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基于生物滴滤的3D-BER催化转化疏水性恶臭界面传质强化及微生物学机制

批准号:
32060291
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
35.0 万元
负责人:
万顺刚
依托单位:
学科分类:
污染生态学与恢复生态学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
万顺刚

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
生物技术处理疏水性恶臭污染物存在气体停留时间长和去除能力低的瓶颈问题,界面气液传质和生物膜活性共调控是增效恶臭处理的有效途径。本项目以二甲基二硫醚(DMDS)为典型的疏水性恶臭代表物;以自产生物表面活性剂微生物为接种菌源;以负载磁性电子介体的椰壳炭为粒子电极兼生物膜载体,构建基于生物滴滤技术原理的3D-BER。系统开展直流电场胁迫下,三维电极生物膜协同自产生物表面活性剂提高疏水性恶臭气液两相传质速率和生物膜活性的研究。明确动力学参数对3D-BER电化学-生物转化DMDS效果和途径的影响;阐明电场和磁性电子介体作用与微生物自产生物表面活性剂之间的关联特性;探讨优势种群时空动态变化、微生物代谢DMDS的电子传递和生物膜活性响应机制。本项目的顺利实施将有助于揭示疏水性恶臭在3D-BER内催化转化过程的界面传质强化和微生物学机制,也为生物法处理其它疏水性气态污染物提供有价值的理论与技术参考。
英文摘要
Long gas residence time and low elimination capacity are the bottleneck problems of biotechnology during the process of hydrophobic odorous pollutants treatment. Co-regulation of interfacial gas-liquid mass transfer and biofilm activity is an effective way to enhance the treatment efficiency of odor. In this project, 3D-BER will be constructed based on the technology principle of biotrickling filter with dimethyl disulfide (DMDS) as a representation of hydrophobic odorous pollutants, biosurfactant-producing microorganisms as inoculums, and coconut husk biochar loaded with magnetic electron mediator as three-dimensional electrode and packing material for microorganism immobilization. Under the direct current electric field stress, the enhancement of gas-liquid two-phase mass transfer rate of hydrophobic odor and biofilm activity by three-dimensional electrode biofilm and self-produced biosurfactant will be studied. The effects of kinetic parameters on the degradation performance and pathway of DMDS by electrochemistry and biotransformation in 3D-BER will be determined; the correlation characteristics between biosurfactant produced by microorganism and electric field, magnetic electron mediator will be clarified; and the spatiotemporal dynamic change of dominant population, the electron transport and response mechanism of biofilm activity in the process of microbial metabolism of DMDS will be discussed. The successful implementation of this project is beneficial to revealing the enhancement of interfacial mass transfer and the mechanism of Microbiology druing the catalytic conversion of hydrophobic odor in 3D-BER,and it will also provide valuable theoretical and technical reference for biological treatment of other hydrophobic gaseous pollutants.
恶臭污染已成影响空气质量的突出问题。生物技术是一种常用的空气污染治理技术,针对生物技术处理疏水性恶臭污染物存在气液两相传质速率慢和生物去除效率低的瓶颈问题,本项目采取了微生物自产生物表面活性剂强化界面气液传质和电子介体耦合电促调控生物活性的策略加以解决。项目主要开展的研究内容包括:兼具典型恶臭污染物降解和自产生物表面活性剂菌种的筛选和鉴定研究;自产生物表面活性剂菌种降解恶臭污染物的效率和自产表面活性剂能力的动力学影响因素研究;自产生物表面活性剂的鉴定和恶臭污染物的生物转化途径研究;电子介体的制备及电子介体促进微生物菌种降解恶臭污染物效率提升、自产生物表面活性剂能力和酶活之间的关联性研究;电子介体协同电促增效微生物降解恶臭污染物的性能和生物活性研究;构建生物滴滤反应器并初步开展了生物降解恶臭污染物效果研究。研究结果表明,以恶臭污染物二甲基二硫醚和对二甲苯为唯一碳源和能源筛选出兼具降解和自产生物表面活性剂的降解菌,经生理生化和分子生物学鉴定菌种均为革兰氏阴性菌,其中二甲基二硫醚降解菌种R1属于木糖氧化无色杆菌Achromobacter xylosoxidans(菌种保藏编号:GDMCC NO.65642),对二甲苯降解菌种HN01属于肠杆菌Enterobacter(菌种保藏编号:GDMCC No.62010),两个菌种自产生物表面活性剂类型均为糖脂类;以不同废弃生物质为原料制备的生物炭作为电子介体,可以显著提高体系中菌种降解恶臭污染物的去除率、矿化率和自产表面活性剂的能力;电子介体的加入显著提高体系中CAT、SOD和POD酶的活性,并不改变污染物的降解途径;构建了三维生物膜-电催化协同降解体系(3D-BER),在外加电压0.75 V和磁性电子介体介导作用下,可以进一步提升生物降解恶臭污染物的效果,将生物降解时间缩短90%以上。基于研究成果已发表SCI学术论文4篇,其中一区TOP期刊论文2篇;申请国家发明专利3项和实用新型专利1项,其中已授权国家发明专利1项。本项目的完成和所取得的研究成果可为生物技术有效处理疏水性恶臭污染物提供理论和技术参考。
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