Effects of oxygen and water content on microbial distribution in the polyurethane foam cubes of a biofilter for SO2 removal

氧氣和水分含量對生物過濾器聚氨酯泡沫立方體中微生物分布的影響

來源：Journal of Environmental Sciences, Volume 63, 2018, Pages 268-276

《環境科學學報》第63卷，2018年，第268-276頁

 

摘要

本研究利用微電極分析了用于SO2去除的生物過濾器中聚氨酯泡沫立方體（PUFCs）內的氧氣分布。氧氣分布隨PUFCs的密度和含水率（WCR）變化。在WCR為97.20%的PUFC中，氧氣濃度從表面到中心從10.2 mg/L急劇下降至0.8 mg/L。高WCR的PUFCs呈現好氧-缺氧-好氧區域。三維模擬圖像顯示，高WCR的PUFCs結構由好氧的“殼”和缺氧的“核”組成，且高密度PUFCs的缺氧區比低密度PUFCs更大。此外，PUFC中的水分分布不均并影響了氧氣濃度。在PUFC表面觀察到好氧細菌，而在氧氣濃度相對較低的PUFC核心則發現了兼性厭氧微生物。氧氣和水分在PUFCs中的分布不同，微生物的分布也相應變化。

 

研究目的

本研究旨在探究生物過濾器填充材料——聚氨酯泡沫立方體（PUFCs）內部的氧氣（O2）和水分（H2O）分布特性，以及這些分布如何影響其內部微生物的種群結構，從而深入理解生物過濾器運行性能（如SO2去除）與微環境條件之間的關系。

 

研究思路

研究思路包括：首先，選用不同密度和孔徑的新PUFCs以及從運行中的生物過濾器采集的附著微生物的PUFC（PUFC-M）作為實驗材料；其次，使用丹麥Unisense微電極測量PUFCs內部不同位置和不同含水率下的溶解氧（DO）濃度分布，并利用三維模擬軟件可視化O2和H2O的分布；然后，通過稱重法分析PUFCs內部水分的三維分布；最后，結合掃描電子顯微鏡（SEM）觀察和PCR-DGGE（聚合酶鏈反應-變性梯度凝膠電泳）技術，分析PUFCs表面和中心的微生物群落組成，從而將物理化學微環境與生物分布聯系起來。

 

測量的數據及研究意義

1 氧氣（O2）濃度分布數據，主要來自圖2、圖3c、d、圖4c、d和圖5。研究意義是直接揭示PUFCs內部存在的氧氣梯度，證實高含水率會導致材料核心出現缺氧區，這直接影響好氧和厭氧微生物的生存空間，為優化生物過濾器的供氧條件和理解污染物（如SO2）的轉化路徑（好氧氧化與缺氧還原）提供了關鍵依據。

 

 

 

 

2 水分（H2O）分布數據，來自圖3a、b和圖4a、b以及表2。研究意義是表明水分在PUFCs內部分布不均勻（受重力影響），這種不均勻性是導致氧氣分布異質性的主要原因，強調了控制填充材料濕度對于維持生物過濾器內均勻反應環境的重要性。

 

3 微生物群落組成數據，來自圖6和表3。研究意義是通過對比PUFCs表面（高氧）和核心（低氧）的微生物種群，發現了好氧細菌（如Fictibacillus gelatini）主要分布在表面，而兼性厭氧細菌（如Bacillus thermoamylovorans, Enterococcus durans）則在核心區域占優勢，直觀地證明了氧氣濃度是驅動生物過濾器內微生物空間分布的關鍵生態因子。

 

 

 

結論

1 PUFCs內的水分分布不均勻，導致氧氣分布呈現異質性，高含水率條件下PUFCs形成具有好氧“殼”和缺氧“核”的結構。

2 PUFCs的密度和含水率共同影響其內部的氧氣分布，高密度PUFCs在相同高含水率下具有更大的缺氧區。

3 微生物在PUFCs中的分布與氧氣濃度密切相關：好氧細菌富集于表面高氧區，而兼性厭氧微生物則存在于核心低氧區。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense公司生產的OX-10型微電極（尖端直徑10μm）測量溶解氧數據，其研究意義在于能夠以極高的空間分辨率（步長100μm）對PUFCs內部的微環境進行原位、無損的精確測量。這種技術首次成功應用于廢氣生物處理系統填充材料的內部氧氣監測，克服了傳統方法難以直接測定的局限。通過獲得從材料表面到中心的連續氧氣濃度剖面圖，研究直接證實了在高含水率填充材料內部存在顯著的氧氣擴散限制和缺氧區的形成。這一發現至關重要，因為它將生物過濾器的宏觀運行性能（如SO2去除效率）與微觀的傳質過程和微生物生態聯系了起來。例如，SO2在好氧條件下可被氧化為硫酸根，而在缺氧環境下可能被還原，導致去除效率下降。因此，Unisense微電極提供的數據為理解生物過濾器內部的物理、化學和生物過程的耦合機制提供了直接證據，對優化生物過濾器的操作參數（如水分控制、填充材料選擇）以避免不利的缺氧條件、提高處理效率和穩定性具有重要的指導價值。