宋紅旭，劉 佳，李 堅，杜佳輝，楊菊平

(北京工業(yè)大學區(qū)域大氣復(fù)合污染防治北京市重點實驗室，北京 100124)

近年來，揮發(fā)性有機化合物(VOCs)的大量排放，對環(huán)境和人類健康都造成了不可逆的威脅，引起全球的廣泛關(guān)注[1～3]。其中苯乙烯作為塑料、石油等行業(yè)的重要單體，隨著其用量越來越大，排放的苯乙烯廢氣也越來越嚴重[4]。我國于1993年制定的GB14554-93《惡臭物質(zhì)排放標準》中也將苯乙烯列為惡臭氣體控制的范圍內(nèi)[5]。因此，去除苯乙烯廢氣對人類生活和環(huán)境有重要意義?，F(xiàn)階段，降解VOCs及惡臭的處理方法有生物法，吸收法，吸附法等，而生物法具有降解效率高，二次污染小，能耗低等優(yōu)點被廣泛運用[6～10]。目前，國外采用生物法降解工業(yè)苯乙烯排放的已有研究中，停留時間設(shè)置較長，則去除效率較好，比如Zamir等人[11]降解低于2 500 mg/m3濃度的苯乙烯，停留時間為60s以上，且添加了5%體積的硅油時，去除效率可達到95%；Pau等人[12]在停留時間為31s的條件下，穩(wěn)定運行時可達到的最大去除負荷為23 g/m3·h；在國內(nèi)，關(guān)于降解工業(yè)排放的苯乙烯文獻較少且效率較低，但也進行了實驗室小試。吳獻花、孫珮石等人[13]進行的小試中，入口濃度為200～1 000 mg/m3，停留時間為50～65s，凈化效率為90%～99%。目前采用生物法降解苯乙烯仍存在所需停留時間長，去除負荷較低等問題。因此，在本次實驗中，以立式生物滴濾塔降解苯乙烯廢氣，對去除苯乙烯廢氣的影響因素進行探究，通過在掛膜啟動之前，對污泥進行馴化，得出苯乙烯的高效降解菌液、運行過程中加熱營養(yǎng)液溫度，為塔內(nèi)微生物提供合適的生存環(huán)境溫度和梯度遞增進氣濃度等手段進而提高苯乙烯廢氣的去除效率，為生物法凈化苯乙烯廢氣的工業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 菌種培養(yǎng)

采用北京市高碑店污水處理廠二沉池的活性污泥作為菌源，以苯乙烯作為目標污染物進行搖床實驗馴化，恒溫振蕩器設(shè)置參數(shù)如下，溫度為35℃，轉(zhuǎn)速為120rpm。將馴化后的菌種低溫保存。

1.2 實驗裝置

本實驗以立式生物滴濾塔為裝置，生物滴濾塔采用5mm厚透明亞克力材料制作而成。填料作為微生物生長和生存的介質(zhì)，是影響生物法降解效果的關(guān)鍵因素之一，在微生物降解廢氣中有重要作用[14]。由于陶粒具有表面粗糙、質(zhì)地輕、耐壓抗腐蝕、具有一定的抗沖擊負荷能力等特點，故選取優(yōu)質(zhì)陶粒為填料[15-16]，粒徑為8～10mm，其比表面積1～1.5m2/g，堆積密度為0.29g/cm3。立式滴濾塔由上下兩段組成，裝置直徑為100mm，每段高度為300mm，總填料體積為3.71L，實驗過程中采取氣液逆流的方式。噴淋營養(yǎng)液配方如下：FeCl30.25g/L、K2HPO427.75g/L、KH2PO48.5g/L、Na2HPO433.4g/L、CaCl236.4g/L、NH4Cl5.0g/L、MgCl222.5 g/L、微量元素等營養(yǎng)物質(zhì)，儲液槽內(nèi)的噴淋液以7d為一周期進行更換。每小時噴淋量為90mL。實驗反應(yīng)裝置圖如圖1。

圖1 立式生物滴濾塔實驗流程示意圖Fig.1 Flow diagram of vertical biotrickling filter tower

1.3 分析方法

苯乙烯廢氣濃度的測定采用氣相色譜儀檢測(Agilent 7890N氣相色譜儀),FID檢測器，19091J-413型毛細柱(30 m × 320 μm × 0.25μm)。檢測條件為：柱溫100℃，檢測器300℃，進樣口溫度為200℃，載氣為N2。塔內(nèi)壓降由U型壓力計測定，pH由手持式pH計測定。通過測量填料表面的生物量干重，可明確得出塔內(nèi)微生物的生長情況。塔內(nèi)生物量干重測量方法與劉春敬[17]實驗測量方法相同。

1.4 實驗工序

生物滴濾塔的運行工序與條件如表1，共分為3個階段，Ⅰ階段為掛膜啟動期；Ⅱ階段為探究停留時間對生物滴濾塔的影響階段；Ⅲ為探究不同進口濃度對生物滴濾塔的影響階段。每一工序均待反應(yīng)器運行穩(wěn)定后繼續(xù)進行下一工序。

表1 生物滴濾塔運行工序和條件Tab.1 Operation process and conditions of biotrickling filter

1.5 微生物群落分析

1.5.1 DNA提取

定期在反應(yīng)器上下兩段分別取出5～7個表面包有生物膜的陶粒，用OMEGA試劑盒提取陶粒表面的DNA。

1.5.2 PCR擴增

反應(yīng)利用Qubit3.0DNA檢測試劑盒對基因組DNA精確定量，以確定PCR反應(yīng)所加入的DNA量。PCR所用的引物已經(jīng)融合了Miseq測序平臺的V3-V4通用引物：341F引物：CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG和805R引物：GACTGGAGTTCCT TGGCACCCGAGAATTCCA。第一輪PCR擴增完成后引入illumina橋式PCR兼容引入，進行第二輪PCR擴增。待擴增結(jié)束后采用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測其擴增結(jié)果[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 掛膜啟動期間對苯乙烯的降解能力

由于在冬季進行掛膜啟動，所以采用加熱棒加熱營養(yǎng)液，使其溫度維持在(25±5)℃左右。掛膜啟動之前，將低溫保存的菌液進行活化后，將陶粒浸泡至菌液內(nèi)12h，保證陶粒與菌液充分接觸，為掛膜啟動作準備。掛膜期間氣體進口濃度和溫度對降解效率的影響如圖2所示。掛膜期間進氣負荷和去除負荷變化如圖3所示。第一階段為生物滴濾塔掛膜啟動階段，此階段苯乙烯廢氣進口濃度為250～1 000mg/m3，停留時間設(shè)置為66.78s。掛膜啟動期開始的前10d，生物滴濾塔對苯乙烯的凈化效率較低，在40%～80%之間，去除負荷隨著凈化效率的降低而減小。分析原因一是由于在掛膜初期，菌液尚未適應(yīng)生物滴濾塔內(nèi)氣、液、固同時存在的復(fù)雜環(huán)境，導(dǎo)致填料表面的菌種活性較差；二是由于塔體周圍溫度較低，且此時尚未加入加熱棒。此時的溫度比菌種最適生長溫度偏低，對菌種的繁殖也有不利影響；三是剛進行啟動初期，營養(yǎng)液會定期更換，營養(yǎng)液噴淋會將陶粒表面的菌種沖刷到營養(yǎng)液中，導(dǎo)致塔內(nèi)微生物濃度降低[19]，因此掛膜啟動前期塔體內(nèi)的微生物對苯乙烯的降解能力較低，生長緩慢，去除負荷能力也較低。王佩佩[20]采用生物滴濾塔去除CS2的實驗過程中，掛膜啟動初期時微生物的降解作用同樣不明顯。掛膜第11d起，在氣體進口濃度在500～600 mg/m3，營養(yǎng)液溫度在25℃左右的條件下，凈化效率上升并維持在80%左右，反應(yīng)器的單位體積去除負荷逐漸也隨之增加，最高達到43.62 g/m3·h。此時的數(shù)值較前10d提高且更為穩(wěn)定，說明了穩(wěn)定的氣體進口濃度和適宜的營養(yǎng)液溫度可以促進微生物的生長和繁殖。掛膜前23d，反應(yīng)器的單位體積去除負荷和反應(yīng)器的去除效率變化相一致，降解效率提高，去除負荷也相應(yīng)增加，說明此時塔內(nèi)微生物開始適應(yīng)周圍環(huán)境，穩(wěn)定生長。反應(yīng)器運行期間(第24～28d)去除加熱棒后，營養(yǎng)液溫度為15℃，此時去除效率快速下降，印證了營養(yǎng)液溫度和進口氣體濃度對微生物生長的影響。之后的15d內(nèi)維持入口濃度穩(wěn)定和營養(yǎng)液溫度恒定后，由圖2中可知，反應(yīng)器的去除效率逐漸上升達到100%維持恒定，此時反應(yīng)器的單位體積去除負荷等于進氣負荷。由于實際進口氣體濃度不穩(wěn)定出現(xiàn)過效率下降的情況，在實際工業(yè)中，進氣濃度也為非穩(wěn)定狀態(tài)，因此，掛膜期間提高進氣濃度，為微生物提供充足的碳源和保證進口濃度波動幅度小，維持穩(wěn)定對生物滴濾塔掛膜成功有促進作用，同時提高反應(yīng)器對非穩(wěn)態(tài)進氣濃度的適應(yīng)能力有重要意義。反應(yīng)器運行的第35～40d，進氣濃度不穩(wěn)定，雖然反應(yīng)器的降解效率下降，但反應(yīng)器的去除負荷對比前5d仍呈增長趨勢，表明即使進氣負荷增加，微生物不能完全降解苯乙烯，但去除能力較好，此時塔體內(nèi)微生物的生長狀態(tài)良好。生物滴濾塔運行45d后掛膜成功，此時降解效率為100%而且恒定，在停留時間為66.78s的條件下能完全降解350 mg/m3的苯乙烯，反應(yīng)器的去除負荷可達到29.09g/m3·h且等于進氣負荷。因此，掛膜啟動期間的適宜的營養(yǎng)液溫度和穩(wěn)定的氣體進口濃度對微生物在塔內(nèi)適應(yīng)和繁殖生長能力和對污染物的降解能力有促進作用[21-22]。

圖2 掛膜期間進口濃度和溫度對去除效率的影響Fig.2 Effects of inlet concentration and temperature on removal efficiency during biofilm formation

圖3 掛膜期間進氣負荷對單位體積去除負荷的影響Fig.3 Effect of import capacity on unit volume eliminate capacity during biofilm formation

2.2 不同停留時間及短期停滯對去除效率的影響

在實際工業(yè)應(yīng)用中，停留時間越短，則所耗費的經(jīng)濟費用越少，效益越高，但污染物與微生物的接觸時間就會越短，去除效率越低；反之，停留時間越長，所消耗的費用越高，去除效率越好。因此，減少停留時間并且維持較高的降解效率，也是實際工業(yè)應(yīng)用中最想達到的效果。

在第Ⅱ階段過程中，進口氣體濃度維持在350 mg/m3左右，其他因素均保持不變的條件下，停留時間分別設(shè)置為66.78，47.70，33.39，23.02s，探究停留時間對反應(yīng)器去除效率的影響。停留時間對反應(yīng)器運行情況的影響如圖4所示，此階段共運行65d。由圖4可知，當停留時間為33.39s時，能完全降解350 mg/m3的苯乙烯廢氣，直至縮短停留時間至23.02s，去除效率最終穩(wěn)定在90%左右。每次改變停留時間的前5d會出現(xiàn)效率快速降低的情況，是由于突然改變停留時間，導(dǎo)致塔內(nèi)污染物與微生物的接觸時間有一個瞬時的改變，因此每次改變停留時間，微生物需要適應(yīng)在更短時間內(nèi)對污染物進行有效捕集和適應(yīng)新的進氣負荷；待微生物適應(yīng)后，反應(yīng)器的降解效率開始回升，去除效率恢復(fù)至90%～100%，此階段內(nèi)反應(yīng)器的最高去除負荷達到59.32 g/m3·h，說明塔內(nèi)微生物生長狀態(tài)良好，對停留時間的瞬時縮短的適應(yīng)性強[23-24]。

圖4 停留時間對出口濃度和去除效率的影響Fig.4 Effect of EBRT on outlet concentration and removal efficiency

由于實際工業(yè)中，廢氣的排放方式為不連續(xù)，間隔形式，使得塔內(nèi)微生物短時間內(nèi)接觸不到碳源，進入饑餓狀態(tài)，這種情況下，微生物生長受到抑制，進入休眠，因此考慮生物滴濾塔停滯后的恢復(fù)情況也至關(guān)重要。本次實驗中，生物滴濾塔運行72d后，停滯了20d，停滯期間完全關(guān)閉水路和氣路。之后重啟反應(yīng)裝置，考察停滯期對反應(yīng)器性能的影響。如圖4所示，在停留時間為47.70s，氣體入口濃度為500 mg/m3的條件下，重啟第一天生物滴濾塔的去除效率約為60%，第二天開始去除效率增長迅速，第四天時去除效率可達到100%并維持恒定。在停滯期間，塔內(nèi)微生物處于饑餓狀態(tài)，進入休眠狀態(tài)，重啟反應(yīng)器運行4d后即可完全降解500 mg/m3的苯乙烯廢氣，說明重新通入苯乙烯后，反應(yīng)器內(nèi)微生物重新接觸碳源，可快速恢復(fù)活性，反應(yīng)器運行性能良好。

通過改變停留時間對塔內(nèi)微生物生長和壓降的變化情況也進行了探究。圖5為不同的停留時間下，塔內(nèi)生物量和壓降的變化情況。由圖5可知，反應(yīng)器運行至60d之前，壓降基本在0～5Pa之間浮動，可忽略不計。在滴濾塔運行72d時，生物量快速增加，達到反應(yīng)器運行以來的最大值，為0.126g/g-1，此時反應(yīng)器的壓降升至10Pa，為啟動反應(yīng)器后的壓降最大值，是由于生物量在塔內(nèi)的積聚導(dǎo)致塔體的壓降增加[25]，但此時的塔內(nèi)生物量并沒有造成塔體的堵塞。反應(yīng)器運行至72d，停留時間為33.39s的條件下，生物量的穩(wěn)定積累可以完全降解350 mg/m3的苯乙烯廢氣[26]。之后塔內(nèi)生物量的減少是由于反應(yīng)器停滯了20d，塔內(nèi)的微生物沒有碳源的供給，微生物進入休眠狀態(tài)，也存在少量微生物的脫落和死亡，導(dǎo)致了生物量的減少，從而塔體的壓降降至為0。停滯期結(jié)束后，反應(yīng)器內(nèi)重新通入苯乙烯后，生物量開始增加，總體一直呈增長趨勢，壓降在0～10Pa之間波動，沒有太大幅度變化。

圖5 停留時間對生物量和壓降的影響Fig.5 Effect of EBRT on biomass and pressure

2.3 不同進氣濃度對去除效率的影響

此階段共運行115d，分別考察了停留時間為31.80s和47.70s時，不同進氣濃度對去除效率的影響。如圖6所示，當停留時間為31.80s時，進氣濃度分別設(shè)置為450、650、850 mg/m3，對應(yīng)的進氣負荷為50.94、73.58、96.23g/m3·h。當進口濃度為450 mg/m3時，穩(wěn)定運行后的降解效率為100%，此時，反應(yīng)器去除負荷等于進氣負荷；后嘗試將進口濃度快速增至1 000 mg/m3，進氣負荷為113.21g/m3·h，出口濃度快速增高，去除效率迅速跌至60%以下，單位體積去除負荷隨著進氣濃度的突然增加有短暫的提升，后將進口濃度降低至650 mg/m3，進口負荷為73.58g/m3·h左右，降解效率一直波動，最低為62%左右。但由圖7(a)中可以看出，此階段塔內(nèi)生物量有少量的增長，且此階段的去除負荷由46.04g/m3·h升至55.05g/m3·h，最終效率升高并穩(wěn)定在80%左右。后將入口濃度升至850 mg/m3，進氣負荷為96.23g/m3·h，由于進氣負荷的升高，導(dǎo)致降解效率下降，但反應(yīng)器內(nèi)的生物總量持續(xù)增加，隨著生物量的逐漸增高，反應(yīng)器的去除負荷趨于穩(wěn)定，最高可達64.76g/m3·h，最終降解效率穩(wěn)定至60%左右。同時表明了在此階段下，快速增加的進氣濃度對塔內(nèi)微生物的沖擊作用較大，導(dǎo)致微生物不能在短期時間內(nèi)對高濃度的苯乙烯有很好的適應(yīng)，且難以快速恢復(fù)和適應(yīng)，因此導(dǎo)致降解效率下降[27]；由圖7(a)可知，當停留時間為37.70s，進口濃度為650 mg/m3和850mg/m3的條件下，塔內(nèi)生物量整體呈上升趨勢，圖8中反應(yīng)器的單位體積去除負荷維持平穩(wěn)，此時懷疑為塔內(nèi)填料上的微生物去除能力達到飽和狀態(tài)；增加停留時間，尋求合適的停留時間以達到去除更高濃度的苯乙烯的目的。因此，將停留時間調(diào)整為47.70s?？砂l(fā)現(xiàn)當進氣濃度逐步增加時，調(diào)整后生物滴濾塔恢復(fù)穩(wěn)定運行所需時間較短，出口濃度可迅速降低至零，反應(yīng)器去除負荷持續(xù)增高，表現(xiàn)了在此停留時間下，生物滴濾塔對進氣負荷有較好的耐沖擊效果。

圖6 進氣濃度對苯乙烯出口濃度與去除效率的影響Fig.6 Effect of inlet concentration on outlet concentration and removal efficiency of styrene

圖7 進氣濃度對生物量(a)和各層去除負荷(b)的影響Fig.7 Effect of inlet concentration on biomass (a) and removal load of each layer (b)

圖8 進氣負荷對單位體積去除負荷的影響Fig.8 Effect of import capacity on unit volume elimination capacity

同時，由圖7(a)可以看出，隨著進氣濃度的增加，生物量增長趨勢越大，塔內(nèi)整體生物量呈上升趨勢，說明了塔內(nèi)階段性的增加碳源對微生物的生長有促進作用。反應(yīng)器運行至179d，此時條件為停留時間為31.80s，進氣濃度為850 mg/m3，塔內(nèi)生物量達到了此階段內(nèi)的第一個最大值，總量為0.194 g/g-1；反應(yīng)器運行至214d時，此時條件為停留時間為47.70s，進口濃度為1 000 mg/m3，塔內(nèi)生物量達到了開始運行后的最大值，總量為0.234 g/g-1。對比表明通入較高濃度的苯乙烯廢氣，塔內(nèi)有充足的碳源，可快速提高塔內(nèi)的生物量。由圖7(a)可以看出，隨著進氣濃度的增加，生物量增長趨勢越大，塔內(nèi)整體生物量呈上升趨勢。不同進氣濃度下進氣負荷和分段負荷圖如圖7(b)所示。進氣負荷的逐漸升高，反應(yīng)器的總?cè)コ摵珊头侄稳コ摵删性黾?，最大去除負荷可達到101.51 g/m3·h，表明生物滴濾塔降解苯乙烯廢氣的性能良好。

2.4 微生物群落分析

本次研究分析了塔內(nèi)不同階段微生物的多樣性和豐富度。圖9(a)代表了生物滴濾塔上下兩段的樣品間門水平微生物群落。Proteobacteria(變形菌門)、Actinobacteria(酸桿菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)、Planctomycetes(浮霉狀菌門)、Verrucomicrobia(疣微菌門)、Chloroflexi(綠彎菌門)等菌種為塔內(nèi)微生物門水平優(yōu)勢菌群。在鄧葳[28]采用活性污泥為菌種，利用生物滴濾塔降解乙酸丁酯時，其塔內(nèi)的優(yōu)勢菌種共有8種，其中6種與本次研究中優(yōu)勢菌種相同，說明了活性污泥中菌群眾多，但降解VOCs后得出的門水平的生物群落中，優(yōu)勢菌群大多類似。同時在Yang[29]和Wang[30]等人均采用活性污泥為菌種，降解VOCs混合廢氣的研究中也出現(xiàn)了相似優(yōu)勢菌群。在Heike[31]的研究中提出，Proteobacteria(變形菌門)和Bacteroidetes(擬桿菌門)對高分子化合物的降解能力較強，因此由圖9(a)可看出變形菌門、酸桿菌門和擬桿菌門在塔內(nèi)分別占據(jù)了60.42%～67.82%、9.43%～9.72%和6.27%～10.39%，變形菌門為塔內(nèi)微生物中所占比最大的一門，此為好氧微生物[32]。Chloroflexi(綠彎菌門)為兼性厭氧生物[33]，可能是由于塔內(nèi)濕度大，填料堆積緊實，塔內(nèi)水分含量高，所以綠彎菌門發(fā)生作用，占比為2.34%～2.61%。所占比重較小，塔內(nèi)好氧微生物占主要作用。

圖9(b)為樣品間分布OTU(Operational Taxonomic Units)venn圖。OTU韋恩圖用來統(tǒng)計樣本中共有的和獨有的OTU數(shù)目，直觀的展現(xiàn)出環(huán)境樣品的OTU數(shù)目組成相似性和重疊情況。圖9(b)中數(shù)字表示特異或共有的OTU數(shù)，可以展示出共有的OTU數(shù)目為390個，比任何單個樣品內(nèi)獨有的OTU數(shù)目都要高，說明了生物滴濾塔內(nèi)含有的優(yōu)勢菌群數(shù)目較多，因此能更好的降解苯乙烯廢氣。

圖9 樣品間門水平生物群落結(jié)構(gòu)圖(a)和OTU韋恩圖(b)Fig.9 Distribution map of community structure at phylum level (a) and OTU venn diagram (b) between samples

3 結(jié) 論

3.1 采用活性污泥馴化后的菌液為菌種進行掛膜，以陶粒為填料，立式生物滴濾塔為實驗裝置凈化低濃度的苯乙烯可取得較好的效果。生物滴濾塔掛膜期間通入350 mg/m3左右的苯乙烯廢氣且保持濃度恒定、營養(yǎng)液的溫度控制在25℃左右有利于掛膜的成功。

3.2 以本實驗為依據(jù)，立式生物滴濾塔降解低濃度苯乙烯的最適條件為：入口氣體濃度為450～1 000 mg/m3，停留時間為47.70s，營養(yǎng)液每小時噴淋量為90mL，約為24.25mL每升填料。此時最高去除率可達到100%，最大去除負荷可達到101.51 g/m3·h。

3.3 生物滴濾塔自身運行性能完好，配制的營養(yǎng)液不需調(diào)節(jié)pH值，pH值維持在6.0～7.0之間；塔體的壓降一直維持在0～10Pa左右，運行過程中沒有造成塔體堵塞，去除效果良好。

3.4 生物滴濾塔穩(wěn)定運行期間，塔內(nèi)微生物種類繁多，塔內(nèi)門水平的微生物群落中，6種優(yōu)勢菌群和其他菌群協(xié)同作用，創(chuàng)造了塔內(nèi)穩(wěn)定的微生物系統(tǒng)，在反應(yīng)器穩(wěn)定運行過程中降解苯乙烯廢氣的效果良好。