)序，解析菌群結(jié)構(gòu)變化（圖4）。

碳源對(duì)比：用葡萄糖替代CC0.03，比較去除效率及菌群差異（圖5, 圖6）。

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

(1) COD釋放動(dòng)力學(xué)（圖2, 表1）

 

數(shù)據(jù)：不同堿濃度處理的CC在55小時(shí)內(nèi)的COD累積釋放量（CC0.03最高：2397.94 mg/L）。

意義：確定0.03 mol/L NaOH為最佳處理濃度，為BTF提供持續(xù)碳源；Ritger-Peppas模型（N<0.45）證實(shí)COD釋放以擴(kuò)散為主，非結(jié)構(gòu)分解。

 

(2) 污染物去除效率（圖3）

 

NOx去除：入口濃度升至1000 mg/m3時(shí)，平均效率達(dá)80%（圖3A）。

SO?去除：受NOx抑制后快速恢復(fù)（第18天：98.56%），證明系統(tǒng)適應(yīng)性（圖3C）。

意義：首次量化NOx濃度對(duì)SO?去除的短期抑制與恢復(fù)動(dòng)態(tài)，為工藝調(diào)控提供依據(jù)。

 

(3) 中間產(chǎn)物積累（圖3B, D）

 

氮中間體：NH??積累量隨NOx濃度升高（Stage 1→2: 5.2→9.77 mg/L），源于DNRA途徑優(yōu)勢(shì)（圖3B）。

硫中間體：S?積累比例最高（Stage 3: 34.7%），反映NR-SOB活性增強(qiáng)（圖3D）。

意義：揭示電子競(jìng)爭(zhēng)（NOx vs. SO?）對(duì)代謝路徑的影響，指導(dǎo)中間產(chǎn)物控制。

 

(4) 微生物群落結(jié)構(gòu)（圖4, 圖6）

 

優(yōu)勢(shì)菌門：Proteobacteria（80.53%）、Firmicutes（1.80%）、Bacteroidetes（8.94%）（圖4A）。

功能菌屬：

CC系統(tǒng)：富集Enterobacter（纖維素降解）、Rhodanobacter（NR-SOB）（圖6）。

葡萄糖系統(tǒng)：以Comamonadaceae（反硝化）、Alicycliphilus（碳代謝）為主（圖6）。

意義：闡明碳源類型驅(qū)動(dòng)功能菌群分化，解釋CC系統(tǒng)S?積累高的機(jī)制。

 

(5) Unisense電極數(shù)據(jù)（正文3.2.3）

 

監(jiān)測(cè)指標(biāo)：液相H?S濃度（使用丹麥Unisense H?S微電極）。

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：H?S濃度始終低于0.5 mg/L（未積累）。

研究意義：

精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)：直接量化液相硫化物濃度，規(guī)避氣相檢測(cè)的間接推算誤差。

過(guò)程解析：低H?S證實(shí)SOB高效轉(zhuǎn)化S2?→S?，支持高S?回收率結(jié)論（圖3D）。

毒性預(yù)警：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)避免H?S抑制微生物活性，保障BTF長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

機(jī)制驗(yàn)證：結(jié)合SO?2?/S?數(shù)據(jù)，驗(yàn)證“SOB-SRB”協(xié)同硫代謝路徑（圖4B）。

 

5. 核心結(jié)論

 

堿處理優(yōu)化：0.03 mol/L NaOH處理的玉米芯（CC0.03）COD釋放量最高（2397.94 mg/L），符合擴(kuò)散主導(dǎo)的緩釋機(jī)制（表1）。

動(dòng)態(tài)性能：

NOx去除率與入口濃度正相關(guān)（最高80%），SO?去除率受短期抑制后恢復(fù)（>98%）（圖3A,C）。

S?積累量隨NOx濃度升高（Stage 3達(dá)34.7%），凸顯硫回收潛力（圖3D）。

微生物機(jī)制：高NOx濃度富集反硝化菌（如Enterobacter）和NR-SOB（如Rhodanobacter），促進(jìn)NOx還原與S?生成（圖4）。

碳源對(duì)比：CC0.03與葡萄糖的NOx/SO?去除效率相當(dāng)，但CC系統(tǒng)更易積累NH??和SO?2?，葡萄糖系統(tǒng)S?產(chǎn)量更高（圖5），源于碳源性質(zhì)驅(qū)動(dòng)的菌群分化（圖6）。

 

6. Unisense電極數(shù)據(jù)的深層意義

(1) 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

 

高靈敏度：直接檢測(cè)液相H?S（檢測(cè)限<0.1 mg/L），彌補(bǔ)氣相色譜對(duì)溶解態(tài)硫化物監(jiān)測(cè)的不足。

實(shí)時(shí)性：動(dòng)態(tài)反映SRB活性（如Stage 2的H?S波動(dòng)暗示電子競(jìng)爭(zhēng)加劇），為工藝調(diào)控提供即時(shí)數(shù)據(jù)支撐。

 

(2) 機(jī)制解析

 

硫代謝驗(yàn)證：持續(xù)低H?S濃度（<0.5 mg/L）證實(shí)SOB高效氧化S2?至S?，支持“SOB-SRB”協(xié)同路徑（圖4B）。

毒性規(guī)避：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明無(wú)H?S積累風(fēng)險(xiǎn)，保障微生物群落穩(wěn)定性，解釋SO?去除率快速恢復(fù)現(xiàn)象（圖3C）。

 

(3) 應(yīng)用價(jià)值

 

工藝優(yōu)化：Unisense數(shù)據(jù)指導(dǎo)營(yíng)養(yǎng)液補(bǔ)充頻率（如Stage 3需增加碳源抑制H?S生成）。

技術(shù)推廣：證實(shí)Unisense電極適用于復(fù)雜煙氣生物處理系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)，為同類研究提供可靠工具。

 

圖表索引：

 

圖1：BTF實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2：不同堿濃度CC的COD釋放曲線

圖3：NOx/SO?去除效率及中間產(chǎn)物積累

圖4：BTF微生物群落結(jié)構(gòu)（門/屬水平）

圖5：CC與葡萄糖的污染物去除對(duì)比

圖6：碳源驅(qū)動(dòng)的菌屬差異

表1：CC碳釋放動(dòng)力學(xué)參數(shù)

 

工業(yè)應(yīng)用建議：推廣0.03 mol/L NaOH處理玉米芯作為低成本碳源，結(jié)合Unisense電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)優(yōu)化BTF運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)煙氣污染物高效去除與硫資源回收。