综述：有机废气生物净化过程中的碳去除及其转化：综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Carbon removal and its transformation in the biological purification process for organic waste gases: A review

生物净化技术利用微生物代谢转化挥发性有机物(VOCs)为碳酸盐基生物质，实现碳封存与减排协同。本文从碳流视角系统解析VOCs生物净化的碳去除与转化机制，提出三相碳产物分类量化方法及碳质量平衡模型，阐明工艺类型、操作参数、微生物群落对碳分配的影响规律，揭示生物氧化与碳同化协同增效机制，为碳中和背景下的VOCs治理提供理论支撑。

　　

程卓伟|陈阿波|陈建萌|王佳德|陈东志|赵京凯|余建明

浙江工业大学环境学院，杭州，310014，中国

摘要

生物净化技术利用微生物代谢将废气中的挥发性有机化合物（VOCs）转化为各种降解产物和生物质，从而在实现碳中和的背景下展现出显著的碳封存潜力。本文超越了传统上对去除效率的关注，从碳流动的角度系统总结了VOCs生物净化过程中的碳去除和转化机制。它重点讨论了碳转化途径、三相（气相、液相、固相）碳产物的分类和量化方法，以及建立碳质量平衡的策略。通过分析关键因素（包括工艺类型、操作参数和微生物群落）对碳分配的影响，本文提出了优化途径以增强VOCs向生物质的转化。本文旨在推动废气处理从传统的末端治理向碳中和技术的转变，为同时减少大气污染物和碳排放提供理论基础。

引言

挥发性有机化合物（VOCs）主要来源于工业固定源和移动源的人为排放。固定工业源包括石油精炼、煤化工加工、燃料储存和运输系统以及专门的化学品制造（如涂料、农药等）。移动人为源主要涉及城市活动模式，包括建筑装饰过程和商业餐饮服务[1]。2022年，中国的人为VOCs排放量达到了566.1万吨，这构成了一个重要的环境挑战。这些反应性VOCs参与了复杂的大气光化学反应，成为臭氧和PM_2.5的双重前体[2]。许多研究强调采取综合控制策略来减少VOCs排放至关重要[3]、[4]。

另一方面，主要来源于二氧化碳（CO₂）的人为排放已经在全球气候系统中引发了正反馈循环。大气中CO₂浓度的非线性上升（430 ppm）使得碳中和成为全球性的紧迫任务。在污染处理领域，许多技术面临的重大挑战是同时实现三个关键目标：保持有效的污染物去除效率、在净化过程中最小化碳排放，以及降低处理后的总体碳足迹。通过涵盖能源效率优化和减排策略的双重关注框架，可以分析废气处理中实现碳中和的途径[5]。这种方法包括两种主要策略：优化VOCs处理过程中的能源利用和通过创新技术解决方案实现能源自给自足[6]、[7]。

存在多种VOCs处理技术，每种技术都有其独特的优势和劣势以及特定的应用领域，并且在碳排放强度方面也表现出差异。传统处理技术通常在运行过程中消耗大量能源[8]、[9]。此外，许多处理过程的氧化特性会将VOCs中的碳转化为CO₂，从而产生大量的碳排放，增加了总体环境足迹。在目前可用的处理技术中，生物处理技术已成为一种有前景的解决方案。生物净化技术利用微生物的代谢能力处理污染物，主要将其转化为CO₂、H₂O和微生物生物质。这一过程在生物质中封存了大量的碳。值得注意的是，这种碳封存是通过不同的生物转化途径实现的。在这项工作中，我们区分了两种不同的途径：（i）碳同化，即异养生物将VOC衍生的有机碳纳入微生物生物质；（ii）碳固定，具体指的是自养微生物或化能自养细菌将无机CO₂转化为有机物质的过程。由于某些生物过程的复杂性，当碳同化和碳固定同时发生时，仍被称为碳同化。总体而言，与完全氧化和矿化污染物碳所产生的废气流相比，生物处理导致的CO₂排放显著较低。

此外，生物净化通常在常温常压条件下进行，只需要最少的能源输入来运行必要的设备，主要限于为通风风扇和循环泵提供动力，从而消除了额外能源消耗的需求。以广泛采用的再生热氧化器（RTO）技术和生物净化技术为例，两者在碳排放方面存在显著差异。实证数据显示，RTO过程大约产生29.8吨CO₂/吨VOCs。相比之下，生物处理系统完全消除了燃料消耗，并通过微生物生物质转化实现了10-40%的碳同化率，与传统热氧化过程相比，碳排放减少了60%以上。生物空气净化技术在减少碳排放和能源消耗方面展示了巨大潜力，使其成为实现碳中和目标的有前景的战略技术之一。当然，这里讨论的碳中和潜力主要基于反应器规模上的核心碳流动观察，并未涵盖完整的生命周期碳核算。

图1所示的文献计量分析涵盖了2018年至2025年的大约14,000篇出版物，显示“VOCs”、“microbes”、“CO?”、“products”和“performance”等关键词的频率显著较高。这表明研究主要集中在VOCs的生物净化上，特别强调净化过程中的污染物去除效率和降解产物，反映出缺乏从碳流动角度的分析。VOCs的生物净化代表了一个典型的三相质量传递过程，其中VOCs中的碳元素在气相、液相和固相之间的分配从根本上决定了系统内的碳分布和转化动态。理论上，生物质产量的增加与整个VOCs净化周期内的碳排放减少相关。当前对VOCs生物净化过程的碳平衡分析表明，碳封存效率受到多种因素的影响。因此，从多相碳流动的角度深入分析和理解生物VOCs净化过程中的碳去除和转化具有重要的实际意义。

本文全面系统地概述了VOCs生物净化中的碳去除和转化过程。超越了以往仅关注碳去除的研究，我们将碳转化和同化纳入了评估框架。具体来说，我们详细介绍了过程中的代谢途径，分类和量化了三相中的碳基产物，并建立了碳质量平衡的方法。通过分析去除性能和同化效率，我们探讨了工艺类型、操作参数和微生物群落组成等关键因素对碳分布的影响。此外，本文提出了优化碳去除路径和增强污染物衍生碳向细胞生物质转化的策略。这对于加深我们对这一过程的全面理解以及促进协同减少大气污染物和碳排放的策略优化至关重要。

部分摘录

碳转化途径

VOCs的生物处理与物理和化学技术相比具有独特的特点，因为它不仅将VOCs矿化为CO₂，还通过微生物代谢和生长过程将其中的一部分碳转化为生物质。通过代谢同化过程，微生物将VOCs污染物转化为其细胞生物质，从而实现碳同化。生成的生物质随后作为废污泥排出

不同相中的碳量化和监测

作为VOCs的基本组成部分，碳在生物净化过程中经历复杂的相变：（i）以二氧化碳和气态代谢中间体的形式存在于气相中；（ii）以可溶性代谢产物的形式存在于液相中；（iii）以固定在填料材料和细胞表面或被微生物同化的形式存在于固相中（图3）。这种多相碳流动最终导致碳的消耗或积累

净化工艺类型对碳转化和同化的影响

基于建立的碳平衡方法，可以进一步研究净化工艺类型如何影响碳的分布和转化途径。净化技术的选择对于确定VOCs处理过程中的碳转化途径和最终命运至关重要。处理工艺的选择决定了特定的反应器设计，这从根本上影响了包括气-液

pH值

pH值是生物净化系统中的一个关键操作参数，对酶促降解动力学和微生物群落的存活能力具有双重控制作用，从而决定了整个系统的性能。pH值超出最佳范围（6.5-8.5）会显著影响微生物的代谢活性，导致降解速率降低和系统效率下降[55]。大多数可生物降解的微生物具有中性特征

微生物种类对碳同化的影响

生物膜是生物净化系统中的基本功能单元，在其中通过微生物代谢活动发挥关键作用，参与VOCs的氧化降解。一般来说，生物膜是由微生物自身产生的细胞外聚合物基质中的结构化微生物群落，通常附着在生物处理系统的固体表面上。在这个微环境中，微生物群落共同降解VOCs

总结与展望

在过去几十年中，由于独特的成本效益和可持续性，废气生物净化技术受到了广泛关注。在碳中和的背景下，污染去除的目标已经从满足排放标准转变为低碳和资源高效的发展，进一步突显了生物处理VOCs在控制碳流动和减排潜力方面的巨大优势。

未引用的参考文献

[151], [152]

CRediT作者贡献声明

程卓伟：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。余建明：方法论，概念化。陈建萌：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，资源管理，项目管理，方法论，资金获取，概念化。王佳德：方法论，数据管理，概念化。陈东志：方法论，数据

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢浙江省工业污染低碳控制关键技术实验室（2025ZY01076）和中国国家重点研发计划（2022YFC3702000）的资助。