雜色云芝生物濾塔凈化甲苯廢氣效果

駱翼夢，李順義，馬宏業(yè)，王 巖

?

雜色云芝生物濾塔凈化甲苯廢氣效果

駱翼夢，李順義※，馬宏業(yè)，王 巖

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，鄭州 450001）

為研究生物濾塔中優(yōu)勢菌種雜色云芝凈化甲苯的性能。選擇松樹皮和火山石為生物濾塔填料，雜色云芝為功能微生物，甲苯為目標污染物，研究雜色云芝在生物濾塔中的生長情況及不同停留時間和進氣載荷對去除率、去除負荷，系統(tǒng)壓降變化的影響等。結(jié)果表明：采用強制循環(huán)掛膜法，在20 d內(nèi)即可完成微生物掛膜，且在木質(zhì)素氧化酶沒有參與的條件下雜色云芝生物濾塔對甲苯表現(xiàn)出較好的去除效果。生物濾塔凈化過程中氣體停留時間（Gas rentention time, GRT）為148.3 s，進口負荷為7.28 g/(m3·h)時，生物濾塔的最大去除能力為6.73 g/(m3·h)，該系統(tǒng)的最高去除率為92.4%；GRT為37.1s，進口負荷為58.25 g/(m3·h)時，生物濾塔的最大去除能力為47.07 g/(m3·h)，去除率在80%以上。試驗條件下，系統(tǒng)的壓降均在500 Pa以下，說明系統(tǒng)的經(jīng)濟性良好。

凈化；甲苯；微生物；VOCs；雜色云芝；生物濾塔

0 引 言

甲苯（toluene）是VOCs中典型的污染物之一，是煉油、石化、染料、制漿造紙等工業(yè)所常用的有機溶劑[Belpomme, 2007 #53][1-2]。甲苯對人體危害極大，即使是在很低的濃度時也是致癌的，并會損傷肝、腎和麻痹中樞神經(jīng)系統(tǒng)[1]。目前，甲苯廢氣的主要凈化技術(shù)有化學(xué)氧化法、燃燒法、物理法、生物法等。與其他方法相比，生物法處理低濃度VOCs，具有投資少、能耗小、無二次污染等優(yōu)點，是VOCs廢氣治理的研究熱點。微生物是生物凈化的核心，大多生物濾塔接種活性污泥，在運行中需經(jīng)長期馴化，且效率不高。生物濾塔添加功能微生物的菌種分為細菌和真菌，細菌作為功能微生物的生物法凈化甲苯的研究較多，但細菌表面的水層會影響疏水性VOCs的傳質(zhì)速率，對水溶性差的污染物降解效率較低。與細菌相比，真菌降解有機污染物的能力較強，并能耐受嚴酷的環(huán)境條件[3]，且對于疏水性的有機污染物具有更強大的降解能力[4-5]。

真菌的結(jié)構(gòu)和菌絲體的生長能明顯增加疏水性VOCs污染物（如甲苯）從氣相到生物質(zhì)之間的質(zhì)量傳遞[6-7]，且真菌的結(jié)構(gòu)和氣生菌絲有巨大的比表面積，能吸附大量的氣相甲苯，使處理效率提高。Vergara等[7]測得真菌菌絲的比表面積為1.91×105m2/m3，與細菌相比真菌固有的特性可以提高其對疏水性有機污染物的降解效率，以真菌為優(yōu)勢微生物的生物濾塔對正己烷的最大去除速率為248 g/(m3·h)。Aizpuru等[8]證明了在真菌-細菌共生的生物過濾塔中，真菌起到主要作用，對甲苯的去除貢獻率達到70%。

雜色云芝是白腐真菌的一種，白腐真菌憑借分泌出的多種生物酶可以遵循不同的降解機制對多環(huán)芳烴、烷基苯類、氯代芳烴等化合物進行降解[9]。正是由于白腐真菌主要降解酶的非專一性，使得其對芳香族化合物的降解不局限于次生代謝階段和細胞外。本研究以雜色云芝為功能微生物凈化甲苯廢氣。研究了雜色云芝的生長情況，降解甲苯產(chǎn)酶特點，降解效率及壓降變化，為后續(xù)的工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 填料

填料是生物濾塔的重要組成部分，它不僅作為微生物生長的載體，還為氣、液、固三相提供充分的接觸面。填料的性能會影響微生物的掛膜、生長和反應(yīng)器運行時的壓力損失，從而直接影響生物濾塔的處理效率和運行費用[10]。

松樹皮和火山石作為填料已成功應(yīng)用于生物濾塔系統(tǒng)中[11-12]，由于松樹皮具有高有機質(zhì)含量、高孔隙率、總截流面廣、良好的吸附效果、穩(wěn)定的pH值、使用時間長等特點，對于生物濾塔系統(tǒng)中的廢氣凈化、水分截留及承載微生物族群具有良好的效果?；鹕绞庥^無尖粒狀，孔隙率高，對水流阻力小，不易堵塞，布水布氣均勻。表面粗糙多孔易被微生物附著生長，掛膜速度快，反復(fù)沖洗時微生物膜不易脫落，機械強度高，使用壽命長，且還廉價易得。松樹皮作為有機填料能給微生物提供營養(yǎng)成分，但隨著運行時間延長，有機填料會出現(xiàn)壓實，導(dǎo)致系統(tǒng)壓降升高；火山石作為無機填料機械強度高，表面粗糙，比表面積大，利于微生物附著生長，但不能給微生物提供營養(yǎng)，因此將這2種填料混合裝填，既能給微生物提供充足養(yǎng)分，又能有很好地支撐，降低壓降的效果。因此，本研究以長度為30 mm左右的塊狀松樹皮和火山石作為生物濾塔的填料，2種填料按體積比為2∶1的比例混合裝填于濾塔中。2種填料的理化特性見表1。填料在裝塔之前經(jīng)過121 ℃，30 min的滅菌處理。

表1 填料特性

1.2 生物濾塔掛膜

該生物濾塔系統(tǒng)的微生物掛膜采用強制循環(huán)掛膜法。500 mL的菌懸液在恒溫振蕩培養(yǎng)箱中30 ℃、150 r/min條件下繼續(xù)培養(yǎng)3～4 d，形成小型菌球，通過蠕動泵循環(huán)噴淋。微生物在生物濾塔上的掛膜情況如圖1所示，從圖1中可以看出在菌懸液的循環(huán)掛膜作用下雜色云芝在填料表面附著生長良好，一周左右可清晰觀察到雜色云芝的氣生菌絲。

圖1 生物濾塔微生物接種掛膜情況

1.3 試驗裝置

生物濾塔材質(zhì)為有機玻璃，圓柱形，內(nèi)徑108 mm，高1 500 mm。為降低填料的壓實程度，降低系統(tǒng)壓降以及使氣體分布更加均勻，將生物濾塔的填料分為3層裝填[13]，各填料層高度均為300 mm，總填料高度為900 mm，填料層間隔200 mm，床層總體積為8.24 L。各層間由法蘭連接，并用密封墊加強裝置的氣密性，每層均設(shè)有氣體采樣口。生物濾塔系統(tǒng)的裝置示意圖如圖2所示。

生物濾塔采用逆流模式（counter-current mode）操作，由配氣系統(tǒng)、生物濾塔系統(tǒng)、循環(huán)液系統(tǒng)和pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)4個部分組成。由空氣壓縮機提供空氣來源，然后分成2股，一部分空氣通入液態(tài)甲苯（Kemel，99.5% AR）生成甲苯廢氣；另一部分空氣通過緩沖瓶和加濕瓶，與氣態(tài)甲苯在氣體混合室混合均勻后進入生物濾塔。一定濃度的甲苯廢氣從生物濾塔底部通入，經(jīng)3層填料層凈化后由頂部排出。為保證生物濾塔有適宜的水分和養(yǎng)分，滿足微生物生長的需要，營養(yǎng)液以54.45 mL/min的速度通過蠕動泵進行定期噴淋，間隔1 h噴淋1次，每次噴淋1 h；營養(yǎng)液總體積為1 L，系統(tǒng)運行過程中，每天損耗量在6%～10%左右（與進氣流量有關(guān)），因此需要7～10 d左右補充新的營養(yǎng)液，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)適時調(diào)控噴淋循環(huán)液的pH值（4.5左右），保證微生物的最適生長，試驗在室溫25～35 ℃的條件下進行。

圖2 生物濾塔裝置示意圖

無機鹽循環(huán)液（g/L）：1.3 KH2PO4，18 NaNO3，0.38 MgSO4×7H2O，0.25 CaSO4×2H2O，0.055 CaCl2，0.015 FeSO4×7H2O，0.012 MnSO4×H2O，0.013 ZnSO4×7H2O，0.002 3 CuSO4×7H2O，0.001 5 CoCl2×6H2O，0.001 5 H3BO3，0.5氯霉素（抑制真菌塔中細菌的生長），pH值為4.5[14-15]。

1.4 分析方法

1）甲苯濃度采用氣相色譜（GC1120，上海舜宇恒平）并配有N2000色譜工作站進行測定[16]。氣相色譜儀參數(shù)設(shè)置為：FID（flame ionization detector）檢測器，F(xiàn)FAP型氣相毛細柱（柱長30 m，內(nèi)徑0.25 mm，柱內(nèi)涂膜厚0.25m），氮氣作為載氣。色譜檢測條件為：柱溫60 ℃，進樣器溫度150 ℃，F(xiàn)ID檢測器溫度250℃。該方法的檢出限為1.5×10-3mg/m3，檢測下限為6.0×10-3mg/m3。

2）微生物計數(shù)方法：從生物濾塔中取1 g填料，與滅菌后的生理鹽水（0.9% NaCl）在錐形瓶中進行混合，在搖床上振蕩30 min[17]。然后進行梯度稀釋，最后接種于瓊脂培養(yǎng)基[18]，在生化培養(yǎng)箱30 ℃條件下培養(yǎng)3 d。

3）壓降采用德圖testo510便攜式壓差測定儀測定。

4）微生物形態(tài)通過CX40電子顯微鏡觀察。

5）本生物濾塔系統(tǒng)中檢測3種酶的原因為，3種酶均為氧化酶，底物利用的專一性弱，因此考慮3種酶在甲苯的降解中有可能具有較大的作用。3種酶酶活的檢測方法如下：

木質(zhì)素過氧化物酶（Lip）：在小試管中加入2 mL 50 mmol/L酒石酸-酒石酸鈉緩沖溶液（pH值2.5），1 mL 2 mmol/L藜蘆醇，1 mL粗酶液。然后將試管放入30℃水浴中溫?zé)? min，取出后用膠頭滴管加入1 mL 0.4 mmol/L過氧化氫，外分光光度計檢測310 nm處30 s/2.5 min內(nèi)吸光度值的變化。

錳過氧化物酶（Mnp）：在小試管中加入2mL 100 mmol/L酒石酸-酒石酸鈉緩沖溶液（pH值5.0），1 mL 0.1 mmol/L硫酸錳，1 mL粗酶液。然后將試管放入30 ℃水浴中溫?zé)? min，取出后用膠頭滴管加入1 mL 0.1 mmol/L過氧化氫，紫外分光光度計檢測238 nm處10 s內(nèi)吸光度值的變化。

漆酶（Lac）：在小試管中加入2 mL 0.1 mol/L醋酸-醋酸鈉緩沖溶液（pH值4.5），1 mL 粗酶液，然后將試管放入25 ℃水浴中溫?zé)? min，取出后加入1 mL 0.5 mmol/ L ABTS，紫外分光光度計檢測420 nm處1 min內(nèi)吸光度值的變化。

1.5 生物濾塔運行條件控制

生物濾塔運行分為3個階段，每個階段的試驗運行條件見表2，考察了生物濾塔運行90 d內(nèi)微生物的掛膜情況，不同停留時間（由氣體流量計控制）、進氣量、進口濃度對生物濾塔凈化甲苯的性能研究。

表2 生物濾塔運行條件設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 雜色云芝在濾塔中的生長

圖3為循環(huán)掛膜20 d后，雜色云芝的鏡檢情況。由40倍和100倍的鏡檢圖片觀察可知，接種在生物濾塔上的雜色云芝生長是以頂端延長的方式進行，在生長過程中不斷產(chǎn)生繁茂的分枝，形成網(wǎng)狀菌絲體。菌絲體繼續(xù)向氣相空間生長，從而形成具有一定特征的菌落。在菌絲的生長過程中，不同個體的菌絲之間相互接觸，在接觸點相近的細胞壁局部降解而發(fā)生菌絲的網(wǎng)結(jié)現(xiàn)象，因此使菌落形成一個完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種特定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和菌絲體的生長使得其具有更大的表面積，能吸附大量的氣相甲苯，顯著增加疏水性的甲苯從氣相到生物質(zhì)之間的傳質(zhì)效率，從而增加生物濾塔對甲苯的降解性能和去除能力。從圖3中100倍電子顯微鏡下可以清楚地看到雜色云芝的孢子與菌絲體間的形態(tài)特征。

圖3 電子顯微鏡下雜色云芝的形態(tài)

2.2 雜色云芝降解甲苯產(chǎn)酶特點

雜色云芝對甲苯的降解依賴一些酶的產(chǎn)生和分泌，降解過程中所產(chǎn)生的一切生物反應(yīng)都是在生物催化劑酶的參與、催化和調(diào)控下進行的。掛膜第5天開始檢測生物濾塔滲濾液中的木質(zhì)素過氧化物酶（Lip）、錳過氧化物酶（Mnp）和漆酶（Lac）的酶活。

由圖4知滲濾液中僅測得少量的漆酶（Lac）酶活為2 U/L左右，隨生物濾塔的運行漆酶（Lac）酶活直線下降，5 d內(nèi)漆酶酶活由2 U/L下降到0.03 U/L左右。錳過氧化物酶（Mnp）的酶活也較低，在0.02 U/L左右。木質(zhì)素過氧化物酶（Lip）的酶活基本為0，說明雜色云芝沒有分泌木質(zhì)素過氧化物酶（Lip）。在該生物濾塔降解甲苯系統(tǒng)中雜色云芝沒有同時分泌Lip、Mnp和Lac這3種酶，只分泌了Mnp和Lac 2種酶，這與有關(guān)文獻中的闡述一致[19]。

圖4 雜色云芝酶活隨生物濾塔運行時間的變化

雖然在該系統(tǒng)中只檢測到了2種酶，并且在酶活很低的情況下雜色云芝對甲苯的降解率幾乎沒有受到影響，說明雜色云芝在對甲苯的降解過程中這2種酶可能沒有發(fā)揮作用，而是有其他的酶的參與使甲苯得到降解。具體是哪種酶的作用，有待后續(xù)試驗深入研究。

木質(zhì)素酶系統(tǒng)在白腐菌對污染物的降解中有非常重要的作用[20]。然而，木質(zhì)素酶系統(tǒng)參與BTEX（苯系物）降解的研究還非常少。Yadav等[21]發(fā)現(xiàn)P.在降解BTEX的過程中沒有木質(zhì)素酶的參與，而是通過2,3-苯雙加氧酶使單環(huán)芳烴開環(huán)。Weber等[22]指出C對甲苯的降解發(fā)生在木質(zhì)素過氧化物酶或其他過氧化物酶沒有參與的條件下，而是檢測到鄰苯二酚雙加氧酶。Elisabet等[23]的研究中首次發(fā)現(xiàn)T.中的漆酶等木質(zhì)素酶通過產(chǎn)生×OH參與了BTEX的降解，但木質(zhì)素酶系和×OH在BTEX降解中的具體作用還有待進一步研究。

2.3 生物濾塔對甲苯凈化性能的評價

由圖5可以看出，在階段1進氣量為200 L/h，EBRT=148.3 s，進口濃度為300 mg/m3，進氣載荷為7.28 g/(m3·h)時，運行初期雜色云芝處于短暫的適應(yīng)期，前5 d生物濾塔對甲苯的去除率在10%以下。此時甲苯的去除可能是由于填料的微量吸附和循環(huán)液的淋洗作用，且循環(huán)液的淋洗作用較大。因為甲苯在循環(huán)液中有一定的溶解度且循環(huán)液中有一定的微生物量。經(jīng)過一周左右微生物逐漸適應(yīng)了在濾塔中的生長條件，去除率明顯提高，生物濾塔出口甲苯濃度逐漸降低，此時系統(tǒng)對甲苯去除以微生物的降解作用為主。在20 d左右時，雜色云芝基本將填料表面覆蓋，生物濾塔掛膜完成，此時甲苯的去除率達60%以上。

圖5 生物濾塔凈化甲苯效果

隨著填料表面微生物數(shù)量的增多，甲苯的降解率不斷提高，在25 d時達到90%以上，最高為92.4%。在進氣量為200 L/h，EBRT=148.3 s，進口質(zhì)量濃度為600 mg/m3，進氣載荷為14.56 g/(m3·h)時，甲苯的去除率也維持在90%左右。這源于真菌的結(jié)構(gòu)和菌絲體的生長能明顯增加疏水性的甲苯從氣相到生物質(zhì)之間的質(zhì)量傳遞，而且真菌的結(jié)構(gòu)和大量的氣生菌絲有巨大的比表面積，能捕獲吸附大量的氣相甲苯。在階段2進氣量為400 L/h，EBRT=74.2 s，進口質(zhì)量濃度為300和600 mg/m3，進氣載荷為14.56和29.13 g/(m3·h)時，由于進氣量增大，氣體停留時間縮短，甲苯的去除率降為85%左右。在階段3進氣量為800 L/h，EBRT=37.1 s，進口質(zhì)量濃度為300和600 mg/m3，進氣載荷為29.13和58.25 g/(m3·h)時，甲苯出口濃度較階段1和階段2都有所增加，由于氣體停留時間的進一步減小，甲苯的去除率降低為80.8%。

由此可知，在該生物濾塔系統(tǒng)中隨著進氣濃度的增加，甲苯出口濃度逐漸增加，而氣體停留時間對甲苯出口濃度和去除率影響較大。隨著氣體停留時間的減小，相同濃度下的出口濃度變大，去除率變小，在濃度較高時，對去除率影響更明顯。且在該系統(tǒng)中最高進口質(zhì)量濃度600 mg/m3和最短的氣體停留時間37.1 s時，甲苯的去除率也在80.8%，該運行結(jié)果表明，雜色云芝生物濾塔對甲苯的凈化效果較好。

表3 生物濾塔在不同EBRT下進氣載荷對去除率和去除負荷的影響

不同氣體停留時間下，148.3、74.2和37.1 s，氣體進氣載荷對去除率和去除負荷的影響見表3。氣體停留時間148.3 s，進氣載荷較低為7.28 g/(m3·h)的情況下，去除負荷較接近進氣載荷，此時的去除率最高達92.4%，最大去除負荷為6.73 g/(m3·h)。隨著氣體停留時間減小，相同進氣載荷下，去除率和去除負荷逐漸降低。這可能是由于隨著進氣載荷的增加生物膜逐漸得到完全利用，控制機制由質(zhì)量傳遞控制轉(zhuǎn)化為生物反應(yīng)控制，因此去除率會下降；另外，隨甲苯進氣載荷的增加，基質(zhì)抑制也會導(dǎo)致去除率和去除負荷下降[24]。

2.4 生物濾塔壓降變化

生物濾塔在運行過程中，壓降是生物濾塔的一項重要經(jīng)濟和技術(shù)指標[25]。隨著微生物數(shù)量的增加，生物膜變厚，生物量的不斷積累會導(dǎo)致填料之間空隙變小，填料的壓實度增加和填料濕度的變化，使生物濾塔整體壓降不斷增加[26]。過大的運行壓降將會導(dǎo)致動力消耗的大幅度上升，從而影響生物濾塔的處理性能降低其經(jīng)濟性[27]。由于真菌特殊的結(jié)構(gòu)和菌絲體的生長真菌塔較細菌塔更容易出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象。

因此，本研究考察了在3個階段3個進氣量分別為200、400、800 L/h，3個不同截面氣速為0.36、0.73、1.46 m/s條件下，生物濾塔整體壓降隨運行時間的變化。

由圖6可以看出生物濾塔在運行初期，隨著運行時間的增加，壓降呈不斷上升的趨勢。隨著生物量的不斷增加，微生物累積與微生物殘體未及時清出濾塔，填料之間的空隙逐漸減小，壓實度增加，壓降不斷升高。相同濃度下，隨著進氣氣速的不斷增大，壓降也不斷增大，這與相關(guān)資料研究結(jié)果相似[28-29]。在整個運行過程中該生物濾塔的整體壓降在500 Pa以內(nèi)，最高為495 Pa，未存在堵塞問題，對甲苯的凈化能力也未造成明顯的影響。

圖6 生物濾塔整體壓降變化

引起壓降的原因來自于微生物的生長，填料的特性，粒徑大小以及進氣氣速。一般真菌塔中由于真菌的氣生菌絲會占據(jù)大量的空間導(dǎo)致真菌塔的壓降要高于細菌塔，粒徑較小的微生物易于附著的有機填料生物濾塔的壓降要明顯高于粒徑大的微生物不容易附著的無機填料生物濾塔。Doradoa等[28]的研究中以黏土顆粒和黏土顆粒外包裹一薄層堆肥(1∶4)作為填充填料，填料粒徑為4～5 mm，活性污泥作為功能微生物，隨著運行時間的增加，系統(tǒng)壓降不斷升高，當運行到第21天時，系統(tǒng)壓降就高達100 mm H2O，即980 Pa。侯晨濤[30]的研究中選擇粒徑為2.4 mm×(6～8) mm的柱狀活性炭作為填充填料，在60 d時，生物濾塔壓降為2 400 Pa。與其他研究中的壓降相比，該系統(tǒng)的總體壓降值在500 Pa以內(nèi)，且對甲苯的凈化能力也沒有造成顯著的影響，由此可以判斷該系統(tǒng)的經(jīng)濟性良好。

3 結(jié) 論

1）雜色云芝在松樹皮和火山石填料上的附著生長良好，生物濾塔整體運行情況穩(wěn)定，表現(xiàn)出較好的甲苯凈化能力，去除率最高為92.4%。

2）本研究中雜色云芝對甲苯的降解發(fā)生在木質(zhì)素過氧化物酶（Lip）、錳過氧化物酶（Mnp）和漆酶（Lac）這3種酶沒有參與的條件下，可能存在其他的酶在發(fā)揮作用。雜色云芝對甲苯的降解機理和過程有待進一步研究。

3）該系統(tǒng)的壓降較低，總體壓降值在500 Pa以內(nèi)，經(jīng)濟性可觀，雜色云芝作為功能微生物的生物濾塔降解甲苯系統(tǒng)可行且具有實際應(yīng)用的潛力。

[1] Belpomme D, Irigaray P, Hardell L, et al. The multitude and diversity of environmental carcinogens[J]. Environmental Research, 2007, 105(3): 414－429.

[2] Boeglin M L, Wessels D, Henshel D. An investigation of the relationship between air emissions of volatile organic compounds and the incidence of cancer in Indiana counties[J]. Environmental Research, 2006, 100(2): 242－254.

[3] van Groenestijn J W, van Heininge W N, Kraakmn N J R. Biofilter based on the action of fungi[J]. Water Science and Technology, 2001, 44(9): 227－232.

[4] Aizpuru A, Malhautier L, Roux Jean C, et al. Biofiltration of a mixture of volatile organic missions[J]. Journal of the Air and Waste Management Association, 2001, 51(12): 1662－1670.

[5] van Groenestijn J W, Liu J X. Removal of alpha-pinene from gases using biofilters containing fungi[J]. Atmospheric Environment, 2002, 36(35): 5501－5508.

[6] Arriaga S, Revah S. Improving Hexane removal by enhancing fungal development in a microbial consortium biofilter[J]. Biotechnology and Bioengineering, 2005, 90(1): 107－115.

[7] Vergara F A, Hermandez S, Revah S. Phenomenological model of fungal biofilters for the abatement of hydrophobic VOCs[J]. Biotechnology and Bioengineering, 2008, 101(6): 1182－1192.

[8] Aizpuru A, Dunat B, Christen P, et al. Fungal biofiltration of toluene on ceramic rings [J]. Journal of Environmental Engineering, 2005, 131(3): 396－402.

[9] Zamir S M, Halladj R, Nasernejad B. Removal of toluene vapors using a fungal biofilter under intermittent loading[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2011, 89(1): 8－14.

[10] Peters A. Particulate matter and heart disease: Evidence from epidemiological studies[J]. Toxicology and Applied Pharmacology, 2005, 207(2): 477－482.

[11] Neslihan A, Kevin J, Iiya S. Biofilter performance of pine nuggets and lava rock as media[J]. Bioresource Technology, 2011, 102(8): 4974－4980.

[12] Kafle G K, Chen L, Neibling H, el al. Field evaluation of wood bark-based down-flow biofilters for mitigation of odor, ammonia, and hydrogen sulfide emissons from confined swine nursery barns[J]. Journal of Environmental Management, 2015, 147: 164－174.

[13] 李順義，張華新，王巖，等. 多層生物濾塔去除廢氣中硫化氫[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(6)：287－291. Li Shunyi, Zhang Huaxin, Wang Yan, et al. Treatment of odor gas containing hydrogen sulfide by multilayer biofilter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(6): 287－291. (in Chinese with English abstract)

[14] Estrada J M, Hernandez S, Munoz R, et al．A comparative study of fungal and bacterial biofiltration treating a VOC mixture[J]．Journal of Hazardous Materials, 2013, 250(251): 190－197.

[15] Rene E R, Kar S, Krishnan J, et al．Start-up, performance and optimization of a compost biofilter treating gas-phase mixture of benzene and toluene[J]. Bioresour Technol, 2015, 190: 529－535.

[16] 環(huán)境空氣/苯系物的測定固體吸附/熱脫附-氣相色譜法：HJ 583-2010[S]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2010.

[17] Rene E R, Murthy D V S, Swaminathan T. Steady-and transient-state effects during the biological oxidation of gas-phase benzene in a continuously operated biofilter[J]. Clean Technologies and Environmental Policy, 2009, 12(5): 525－535.

[18] Saravana V, Rajamohan N. Treatment of xylene polluted air using press mud-based biofilter[J]. Journal of Hazard Materials, 2009, 162(2/3): 981－988.

[19] 喻云梅，劉赟，翁思琪，等. 白腐真菌木質(zhì)素降解酶的產(chǎn)生及其調(diào)控機制研究進展[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報，2005，5(2)：82－86. Yu Yunmei, Liu Yun, Wong Siqi, et al. Review on the production and regulation mechanism of ligninolytic enzymes of the white rot fungi [J]. Journal of Stafety and Environment, 2005, 5(2): 82－86. (in Chinese with English abstract)

[20] 王燦，席勁瑛，胡洪營，等. 白腐真菌生物過濾塔處理氯苯氣體的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)，2008，29(2)：500－505. Wang Can, Xi Jinying, Hu Hongying, et al. White rot fungi biofilter treating waste gas containing chlorobenzene[J]. Environmental Science, 2008, 29(2): 500－505. (in Chinese with English abstract)

[21] Yadav J S, Reddy C A. Degradation of benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes (BTEX) by the lignin-degrading basidiomycete[J]. American Society for Microbiology, 1993, 59(3): 756－762.

[22] Weber F J, Hage K C, De Bont J A. Growth of the funguswith toluene as the sole carbon and energy source[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1995, 61(10): 3562－356.

[23] Elisabet A, Emest M U, Gloria C, et al. Advanced oxidation of benzene, toluene, ethylbenzene and xylene isomers(BTEX) by Trametes versicolor[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 181(1): 181－186.

[24] Rene E R, Kar S, Krishnan J, et al. Start-up, performance and optimization of a compost biofilter treating gas-phase mixture of benzene and toluene[J]. Bioresource Technology, 2015, 190: 529－535.

[25] Kennes C, Rene E R, Veiga M C．Bioprocesses for air pollution control[J]．Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2009, 84(10): 1419－1436

[26] Anet B, Couriol C, Lendormi T, et al．Characterization of gaseous effluent and packing material autopsy of a biofilter operating in the rendering industry[C]//Internationnal Conference on Control of Industrial Gaseous Emissions. 9- 10th February 2012, Annamalai University, Chidambaram, India．

[27] Dumont E, Ayala Guzman L M, Rodriguez Susa M S, et al, H2S biofiltration using expanded schist as packing material: performance evaluation and packed-bed tortuosity assessment[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2012, 87(6): 725－731.

[28] Doradoa A D, Baeza J, Lafuenteb J, et al. Biomass accumulation in a biofilter treating toluene at high loads-Part 1: Experimental performance from inoculation to clogging[J]. Chemical Engineering Journal, 2012, 209: 661－669.

[29] Doradoa A D, Lafuenteb J, Gabrielb D, et al. Biomass accumulation in a biofilter treating toluene at high loads-Part 2: Model development, calibration and validation[J]. Chemical Engineering Journal, 2012, 209: 670－676.

[30] 侯晨濤. 真菌過濾法凈化揮發(fā)性有機廢氣研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2008. Hou Chentao. A Study on Treatment of Off-gases Containing BTX by Fungual biofilter[D]. Xian: Xian University of Architecture and Technology, 2008. (in Chinese with English abstract)

Purification performance of regnant strainsto toluene in biofilter

Luo Yimeng, Li Shunyi※, Ma Hongye, Wang Yan

(450001,)

Aimed to study the purification performance of the regnant strainin biofilter on toluene, the biological filter system packed with pine bark and lava rock was utilized to remove the toluene which was taken as a target pollutant by. The pine bark had a higher organic matter content and the lava rock had a bigger mechanical strength. The higher organic matter content could offer more nutrition to microorganism and the bigger mechanical strength could slow down blocking of the biofilter. Toluene is one of the typical contaminants in volatile organic compounds (VOCs) and has a great harm to human health. Biological methods treating low inlet concentration of VOCs have many advantages, such as less investment, low energy consumption, and no secondary pollution. Theis regnant strain to remove toluene and belongs to the white rot fungi. Relying on a variety of enzymes secreted, white rot fungi follow different degradation mechanisms to remove polycyclic aromatic hydrocarbons, alkyl benzene, chlorinated aromatic and other compounds. Experiments on the growth situation ofin the biological filter were carried out. Meanwhile the effects of different GRT (Gas rentention time) and ILR (inlet loading rate) on removal efficiency, elimination capacity and pressure drop were also studied. It was found that biofilm was formed on the surface of the packing material within 20 days by the compulsive circulation method. And the biological filter showed a high performance to remove toluene without lignin oxidase involved. Thedid not secrete lignin peroxidase (Lip), manganese peroxidase (Mnp) and laccase (Lac) at the same time in the biofilter system to purify toluene, and only secreted a small amount of Mnp and Lac enzymes. The full functioning enzymes and the degradable mechanism ofpurifying toluene needed be further studied. Under the optimal conditions, i.e. the GRT of 148.3 s and the ILR of 7.28 g/(m3·h), the maximum removal efficiency and the maximum elimination capacity of the system were found to be 92.4% and 6.73 g/(m3·h), respectively. For the EBRT of 37.1 s, the best performance was observed at the ILR of 58.25 g/(m3·h), while the maximum elimination capacity was 47.07 g/(m3·h) and the removal efficiency was above 80%. The desired result attributes to the fungal structure and the growth of mycelium. The fungal structure and aerial mycelium have huge specific surface area which there by can adsorb a mass of gaseous toluene to increase the mass transfer of hydrophobic VOCs from gaseous phase to bio-phase and improve the removal rate. In comparison, fungi have obvious advantages over bacteria in terms of removing hydrophobic volatile organic pollutants. Under test conditions, the biological filter system did not have obvious jam phenomenon and the pressure drop of biological filter system was less than 500 Pa, which indicated it also has a good economy. The results provide the basic data and the theoretical support for industrial application of biological filter method in VOCs treatment.

purification; toluene; microorganism; VOCs;; biofilter

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.028

X511

A

1002-6819(2017)-12-0218-06

2016-10-30

2017-05-15

國家自然科學(xué)基金-河南省人才培養(yǎng)聯(lián)合資助項目（U1304216）；河南省重點科技攻關(guān)項目（142102310314）

駱翼夢，女，河南濮陽人，主要從事大氣污染控制研究。鄭州 鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，450001。Email：19901117lym@163.com

李順義，男，河南洛陽人，博士，副教授，主要從事大氣污染控制研究。鄭州 鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，450001。 Email：lsy76@zzu.edu.cn

駱翼夢，李順義，馬宏業(yè)，王 巖.雜色云芝生物濾塔凈化甲苯廢氣效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(12)：218－223. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.028 http://www.tcsae.org

Luo Yimeng, Li Shunyi, Ma Hongye, Wang Yan. Purification performance of regnant strainsto toluene in biofilter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 218－223. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.028 http://www.tcsae.org