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

來源：ENVIRONMENTAL ENGINEERING SCIENCE Volume 37, Number 11, 2020

 

摘要核心發現

 

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

 

1.高效去除：

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

 

 

2.微生物機制：

鑒定出以假單胞菌（Pseudomonas，37.7%）為主導的10個優勢菌屬（圖3），其同時攜帶甲苯降解（tmoABCDEF）和反硝化功能基因（napA, nirS等）（圖4）；

 

 

 

3.電子傳遞路徑：

 

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

 

研究目的

 

1.驗證新機制：

 

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.工藝優化：

 

評估生物滴濾塔在變負荷（進氣濃度、空床停留時間EBRT）下的穩定性；

3.代謝路徑解析：

 

通過功能基因與中間產物分析，闡明甲苯好氧反硝化降解途徑。

 

研究思路

 

1. 反應器設計與運行

 

 

BTF構造：

 

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

 

階段實驗：

 

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

 

2. 多維度機制驗證

 

微生物群落：

 

16S rDNA測序分析生物膜菌群結構（圖3）；

 

功能基因：

 

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

 

中間產物：

 

GC-MS檢測苯甲醇、苯甲醛等降解中間體（圖6）；

 

生物膜微環境：

 

Unisense微電極量化溶解氧梯度分布（圖2d）。

 

關鍵數據及研究意義

1. 工藝性能數據（圖2a-b）

 

數據：

 

啟動期（25天）：RE從30.1%升至92.3%；

 

高負荷（600 mg/m3）：RE穩定在77.7-78.8%（EC≈50 g/(m3·h)）；

 

EBRT縮短至19.6 s時，RE降至46.9-49.8%。

 

意義：證明BTF在高負荷沖擊下的穩定性，EBRT是限制傳質效率的關鍵因素。

 

2. 微生物群落數據（圖3）

 

數據：

 

優勢菌門：變形菌門（Proteobacteria，54.7%）、擬桿菌門（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基礎。

 

3. 功能基因數據（圖4）

 

數據：

 

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：從基因水平證實單一菌株兼具甲苯氧化與反硝化能力。

 

4. 代謝中間體數據（圖6）

 

數據：

 

GC-MS檢測到苯甲醇（C?H?O）和苯甲醛（C?H?O）積累。

 

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

 

丹麥Unisense電極的核心價值

技術突破

 

 

微尺度解析：

 

氧微電極（尖端直徑≈10 μm）精準量化生物膜內部溶解氧梯度（圖2d）：

 

好氧區（DO > 2 mg/L）：厚度300 μm

 

缺氧區（0.2 < DO < 0.5 mg/L）：厚度40 μm

 

厭氧區（DO < 0.2 mg/L）：未檢出

 

動態監測：

 

實時揭示生物膜內氧傳質限制，解釋好氧環境下反硝化發生的微環境機制。

 

科學發現

 

1.微區缺氧驅動反硝化：

 

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

2.代謝分區證據：

 

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

 

工程意義

 

 

工藝優化指導：

 

微電極數據證明生物膜厚度（540 μm）是維持功能分區的關鍵，指導填料設計與營養策略；

 

機制驗證不可替代性：

 

傳統方法無法獲取微米級氧分布數據，Unisense電極是解析生物膜內氧化-還原偶聯反應的唯一工具。

 

結論

 

1.工藝可行性：

 

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

2.微生物機制：

 

假單胞菌等通過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（圖7）；

4.Unisense電極價值：

 

其微尺度氧分布數據是解析好氧-缺氧分區代謝的決定性證據，為類似氣-液-固三相系統研究提供范式。

 

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

 

圖示關聯：

 

 

圖1：BTF反應器構造與流程

 

圖2：甲苯去除性能與生物膜氧分布（含Unisense數據）

 

圖3：微生物群落結構

 

圖4：功能基因熱圖

 

圖6：甲苯降解中間產物色譜圖

 

圖7：好氧反硝化降解甲苯的代謝機制