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：關注碳釋放能力、去除性能以及與常規碳源的比較

來源：Journal of Hazardous Materials 478 (2024) 135613

 

1. 摘要核心內容

 

本研究首次系統評估了堿處理玉米芯（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。核心發現包括：

 

碳釋放性能：0.03 mol/L NaOH處理的玉米芯（CC0.03）化學需氧量（COD）釋放量最高（2397.94 mg/L），符合Ritger-Peppas擴散動力學模型（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，58.56%→80.00%）（圖3A）。

 

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

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

 

碳源對比：CC0.03與葡萄糖的NOx/SO?去除效率相當，但中間產物積累差異顯著（圖5），源于微生物群落結構不同（圖6）。

 

 

 

2. 研究目的

 

優化堿處理工藝：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）。

 

評估脫除性能：探究入口NOx濃度（300–1000 mg/m3）對NOx/SO?同步去除的影響及恢復機制。

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

經濟性驗證：對比玉米芯與葡萄糖的性能差異，論證農業廢棄物替代傳統碳源的可行性（圖5）。

 

3. 研究思路

 

采用 “堿處理優化→BTF動態實驗→微生物分析→碳源對比” 四步法：

 

堿處理優化：通過浸出實驗比較不同NaOH濃度（0–0.03 mol/L）下CC的COD釋放動力學（圖2, 表1）。

BTF動態實驗：

構建實驗室規模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）。

 

監測氣體（NOx, SO?, N?O）和液相指標（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行16S rRNA測序，解析菌群結構變化（圖4）。

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

 

4. 測量數據及研究意義

(1) COD釋放動力學（圖2, 表1）

 

數據：不同堿濃度處理的CC在55小時內的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提供持續碳源；Ritger-Peppas模型（N<0.45）證實COD釋放以擴散為主，非結構分解。

 

(2) 污染物去除效率（圖3）

 

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

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

意義：首次量化NOx濃度對SO?去除的短期抑制與恢復動態，為工藝調控提供依據。

 

(3) 中間產物積累（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途徑優勢（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（圖3D）。

意義：揭示電子競爭（NOx vs. SO?）對代謝路徑的影響，指導中間產物控制。

 

(4) 微生物群落結構（圖4, 圖6）

 

優勢菌門：Proteobacteria（80.53%）、Firmicutes（1.80%）、Bacteroidetes（8.94%）（圖4A）。

功能菌屬：

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

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

意義：闡明碳源類型驅動功能菌群分化，解釋CC系統S?積累高的機制。

 

(5) Unisense電極數據（正文3.2.3）

 

監測指標：液相H?S濃度（使用丹麥Unisense H?S微電極）。

關鍵數據：H?S濃度始終低于0.5 mg/L（未積累）。

研究意義：

精準監測：直接量化液相硫化物濃度，規避氣相檢測的間接推算誤差。

過程解析：低H?S證實SOB高效轉化S2?→S?，支持高S?回收率結論（圖3D）。

毒性預警：實時監測避免H?S抑制微生物活性，保障BTF長期穩定運行。

機制驗證：結合SO?2?/S?數據，驗證“SOB-SRB”協同硫代謝路徑（圖4B）。

 

5. 核心結論

 

堿處理優化：0.03 mol/L NaOH處理的玉米芯（CC0.03）COD釋放量最高（2397.94 mg/L），符合擴散主導的緩釋機制（表1）。

動態性能：

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

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

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

碳源對比：CC0.03與葡萄糖的NOx/SO?去除效率相當，但CC系統更易積累NH??和SO?2?，葡萄糖系統S?產量更高（圖5），源于碳源性質驅動的菌群分化（圖6）。

 

6. Unisense電極數據的深層意義

(1) 技術優勢

 

高靈敏度：直接檢測液相H?S（檢測限<0.1 mg/L），彌補氣相色譜對溶解態硫化物監測的不足。

實時性：動態反映SRB活性（如Stage 2的H?S波動暗示電子競爭加劇），為工藝調控提供即時數據支撐。

 

(2) 機制解析

 

硫代謝驗證：持續低H?S濃度（<0.5 mg/L）證實SOB高效氧化S2?至S?，支持“SOB-SRB”協同路徑（圖4B）。

毒性規避：監測數據表明無H?S積累風險，保障微生物群落穩定性，解釋SO?去除率快速恢復現象（圖3C）。

 

(3) 應用價值

 

工藝優化：Unisense數據指導營養液補充頻率（如Stage 3需增加碳源抑制H?S生成）。

技術推廣：證實Unisense電極適用于復雜煙氣生物處理系統的在線監測，為同類研究提供可靠工具。

 

圖表索引：

 

圖1：BTF實驗裝置示意圖

圖2：不同堿濃度CC的COD釋放曲線

圖3：NOx/SO?去除效率及中間產物積累

圖4：BTF微生物群落結構（門/屬水平）

圖5：CC與葡萄糖的污染物去除對比

圖6：碳源驅動的菌屬差異

表1：CC碳釋放動力學參數

 

工業應用建議：推廣0.03 mol/L NaOH處理玉米芯作為低成本碳源，結合Unisense電極實時監測優化BTF運行，實現煙氣污染物高效去除與硫資源回收。