放大型生物滴滤床净化甲苯/苯废气的研究*

陈英文，李　兵，王小军，牛　茜，杨　倩，李　林，沈树宝

(南京工业大学 生物与制药工程学院， 南京 211816)



放大型生物滴滤床净化甲苯/苯废气的研究*

陈英文，李兵，王小军，牛茜，杨倩，李林，沈树宝

(南京工业大学 生物与制药工程学院， 南京 211816)

摘要：采用处理甲苯废气的放大型生物滴滤床处理苯及苯/甲苯混合废气的实验，考察苯的净化效率，不同床层降解苯的能力，放大型生物滴滤床的短期停置、甲苯/苯混合废气间降解关系以及不同床层微生物的群落结构。结果表明，当气体流量为8 m3/h，苯浓度低于0.4 g/m3时，苯净化效率高于80%。第一床层降解苯的效率占总床层的90%以上。放大型生物滴滤床的短期停置，1，2和4 d对净化性能没有严重影响。甲苯浓度为0.3 g/m3时，对苯的净化性能有一定抑制作用，苯的净化效率最终稳定在70%左右，火山岩填料上活性微生物的种类较多。

关键词：生物滴滤床；净化效率；甲苯/苯

0引言

随着国民经济的快速发展，人们的物质生活和精神水平得到很大提高，在产品的生产制造过程中，伴随着有害的挥发性有机化合物(VOCs)的排放[1-2]。排放的VOCs不仅影响大气的环境质量而且对生态环境和人们的身心健康造成严重的危害。做为废气生物处理工艺中的生物滴滤工艺具有处理效率高、微生物环境易于调节、设备投资少等优点而成为研究的热点课题之一[3-6]。

应用生物滴滤工艺处理甲苯废气已进行了广泛的研究[7-8]，但以甲苯作为驯化菌种而处理苯废气以及对混合废气苯/甲苯的研究却鲜少报道。

本研究以前期处理甲苯废气的生物滴滤床为基础，通入苯废气进行废气的降解实验，考察不同床层的降解效率，生物滴滤床的短期停置与性能恢复的关系以及混合废气苯/甲苯的降解关系，分析不同床层微生物群落结构的差异及填料表面微生物的分布状况。

1实验

1.1实验材料、装置与仪器

放大型生物滴滤床填料的具体参数如表1所示。

表1　填料的基本参数

放大型生物滴滤床的具体示意图如图1所示。

图1　放大型生物滴滤床的具体示意图

放大型生物滴滤床分为两层，下层装入火山岩填料，上层装填改性填料，反应器内径25 cm，高1.8 m，各填料层的装填高度30 cm，床层进行单独的喷淋，实验流程图如2所示。

气泵输送的空气分为两条支路，一条支路空气进入含有甲苯或苯液体的吹脱瓶使其进行挥发，挥发的甲苯或苯在缓冲瓶中与令一支路的空气进行混合，最后通过生物滴滤床的底部，气体在床层内的上升过程中，被填料表面湿润的微生物膜吸附和降解，营养液通过液泵进行循环喷淋，气体流量及液体流速通过相应的气体流量计及阀门控制。

图2　实验流程图

1.2实验进程

实验进程如表2所示。

1.3分析方法

废气浓度采用气相色谱GC-2014进行测定，以氮气为载气，柱温75 ℃，检测器温度180 ℃，进样口温度180 ℃，FID检测器，色谱柱RTX-01。

扫描电镜(SEM)填料的观察参照文献进行预处理[9]，喷金，20 kV加速电压进行观察。

微生物群落DGGE通过Quantity One 软件进行分析。

2结果与讨论

2.1放大型生物滴滤床的挂膜启动

采用快速排泥法和气液相联合法进行3 d的微生物挂膜[10]。排空驯化的活性污泥后通入甲苯废气进行生物滴滤床的启动，具体结果如图3所示。

表2　实验进程

图3放大型生物滴滤床的挂膜启动

Fig 3 The running condition of start-up process for large biotrickling filter

由图可知，在14 d的运行中，净化效率一直维持在100%附近。这可能是由于活性污泥前期已经经过甲苯废气的驯化，活性污泥中对甲苯的降解菌比例提高，且挂膜前6 d，进口甲苯浓度几乎维持在0.3 g/m3以下，低的进口甲苯浓度与较高的气体停留时间有利于微生物快速完成挂膜启动。从第9 d开始，即使进口甲苯浓度经历了先上升后下降的趋势，但是生物滴滤床具有良好的稳定性，净化效率不受浓度波动的影响。一些研究者发现快速启动与填料的理化性质有重要关联，如吸附性、持水性等[11-12]，本研究中所使用的火山岩是典型的具有吸附及持水特性，而改性填料对微生物具有良好的亲和性。

2.2废气种类与气体流量对放大型生物滴滤床性能的影响

由图4可知，当气体流量为6 m3/h时，甲苯净化效率只有77%，这可能是由于气体流量的提高导致停留时间缩短，从而引起反应性能的下降。

图4废气种类与气体流量对放大型生物滴滤床性能的影响

Fig 4 The effect of species and gas flow rate of waste gas on the performance of large biotrickling filter

随着运行时间的延长，净化效率逐渐提高，说明了甲苯降解菌的活性增强，限制放大型生物滴滤床性能的关键因素不是停留时间的减少，而是菌种的活性。在后期的运行过程中，即使甲苯浓度有所变化，但净化效率一直维持在90%左右，具有良好的稳定性。在第21 d，通入苯废气进行实验，在21～23 d，虽然苯浓度低于0.2 g/m3，但净化效率在60%左右，随着运行时间的延长，净化效率在70%左右波动。苯浓度的突然增加，导致净化效率的大幅度下降，在苯浓度为0.62 g/m3，净化效率只有53%。当苯浓度恢复到0.4 g/m3左右时，放大型生物滴滤床的性能缓慢恢复且呈现上升的趋势，说明反应器内的菌种对苯废气还处于一个适应阶段，限制反应器性能的关键因素在于微生物的活性。在气体流量上升到8 m3/h时，净化效率并没有因为停留时间的减少而下降，可能是由于进口苯浓度的下降。在气体流量为8 m3/h的运行过程中，苯浓度在0.4 g/m3以下波动时，净化效率出现不断的上升趋势，最终接近90%，说明菌种对苯的降解活性增强。

苯与甲苯都属于芳香族化合物，具有相同的环结构，Smith,et al探讨了细菌降解芳香族化合物的途径，说明了在降解苯或者甲苯的过程中，最关键的步骤在于环结构的破坏[13]。本工作中，证明用处理过甲苯的放大型生物滴滤床进行苯废气的生物降解是可行的，因为都涉及到关键步骤菌种开环的过程。

2.3不同床层降解苯的能力

由图5可知，发挥降解作用的床层在第一床层，一般占到总净化效率的90%以上。在第41 d到第50 d的运行过程中，第一床层的降解效率呈现上升趋势，后期的运行第二床层的降解效率逐渐提高。在废气的生物降解过程中，第一床层最先接触苯废气，由于具有较高的苯负荷和充足的外在营养源，第一床层内的微生物可以快速的进行废气的降解。相比较其它的研究成果[14]，本工作中第一床层与第二床层降解废气的比例较大，这可能是由于该装置具有单独的喷淋系统及废气的二次分布装置，废气、微生物和营养液间的接触更加均匀，且单独喷淋可以保证第一床层具有充分的外在营养源。

图5　不同床层净化苯的能力

Fig 5 The contrast of different beds for purifying benzene

2.4放大型生物滴滤床的短期停置

本实验设置气体流量为6 m3/h，苯浓度为0.4 g/m3左右，放大型生物滴滤床停止运行时间分别为1,2和4 d，考察放大型生物滴滤床的性能恢复情况，具体结果如图6所示。放大型生物滴滤床在第4 d停置后，第5 d通入苯，净化效率为66%，比第3 d的净化效率低了9%，性能下降不大，能够快速的恢复，在第7 d就达到81%，在第8 d开始进行为期2 d的停置，净化效率由开始的81%下降到69%，与停置1 d的性能变化相差不大，放大型生物滴滤床的性能在3 d的时间内得到快速的恢复，进行4 d的停置后，生物滴滤床的性能下降较为明显，由82%下降到57%，但恢复时间较快，3 d时间放大型生物滴滤床的性能达到一个稳定状态，但净化效率维持在80%以下。

图6　短期停置对放大型生物滴滤床性能的影响

Fig 6 Effect of short-term stagnation on the performance of larger biotrickling filter

由此可知，放大型生物滴滤床的短期停置，对净化性能影响较小，对于停置时间较长的情况下，性能恢复的时间较快，但存在总的净化效率下降的缺点。放大型生物滴滤床的短期停置，没有水分和营养物的供应，微生物保持较好的活性，可能在于火山岩和改性填料具有一定的持水性，有利于保持微生物的活性，在填料表面上可能存在厌氧层，好氧活性微生物利用其它菌种的代谢产物作为自身的营养源，所以，在进行一定的短期停滞，生物滴滤床的性能可以快速的恢复。

2.5苯/甲苯废气对放大型生物滴滤床性能的影响

图7为苯/甲苯废气对放大型生物滴滤床性能的影响。

图7　苯/甲苯废气对放大型生物滴滤床性能的影响

Fig 7 Effect of benzene/toluene on the performance of large biotrickling filter

在图7中，前10 d，苯净化效率一直维持在85%左右，通入0.1 g/m3左右的甲苯对苯的净化效率没有抑制作用，甲苯的净化效率呈现上升的趋势，说明菌种对甲苯具有一定的降解能力且随着时间的增加，活性增强。后10 d的运行，可以看出，通入0.3 g/m3的甲苯对苯的净化效率具有一定的抑制作用。甲苯净化效率的下降可能是由于浓度的提高而引起的，但随时间的延长，甲苯的净化效率呈现上升趋势。

从上面的结果可以发现，菌种对苯的降解效率一直维持在一个稳态，虽然高浓度的甲苯对苯的净化效率具有一定的抑制作用，但净化效率在运行的前10 d和后期的运行分别维持在一个稳态，对甲苯废气的降解主要还是处于一个适应阶段，因为随时间的延长，对甲苯的净化效率出现上升趋势。放大型生物滴滤床内的菌落处于一个相对稳定的状态，且对甲苯/苯都具有降解作用。

2.6微生物群落的分析

分别选取火山岩与改性填料进行SEM的表征，观察填料表面微生物形貌，洗脱火山岩和改性填料上面的菌落进行DGGE分析，考察微生物群落结构的差异。具体结果如下图8与9所示。

图8　填料的SEM表征

图9　微生物群落的DGGE图谱

由图8可知，两种填料都具有较大的孔隙率，微生物的生长都没有造成堵塞现象。与其它研究者具有较大差异性的是第二床层改性填料上分布的微生物数量明显多余底层填料火山岩，其它研究者发现在废气的生物处理过程中，由于最先接触废气的床层，微生物的量最多[15]。这可能的原因是由于前期放大型生物滴滤床是处理甲苯废气，后期处理苯废气时，由于有一定的适应阶段，不能适应苯废气的菌种大量死亡，而床层底部最先接触苯废气。从图8和9同样可以得到，火山岩填料具有较多的微生物种类，且具有活性微生物的数量明显多余改性填料，这与第一床层降解苯的能力占总降解能力的90%以上有密切的关系。

3结论

处理甲苯废气的放大型生物滴滤床是可以进行苯及混合废气苯/甲苯废气的生物降解。通过本实验得出以下结论：

(1)105 s的气体停留时间和较低的进口甲苯浓度有利于放大型生物滴滤床进行快速挂膜启动，在挂膜启动期间，净化效率一直维持在90%以上。

(2)处理甲苯后的放大型生物滴滤床处理苯废气需要一定的适应时间，且随着时间的延长，低浓度的苯浓度(<0.4 g/m3)可以得到较高的净化效率(>80%)。

(3)对苯废气的降解主要在第一床层，占总净化效率的90%以上，短期停置1，2，4 d对放大型生物滴滤床的净化性能影响不大，可以快速恢复到稳态。

(4)0.3 g/m3的甲苯对苯的净化具有一定的抑制作用，火山岩填料表面具有较多的活性微生物，两种填料都造成形成堵塞现象。

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Treatment of toluene/benzene waste gas in an amplified biotrickling filter

CHEN Yingwen, LI Bing, WANG Xiaojun, NIU Qian, YANG Qian,LI Lin, SHEN Shubao

(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

Abstract:In this study, an amplified biotrickling filter (BTF) that had been used to treat toluene previously was established to treat waste gas containing benzene or benzene/toluene. The benzene purification efficiency, benzene degradation ability of different bed, the short-term stagnation,the degradation relation of benzene/toluene waste gas and microbial commumity structure were examined. Results reveals that the benzene purification efficiency was above 80% when the gas flow rate was 8 m3/h and benzene was below 0.4 g/m3, the benzene degradation efficiency of the first bed was more than 90% of total bed degradation efficiency. There was no damage effect on the performance of BTF even though the BTF had been stagnated for 1, 2, or 4 d. when the toluene concentration was 0.3 g/m3, a certain inhibiting effect could be examined to benzene. The benzene purification efficiency was maintain 70% eventually, more microorganism species were examined in the surface of volcanic rock.

Key words：biotrickling filter; purification efficiency; toluene/benzene

文章编号：1001-9731(2016)06-06001-05

* 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51172107)； 环保公益性行业科研专项资助项目(201309028)；江苏省高校自然科学研究资助项目(14KJB430014)

作者简介：陈英文(1978-)，男，南京人，博士，副教授，从事环境污染治理及功能材料的开发及应用。

中图分类号：X701

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.06.001

收到初稿日期：2015-05-12 收到修改稿日期：2015-07-13 通讯作者：沈树宝，E-mail: zsbshen@gmail.com