Synergistic effects of simultaneous coupling ozonation and biodegradation for coking wastewater treatment: Advances in COD removal, toxic elimination, and microbial regulation  

臭氧氧化與生物降解同步耦合處理焦化廢水的協(xié)同效應(yīng)：COD去除、毒性消除及微生物調(diào)控進(jìn)展  

來(lái)源：Chemosphere, Volume 318, 2023, Article 137956  

《Chemosphere》第318卷，2023年，文章編號(hào)137956  

 

摘要內(nèi)容  

本研究提出臭氧氧化與生物降解同步耦合（SCOB）系統(tǒng)處理實(shí)際焦化廢水。相比單獨(dú)臭氧系統(tǒng)（COD去除率27.6%）和單獨(dú)生物系統(tǒng)（幾乎無(wú)去除），SCOB系統(tǒng)COD去除率達(dá)48.5%，總酚去除率79.3%，動(dòng)力學(xué)降解常數(shù)提高55.6%。SCOB系統(tǒng)出水毒性（發(fā)光細(xì)菌抑制率17.3%）較單獨(dú)臭氧系統(tǒng)降低306%，色度降低270倍。通過(guò)多孔載體保護(hù)微生物，載體內(nèi)部形成缺氧微環(huán)境（DO<0.5 mg/L），富集Comamonadaceae（16.9%）、NS9_marine_group（12.3%）等厭氧菌群，成為主要生物降解區(qū)域。長(zhǎng)期運(yùn)行（20周期）中，SCOB系統(tǒng)COD去除率穩(wěn)定在>80%，證實(shí)其工程應(yīng)用潛力。  

 

研究目的  

驗(yàn)證SCOB系統(tǒng)處理實(shí)際焦化廢水的可行性  

 

闡明臭氧與生物降解的協(xié)同機(jī)制  

 

解析微生物在臭氧脅迫下的響應(yīng)與功能調(diào)控  

 

評(píng)估系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性及毒性削減效能  

 

研究思路  

系統(tǒng)構(gòu)建：設(shè)計(jì)SCOB反應(yīng)器（載體填充率60%），對(duì)比單獨(dú)生物降解、單獨(dú)臭氧系統(tǒng)  

 

短期實(shí)驗(yàn)：測(cè)定COD/總酚去除動(dòng)力學(xué)（圖1）、毒性變化（圖2）及載體微環(huán)境（圖5b）  

 

 

 

長(zhǎng)期運(yùn)行：20個(gè)周期連續(xù)處理，監(jiān)測(cè)COD去除穩(wěn)定性（圖3）  

 

機(jī)制解析：FTIR/EEM分析有機(jī)物轉(zhuǎn)化（圖4），微生物群落（圖5c）及功能（圖5d）表征  

 

 

協(xié)同機(jī)制：提出臭氧氧化-載體保護(hù)-梯度生物降解模型（圖6）  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

COD/總酚去除數(shù)據(jù)（圖1）  

 

數(shù)據(jù)：SCOB系統(tǒng)COD去除率48.5%，總酚去除率79.3%，動(dòng)力學(xué)常數(shù)k=0.083 h?1  

 

意義：量化協(xié)同效應(yīng)，證實(shí)SCOB較單一系統(tǒng)效率顯著提升  

 

來(lái)源：圖1a（COD去除曲線），圖1b（總酚去除曲線）  

毒性削減數(shù)據(jù)（圖2）  

 

數(shù)據(jù)：SCOB系統(tǒng)出水發(fā)光細(xì)菌抑制率17.3%，較單獨(dú)臭氧系統(tǒng)（71.3%）降低306%  

 

意義：揭示臭氧氧化有效降解毒性物質(zhì)（如-C≡N鍵斷裂）  

 

來(lái)源：圖2（毒性抑制率對(duì)比）  

長(zhǎng)期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：20周期運(yùn)行后COD去除率穩(wěn)定>80%，出水COD<300 mg/L  

 

意義：驗(yàn)證工程可行性，載體保護(hù)微生物抵御臭氧脅迫  

 

來(lái)源：圖3（連續(xù)運(yùn)行COD變化）  

載體微環(huán)境數(shù)據(jù)（圖5b）  

 

數(shù)據(jù)：載體外部DO>4 mg/L（好氧），內(nèi)部DO<0.5 mg/L（缺氧）  

 

意義：解釋微生物空間分異（外部好氧菌/內(nèi)部厭氧菌）  

 

來(lái)源：圖5b（DO梯度分布）  

微生物群落數(shù)據(jù)（圖5c-d）  

 

數(shù)據(jù)：載體內(nèi)部富集厭氧菌NS9_marine_group（12.3%）、Truepera（8.7%），碳水化合物代謝功能豐度提升1.3倍  

 

意義：闡明內(nèi)部為關(guān)鍵降解區(qū)域，微生物功能適應(yīng)中間產(chǎn)物降解  

 

來(lái)源：圖5c（群落組成），圖5d（KEGG功能）  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的核心意義  

使用Unisense微電極系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：  

微尺度DO梯度精準(zhǔn)測(cè)繪：首次揭示載體從外到內(nèi)（0→10mm）的溶解氧連續(xù)衰減曲線（圖5b），證實(shí)外部好氧（DO>4mg/L）、過(guò)渡區(qū)微氧（1-2mg/L）、核心缺氧（<0.5mg/L）的三層結(jié)構(gòu)。  

 

微生物分異機(jī)制解析：DO梯度數(shù)據(jù)合理解釋菌群空間分布——外部富集好氧菌Comamonadaceae（降解臭氧中間產(chǎn)物），內(nèi)部富集厭氧菌NS9_marine_group（礦化小分子有機(jī)物）。  

 

生物降解區(qū)域定位：通過(guò)DO突降點(diǎn)（深度5mm處DO≈0）確定生物活性最強(qiáng)區(qū)域，指導(dǎo)載體優(yōu)化設(shè)計(jì)。  

 

過(guò)程關(guān)聯(lián)分析：結(jié)合ATP含量數(shù)據(jù)（外部613nmol/L→內(nèi)部未檢出），揭示外部微生物依賴臭氧降解產(chǎn)物維持活性，而內(nèi)部依賴厭氧代謝。  

 

結(jié)論  

高效協(xié)同性：SCOB系統(tǒng)通過(guò)臭氧破解難降解有機(jī)物（-C≡N/-C=C鍵斷裂）+載體內(nèi)部生物降解，實(shí)現(xiàn)COD去除率>80%，毒性降低82.7%。  

 

微生物梯度調(diào)控：載體形成DO梯度微環(huán)境，外部好氧菌Comamonadaceae降解臭氧中間產(chǎn)物，內(nèi)部厭氧菌NS9_marine_group礦化小分子有機(jī)物，功能互補(bǔ)。  

 

工程穩(wěn)定性：20周期連續(xù)運(yùn)行驗(yàn)證系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力（進(jìn)水COD 1430-2410 mg/L），出水COD穩(wěn)定<300 mg/L。