甲苯對生物滴濾塔微生物EPS的影響

賈艷萍，姜成，張?zhí)m河，張海豐，陳子成

（東北電力大學化學工程學院，吉林 吉林 132012）

甲苯對生物滴濾塔微生物EPS的影響

賈艷萍，姜成，張?zhí)m河，張海豐，陳子成

（東北電力大學化學工程學院，吉林 吉林 132012）

揮發(fā)性有機物（VOCs）來源廣、種類多、危害大，為了提高VOCs的去除效率，采用生物滴濾塔對甲苯廢氣進行長期連續(xù)處理實驗，考察了甲苯進氣濃度對其去除率和生物滴濾塔內(nèi)生物膜中胞外聚合物（extra-cellular polymeric substance，EPS）的影響。結(jié)果表明：當甲苯進氣濃度為284mg/m3，噴淋水量為3.7～6.3L/h時，甲苯去除率高于95%，EPS濃度較高（339mg/L）；隨著甲苯進氣濃度的增加，EPS松散層（loosely bond extra-cellular polymeric substances，EPS-LB）中蛋白質(zhì)和多糖濃度分別上升至峰值108.93mg/L和103.95mg/L后下降；EPS緊密結(jié)合層（tightly bond extra-cellular polymeric substances，EPS-TB）中蛋白質(zhì)和多糖濃度的變化規(guī)律與EPS-LB相似。噴淋水量低于3L/h或高于7L/h均不利于生物滴濾塔去除甲苯氣體，壓力損失隨著進氣流量和EPS的增大而增大，實驗末期生物滴濾塔的壓力損失明顯高于實驗初期生物滴濾塔的壓力損失，但塔內(nèi)壓力損失仍保持在低值。

揮發(fā)性有機物；生物膜；活性；蛋白質(zhì)；多糖

甲苯是石油的組成成分之一，作為一種重要的化工原料和有機溶劑，被廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如醫(yī)藥、輕工、橡膠制品、建材生產(chǎn)等行業(yè)，但因其具有毒害性，嚴重影響人們的身心健康[1-3]。隨著人們對環(huán)境質(zhì)量要求的提高，甲苯的治理成為繼粉塵、二氧化硫、氮氧化物后又一嚴重的環(huán)境問題，引起世界各國的廣泛關注[4]。揮發(fā)性有機廢氣處理方法主要有燃燒法、洗凈法、吸附法、生物法等。生物法因其運行費用低、性能可靠、處理效果好、二次污染小等特點，成為近年來廢氣處理的主要方法[5-7]。胞外聚合物（extra-celluar polymeric substances，EPS）是細菌和其他微生物產(chǎn)生的用于自我保護和相互粘附的天然有機物。EPS在細胞固定及形成生物膜過程中起著重要作用，污染物被潤濕的生物膜表面吸附，并由微生物吸收進入細胞內(nèi)。EPS可通過胞外酶降解成小分子后吸收到細胞內(nèi)，提供微生物生長需要的碳源和能源。EPS的特殊結(jié)構(gòu)以及EPS與細胞間的相互作用，使其對生物膜的表面特性和除污染能力起著重要作用[8]。

目前，生物過濾法和生物滴濾法是主要的揮發(fā)性有機氣體處理方法。生物過濾法處理效率低、運行與設備維護費用高，而生物滴濾法處理效率高、占地面積少，成為目前生物脫臭法的主流[9-10]。由于脫臭微生物直接影響有害氣體的處理效果，為了提高揮發(fā)性有機氣體的生物處理效率，國外已開始了高效脫臭微生物的篩選、培養(yǎng)和研究工作[11]。國內(nèi)主要在工藝的選擇、運行參數(shù)及處理效果的探討等方面作了一定的工作，采用生物滴濾法去除揮發(fā)性有機物大多停留在研究階段。關于進氣種類和濃度對去除揮發(fā)性有機氣體生物滴濾塔生物膜EPS的影響研究鮮有報道。

本工作利用甲苯揮發(fā)性有機廢氣作為主要研究對象，考察了進氣濃度對生物滴濾塔微生物EPS和去除效果的影響，分析微生物EPS與甲苯去除率之間的變化關系。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗所用生物滴濾塔裝置采用直徑為10.4cm的有機玻璃制成，高為100cm，塔內(nèi)填料為陶粒（直徑8mm）。生物滴濾塔分為兩層（a層和b層），中間由帶孔承托層隔開（孔徑5mm），每層填料高度為30cm，均設有噴淋裝置，裝置總有效容積為5.1L。實驗采用逆流操作，噴淋液由填料上部向下噴淋至填料上，在填料層由上至下流動，噴淋廢液均由塔底排液口排出。含甲苯氣體采用動態(tài)法制備，由空氣壓縮機提供動力將揮發(fā)性甲苯氣體與空氣的混合物由塔底送入生物滴濾塔。甲苯氣體與塔內(nèi)填料表面生物膜接觸被凈化，凈化后的氣體從塔頂排氣口排出。生物接種污泥取自吉化污水處理廠，培養(yǎng)后倒入塔內(nèi)掛膜，通入含低濃度甲苯的氣體馴化培養(yǎng)有降解甲苯能力的微生物。實驗裝置如圖1所示。

圖1 生物滴濾塔實驗裝置圖

實驗在16～24℃條件下進行，甲苯氣體濃度范圍為14～392mg/m3，氣體流量為119L/h，氣體在填料層中的停留時間為77s，塔頂液體噴淋量為5L/h，噴淋液pH為6.5～7；生物滴濾塔正常運行過程中，無需啟動下層填料的噴淋裝置，只有生物滴濾塔下部填料發(fā)生堵塞，壓力損失上升時，才啟動下層填料的噴淋裝置，去除老化的生物膜，降低壓力損失，實驗周期29天。營養(yǎng)液成分如表1所示。

表1 營養(yǎng)液的組成

1.2 分析項目與檢測方法

甲苯氣體濃度采用日本島津氣相色譜儀測定，儀器放于室溫20℃密室內(nèi)，設定柱箱溫度85℃、火焰溫度115℃條件下注樣，檢測周期7min，甲苯出峰時間3.5min左右。液體流量采用LZJ-6型液體玻璃轉(zhuǎn)子流量計計量，范圍為2.5～25L/h。氣體流量采用LZB-4型氣體玻璃轉(zhuǎn)子流量計計量，范圍為25～250L/h。微生物樣品取自生物滴濾塔a層中部，微生物胞外聚合物采用低溫離心機（sigma 3K-30）提取，實驗前對生物膜進行預處理，將其在4℃、2000r/min下離心15min，磷酸緩沖鹽溶液（PBS）清洗3次棄掉上清液，用蒸餾水補足體積，得到生物膜樣品。將上述生物膜沉淀重新懸浮于20mL 0.9% NaCl溶液中，放置于超聲分離器中，超聲分離4min，然后在8000r/min離心15min，取上清液測定EPS-LB。分離EPS-LB后的生物膜重新懸浮于20mL 0.9% NaCl溶液中，超聲分離4min，在80℃下水浴30min，在12000r/min離心15min，取上清液測定EPS-TB[12]。EPS-LB和EPS-TB的量以蛋白質(zhì)和多糖加和的形式表征。多糖和蛋白質(zhì)濃度分別采用蒽酮-H2SO4比色法[13]和考馬斯亮藍法[14]進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 進氣濃度對甲苯去除率和EPS的影響

在氣體流量為119L/h、液體流量為5L/h條件下，考察甲苯進氣濃度對其去除率的影響，結(jié)果如圖2所示。當進氣濃度在41～284mg/m3之間時，反應器運行初期（1～7天），從第3天開始，甲苯去除率呈下降趨勢。但是隨著運行時間的增加，甲苯去除率逐漸上升。反應器運行穩(wěn)定階段，甲苯去除率高于90%，這是由于適合降解甲苯氣體的微生物逐漸適應環(huán)境，不斷生長繁殖，微生物數(shù)量增多，對甲苯的利用效率增加。當甲苯進氣濃度為284mg/m3時，甲苯去除率為99.2%；當進氣濃度高于284mg/m3時，隨著進氣濃度的增加，去除率降低，此時甲苯濃度超過微生物的降解能力，從而抑制微生物生長。說明此生物滴濾塔能處理的甲苯最大進氣濃度為284mg/m3。

EPS含量主要受生物量和生物活性的影響，如圖2所示。在反應器運行開始階段，甲苯進氣濃度為13～121mg/m3之間時，掛膜的污泥含有大量活性較高的微生物，微生物生長繁殖，系統(tǒng)內(nèi)生物量不斷增加，EPS含量逐漸上升。當甲苯進氣濃度為121～284mg/m3時，EPS含量變化出現(xiàn)波動。由于不利用甲苯作為碳源的微生物生長繁殖受到抑制而死亡，生物量減少；填料生物膜中降解甲苯的微生物不斷生長繁殖，生物量增加，從而導致EPS含量波動。當甲苯進氣濃度為284mg/m3時，EPS濃度較高（339mg/L）。當甲苯進氣濃度過高時，超過了微生物最大降解能力，甲苯成為抑制微生物生長的有害物質(zhì)，導致生物活性降低，部分微生物死亡，生物量減少，EPS含量逐漸降低。

圖2 進氣濃度對甲苯去除率和EPS的影響

2.2 進氣濃度對多糖和蛋白質(zhì)的影響

EPS有著動態(tài)的雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為緊密結(jié)合的EPS-TB，較為穩(wěn)定的附著在細胞壁外，外層為松散附著的EPS-LB，結(jié)構(gòu)疏松，密度小，無明顯邊緣[15]，其結(jié)構(gòu)特點及對甲苯氣體的傳質(zhì)過程如圖3所示。通過對EPS-LB和EPS-TB中多糖和蛋白質(zhì)的測定，考察甲苯進氣濃度對EPS-LB、EPS-TB中多糖和蛋白質(zhì)的影響，如圖4、圖5所示。

圖3 EPS的結(jié)構(gòu)特點及對甲苯氣體的傳質(zhì)過程

圖5 進氣濃度對EPS-TB蛋白質(zhì)和多糖的影響

由圖4可以看出，當進氣濃度為14～122mg/m3時，隨著甲苯進氣濃度的增加，EPS-LB蛋白質(zhì)含量逐漸增加。完成馴化掛膜的污泥含有大量活性較高的微生物，生長繁殖旺盛，微生物通過吸收分解甲苯氣體，使代謝生成的蛋白質(zhì)含量增加，從而導致EPS-LB蛋白質(zhì)濃度逐漸升高；當甲苯進氣濃度為122mg/m3時，EPS-LB蛋白質(zhì)含量達到最大值108.93mg/L。當進氣濃度在122～203mg/m3范圍時，隨著甲苯進氣濃度的增加，EPS-LB蛋白質(zhì)含量逐漸降低。由于在整個系統(tǒng)中，甲苯作為微生物生長繁殖的唯一碳源，長時間通入濃度逐漸上升的甲苯氣體后，不利用甲苯作為碳源生長的微生物繁殖受到抑制而大量死亡，從而導致EPS-LB蛋白質(zhì)濃度降低；當甲苯進氣濃度為203mg/m3時，EPS-LB蛋白質(zhì)濃度達到最低值17.11mg/L。當甲苯進氣濃度為203～284mg/m3時，隨著進氣濃度的增加，EPS-LB蛋白質(zhì)濃度又逐漸上升，這主要由于生物滴濾塔填料上的微生物經(jīng)過培養(yǎng)馴化后，能夠利用甲苯作為碳源生長的微生物大量繁殖，其代謝生成的蛋白質(zhì)濃度逐漸增加，從而導致EPS-LB蛋白質(zhì)濃度逐漸升高。當甲苯濃度為284mg/m3時，EPS-LB蛋白質(zhì)濃度為81.75mg/L，又達到一個峰值。當甲苯濃度高于284mg/m3時，由于甲苯進氣濃度過高，超過微生物能夠降解甲苯氣體的最大能力，此時甲苯成為抑制微生物生長的物質(zhì)，導致部分微生物死亡，從而EPS-LB蛋白質(zhì)含量逐漸降低。

在反應器運行初期階段，甲苯進氣濃度較低，EPS-LB多糖濃度較低，這可能由于系統(tǒng)在開始階段生物量較低，多糖總體含量較低；然而，在反應器運行第10天，當甲苯進氣濃度達到130mg/m3時，生物滴濾塔噴淋營養(yǎng)液，微生物生長繁殖加快，代謝分泌的多糖物質(zhì)急劇升高，導致EPS-LB多糖含量迅速上升，EPS-LB多糖含量達到一個峰值103.95mg/L；隨著甲苯濃度的繼續(xù)升高，EPS-LB多糖濃度出現(xiàn)了連續(xù)的波動，這主要是由于生物滴濾塔填料上的生物膜內(nèi)含有多種混合微生物，微生物的適應能力不同[16]。隨著甲苯進氣濃度的增加，不能適應環(huán)境的微生物不斷受到濃度逐漸增大的甲苯氣體沖擊，生長緩慢或死亡，從而導致系統(tǒng)內(nèi)微生物分泌的EPS-LB多糖濃度出現(xiàn)了下降的趨勢；然而，適應能力較強的微生物隨著甲苯進氣濃度的增加，不斷地生長繁殖，使系統(tǒng)內(nèi)EPS-LB多糖濃度又出現(xiàn)了上升的趨勢。因此，當甲苯進氣濃度為130～284mg/m3時，兩類微生物的競爭導致EPS-LB多糖濃度呈現(xiàn)了波動變化的現(xiàn)象。當甲苯進氣濃度達到284mg/m3時，EPS-LB多糖濃度達到最大值109.88mg/L；隨著甲苯進氣濃度繼續(xù)增加，EPS-LB多糖濃度急劇下降，這說明系統(tǒng)已經(jīng)超過微生物降解甲苯的最大能力。

圖5為甲苯進氣濃度對EPS-TB蛋白質(zhì)和多糖的影響，隨著甲苯進氣濃度的增加，在實驗初期EPS-TB蛋白質(zhì)和多糖的濃度逐漸上升，在實驗末期濃度又逐漸下降，這與EPS-LB蛋白質(zhì)和多糖的變化規(guī)律基本一致。由于EPS-TB緊密粘附在微生物內(nèi)層，與EPS-LB對生物膜性能的影響相比，EPS-TB內(nèi)蛋白質(zhì)和多糖的含量對生物膜性能的影響較小[17]。EPS-TB主要影響甲苯氣體的傳質(zhì)過程，進而影響微生物對污染氣體的吸收降解[6]。

微生物處于饑餓或半饑餓狀態(tài)的減速生長期或內(nèi)源呼吸期時，可分泌出與細胞緊密結(jié)合的高分子聚合物，屬于EPS-TB；而微生物在對數(shù)生長期分泌的則是與細胞松散附著的低分子聚合物，屬于EPS-LB[18]。此外，EPS-LB氧氣量比EPS-TB充足，對微生物去除污染物的效率起主要影響作用。因此，考察EPS-LB蛋白質(zhì)和多糖濃度變化與甲苯去除率的關系，如圖6所示。

由圖6可以看出，在實驗運行1～10天，隨著EPS-LB蛋白質(zhì)和多糖的濃度逐漸上升，甲苯去除率呈現(xiàn)上升趨勢，當實驗進行到第9～10天時，EPS-LB蛋白質(zhì)與多糖濃度達到最高值，分別為108.93mg/L和103.95 mg/L，甲苯去除率較高。這是由于微生物吸收分解甲苯氣體不斷生長繁殖，隨著微生物數(shù)量的增加，EPS-LB蛋白質(zhì)和多糖的含量逐漸上升，微生物對甲苯的利用率上升。隨著實驗的繼續(xù)進行，EPS-LB蛋白質(zhì)與多糖的濃度和甲苯去除率均有一個短暫下降的過程，這是由于系統(tǒng)內(nèi)適應能力較弱的微生物生長受到抑制或死亡，導致EPS-LB蛋白質(zhì)和多糖濃度下降，甲苯去除率下降。當實驗進行到第21天時，蛋白質(zhì)與多糖濃度分別為81.75mg/L和109.88mg/L，但是甲苯去除率呈下降的趨勢，這是由于系統(tǒng)長時間連續(xù)運行后，微生物不斷降解甲苯轉(zhuǎn)化成自身物質(zhì)，當?shù)鞍踪|(zhì)與多糖濃度再次達到較高的水平時，微生物對甲苯的降解能力達到最大，蛋白質(zhì)與多糖的含量達到飽和狀態(tài)。當實驗進行到第21天后，甲苯濃度過高導致系統(tǒng)生物量減少，EPS-LB蛋白質(zhì)和多糖濃度開始減少，系統(tǒng)對甲苯的去除率降低。甲苯去除率與EPS濃度變化規(guī)律基本一致。

圖6 EPS-LB蛋白質(zhì)和多糖濃度對甲苯去除率的影響

2.3 噴淋水量對EPS和壓力損失的影響

在進氣濃度為284mg/m3、氣體流量為119L/h條件下，研究噴淋水量對甲苯去除率的影響，如圖7所示。當噴淋水量較?。?～3L/h）時，甲苯去除率為75%～80%，EPS的含量較低（178mg/L）。這主要是因為噴淋水量過低，填料表面無自由水存在，降低了氣體從氣相擴散到生物膜的速率，影響微生物代謝效率，老化的生物膜不能被噴淋水及時沖刷掉，EPS含量減少。當噴淋量為4.6～5.4L/h時，甲苯去除率高于95%，此時微生物繁殖旺盛，生物量較高，EPS含量也較高（327mg/L）。當噴淋量超過7L/h時，甲苯去除率逐漸下降，EPS含量逐漸下降。這是因為過量的噴淋水使生物膜表面的水膜增厚，增大了傳質(zhì)阻力，影響微生物對甲苯氣體的降解效率[19]。同時，過大噴淋水量的沖擊導致生物膜脫落，也會使去除率和EPS減少。系統(tǒng)最佳的噴淋量選取4.4～5.6L/h。

圖7 甲苯去除率與噴淋量的變化關系

生物滴濾塔內(nèi)的壓力損失是重要的運行指標，它關系到能量的消耗，直接影響生物滴濾塔的運行成本。在相同的噴淋量下，未掛膜填料的壓力損失與掛膜后填料的壓力損失對比，結(jié)果如圖8所示。生物滴濾塔的壓力損失隨著進氣流量的增大而增大，接種后運行穩(wěn)定的生物滴濾塔壓力損失明顯高于未掛膜的新鮮填料，并且EPS含量較高時的壓力損失明顯高于EPS含量較低時的壓力損失。這是因為未掛膜填料層的孔隙率較大，壓力損失主要由填料中的沿程阻力損失構(gòu)成。掛膜后填料表面覆蓋生物膜，其孔隙率減小，壓力損失增大[20-21]。當EPS含量較高時，生物量較高，填料間孔隙率減小，壓力損失大；同時生物膜吸附較多的水分，液膜厚度增加，造成填料層壓力損失進一步增大，但是，生物滴濾塔內(nèi)未出現(xiàn)短流現(xiàn)象，壓力損失保持在低值。

圖8 壓力損失與進氣流量的變化關系

3 結(jié)論

（1）在氣體流量為119L/h，液體流量為5L/h的條件下，當甲苯進氣濃度為284mg/m3時，甲苯去除率大于99%，EPS濃度最高（339mg/L）；當甲苯進氣濃度高于284mg/m3時，甲苯去除率降低，EPS濃度降低。

（2）微生物EPS-LB蛋白質(zhì)和多糖濃度隨著進氣濃度的增加而增加，當進氣濃度分別為122mg/m3和130mg/m3時，蛋白質(zhì)和多糖濃度為108.93mg/L和103.95mg/L；當進氣濃度為347mg/m3時，EPS-LB蛋白質(zhì)和多糖濃度為81.74mg/L和109.88mg/L；甲苯濃度繼續(xù)升高，蛋白質(zhì)和多糖濃度均開始下降。EPS-TB主要影響甲苯氣體的傳質(zhì)過程，間接影響微生物對污染氣體的吸收和降解效率。

（3）過大或過小的噴淋水量均不利于甲苯氣體的去除。在進氣濃度為284mg/m3，氣體流量為119L/h條件下，保持適宜的噴淋水量3.7～6.3L/h時，甲苯去除率高于95%，EPS濃度較高。隨著進氣流量的增大，壓力損失增大，穩(wěn)定運行的生物滴濾塔壓力損失高于未掛膜的生物滴濾塔；EPS含量增加使得生物量增加，填料間孔隙率減小，造成填料層壓力損失進一步增大，但塔內(nèi)壓力損失仍保持低值。

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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。

國家自然科學基金（51678119），吉林省科技發(fā)展計劃（20150204052SF，20160101268JC，20150519020JH）及吉林省省校合作技術開發(fā)項目（吉工信科技2011-507）。

賈艷萍（1973—），女，博士，副教授，主要從事廢水及廢氣的生物處理理論與工藝研究。E-mail：jiayanping1111@sina.com。聯(lián)系人：張?zhí)m河，博士，教授，主要從事廢水及廢氣的治理研究。E-mail：zhanglanhe@163.com。