2021年度成果总结-废气生物净化方向
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成员介绍
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科研成果
课题组在2021年发表4篇SCI论文，内容主要集中在填料层结构定量描述和堵塞控制方面：
First
题目：Determination of filter bed structure characteristics and influence on performance of a 3D matrix biofilter in gaseous chlorobenzene treatment
发表时间：2021.1.15
第一作者：韩梦非
期刊：Biochemical Engineering Journal（JCR Q2）
文章亮点
1、提出了定量化描述生物过滤塔结构特征的系列参数，包括填料层高度、压降、空隙率、能量损失系数、填料因子、比表面积和传质系数。
2、量化比较了两种不同填料生物过滤塔（珍珠岩乱堆填料层和三维骨架填料层）填料层结构的差异。
3、通过添加高机械强度三维骨架填料能显著改善生物过滤塔的填料层定量化结构参数，使生物过滤塔在长期运行过程中表现出更好的运行稳定性。
图文总结
填料层是生物过滤塔的重要组成部分，为微生物提供了附着场所。但在生物过滤塔长期运行过程中，由于填料自重导致的填料层压实和生物过量积累，使得填料层结构发生变化，会引起填料层压降升高和去除率下降。本研究建立了两组不同填料的生物滤塔，构建了以3D-matrix材料为骨架填料的3D-matix生物填料层，在3D-matix材料的网格内装填珍珠岩填料，在填料表面进行挂膜并对比传统生物滤塔（珍珠岩乱堆）。在长期运行过程中，研究了3D-matrix生物过滤塔的去除性能和填料层结构特性，提出了定量化描述生物过滤塔结构特征的系列参数，包括填料层高度、压降、空隙率、能量损失系数、填料因子、比表面积和传质系数。研究结果表明，在100天的运行过程中，相较于对照组，实验组生物滤塔效率高，稳定性好；填料层压降和高度变化小，有更高的结构强度；填料因子较小，说明气体流动阻力更小；传质系数高，证明传质过程得到了改善。实验结果表明通过添加高机械强度三维骨架填料能显著改善生物过滤塔的填料层定量化结构参数，使生物过滤塔在长期运行过程中表现出更好的运行稳定性。
Second
题目：Emission, measurement, and control of odor in livestock farms: A review
发表时间：2021.7.1
第一作者：王永超
期刊：Science of the Total Environment（JCR Q1）
文章亮点
1、总结了畜禽养殖厂中恶臭气体的排放特征、物质类型和浓度分布。
2、全面介绍了各种恶臭气体的采样和检测方法及其相关标准。
3、对比评估了常用恶臭控制技术的性能和应用范围。
图文总结
随着大型集约化养殖场的发展，近年来，来自养殖场的恶臭排放引起了越来越多的关注。关于畜禽场散发的气味的特征和控制技术的研究仍缺乏详尽的总结。因此，应总结畜禽养殖场恶臭排放的来源，检测和控制技术，以克服由恶臭排放引起的畜禽养殖发展的局限性，促进畜牧业的发展。
本研究首先总结了不同国家和地区的气味排放标准，介绍了畜禽养殖厂中恶臭气体的排放特征、物质类型和浓度分布，对比了不同采样方法采样条件的适用条件，同时还总结了不同检测技术对特定物质的分析特点，为进一步的风险评估和污染控制做出了指导作用。评估了几种常用恶臭控制技术的性能和应用范围，还对不同气味控制技术的特点，包括面积，成本（投资和运营成本），操作难度，稳定性和二次污染等进行了综述，阐明了各个技术的适用条件。最后，论文进一步提出了针对性的畜禽养殖场恶臭控制策略。
Third
题目：Reduction of biofilm adhesion strength by adjusting the characteristics of biofilms through enzymatic quorum quenching
发表时间：2021.10.1（接收）
第一作者：王永超
期刊：Chemosphere（JCR Q2）
文章亮点
1、探索了酶促群体淬灭对生物膜形成过程中黏附强度的影响。
2、采用了一种基于水流剪切力的方法定量测量生物膜的黏附强度。
图文总结
生物膜由细菌细胞、胞外聚合物(EPS)、细粒度的颗粒和水的混合物组成，广泛应用于环境工程中，如生物过滤器、生物接触氧化反应器、生物滴滤器和膜生物反应器(MBR)等。在这些生物反应器中，生物膜的形成和附着在载体表面是关键过程。因此，理解和管理生物膜的黏附对促进生物反应器的发展具有重要意义。本研究采用了一种基于水流剪切力的方法定量测量生物膜的黏附强度，以木板为微生物生长载体，通过对比水流剪切力对生物膜的削减量来测定生物膜的黏附强度。还探究了酶促群体淬灭对生物膜形成过程中黏附强度的影响，通过对比QQ酶的添加对微生物信号分子强度、EPS含量、相对疏水性、ZETA电位、生物膜厚度，阐明了QQ酶对生物膜生成的影响机理。研究结果表明，QQ酶通过降解信号分子，降低细胞外聚合物，降低相对疏水性，改变zeta电位，减弱生物膜的黏附强度。在QQ酶的作用下，生物膜的黏附强度比对照降低至少37%，生物膜的积累速率也大大降低，抑制了生物膜的形成和积累。QQ酶能够有效降低生物膜的黏附强度，为生物反应器中生物膜黏附的管理和调控提供了一种新的策略。
Forth
题目：Inhibiting effect of quorum quenching on biomass accumulation: A clogging control strategy in gas biofilters
发表时间：2021.12.20（接收）
第一作者：王永超
期刊：Chemical Engineering Journal（JCR Q1）
文章亮点
1、QQ酶能够调节生物膜厚度和粘附。
2、酰基酶通过降低AHLs浓度来控制生物滤池堵塞。
3、运行70天时，QQBF (75 Pa m-1)的压降低于BF (156 Pa m-1)。
4、QQBF的生物量积累量比BF低34%。
5、QQBF中微生物的平均代谢活性几乎是BF的2倍。
图文总结
避免生物量的过量积累导致填料层的堵塞，对于维持废气生物过滤塔的长期稳定运行至关重要。然而，目前基于物理和化学技术的方法可能会降低去除效率。近年来，基于群体感应淬灭（Quorum Quenching，QQ）的微生物种群交流方式被广泛研究。但是QQ的生物过滤中生物膜形成和积累的控制仍然缺乏研究，因此，研究基于QQ的酰基酶在形成生物量中的作用及影响机理具有重要意义。
本研究利用QQ酶为气相生物滤器开发了一种新的防堵塞策略。建立了两座生物滤塔QQBF和BF，探究了酰基酶对生物滤塔运行性能影响，探究了酰化酶对生物生物滤塔运行过程中的影响机理。最后，利用高通量测序技术进行功能基因预测，揭示了生物滤池中酶-QQ的影响机制。结果表明，随着酰基酶作用，填料表面生物膜的粘附强度降低，导致生物量随着喷淋液的喷淋而脱落。在70 天的运行过程中，BF的最终生物量累积量为218.50 kg·m-3，而QQBF仅为130.58 kg·m-3。与BF内156 Pa·m-1的压降相比，QQBF的压降仅为75 Pa·m-1，生物量积累量的减少和填料层压降的降低有效地解决了气体生物滤池堵塞的问题，显著提高了运行稳定性。此外，基于QQ的生物量控制策略还通过降低生物膜厚度和灭活微生物的比例来提高代谢活性。综上所述，QQ在控制气体生物滤池堵塞方面有较好的应用前景。