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同效應：COD去除、毒性消除及微生物調控進展  

來源：Chemosphere, Volume 318, 2023, Article 137956  

《Chemosphere》第318卷，2023年，文章編號137956  

 

摘要內容  

本研究提出臭氧氧化與生物降解同步耦合（SCOB）系統處理實際焦化廢水。相比單獨臭氧系統（COD去除率27.6%）和單獨生物系統（幾乎無去除），SCOB系統COD去除率達48.5%，總酚去除率79.3%，動力學降解常數提高55.6%。SCOB系統出水毒性（發光細菌抑制率17.3%）較單獨臭氧系統降低306%，色度降低270倍。通過多孔載體保護微生物，載體內部形成缺氧微環境（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域。長期運行（20周期）中，SCOB系統COD去除率穩定在>80%，證實其工程應用潛力。  

 

研究目的  

驗證SCOB系統處理實際焦化廢水的可行性  

 

闡明臭氧與生物降解的協同機制  

 

解析微生物在臭氧脅迫下的響應與功能調控  

 

評估系統長期運行穩定性及毒性削減效能  

 

研究思路  

系統構建：設計SCOB反應器（載體填充率60%），對比單獨生物降解、單獨臭氧系統  

 

短期實驗：測定COD/總酚去除動力學（圖1）、毒性變化（圖2）及載體微環境（圖5b）  

 

 

 

長期運行：20個周期連續處理，監測COD去除穩定性（圖3）  

 

機制解析：FTIR/EEM分析有機物轉化（圖4），微生物群落（圖5c）及功能（圖5d）表征  

 

 

協同機制：提出臭氧氧化-載體保護-梯度生物降解模型（圖6）  

 

測量數據及研究意義  

COD/總酚去除數據（圖1）  

 

數據：SCOB系統COD去除率48.5%，總酚去除率79.3%，動力學常數k=0.083 h?1  

 

意義：量化協同效應，證實SCOB較單一系統效率顯著提升  

 

來源：圖1a（COD去除曲線），圖1b（總酚去除曲線）  

毒性削減數據（圖2）  

 

數據：SCOB系統出水發光細菌抑制率17.3%，較單獨臭氧系統（71.3%）降低306%  

 

意義：揭示臭氧氧化有效降解毒性物質（如-C≡N鍵斷裂）  

 

來源：圖2（毒性抑制率對比）  

長期穩定性數據（圖3）  

 

數據：20周期運行后COD去除率穩定>80%，出水COD<300 mg/L  

 

意義：驗證工程可行性，載體保護微生物抵御臭氧脅迫  

 

來源：圖3（連續運行COD變化）  

載體微環境數據（圖5b）  

 

數據：載體外部DO>4 mg/L（好氧），內部DO<0.5 mg/L（缺氧）  

 

意義：解釋微生物空間分異（外部好氧菌/內部厭氧菌）  

 

來源：圖5b（DO梯度分布）  

微生物群落數據（圖5c-d）  

 

數據：載體內部富集厭氧菌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：闡明內部為關鍵降解區域，微生物功能適應中間產物降解  

 

來源：圖5c（群落組成），圖5d（KEGG功能）  

 

丹麥Unisense電極數據的核心意義  

使用Unisense微電極系統實現：  

微尺度DO梯度精準測繪：首次揭示載體從外到內（0→10mm）的溶解氧連續衰減曲線（圖5b），證實外部好氧（DO>4mg/L）、過渡區微氧（1-2mg/L）、核心缺氧（<0.5mg/L）的三層結構。  

 

微生物分異機制解析：DO梯度數據合理解釋菌群空間分布——外部富集好氧菌Comamonadaceae（降解臭氧中間產物），內部富集厭氧菌NS9_marine_group（礦化小分子有機物）。  

 

生物降解區域定位：通過DO突降點（深度5mm處DO≈0）確定生物活性最強區域，指導載體優化設計。  

 

過程關聯分析：結合ATP含量數據（外部613nmol/L→內部未檢出），揭示外部微生物依賴臭氧降解產物維持活性，而內部依賴厭氧代謝。  

 

結論  

高效協同性：SCOB系統通過臭氧破解難降解有機物（-C≡N/-C=C鍵斷裂）+載體內部生物降解，實現COD去除率>80%，毒性降低82.7%。  

 

微生物梯度調控：載體形成DO梯度微環境，外部好氧菌Comamonadaceae降解臭氧中間產物，內部厭氧菌NS9_marine_group礦化小分子有機物，功能互補。  

 

工程穩定性：20周期連續運行驗證系統抗沖擊負荷能力（進水COD 1430-2410 mg/L），出水COD穩定<300 mg/L。