利用皂苷增强生物滴滤器的重启功能：一种高效的停运后异味和挥发性有机化合物（VOCs）去除策略

《Biochemical Engineering Journal》：Enhancing Biotrickling Filter Restart with Saponin: A Strategy for Efficient Odor and VOCs Removal Post-Shutdown

本研究探讨皂苷作为生物滤池（BTF）重启辅助添加剂的可行性。实验选用松木屑、MBBR填料、 grit和聚酯纤维四种填料，在猪场实际工况下评估其效果。结果表明，40 mg/L皂苷浓度下，臭味去除效率4天内从60%提升至100%，NH3和H2S去除率超95%；80 mg/L时VOCs去除率超90%。机制分析显示皂苷促进生物膜多糖和蛋白质分泌，增强稳定性及传质效率。微生物群落以变形菌为主，但不同填料下优势菌属各异。该策略为解决BTF长期停机后的快速重启提供了有效解决方案。

　　

田坤|毛玉迪|黄川|徐文来|谭琼|李卓琳|齐仁利|杨宇然|朱佳明|詹月

中国重庆市动物科学院，重庆402460

摘要

养猪业中周期性的生产波动常常导致生物滴滤器（BTF）长时间停机，从而影响其重启性能。为了解决这个问题，本研究评估了在实际养猪场条件下使用皂苷作为辅助添加剂来提升BTF重启效果的可行性。实验中使用了四种不同的填充材料（松树皮、移动床生物膜反应器（MBBR）介质、砂砾和聚酯纤维），并在相同的操作条件下对它们在重启过程中的表现进行了评估（气流：200 L/h；空床停留时间（EBRT）：113.04 s；VOCs入口浓度约为2.00 mg/m3；气味浓度：30-160）。结果表明，在皂苷浓度为40 mg/L时，气味去除效率在四天内迅速从60%提高到100%，而NH?和H?S的去除效率超过了95%。随着皂苷浓度的进一步增加，VOCs的去除效率也得到了提升，在80 mg/L时去除效率超过了90%。生物膜分析显示，皂苷的添加促进了细胞外聚合物的生成，多糖含量平均增加了1.28 mg/mL，蛋白质含量增加了0.11 mg/mL，这有助于提高生物膜的稳定性。此外，皂苷浓度的提高还增强了生物膜表面的疏水性，有利于气味化合物的传递。微生物群落分析表明，变形菌门是所有反应器中的主要菌门（占比超过40.55%），尽管不同填充材料下的优势菌属有所不同。这些发现表明，皂苷是一种有效的策略，可以加速养猪系统中BTF在停机后的重启。

引言

集约化和大规模的养猪业导致了猪舍内气味污染的加剧[1]，这对人类和动物的健康构成了严重威胁[2]、[3]、[4]。猪舍中的主要气味来源是粪便和饲料残渣的分解[5]，产生的有害气体包括氨（NH?）、硫化氢（H?S）和挥发性有机化合物（VOCs）[6]。其中，NH?和H?S具有高度刺激性，对农场工人和猪只构成最大风险[7]。当猪舍空气中的NH?浓度达到37.5 mg/m3时，仔猪的体重增长会减少12%[8]。浓度在75至150 mg/m3之间时，猪只会出现流口水和食欲减退等症状[9]。在H?S浓度为30 mg/m3时，猪只会出现畏光和食欲不振的现象；而浓度超过80 mg/m3时，则会引起呕吐、恶心和腹泻[8]。在中国18个省份中，与畜牧业相关的气味问题位列环境投诉的首位[10]。鉴于气味污染的严重性，有效管理气味问题已成为畜牧业面临的一项紧迫且不可避免的挑战。

已经开发了多种除臭技术，包括物理、化学和生物方法[11]。由于运行成本低且不会产生二次污染，生物方法已成为主流的除臭手段[12]。其中，生物滴滤器（BTF）能够去除多种污染物，包括NH?、H?S、总VOCs和气味化合物[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。它也是大规模养猪场中最广泛采用的方法，具有处理效率高、操作简单和运行稳定性强的优点[18]、[19]。即使NH?入口浓度持续增加，BTF系统的NH?去除率仍能保持在95%以上，并且可以稳定运行57天。张等人[20]使用BTF系统处理来自畜禽粪便堆肥的恶臭气体，系统连续稳定运行了30天，NH?的去除率超过了90%，H?S的去除率为96%，总VOCs的去除率为56%。然而，BTF技术的实际应用面临诸多挑战[21]，尤其是由于农场生产需求导致的强制停机所引起的负荷波动[22]，这会大幅降低BTF的性能。此外，停机期间碳源的耗尽会破坏BTF内的微生物平衡[23]，从而影响重启效率。因此，实现BTF的快速重启仍然是养猪场中稳定运行BTF系统的关键障碍。

某些化学添加剂可以促进BTF的重启，但它们通常会带来负面效果，从而阻碍反应器的持续高效运行。因此，重启策略必须同时考虑添加剂的物理化学性质及其对系统运行参数的影响。大多数养猪场选择添加外部碳源来提升BTF系统的重启性能。颜等人[24]发现，添加聚乙二醇-600和替硝唑片剂可以恢复BTF的功能，但这导致系统压力降增加到341 Pa，从而降低了整体处理效率。Khabiri等人[25]发现，每天提供新鲜营养液可以将生物滴滤器的甲烷去除效率提高到66%，但当停止提供营养液后，去除效率降至57%。然而，过量添加添加剂会导致系统内生物膜过度积累。作为天然表面活性剂的皂苷具有低成本、低毒性和环境可持续性的优点。研究表明，添加皂苷等表面活性剂可以有效提高生物滴滤器中对疏水性挥发性有机化合物的去除效率[26]。然而，关于皂苷在养猪场实际应用效果的研究仍然有限，特别是在其作为快速重启BTF系统的有效添加剂方面的潜力方面。

为了解决这些限制，本研究系统地探讨了在现实养猪场操作条件下利用皂苷辅助快速重启生物滴滤器的策略。与大多数关注稳态运行或短期干扰的研究不同，本研究特别针对长期停机（65天）后的BTF重启进行了研究，这反映了实际养猪业中常见的间歇性运行情况。此外，还比较评估了四种代表性的填充材料（松树皮、MBBR介质、砂砾和聚酯纤维），这些材料在工程实践中被广泛使用，以评估所提出策略的普遍性。同时，通过分析添加皂苷前后BTF的气味去除效率和VOCs去除效率的变化，以及生物膜特性和功能性微生物群落的变化，阐明了皂苷促进BTF重启的机制。本研究基于以下假设：（1）可生物降解的皂苷作为添加剂，可以通过增强生物膜稳定性和活性来促进反应器的快速重启；（2）皂苷可以通过调节生物膜特性和功能性微生物群落结构，改善微生物对有害化合物的吸收效率，从而提高降解效率。最终，本研究旨在为大规模养猪场中BTF系统的快速重新激活提供实用策略和技术见解。

实验猪舍描述

实验在重庆市荣昌区的一个养猪场进行。猪舍由九个圈舍组成；前8个圈舍每个圈舍养有5头猪，第9个圈舍养有63头猪。粪便通过漏缝地板冲洗系统清除。猪舍后门两侧各安装了一台风扇，确保总通风量为45,500 m3/h。

微生物接种剂的选择

实验使用的微生物接种剂来自该养猪场的猪粪。稀释后，将猪粪上清液加入填充有生物滤料的BTF中

气味去除效率分析

在重启期间，每个反应器的气味去除效率（ReOU）变化如图2所示。添加皂苷之前，四个反应器出口的气味值介于120至160之间。松树皮、MBBR、砂砾和聚酯纤维反应器的气味去除效率分别为74%、66%、55%和61%。第12天时，添加了40 mg/L的皂苷，可能有助于恢复反应器的除臭性能。到第16天时，除了装有松树皮的BTF外，其他所有反应器的效果都有所改善

结论

本研究表明，植物来源的皂苷作为一种低成本且有效的体外添加剂，可用于快速重启运行中的BTF。在皂苷浓度为40 mg/L时，除臭性能得到了迅速恢复。当皂苷浓度增加到80 mg/L时，所有反应器的VOC去除率均超过了90%。持续监测显示，所有反应器均实现了几乎完全去除NH?和H?S。添加皂苷有助于

作者贡献声明

田坤：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，数据分析。毛玉迪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，研究调查，数据分析。齐仁利：撰写 – 审稿与编辑，监督。杨宇然：撰写 – 审稿与编辑，监督，数据管理，概念构思。朱佳明：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集，概念构思。詹月：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家生猪技术创新中心（NCTIP-XDB18；NCTIP-XD/B07）的试点科技项目的支持。