Removal of Toluene from Synthetic Waste Gas Through Aerobic Denitrification in Biotrickling Reactor

生物滴濾池好氧反硝化去除合成廢氣中的甲苯

來(lái)源：ENVIRONMENTAL ENGINEERING SCIENCE Volume 37, Number 11, 2020

 

摘要核心發(fā)現(xiàn)

 

本研究開(kāi)發(fā)了一種基于好氧反硝化機(jī)制的生物滴濾塔（BTF），以硝酸鹽為電子受體高效降解甲苯。關(guān)鍵突破包括：

 

1.高效去除：

在105天運(yùn)行中，甲苯去除率達(dá)92.3%，最大消除容量（EC）達(dá)50.33 g/(m3·h)（圖2b）；

 

 

2.微生物機(jī)制：

鑒定出以假單胞菌（Pseudomonas，37.7%）為主導(dǎo)的10個(gè)優(yōu)勢(shì)菌屬（圖3），其同時(shí)攜帶甲苯降解（tmoABCDEF）和反硝化功能基因（napA, nirS等）（圖4）；

 

 

 

3.電子傳遞路徑：

 

首次證實(shí)好氧條件下甲苯氧化與硝酸鹽還原的耦合機(jī)制（圖7），氧氣與硝酸鹽可同時(shí)作為電子受體。

 

研究目的

 

1.驗(yàn)證新機(jī)制：

 

探究以硝酸鹽為電子受體的好氧反硝化在甲苯生物降解中的可行性；

2.工藝優(yōu)化：

 

評(píng)估生物滴濾塔在變負(fù)荷（進(jìn)氣濃度、空床停留時(shí)間EBRT）下的穩(wěn)定性；

3.代謝路徑解析：

 

通過(guò)功能基因與中間產(chǎn)物分析，闡明甲苯好氧反硝化降解途徑。

 

研究思路

 

1. 反應(yīng)器設(shè)計(jì)與運(yùn)行

 

 

BTF構(gòu)造：

 

三層陶瓷填料（比表面積3900 m2/m3），頂部噴淋營(yíng)養(yǎng)液，底部通入甲苯廢氣（圖1）；

 

階段實(shí)驗(yàn)：

 

分8階段（105天）逐步提升甲苯負(fù)荷（100→618 mg/m3）并縮短EBRT（34.3→19.6 s），監(jiān)測(cè)去除效率（RE）與消除容量（EC）（圖2a-b）。

 

2. 多維度機(jī)制驗(yàn)證

 

微生物群落：

 

16S rDNA測(cè)序分析生物膜菌群結(jié)構(gòu)（圖3）；

 

功能基因：

 

宏基因組測(cè)序鑒定甲苯降解（tmo/tod）與反硝化（nirS/nosZ）基因（圖4）；

 

中間產(chǎn)物：

 

GC-MS檢測(cè)苯甲醇、苯甲醛等降解中間體（圖6）；

 

生物膜微環(huán)境：

 

Unisense微電極量化溶解氧梯度分布（圖2d）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 工藝性能數(shù)據(jù)（圖2a-b）

 

數(shù)據(jù)：

 

啟動(dòng)期（25天）：RE從30.1%升至92.3%；

 

高負(fù)荷（600 mg/m3）：RE穩(wěn)定在77.7-78.8%（EC≈50 g/(m3·h)）；

 

EBRT縮短至19.6 s時(shí)，RE降至46.9-49.8%。

 

意義：證明BTF在高負(fù)荷沖擊下的穩(wěn)定性，EBRT是限制傳質(zhì)效率的關(guān)鍵因素。

 

2. 微生物群落數(shù)據(jù)（圖3）

 

數(shù)據(jù)：

 

優(yōu)勢(shì)菌門(mén)：變形菌門(mén)（Proteobacteria，54.7%）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes，14.2%）；

 

功能菌屬：假單胞菌（37.7%）、副球菌（Paracoccus，5%）、黃桿菌（Flavobacterium，4.2%）。

 

意義：揭示好氧反硝化菌與甲苯降解菌的共存性，為菌群功能提供分類學(xué)基礎(chǔ)。

 

3. 功能基因數(shù)據(jù)（圖4）

 

數(shù)據(jù)：

 

反硝化基因豐度最高（0.0549%），其次為甲苯單加氧酶基因（0.0284%）；

 

假單胞菌同時(shí)攜帶todC1C2BA（甲苯雙加氧酶）和nirS（亞硝酸鹽還原酶）基因。

 

意義：從基因水平證實(shí)單一菌株兼具甲苯氧化與反硝化能力。

 

4. 代謝中間體數(shù)據(jù)（圖6）

 

數(shù)據(jù)：

 

GC-MS檢測(cè)到苯甲醇（C?H?O）和苯甲醛（C?H?O）積累。

 

意義：驗(yàn)證甲苯通過(guò)單加氧酶途徑（T4MO） 逐步氧化為苯甲酸的代謝路徑（圖7）。

 

丹麥Unisense電極的核心價(jià)值

技術(shù)突破

 

 

微尺度解析：

 

氧微電極（尖端直徑≈10 μm）精準(zhǔn)量化生物膜內(nèi)部溶解氧梯度（圖2d）：

 

好氧區(qū)（DO > 2 mg/L）：厚度300 μm

 

缺氧區(qū)（0.2 < DO < 0.5 mg/L）：厚度40 μm

 

厭氧區(qū)（DO < 0.2 mg/L）：未檢出

 

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：

 

實(shí)時(shí)揭示生物膜內(nèi)氧傳質(zhì)限制，解釋好氧環(huán)境下反硝化發(fā)生的微環(huán)境機(jī)制。

 

科學(xué)發(fā)現(xiàn)

 

1.微區(qū)缺氧驅(qū)動(dòng)反硝化：

 

盡管氣相氧濃度達(dá)21%，生物膜內(nèi)部存在明確缺氧區(qū)（40 μm），為反硝化酶（如nirS）提供活性環(huán)境；

2.代謝分區(qū)證據(jù)：

 

好氧區(qū)主導(dǎo)甲苯初始氧化（需氧單加氧酶），缺氧區(qū)完成硝酸鹽還原（反硝化酶），證實(shí)空間分工代謝模型（圖7）。

 

工程意義

 

 

工藝優(yōu)化指導(dǎo)：

 

微電極數(shù)據(jù)證明生物膜厚度（540 μm）是維持功能分區(qū)的關(guān)鍵，指導(dǎo)填料設(shè)計(jì)與營(yíng)養(yǎng)策略；

 

機(jī)制驗(yàn)證不可替代性：

 

傳統(tǒng)方法無(wú)法獲取微米級(jí)氧分布數(shù)據(jù)，Unisense電極是解析生物膜內(nèi)氧化-還原偶聯(lián)反應(yīng)的唯一工具。

 

結(jié)論

 

1.工藝可行性：

 

好氧反硝化BTF可實(shí)現(xiàn)甲苯高效去除（RE >92%），最大EC達(dá)50.33 g/(m3·h)；

2.微生物機(jī)制：

 

假單胞菌等通過(guò)T4MO途徑氧化甲苯，并利用硝酸鹽為電子受體完成反硝化；

3.代謝路徑：

 

甲苯→苯甲醇→苯甲醛→苯甲酸→兒茶酚→TCA循環(huán)（圖7）；

4.Unisense電極價(jià)值：

 

其微尺度氧分布數(shù)據(jù)是解析好氧-缺氧分區(qū)代謝的決定性證據(jù)，為類似氣-液-固三相系統(tǒng)研究提供范式。

 

應(yīng)用方向：該工藝可推廣至石化、印刷行業(yè)廢氣處理，尤其適用于含氮氧化物（NO?）與VOCs共存的復(fù)雜廢氣體系。

 

圖示關(guān)聯(lián)：

 

 

圖1：BTF反應(yīng)器構(gòu)造與流程

 

圖2：甲苯去除性能與生物膜氧分布（含Unisense數(shù)據(jù)）

 

圖3：微生物群落結(jié)構(gòu)

 

圖4：功能基因熱圖

 

圖6：甲苯降解中間產(chǎn)物色譜圖

 

圖7：好氧反硝化降解甲苯的代謝機(jī)制