使用改进的生物滴滤器和改良的喷洒结构，提高了粘胶纤维排放中CS2的降解效果

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced degradation of CS 2 in viscose fiber emissions using an improved biotrickling filter with a modified spraying structure

本研究提出一种分层喷雾生物滤池（BTFa），相比传统BTF，其空床水力停留时间（EBRT）缩短至16秒，碳 disulfide（CS?）去除效率达100%，去除容量达344.7 g·m?3·h?1，并有效抑制硫沉积，提升微生物群落适应性。

　　在工业生产过程中，尤其是以粘胶纤维制造为代表的行业中，二硫化碳（CS?）的排放是一个备受关注的问题。作为一种挥发性强且水溶性差的无机化合物，CS?广泛应用于化工、农药、橡胶、硫磺等多种材料的生产。然而，其排放对环境和人体健康构成了潜在威胁，尤其是在缺乏有效处理技术的情况下，可能会造成严重的空气污染。因此，探索高效、经济、可持续的CS?处理技术成为当前研究的重要方向。

在众多处理技术中，生物滴滤（Biotrickling Filter, BTF）因其低成本、无二次污染等优势，被广泛应用于气态污染物的处理。BTF的工作原理基于微生物的代谢活动，通过在填料表面形成生物膜，将污染物转化为无害物质。然而，传统的BTF设计中，营养液的喷洒方式较为单一，通常采用均匀喷洒的方式，仅在填料顶部进行喷洒，导致营养液从上至下流动。这种设计虽然在一定程度上能够维持微生物的生长，但由于营养液分布不均，填料中下层的微生物往往难以获得足够的营养供给，从而限制了其生长效率和污染物的降解能力。

为了改善这一现状，本研究提出了一种创新的BTF结构改进方案，即通过引入分层喷洒系统来优化营养液的分布。分层喷洒系统能够在不同填料层之间实现更为均匀的营养供给，使微生物在各个区域都能有效吸收和利用营养物质。同时，该系统还采用了逆流气液接触的方式，提高了气液之间的传质效率，从而进一步增强了污染物的去除能力。此外，本研究还对微生物群落的结构和功能进行了系统分析，揭示了不同喷洒策略对微生物生长环境和污染物降解路径的影响。

实验结果表明，改进后的BTF（称为BTFa）在较低的空床停留时间（Empty Bed Residence Time, EBRT）下仍能保持较高的去除效率（Removal Efficiency, RE）。在EBRT为16秒的条件下，BTFa的CS?去除能力（Elimination Capacity, EC）达到了344.7克/立方米/小时，去除效率保持在100%。相比之下，传统BTF（称为BTFc）在相同条件下仅实现了76.9%的去除效率。这说明，分层喷洒系统的引入显著提高了BTF的处理能力，尤其是在低EBRT条件下，依然能够维持高效的污染物降解。

进一步的实验还探讨了营养液喷洒频率对BTF性能的影响。当营养液的喷洒间隔从3小时延长至48小时时，传统BTF的处理效率明显下降，而改进后的BTFa则依然能够保持100%的去除效率。这表明，分层喷洒系统不仅提高了营养液的利用率，还增强了微生物群落在低营养供给条件下的适应能力。在实验过程中，研究人员发现，填料表面出现了淡黄色颗粒，而循环营养液中也出现了黄色沉积物，这些现象通常被认为是污染物未完全转化导致的硫堵塞问题。然而，在改进后的BTFa中，由于营养液分布的优化，这种堵塞现象得到了有效缓解，从而保证了污染物的高效去除。

在微生物群落的分析中，研究人员发现，优势菌种主要为结核分枝杆菌（Mycobacterium），其在CS?降解过程中起到了关键作用。通过实验，可以观察到，结核分枝杆菌能够将大部分CS?完全氧化为硫酸盐（SO?2?），从而实现了污染物的无害化处理。此外，研究还发现， facultative anaerobic（兼性厌氧）的结核分枝杆菌在复杂的环境条件下表现出更强的适应性，其在BTFa中的丰度达到了91.2%。这表明，改进后的BTF不仅提高了污染物的去除能力，还优化了微生物群落的结构，使其更适应于实际应用环境。

通过实验数据的分析，可以发现，分层喷洒系统在多个方面都优于传统均匀喷洒方式。首先，它显著提高了营养液的利用率，使得微生物在各个填料层之间都能获得充足的营养供给，从而促进了其生长和代谢活动。其次，分层喷洒系统能够有效减少EBRT，使得BTF在较低的停留时间下依然能够保持较高的处理效率。第三，该系统还增强了微生物群落在低营养供给条件下的生存能力，使其能够在恶劣环境下持续发挥降解作用。这些优势表明，分层喷洒系统是一种具有广泛应用前景的BTF改进方案，能够有效解决传统BTF在营养供给不均、处理效率低等问题。

此外，研究还探讨了不同填料材料对BTF性能的影响。实验表明，不同类型的填料材料能够对污染物的去除效率产生显著影响，其中某些材料在特定条件下表现出更高的传质能力和微生物附着能力。例如，在实验过程中，研究人员发现，使用陶瓷填料的BTF在低EBRT条件下能够实现更高的污染物去除效率，而使用其他材料的BTF则表现较差。这说明，填料材料的选择在BTF设计中同样至关重要，合理的填料材料能够提高系统的整体性能。

从实验数据来看，BTFa在不同EBRT条件下的表现优于传统BTFc。在EBRT为59秒的启动阶段，BTFa的CS?去除效率能够迅速达到100%，并且在随后的运行过程中保持稳定。相比之下，传统BTFc在启动阶段的去除效率较低，需要更长的EBRT才能达到类似的处理效果。这表明，分层喷洒系统的引入不仅提高了系统的处理效率，还缩短了启动时间，使得BTF能够更快地进入稳定运行状态。

在实际应用中，BTF的运行效率和稳定性受到多种因素的影响，包括EBRT、营养液喷洒频率、填料材料、微生物群落结构等。本研究通过引入分层喷洒系统，成功优化了这些因素之间的相互作用，使得BTF在较低的EBRT下仍能保持较高的处理效率。同时，该系统还能够有效延长营养液的喷洒间隔，从而降低运行成本，提高系统的经济可行性。此外，分层喷洒系统还能够减少营养液的喷洒量，降低能耗，使得BTF更加适用于实际工厂的长期运行。

从微生物群落的角度来看，分层喷洒系统能够提供更稳定的营养供给环境，使得优势菌种能够在各个填料层之间均匀分布，从而提高了整个系统的降解能力。实验表明，优势菌种结核分枝杆菌在BTFa中的丰度显著高于传统BTFc，这表明分层喷洒系统能够促进优势菌种的生长和代谢活动，从而提高污染物的去除效率。此外，研究还发现，分层喷洒系统能够有效减少污染物的不完全转化，从而降低硫堵塞的风险，提高系统的运行稳定性。

综上所述，本研究提出了一种创新的BTF结构改进方案，即分层喷洒系统。该系统在多个方面都优于传统均匀喷洒方式，能够显著提高CS?的去除效率，降低EBRT，增强微生物群落的适应能力，并减少运行成本。实验结果表明，改进后的BTF在实际应用中具有较高的可行性，能够有效解决传统BTF在营养供给不均、处理效率低等问题。因此，分层喷洒系统为CS?的处理提供了一种新的策略，具有重要的工程应用价值。