真菌—细菌混合生物滤床去除甲苯废气特性及机理研究

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目前,对于低浓度、大气量、亲水性VOCs而言,生物过滤技术是公认的最佳处理方法之一。但对于疏水性VOCs而言,去除效果则不佳,究其原因在于其在水相中的传质效率不高。文献报道丝状真菌可以直接捕获空气中的VOCs,较好地克服了疏水性VOCs传质速率慢的问题。但与细菌相比,真菌生长速率慢,启动周期过长,此外,丝状结构还会经常引起反应器压力降的增加,造成滤床的堵塞。本文耦合真菌吸附能力强与细菌生物多样性丰富的特点,通过改变营养液pH值、投加抗生素与外加碳源的方法,调控生物滤床内部细菌和真菌比例,快速构建与启动细菌-真菌混合生物滤床,克服细菌和真菌滤床在去除疏水性VOCs过程中存在的不足,强化生物过滤技术对甲苯废气的去除性能,系统地研究了氮源、乙酸乙酯对真菌-细菌混合生物滤床去除甲苯废气特性影响;并应用现代分子生物学与仪器分析技术,分析了不同实验条件下滤床生物膜微生物群落结构,阐明运行条件-群落结构-降解性能三者之间的内在联系,为真菌-细菌混合生物滤床去除疏水性VOCs提供一定的理论支撑。主要研究内容和结论如下:(1)针对真菌-细菌混合生物滤床构建与启动周期长的缺点,开展了“两步启动法”研究,即先接种扬子石化好氧活性污泥(YZ)启动细菌滤床,在此基础上通过调节营养液pH值至5.9,同时添加抗生素和外加碳源实现了真菌-细菌混合生物滤床的快速构建与启动。高通量测序结果发现:真菌-细菌混合生物滤床的启动周期与接种污泥中甲苯降解功能细菌属的相对丰度以及苯甲酸降解功能的相对丰度呈正相关。(2)开展了真菌-细菌混合生物滤床去除甲苯废气特性的研究,发现其具有抗负荷波动能力强以及停车再启动性能恢复快的特性,主要是因为真菌吸附作用起到了较好的缓冲作用,而细菌则主要起降解作用。应用Illumina MiSeq高通量测序技术、16S rRNA功能基因预测技术与GC-MS分析技术发现真菌-细菌混合生物滤床代谢甲苯的途径为:甲苯被依次氧化成为苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸,苯甲酸1,2-双加氧酶将苯甲酸催化氧化生成邻苯二酚;后被邻苯二酚1,2-双加氧酶氧化发生邻位开环,转化为顺,顺-己二烯二酸,其在后续酶促反应中可进一步被降解为琥珀酸和乙酰辅酶A,并进入三羧酸循环,最终被降解为H2O和CO2。(3)针对真菌-细菌混合生物滤床连续运行中生物膜过量积累,产生厌氧区,发生反硝化,导致反应器去除性能降低和氮源过量消耗等问题,开展了氮源类型对真菌-细菌混合生物滤床性能影响的研究。研究发现当氮源由NO3--N替代NH4+-N后,除矿化率有所下降外,甲苯的去除率与去除能力均未发生显著变化。PICRUSt对16S rRNA基因功能预测结果表明,甲苯矿化率下降是由于苯甲酸降解功能基因的相对丰度降低引起的。此外,氮源更换为NO3--N后,生物膜积累速率降低,反应器稳定运行周期得到有效地延长,氮源投加量则明显地下降。(4)开展了乙酸乙酯对真菌-细菌混合生物滤床去除甲苯性能影响的研究。研究结果发现,甲苯、乙酸乙酯的去除率和甲苯的去除能力均随着乙酸乙酯浓度的增加而降低,乙酸乙酯的去除能力则逐渐增加。当乙酸乙酯浓度低于1500 mg m-3的条件下,氮源NO3-还原为NH4+过程中生成的碱可以有效中和乙酸乙酯代谢产生乙酸,确保邻苯二酚1,2-双加氧酶维持一定的活性,使得真菌-细菌混合生物滤床去除甲苯的性能强于传统生物滤床。碳平衡分析发现,甲苯的矿化程度随乙酸乙酯浓度增加而逐渐下降,滤液含碳量递增。在不同实验条件下,真菌-细菌生物滤床碳生物膜转化率均大于17.0%,高于细菌滤床的12.0~13.0%。高通量测序结果显示,在真菌-细菌混合生物滤床降解甲苯和乙酸乙酯混合VOCs的过程中,细菌属Pseudomonas与真菌属unclassifiedfHerpotrichiellaceae起主要降解甲苯的作用。
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