甲苯对生物滴滤塔微生物EPS的影响

贾艳萍，姜成，张兰河，张海丰，陈子成

（东北电力大学化学工程学院，吉林 吉林 132012）

甲苯对生物滴滤塔微生物EPS的影响

贾艳萍，姜成，张兰河，张海丰，陈子成

（东北电力大学化学工程学院，吉林 吉林 132012）

挥发性有机物（VOCs）来源广、种类多、危害大，为了提高VOCs的去除效率，采用生物滴滤塔对甲苯废气进行长期连续处理实验，考察了甲苯进气浓度对其去除率和生物滴滤塔内生物膜中胞外聚合物（extra-cellular polymeric substance，EPS）的影响。结果表明：当甲苯进气浓度为284mg/m3，喷淋水量为3.7～6.3L/h时，甲苯去除率高于95%，EPS浓度较高（339mg/L）；随着甲苯进气浓度的增加，EPS松散层（loosely bond extra-cellular polymeric substances，EPS-LB）中蛋白质和多糖浓度分别上升至峰值108.93mg/L和103.95mg/L后下降；EPS紧密结合层（tightly bond extra-cellular polymeric substances，EPS-TB）中蛋白质和多糖浓度的变化规律与EPS-LB相似。喷淋水量低于3L/h或高于7L/h均不利于生物滴滤塔去除甲苯气体，压力损失随着进气流量和EPS的增大而增大，实验末期生物滴滤塔的压力损失明显高于实验初期生物滴滤塔的压力损失，但塔内压力损失仍保持在低值。

挥发性有机物；生物膜；活性；蛋白质；多糖

甲苯是石油的组成成分之一，作为一种重要的化工原料和有机溶剂，被广泛应用于工农业生产中，如医药、轻工、橡胶制品、建材生产等行业，但因其具有毒害性，严重影响人们的身心健康[1-3]。随着人们对环境质量要求的提高，甲苯的治理成为继粉尘、二氧化硫、氮氧化物后又一严重的环境问题，引起世界各国的广泛关注[4]。挥发性有机废气处理方法主要有燃烧法、洗净法、吸附法、生物法等。生物法因其运行费用低、性能可靠、处理效果好、二次污染小等特点，成为近年来废气处理的主要方法[5-7]。胞外聚合物（extra-celluar polymeric substances，EPS）是细菌和其他微生物产生的用于自我保护和相互粘附的天然有机物。EPS在细胞固定及形成生物膜过程中起着重要作用，污染物被润湿的生物膜表面吸附，并由微生物吸收进入细胞内。EPS可通过胞外酶降解成小分子后吸收到细胞内，提供微生物生长需要的碳源和能源。EPS的特殊结构以及EPS与细胞间的相互作用，使其对生物膜的表面特性和除污染能力起着重要作用[8]。

目前，生物过滤法和生物滴滤法是主要的挥发性有机气体处理方法。生物过滤法处理效率低、运行与设备维护费用高，而生物滴滤法处理效率高、占地面积少，成为目前生物脱臭法的主流[9-10]。由于脱臭微生物直接影响有害气体的处理效果，为了提高挥发性有机气体的生物处理效率，国外已开始了高效脱臭微生物的筛选、培养和研究工作[11]。国内主要在工艺的选择、运行参数及处理效果的探讨等方面作了一定的工作，采用生物滴滤法去除挥发性有机物大多停留在研究阶段。关于进气种类和浓度对去除挥发性有机气体生物滴滤塔生物膜EPS的影响研究鲜有报道。

本工作利用甲苯挥发性有机废气作为主要研究对象，考察了进气浓度对生物滴滤塔微生物EPS和去除效果的影响，分析微生物EPS与甲苯去除率之间的变化关系。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置

实验所用生物滴滤塔装置采用直径为10.4cm的有机玻璃制成，高为100cm，塔内填料为陶粒（直径8mm）。生物滴滤塔分为两层（a层和b层），中间由带孔承托层隔开（孔径5mm），每层填料高度为30cm，均设有喷淋装置，装置总有效容积为5.1L。实验采用逆流操作，喷淋液由填料上部向下喷淋至填料上，在填料层由上至下流动，喷淋废液均由塔底排液口排出。含甲苯气体采用动态法制备，由空气压缩机提供动力将挥发性甲苯气体与空气的混合物由塔底送入生物滴滤塔。甲苯气体与塔内填料表面生物膜接触被净化，净化后的气体从塔顶排气口排出。生物接种污泥取自吉化污水处理厂，培养后倒入塔内挂膜，通入含低浓度甲苯的气体驯化培养有降解甲苯能力的微生物。实验装置如图1所示。

图1 生物滴滤塔实验装置图

实验在16～24℃条件下进行，甲苯气体浓度范围为14～392mg/m3，气体流量为119L/h，气体在填料层中的停留时间为77s，塔顶液体喷淋量为5L/h，喷淋液pH为6.5～7；生物滴滤塔正常运行过程中，无需启动下层填料的喷淋装置，只有生物滴滤塔下部填料发生堵塞，压力损失上升时，才启动下层填料的喷淋装置，去除老化的生物膜，降低压力损失，实验周期29天。营养液成分如表1所示。

表1 营养液的组成

1.2 分析项目与检测方法

甲苯气体浓度采用日本岛津气相色谱仪测定，仪器放于室温20℃密室内，设定柱箱温度85℃、火焰温度115℃条件下注样，检测周期7min，甲苯出峰时间3.5min左右。液体流量采用LZJ-6型液体玻璃转子流量计计量，范围为2.5～25L/h。气体流量采用LZB-4型气体玻璃转子流量计计量，范围为25～250L/h。微生物样品取自生物滴滤塔a层中部，微生物胞外聚合物采用低温离心机（sigma 3K-30）提取，实验前对生物膜进行预处理，将其在4℃、2000r/min下离心15min，磷酸缓冲盐溶液（PBS）清洗3次弃掉上清液，用蒸馏水补足体积，得到生物膜样品。将上述生物膜沉淀重新悬浮于20mL 0.9% NaCl溶液中，放置于超声分离器中，超声分离4min，然后在8000r/min离心15min，取上清液测定EPS-LB。分离EPS-LB后的生物膜重新悬浮于20mL 0.9% NaCl溶液中，超声分离4min，在80℃下水浴30min，在12000r/min离心15min，取上清液测定EPS-TB[12]。EPS-LB和EPS-TB的量以蛋白质和多糖加和的形式表征。多糖和蛋白质浓度分别采用蒽酮-H2SO4比色法[13]和考马斯亮蓝法[14]进行测定。

2 结果与讨论

2.1 进气浓度对甲苯去除率和EPS的影响

在气体流量为119L/h、液体流量为5L/h条件下，考察甲苯进气浓度对其去除率的影响，结果如图2所示。当进气浓度在41～284mg/m3之间时，反应器运行初期（1～7天），从第3天开始，甲苯去除率呈下降趋势。但是随着运行时间的增加，甲苯去除率逐渐上升。反应器运行稳定阶段，甲苯去除率高于90%，这是由于适合降解甲苯气体的微生物逐渐适应环境，不断生长繁殖，微生物数量增多，对甲苯的利用效率增加。当甲苯进气浓度为284mg/m3时，甲苯去除率为99.2%；当进气浓度高于284mg/m3时，随着进气浓度的增加，去除率降低，此时甲苯浓度超过微生物的降解能力，从而抑制微生物生长。说明此生物滴滤塔能处理的甲苯最大进气浓度为284mg/m3。

EPS含量主要受生物量和生物活性的影响，如图2所示。在反应器运行开始阶段，甲苯进气浓度为13～121mg/m3之间时，挂膜的污泥含有大量活性较高的微生物，微生物生长繁殖，系统内生物量不断增加，EPS含量逐渐上升。当甲苯进气浓度为121～284mg/m3时，EPS含量变化出现波动。由于不利用甲苯作为碳源的微生物生长繁殖受到抑制而死亡，生物量减少；填料生物膜中降解甲苯的微生物不断生长繁殖，生物量增加，从而导致EPS含量波动。当甲苯进气浓度为284mg/m3时，EPS浓度较高（339mg/L）。当甲苯进气浓度过高时，超过了微生物最大降解能力，甲苯成为抑制微生物生长的有害物质，导致生物活性降低，部分微生物死亡，生物量减少，EPS含量逐渐降低。

图2 进气浓度对甲苯去除率和EPS的影响

2.2 进气浓度对多糖和蛋白质的影响

EPS有着动态的双层结构，内层为紧密结合的EPS-TB，较为稳定的附着在细胞壁外，外层为松散附着的EPS-LB，结构疏松，密度小，无明显边缘[15]，其结构特点及对甲苯气体的传质过程如图3所示。通过对EPS-LB和EPS-TB中多糖和蛋白质的测定，考察甲苯进气浓度对EPS-LB、EPS-TB中多糖和蛋白质的影响，如图4、图5所示。

图3 EPS的结构特点及对甲苯气体的传质过程

图5 进气浓度对EPS-TB蛋白质和多糖的影响

由图4可以看出，当进气浓度为14～122mg/m3时，随着甲苯进气浓度的增加，EPS-LB蛋白质含量逐渐增加。完成驯化挂膜的污泥含有大量活性较高的微生物，生长繁殖旺盛，微生物通过吸收分解甲苯气体，使代谢生成的蛋白质含量增加，从而导致EPS-LB蛋白质浓度逐渐升高；当甲苯进气浓度为122mg/m3时，EPS-LB蛋白质含量达到最大值108.93mg/L。当进气浓度在122～203mg/m3范围时，随着甲苯进气浓度的增加，EPS-LB蛋白质含量逐渐降低。由于在整个系统中，甲苯作为微生物生长繁殖的唯一碳源，长时间通入浓度逐渐上升的甲苯气体后，不利用甲苯作为碳源生长的微生物繁殖受到抑制而大量死亡，从而导致EPS-LB蛋白质浓度降低；当甲苯进气浓度为203mg/m3时，EPS-LB蛋白质浓度达到最低值17.11mg/L。当甲苯进气浓度为203～284mg/m3时，随着进气浓度的增加，EPS-LB蛋白质浓度又逐渐上升，这主要由于生物滴滤塔填料上的微生物经过培养驯化后，能够利用甲苯作为碳源生长的微生物大量繁殖，其代谢生成的蛋白质浓度逐渐增加，从而导致EPS-LB蛋白质浓度逐渐升高。当甲苯浓度为284mg/m3时，EPS-LB蛋白质浓度为81.75mg/L，又达到一个峰值。当甲苯浓度高于284mg/m3时，由于甲苯进气浓度过高，超过微生物能够降解甲苯气体的最大能力，此时甲苯成为抑制微生物生长的物质，导致部分微生物死亡，从而EPS-LB蛋白质含量逐渐降低。

在反应器运行初期阶段，甲苯进气浓度较低，EPS-LB多糖浓度较低，这可能由于系统在开始阶段生物量较低，多糖总体含量较低；然而，在反应器运行第10天，当甲苯进气浓度达到130mg/m3时，生物滴滤塔喷淋营养液，微生物生长繁殖加快，代谢分泌的多糖物质急剧升高，导致EPS-LB多糖含量迅速上升，EPS-LB多糖含量达到一个峰值103.95mg/L；随着甲苯浓度的继续升高，EPS-LB多糖浓度出现了连续的波动，这主要是由于生物滴滤塔填料上的生物膜内含有多种混合微生物，微生物的适应能力不同[16]。随着甲苯进气浓度的增加，不能适应环境的微生物不断受到浓度逐渐增大的甲苯气体冲击，生长缓慢或死亡，从而导致系统内微生物分泌的EPS-LB多糖浓度出现了下降的趋势；然而，适应能力较强的微生物随着甲苯进气浓度的增加，不断地生长繁殖，使系统内EPS-LB多糖浓度又出现了上升的趋势。因此，当甲苯进气浓度为130～284mg/m3时，两类微生物的竞争导致EPS-LB多糖浓度呈现了波动变化的现象。当甲苯进气浓度达到284mg/m3时，EPS-LB多糖浓度达到最大值109.88mg/L；随着甲苯进气浓度继续增加，EPS-LB多糖浓度急剧下降，这说明系统已经超过微生物降解甲苯的最大能力。

图5为甲苯进气浓度对EPS-TB蛋白质和多糖的影响，随着甲苯进气浓度的增加，在实验初期EPS-TB蛋白质和多糖的浓度逐渐上升，在实验末期浓度又逐渐下降，这与EPS-LB蛋白质和多糖的变化规律基本一致。由于EPS-TB紧密粘附在微生物内层，与EPS-LB对生物膜性能的影响相比，EPS-TB内蛋白质和多糖的含量对生物膜性能的影响较小[17]。EPS-TB主要影响甲苯气体的传质过程，进而影响微生物对污染气体的吸收降解[6]。

微生物处于饥饿或半饥饿状态的减速生长期或内源呼吸期时，可分泌出与细胞紧密结合的高分子聚合物，属于EPS-TB；而微生物在对数生长期分泌的则是与细胞松散附着的低分子聚合物，属于EPS-LB[18]。此外，EPS-LB氧气量比EPS-TB充足，对微生物去除污染物的效率起主要影响作用。因此，考察EPS-LB蛋白质和多糖浓度变化与甲苯去除率的关系，如图6所示。

由图6可以看出，在实验运行1～10天，随着EPS-LB蛋白质和多糖的浓度逐渐上升，甲苯去除率呈现上升趋势，当实验进行到第9～10天时，EPS-LB蛋白质与多糖浓度达到最高值，分别为108.93mg/L和103.95 mg/L，甲苯去除率较高。这是由于微生物吸收分解甲苯气体不断生长繁殖，随着微生物数量的增加，EPS-LB蛋白质和多糖的含量逐渐上升，微生物对甲苯的利用率上升。随着实验的继续进行，EPS-LB蛋白质与多糖的浓度和甲苯去除率均有一个短暂下降的过程，这是由于系统内适应能力较弱的微生物生长受到抑制或死亡，导致EPS-LB蛋白质和多糖浓度下降，甲苯去除率下降。当实验进行到第21天时，蛋白质与多糖浓度分别为81.75mg/L和109.88mg/L，但是甲苯去除率呈下降的趋势，这是由于系统长时间连续运行后，微生物不断降解甲苯转化成自身物质，当蛋白质与多糖浓度再次达到较高的水平时，微生物对甲苯的降解能力达到最大，蛋白质与多糖的含量达到饱和状态。当实验进行到第21天后，甲苯浓度过高导致系统生物量减少，EPS-LB蛋白质和多糖浓度开始减少，系统对甲苯的去除率降低。甲苯去除率与EPS浓度变化规律基本一致。

图6 EPS-LB蛋白质和多糖浓度对甲苯去除率的影响

2.3 喷淋水量对EPS和压力损失的影响

在进气浓度为284mg/m3、气体流量为119L/h条件下，研究喷淋水量对甲苯去除率的影响，如图7所示。当喷淋水量较小（1～3L/h）时，甲苯去除率为75%～80%，EPS的含量较低（178mg/L）。这主要是因为喷淋水量过低，填料表面无自由水存在，降低了气体从气相扩散到生物膜的速率，影响微生物代谢效率，老化的生物膜不能被喷淋水及时冲刷掉，EPS含量减少。当喷淋量为4.6～5.4L/h时，甲苯去除率高于95%，此时微生物繁殖旺盛，生物量较高，EPS含量也较高（327mg/L）。当喷淋量超过7L/h时，甲苯去除率逐渐下降，EPS含量逐渐下降。这是因为过量的喷淋水使生物膜表面的水膜增厚，增大了传质阻力，影响微生物对甲苯气体的降解效率[19]。同时，过大喷淋水量的冲击导致生物膜脱落，也会使去除率和EPS减少。系统最佳的喷淋量选取4.4～5.6L/h。

图7 甲苯去除率与喷淋量的变化关系

生物滴滤塔内的压力损失是重要的运行指标，它关系到能量的消耗，直接影响生物滴滤塔的运行成本。在相同的喷淋量下，未挂膜填料的压力损失与挂膜后填料的压力损失对比，结果如图8所示。生物滴滤塔的压力损失随着进气流量的增大而增大，接种后运行稳定的生物滴滤塔压力损失明显高于未挂膜的新鲜填料，并且EPS含量较高时的压力损失明显高于EPS含量较低时的压力损失。这是因为未挂膜填料层的孔隙率较大，压力损失主要由填料中的沿程阻力损失构成。挂膜后填料表面覆盖生物膜，其孔隙率减小，压力损失增大[20-21]。当EPS含量较高时，生物量较高，填料间孔隙率减小，压力损失大；同时生物膜吸附较多的水分，液膜厚度增加，造成填料层压力损失进一步增大，但是，生物滴滤塔内未出现短流现象，压力损失保持在低值。

图8 压力损失与进气流量的变化关系

3 结论

（1）在气体流量为119L/h，液体流量为5L/h的条件下，当甲苯进气浓度为284mg/m3时，甲苯去除率大于99%，EPS浓度最高（339mg/L）；当甲苯进气浓度高于284mg/m3时，甲苯去除率降低，EPS浓度降低。

（2）微生物EPS-LB蛋白质和多糖浓度随着进气浓度的增加而增加，当进气浓度分别为122mg/m3和130mg/m3时，蛋白质和多糖浓度为108.93mg/L和103.95mg/L；当进气浓度为347mg/m3时，EPS-LB蛋白质和多糖浓度为81.74mg/L和109.88mg/L；甲苯浓度继续升高，蛋白质和多糖浓度均开始下降。EPS-TB主要影响甲苯气体的传质过程，间接影响微生物对污染气体的吸收和降解效率。

（3）过大或过小的喷淋水量均不利于甲苯气体的去除。在进气浓度为284mg/m3，气体流量为119L/h条件下，保持适宜的喷淋水量3.7～6.3L/h时，甲苯去除率高于95%，EPS浓度较高。随着进气流量的增大，压力损失增大，稳定运行的生物滴滤塔压力损失高于未挂膜的生物滴滤塔；EPS含量增加使得生物量增加，填料间孔隙率减小，造成填料层压力损失进一步增大，但塔内压力损失仍保持低值。

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Effect of toluene on the EPS in the microorganisms of biotrickling filter

JIA Yanping，JIANG Cheng，ZHANG Lanhe，ZHANG Haifeng，CHEN Zicheng
（School of Chemical Engineering，Northeast Electric Power University，Jilin 132012，Jilin，China）

Volatile organic compounds（VOCs）have the characteristics of wide sources，numerous varieties，and tremendous hazardous. To improve the removal efficiency of VOCs，an extensive toluene treatment experiment was continuously conducted using biotrickling filter. The effect of toluene inlet concentration on the removal efficiency and extra-cellular polymeric substance（EPS）of biofilm in the biotrickling filter were investigated. The results showed that the removal efficiency of toluene was higher than 95%，and the EPS was 339mg/L when the inlet concentration of toluene and the spray volume were 284mg/m3and 3.7—6.3L/h，respectively. With the increase of inlet concentration，the protein concentrations and polysaccharide in the loosely bond extra-cellular polymeric substances（EPS-LB）increased to a peak values of 108.93mg/L and 103.95 mg/L，respectively before they dropped. The change of protein and polysaccharide concentration in the tightly bond extra-cellular polymeric substances（EPS-TB）was similar to that of EPS-LB. It was not conducive to remove toluene in the biotrickling filter when the spray water volume was less than 3L/h or more than 7L/h. Pressure drops increased with the increase of inlet flow and EPS，and they were significantly higher at the end of experiment than those at the beginning of the experiment. However，the pressure drops of thebiotrickling filter were remaining at low value.

volatile organic compounds；biofilm；activity；protein；polysaccharide

X701.7

A

1000–6613（2017）04–1506–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.046

2016-07-12；修改稿日期：2016-12-28。

国家自然科学基金（51678119），吉林省科技发展计划（20150204052SF，20160101268JC，20150519020JH）及吉林省省校合作技术开发项目（吉工信科技2011-507）。

贾艳萍（1973—），女，博士，副教授，主要从事废水及废气的生物处理理论与工艺研究。E-mail：jiayanping1111@sina.com。联系人：张兰河，博士，教授，主要从事废水及废气的治理研究。E-mail：zhanglanhe@163.com。