生物滴滤塔净化苯乙烯废气的性能研究

2020-08-26宋红旭杜佳辉杨菊平

四川环境 2020年4期

宋红旭，刘佳，李坚，杜佳辉，杨菊平

(北京工业大学区域大气复合污染防治北京市重点实验室，北京 100124)

近年来，挥发性有机化合物(VOCs)的大量排放，对环境和人类健康都造成了不可逆的威胁，引起全球的广泛关注[1～3]。其中苯乙烯作为塑料、石油等行业的重要单体，随着其用量越来越大，排放的苯乙烯废气也越来越严重[4]。我国于1993年制定的GB14554-93《恶臭物质排放标准》中也将苯乙烯列为恶臭气体控制的范围内[5]。因此，去除苯乙烯废气对人类生活和环境有重要意义。现阶段，降解VOCs及恶臭的处理方法有生物法，吸收法，吸附法等，而生物法具有降解效率高，二次污染小，能耗低等优点被广泛运用[6～10]。目前，国外采用生物法降解工业苯乙烯排放的已有研究中，停留时间设置较长，则去除效率较好，比如Zamir等人[11]降解低于2 500 mg/m3浓度的苯乙烯，停留时间为60s以上，且添加了5%体积的硅油时，去除效率可达到95%；Pau等人[12]在停留时间为31s的条件下，稳定运行时可达到的最大去除负荷为23 g/m3·h；在国内，关于降解工业排放的苯乙烯文献较少且效率较低，但也进行了实验室小试。吴献花、孙珮石等人[13]进行的小试中，入口浓度为200～1 000 mg/m3，停留时间为50～65s，净化效率为90%～99%。目前采用生物法降解苯乙烯仍存在所需停留时间长，去除负荷较低等问题。因此，在本次实验中，以立式生物滴滤塔降解苯乙烯废气，对去除苯乙烯废气的影响因素进行探究，通过在挂膜启动之前，对污泥进行驯化，得出苯乙烯的高效降解菌液、运行过程中加热营养液温度，为塔内微生物提供合适的生存环境温度和梯度递增进气浓度等手段进而提高苯乙烯废气的去除效率，为生物法净化苯乙烯废气的工业应用提供基础数据。

1 材料和方法

1.1 菌种培养

采用北京市高碑店污水处理厂二沉池的活性污泥作为菌源，以苯乙烯作为目标污染物进行摇床实验驯化，恒温振荡器设置参数如下，温度为35℃，转速为120rpm。将驯化后的菌种低温保存。

1.2 实验装置

本实验以立式生物滴滤塔为装置，生物滴滤塔采用5mm厚透明亚克力材料制作而成。填料作为微生物生长和生存的介质，是影响生物法降解效果的关键因素之一，在微生物降解废气中有重要作用[14]。由于陶粒具有表面粗糙、质地轻、耐压抗腐蚀、具有一定的抗冲击负荷能力等特点，故选取优质陶粒为填料[15-16]，粒径为8～10mm，其比表面积1～1.5m2/g，堆积密度为0.29g/cm3。立式滴滤塔由上下两段组成，装置直径为100mm，每段高度为300mm，总填料体积为3.71L，实验过程中采取气液逆流的方式。喷淋营养液配方如下：FeCl30.25g/L、K2HPO427.75g/L、KH2PO48.5g/L、Na2HPO433.4g/L、CaCl236.4g/L、NH4Cl5.0g/L、MgCl222.5 g/L、微量元素等营养物质，储液槽内的喷淋液以7d为一周期进行更换。每小时喷淋量为90mL。实验反应装置图如图1。

图1 立式生物滴滤塔实验流程示意图Fig.1 Flow diagram of vertical biotrickling filter tower

1.3 分析方法

苯乙烯废气浓度的测定采用气相色谱仪检测(Agilent 7890N气相色谱仪),FID检测器，19091J-413型毛细柱(30 m × 320 μm × 0.25μm)。检测条件为：柱温100℃，检测器300℃，进样口温度为200℃，载气为N2。塔内压降由U型压力计测定，pH由手持式pH计测定。通过测量填料表面的生物量干重，可明确得出塔内微生物的生长情况。塔内生物量干重测量方法与刘春敬[17]实验测量方法相同。

1.4 实验工序

生物滴滤塔的运行工序与条件如表1，共分为3个阶段，Ⅰ阶段为挂膜启动期；Ⅱ阶段为探究停留时间对生物滴滤塔的影响阶段；Ⅲ为探究不同进口浓度对生物滴滤塔的影响阶段。每一工序均待反应器运行稳定后继续进行下一工序。

表1 生物滴滤塔运行工序和条件Tab.1 Operation process and conditions of biotrickling filter

1.5 微生物群落分析

1.5.1 DNA提取

定期在反应器上下两段分别取出5～7个表面包有生物膜的陶粒，用OMEGA试剂盒提取陶粒表面的DNA。

1.5.2 PCR扩增

反应利用Qubit3.0DNA检测试剂盒对基因组DNA精确定量，以确定PCR反应所加入的DNA量。PCR所用的引物已经融合了Miseq测序平台的V3-V4通用引物：341F引物：CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG和805R引物：GACTGGAGTTCCT TGGCACCCGAGAATTCCA。第一轮PCR扩增完成后引入illumina桥式PCR兼容引入，进行第二轮PCR扩增。待扩增结束后采用2%琼脂糖凝胶电泳检测其扩增结果[18]。

2 结果与讨论

2.1 挂膜启动期间对苯乙烯的降解能力

由于在冬季进行挂膜启动，所以采用加热棒加热营养液，使其温度维持在(25±5)℃左右。挂膜启动之前，将低温保存的菌液进行活化后，将陶粒浸泡至菌液内12h，保证陶粒与菌液充分接触，为挂膜启动作准备。挂膜期间气体进口浓度和温度对降解效率的影响如图2所示。挂膜期间进气负荷和去除负荷变化如图3所示。第一阶段为生物滴滤塔挂膜启动阶段，此阶段苯乙烯废气进口浓度为250～1 000mg/m3，停留时间设置为66.78s。挂膜启动期开始的前10d，生物滴滤塔对苯乙烯的净化效率较低，在40%～80%之间，去除负荷随着净化效率的降低而减小。分析原因一是由于在挂膜初期，菌液尚未适应生物滴滤塔内气、液、固同时存在的复杂环境，导致填料表面的菌种活性较差；二是由于塔体周围温度较低，且此时尚未加入加热棒。此时的温度比菌种最适生长温度偏低，对菌种的繁殖也有不利影响；三是刚进行启动初期，营养液会定期更换，营养液喷淋会将陶粒表面的菌种冲刷到营养液中，导致塔内微生物浓度降低[19]，因此挂膜启动前期塔体内的微生物对苯乙烯的降解能力较低，生长缓慢，去除负荷能力也较低。王佩佩[20]采用生物滴滤塔去除CS2的实验过程中，挂膜启动初期时微生物的降解作用同样不明显。挂膜第11d起，在气体进口浓度在500～600 mg/m3，营养液温度在25℃左右的条件下，净化效率上升并维持在80%左右，反应器的单位体积去除负荷逐渐也随之增加，最高达到43.62 g/m3·h。此时的数值较前10d提高且更为稳定，说明了稳定的气体进口浓度和适宜的营养液温度可以促进微生物的生长和繁殖。挂膜前23d，反应器的单位体积去除负荷和反应器的去除效率变化相一致，降解效率提高，去除负荷也相应增加，说明此时塔内微生物开始适应周围环境，稳定生长。反应器运行期间(第24～28d)去除加热棒后，营养液温度为15℃，此时去除效率快速下降，印证了营养液温度和进口气体浓度对微生物生长的影响。之后的15d内维持入口浓度稳定和营养液温度恒定后，由图2中可知，反应器的去除效率逐渐上升达到100%维持恒定，此时反应器的单位体积去除负荷等于进气负荷。由于实际进口气体浓度不稳定出现过效率下降的情况，在实际工业中，进气浓度也为非稳定状态，因此，挂膜期间提高进气浓度，为微生物提供充足的碳源和保证进口浓度波动幅度小，维持稳定对生物滴滤塔挂膜成功有促进作用，同时提高反应器对非稳态进气浓度的适应能力有重要意义。反应器运行的第35～40d，进气浓度不稳定，虽然反应器的降解效率下降，但反应器的去除负荷对比前5d仍呈增长趋势，表明即使进气负荷增加，微生物不能完全降解苯乙烯，但去除能力较好，此时塔体内微生物的生长状态良好。生物滴滤塔运行45d后挂膜成功，此时降解效率为100%而且恒定，在停留时间为66.78s的条件下能完全降解350 mg/m3的苯乙烯，反应器的去除负荷可达到29.09g/m3·h且等于进气负荷。因此，挂膜启动期间的适宜的营养液温度和稳定的气体进口浓度对微生物在塔内适应和繁殖生长能力和对污染物的降解能力有促进作用[21-22]。

图2 挂膜期间进口浓度和温度对去除效率的影响Fig.2 Effects of inlet concentration and temperature on removal efficiency during biofilm formation

图3 挂膜期间进气负荷对单位体积去除负荷的影响Fig.3 Effect of import capacity on unit volume eliminate capacity during biofilm formation

2.2 不同停留时间及短期停滞对去除效率的影响

在实际工业应用中，停留时间越短，则所耗费的经济费用越少，效益越高，但污染物与微生物的接触时间就会越短，去除效率越低；反之，停留时间越长，所消耗的费用越高，去除效率越好。因此，减少停留时间并且维持较高的降解效率，也是实际工业应用中最想达到的效果。

在第Ⅱ阶段过程中，进口气体浓度维持在350 mg/m3左右，其他因素均保持不变的条件下，停留时间分别设置为66.78，47.70，33.39，23.02s，探究停留时间对反应器去除效率的影响。停留时间对反应器运行情况的影响如图4所示，此阶段共运行65d。由图4可知，当停留时间为33.39s时，能完全降解350 mg/m3的苯乙烯废气，直至缩短停留时间至23.02s，去除效率最终稳定在90%左右。每次改变停留时间的前5d会出现效率快速降低的情况，是由于突然改变停留时间，导致塔内污染物与微生物的接触时间有一个瞬时的改变，因此每次改变停留时间，微生物需要适应在更短时间内对污染物进行有效捕集和适应新的进气负荷；待微生物适应后，反应器的降解效率开始回升，去除效率恢复至90%～100%，此阶段内反应器的最高去除负荷达到59.32 g/m3·h，说明塔内微生物生长状态良好，对停留时间的瞬时缩短的适应性强[23-24]。

图4 停留时间对出口浓度和去除效率的影响Fig.4 Effect of EBRT on outlet concentration and removal efficiency

由于实际工业中，废气的排放方式为不连续，间隔形式，使得塔内微生物短时间内接触不到碳源，进入饥饿状态，这种情况下，微生物生长受到抑制，进入休眠，因此考虑生物滴滤塔停滞后的恢复情况也至关重要。本次实验中，生物滴滤塔运行72d后，停滞了20d，停滞期间完全关闭水路和气路。之后重启反应装置，考察停滞期对反应器性能的影响。如图4所示，在停留时间为47.70s，气体入口浓度为500 mg/m3的条件下，重启第一天生物滴滤塔的去除效率约为60%，第二天开始去除效率增长迅速，第四天时去除效率可达到100%并维持恒定。在停滞期间，塔内微生物处于饥饿状态，进入休眠状态，重启反应器运行4d后即可完全降解500 mg/m3的苯乙烯废气，说明重新通入苯乙烯后，反应器内微生物重新接触碳源，可快速恢复活性，反应器运行性能良好。

通过改变停留时间对塔内微生物生长和压降的变化情况也进行了探究。图5为不同的停留时间下，塔内生物量和压降的变化情况。由图5可知，反应器运行至60d之前，压降基本在0～5Pa之间浮动，可忽略不计。在滴滤塔运行72d时，生物量快速增加，达到反应器运行以来的最大值，为0.126g/g-1，此时反应器的压降升至10Pa，为启动反应器后的压降最大值，是由于生物量在塔内的积聚导致塔体的压降增加[25]，但此时的塔内生物量并没有造成塔体的堵塞。反应器运行至72d，停留时间为33.39s的条件下，生物量的稳定积累可以完全降解350 mg/m3的苯乙烯废气[26]。之后塔内生物量的减少是由于反应器停滞了20d，塔内的微生物没有碳源的供给，微生物进入休眠状态，也存在少量微生物的脱落和死亡，导致了生物量的减少，从而塔体的压降降至为0。停滞期结束后，反应器内重新通入苯乙烯后，生物量开始增加，总体一直呈增长趋势，压降在0～10Pa之间波动，没有太大幅度变化。

图5 停留时间对生物量和压降的影响Fig.5 Effect of EBRT on biomass and pressure

2.3 不同进气浓度对去除效率的影响

此阶段共运行115d，分别考察了停留时间为31.80s和47.70s时，不同进气浓度对去除效率的影响。如图6所示，当停留时间为31.80s时，进气浓度分别设置为450、650、850 mg/m3，对应的进气负荷为50.94、73.58、96.23g/m3·h。当进口浓度为450 mg/m3时，稳定运行后的降解效率为100%，此时，反应器去除负荷等于进气负荷；后尝试将进口浓度快速增至1 000 mg/m3，进气负荷为113.21g/m3·h，出口浓度快速增高，去除效率迅速跌至60%以下，单位体积去除负荷随着进气浓度的突然增加有短暂的提升，后将进口浓度降低至650 mg/m3，进口负荷为73.58g/m3·h左右，降解效率一直波动，最低为62%左右。但由图7(a)中可以看出，此阶段塔内生物量有少量的增长，且此阶段的去除负荷由46.04g/m3·h升至55.05g/m3·h，最终效率升高并稳定在80%左右。后将入口浓度升至850 mg/m3，进气负荷为96.23g/m3·h，由于进气负荷的升高，导致降解效率下降，但反应器内的生物总量持续增加，随着生物量的逐渐增高，反应器的去除负荷趋于稳定，最高可达64.76g/m3·h，最终降解效率稳定至60%左右。同时表明了在此阶段下，快速增加的进气浓度对塔内微生物的冲击作用较大，导致微生物不能在短期时间内对高浓度的苯乙烯有很好的适应，且难以快速恢复和适应，因此导致降解效率下降[27]；由图7(a)可知，当停留时间为37.70s，进口浓度为650 mg/m3和850mg/m3的条件下，塔内生物量整体呈上升趋势，图8中反应器的单位体积去除负荷维持平稳，此时怀疑为塔内填料上的微生物去除能力达到饱和状态；增加停留时间，寻求合适的停留时间以达到去除更高浓度的苯乙烯的目的。因此，将停留时间调整为47.70s。可发现当进气浓度逐步增加时，调整后生物滴滤塔恢复稳定运行所需时间较短，出口浓度可迅速降低至零，反应器去除负荷持续增高，表现了在此停留时间下，生物滴滤塔对进气负荷有较好的耐冲击效果。

图6 进气浓度对苯乙烯出口浓度与去除效率的影响Fig.6 Effect of inlet concentration on outlet concentration and removal efficiency of styrene

图7 进气浓度对生物量(a)和各层去除负荷(b)的影响Fig.7 Effect of inlet concentration on biomass (a) and removal load of each layer (b)

图8 进气负荷对单位体积去除负荷的影响Fig.8 Effect of import capacity on unit volume elimination capacity

同时，由图7(a)可以看出，随着进气浓度的增加，生物量增长趋势越大，塔内整体生物量呈上升趋势，说明了塔内阶段性的增加碳源对微生物的生长有促进作用。反应器运行至179d，此时条件为停留时间为31.80s，进气浓度为850 mg/m3，塔内生物量达到了此阶段内的第一个最大值，总量为0.194 g/g-1；反应器运行至214d时，此时条件为停留时间为47.70s，进口浓度为1 000 mg/m3，塔内生物量达到了开始运行后的最大值，总量为0.234 g/g-1。对比表明通入较高浓度的苯乙烯废气，塔内有充足的碳源，可快速提高塔内的生物量。由图7(a)可以看出，随着进气浓度的增加，生物量增长趋势越大，塔内整体生物量呈上升趋势。不同进气浓度下进气负荷和分段负荷图如图7(b)所示。进气负荷的逐渐升高，反应器的总去除负荷和分段去除负荷均有增加，最大去除负荷可达到101.51 g/m3·h，表明生物滴滤塔降解苯乙烯废气的性能良好。

2.4 微生物群落分析

本次研究分析了塔内不同阶段微生物的多样性和丰富度。图9(a)代表了生物滴滤塔上下两段的样品间门水平微生物群落。Proteobacteria(变形菌门)、Actinobacteria(酸杆菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、Planctomycetes(浮霉状菌门)、Verrucomicrobia(疣微菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)等菌种为塔内微生物门水平优势菌群。在邓葳[28]采用活性污泥为菌种，利用生物滴滤塔降解乙酸丁酯时，其塔内的优势菌种共有8种，其中6种与本次研究中优势菌种相同，说明了活性污泥中菌群众多，但降解VOCs后得出的门水平的生物群落中，优势菌群大多类似。同时在Yang[29]和Wang[30]等人均采用活性污泥为菌种，降解VOCs混合废气的研究中也出现了相似优势菌群。在Heike[31]的研究中提出，Proteobacteria(变形菌门)和Bacteroidetes(拟杆菌门)对高分子化合物的降解能力较强，因此由图9(a)可看出变形菌门、酸杆菌门和拟杆菌门在塔内分别占据了60.42%～67.82%、9.43%～9.72%和6.27%～10.39%，变形菌门为塔内微生物中所占比最大的一门，此为好氧微生物[32]。Chloroflexi(绿弯菌门)为兼性厌氧生物[33]，可能是由于塔内湿度大，填料堆积紧实，塔内水分含量高，所以绿弯菌门发生作用，占比为2.34%～2.61%。所占比重较小，塔内好氧微生物占主要作用。

图9(b)为样品间分布OTU(Operational Taxonomic Units)venn图。OTU韦恩图用来统计样本中共有的和独有的OTU数目，直观的展现出环境样品的OTU数目组成相似性和重叠情况。图9(b)中数字表示特异或共有的OTU数，可以展示出共有的OTU数目为390个，比任何单个样品内独有的OTU数目都要高，说明了生物滴滤塔内含有的优势菌群数目较多，因此能更好的降解苯乙烯废气。