有機廢氣的生物膜凈化過程

摘 要：低濃度有機廢氣的生物膜凈化過程主要通過把廢氣從氣相轉(zhuǎn)移到液相或固相表面的液膜中，然后利用微生物降解液相或固相表面液膜中的污染物。自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌組成的復(fù)合菌在填料塔上的掛膜過程經(jīng)歷吸附、菌體增殖、生物膜初步形成、生物膜成熟四個階段，最終開始發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞：有機廢氣 雙膜理論 生物膜 掛膜過程

中圖分類號：X703文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（b）-0129-01

1 凈化過程機理

低濃度有機廢氣的生物凈化法是一項近年來發(fā)展起來的廢氣污染治理新方法，與其相關(guān)的理論和應(yīng)用技術(shù)目前仍處在不斷改進和完善的過程中。

有機廢氣的生物凈化過程實質(zhì)上是利用微生物的生命活動將廢氣中有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變成為簡單的無機物及細胞質(zhì)等的過程。對于生物法凈化處理工業(yè)廢氣的機理研究，雖然各國學(xué)者已經(jīng)做了許多工作，但到目前為止還沒有統(tǒng)一的理論。一般認為生物法凈化有機廢氣的實質(zhì)是把廢氣從氣相轉(zhuǎn)移到液相或固相表面的液膜中，然后利用微生物降解液相或固相表面液膜中的污染物。其凈化步驟可用荷蘭學(xué)者Ottengraf依據(jù)傳統(tǒng)的氣體吸收雙膜理論提出的生物膜理論來解釋，按照該吸收生物膜理論，生物法凈化處理有機廢氣中的污染物一般要經(jīng)過以下幾個步驟：

（1）廢氣中的有機污染物首先同水接觸并溶解于水中（即由氣膜擴散到液膜）。

（2）溶解（或混合）于液膜中的有機污染物成份在濃度差的推動下進一步擴散到生物膜，進而被其中的微生物捕獲并吸收。

（3）進入微生物體內(nèi)的有機污染物在其自身的代謝過程中被作為能源和營養(yǎng)物質(zhì)被分解，經(jīng)生物化學(xué)反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化為無害的化合物（如CO2、H2O、N2、S和SO42-等）。

（4）生化反應(yīng)產(chǎn)物CO2、N2從生物膜表面脫附并反擴散進入氣相本體，而S和SO42-隨營養(yǎng)液排出。

2 填料上微生物的掛膜

自然界中能夠降解硫系惡臭氣體的物質(zhì)并便于工程應(yīng)用的微生物主要有化能自養(yǎng)菌與化能異養(yǎng)菌。自養(yǎng)菌世代周期長，生長緩慢，在工程應(yīng)用上，自養(yǎng)菌不易獲得大量生物體，難以操控，但自養(yǎng)硫桿菌屬對硫系惡臭物質(zhì)有較高的降解效率。異養(yǎng)菌生長迅速、易于培養(yǎng)與掛膜，對其的操控也要相對容易得多，但其降解的比率（g-S/（細胞·h-1）卻遠低于硫桿菌屬。因此采用自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌組成的復(fù)合菌對填料塔進行掛膜，這樣既能提高對硫系惡臭的降解效果，又有利于菌群間的生態(tài)互補。

將復(fù)合菌混合接種至盛有新鮮的循環(huán)營養(yǎng)液的容器中，在30 ℃條件下培養(yǎng)24 h，菌液明顯混濁，把菌液加入填料塔中浸泡并通入混有臭氣的空氣進行曝氣24～36 h，再將填料塔排空，開啟營養(yǎng)液的循環(huán)系統(tǒng)，使含有復(fù)合菌的循環(huán)液在填料塔循環(huán)掛膜。循環(huán)液每24 h要用新鮮營養(yǎng)液更換約10%～20%。從填料的外部形態(tài)觀察可將初始掛膜到掛膜成熟大致分為四個階段。

2.1 吸附階段

由于填料表面粗糙，比表面積大，有較高的吸附能力，因此可以吸附培養(yǎng)液中的有機物及菌體，為微生物的生長繁殖提供基點和足夠的營養(yǎng)物質(zhì)。此時接種的菌體要調(diào)整代謝機制以適應(yīng)新的環(huán)境，大部分微生物處于靜止適應(yīng)期，此時期在填料上用肉眼均未觀察到生物膜。

2.2 菌體增殖期階段

由于循環(huán)營養(yǎng)液營養(yǎng)物質(zhì)豐富，靜止適應(yīng)期很快結(jié)束，微生物進入對數(shù)增殖期，菌體活力旺盛，開始大量繁殖，消耗大量有機物的同時，生物量大量增加，此時可以觀察到循環(huán)營養(yǎng)液非?；鞚?，但絮凝及附著性差，此時可以適量減少循環(huán)營養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)。以此控制復(fù)合菌的生長速度，使之處于遞減增殖期，讓菌體形成部分絮凝體。絮凝的菌體有利于其在填料上的吸附，此階段在填料上可以觀察到布滿了星星點點微生物群。

2.3 膜的初步形成期

循環(huán)營養(yǎng)液混濁度開始下降，營養(yǎng)液中的菌體數(shù)量減少，但填料上的生物膜開始加速生長，星點狀的微生物群開始向四周穩(wěn)步擴散，此時可以適當增加點營養(yǎng)物質(zhì)以刺激生物膜的加速形成，當填料的大部為半透明的膜所覆蓋，則表明生物膜已初步形成。

2.4 生物膜的成熟期

初步形成的生物膜很脆弱，極易為水流或氣流等機械力量所沖刷掉，此階段要保持水、氣流的均勻性和穩(wěn)定性。與此同時為了保證所需菌種的主導(dǎo)地位及其快速增長，則可以加大硫系惡臭氣體在混合氣體中的濃度。填料上的生物膜快速增厚，生物膜從透明狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成黃白色的膜狀體，當膜的厚度達到200～500 μm時，生物膜就基本成熟。

3 生物膜形成及結(jié)構(gòu)

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，生物膜不是填料對懸浮微生物不斷吸附所形成的，而是物理、化學(xué)和微生物過程綜合的結(jié)果，有機分子或礦質(zhì)元素隨循環(huán)營養(yǎng)液噴淋到填料表面，其中有些被吸附以改良的載體表面；游離的微生物細胞被噴淋到這種改良的載體表面，其中碰撞到表面的微生物一部分可能又被循環(huán)液沖刷下來，而另一部分在被表面吸附一段時間后，可能變成了不可解吸的細菌；不可解吸的細菌攝取并消耗來自循環(huán)營養(yǎng)液的營養(yǎng)物質(zhì)以及臭氣底物，其數(shù)量也不斷地繁殖增多，與此同時細菌產(chǎn)生大量具有粘性的胞外聚合物，胞外聚合物中含多種功能團，如羧基、羥基和磷酸基，可將微生物緊緊地結(jié)合在一起，附在填料表面，微生物量不斷增加，直至填料表面完全被覆蓋，隨后可以從填料的表面向外，并且隨著微生物被分裂成新細胞，逐步覆蓋由先前已形成的膜層，形成良好的生物膜。由此，微生物在消耗底物進行新陳代謝同時便使生物膜形成累積。

一些生物膜不再看作是連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)，而更多地看作是附著在一起由獨立的堆體或群落的隨機組合，這些堆體周圍存在很多通道，水中的營養(yǎng)物質(zhì)和臭氣及氧都可以通過這些通道移動。在孔狀介質(zhì)中生物膜形態(tài)也不同于一般的生物膜形態(tài)，似乎更象一張蜘蛛網(wǎng)，網(wǎng)上每條帶的大小和形狀發(fā)生變化；生物網(wǎng)表面積大，生物膜厚度小，從而減少了液體和生物膜之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移阻力；生物膜通過孔影響孔附近質(zhì)量的傳遞，也影響層間流動。

生物膜附著強度在其生長階段初期相對較高，而在后期附著強度隨生物膜的厚度急劇地下降。當生物膜達到一定的厚度時，就會妨礙擴散作用的進行，噴淋中的營養(yǎng)物以及混合氣中的氧和臭氣不能進入到膜的內(nèi)層（或進入內(nèi)層發(fā)生困難）。當營養(yǎng)供給向內(nèi)層擴散受到限制時，內(nèi)層的微生物就開始內(nèi)呼吸，隨后，當生物膜的內(nèi)層不能支撐其生物群體的時候，生物膜就瓦解脫離，大塊的生物膜開始脫落，生物膜脫落后騰出的更新表面，又會形成新生物膜。

生物量的多少反映了生物膜的厚度、密度，它們與臭氣的處理效率有著直接關(guān)系。生物膜的有效厚度一般為100～500 μm，厚度超過400 μm的內(nèi)層微生物就逐漸由外呼吸轉(zhuǎn)入內(nèi)呼吸狀態(tài)。一般認為生物膜的厚度在500 μm左右，超過1000 μm即自行脫落。生物膜對臭氣的去除率決定于膜的厚度對臭氣物質(zhì)、氧、有機物及礦物質(zhì)的阻力，當生物膜在500 μm以內(nèi)時，有機物的去除率隨生物膜厚度的增加面增加，當生物膜再增厚時，臭氣的去除率與膜的厚度無關(guān)。