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。自養菌和異養菌組成的復合菌在填料塔上的掛膜過程經歷吸附、菌體增殖、生物膜初步形成、生物膜成熟四個階段，最終開始發揮作用。

關鍵詞：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展起來的廢氣污染治理新方法，與其相關的理論和應用技術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上是利用微生物的生命活動將廢氣中有害物質轉變成為簡單的無機物及細胞質等的過程。對于生物法凈化處理工業廢氣的機理研究，雖然各國學者已經做了許多工作，但到目前為止還沒有統一的理論。一般認為生物法凈化有機廢氣的實質是把廢氣從氣相轉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者Ottengraf依據傳統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）進入微生物體內的有機污染物在其自身的代謝過程中被作為能源和營養物質被分解，經生物化學反應最終轉化為無害的化合物（如CO2、H2O、N2、S和SO42-等）。

（4）生化反應產物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并便于工程應用的微生物主要有化能自養菌與化能異養菌。自養菌世代周期長，生長緩慢，在工程應用上，自養菌不易獲得大量生物體，難以操控，但自養硫桿菌屬對硫系惡臭物質有較高的降解效率。異養菌生長迅速、易于培養與掛膜，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。因此采用自養菌和異養菌組成的復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互補。

將復合菌混合接種至盛有新鮮的循環營養液的容器中，在30 ℃條件下培養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，開啟營養液的循環系統，使含有復合菌的循環液在填料塔循環掛膜。循環液每24 h要用新鮮營養液更換約10%～20%。從填料的外部形態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物質。此時接種的菌體要調整代謝機制以適應新的環境，大部分微生物處于靜止適應期，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

由于循環營養液營養物質豐富，靜止適應期很快結束，微生物進入對數增殖期，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營養液非常混濁，但絮凝及附著性差，此時可以適量減少循環營養液中的營養物質。以此控制復合菌的生長速度，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

循環營養液混濁度開始下降，營養液中的菌體數量減少，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步擴散，此時可以適當增加點營養物質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、氣流的均勻性和穩定性。與此同時為了保證所需菌種的主導地位及其快速增長，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，生物膜從透明狀態逐漸轉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 生物膜形成及結構

通過上述分析發現，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、化學和微生物過程綜合的結果，有機分子或礦質元素隨循環營養液噴淋到填料表面，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營養液的營養物質以及臭氣底物，其數量也不斷地繁殖增多，與此同時細菌產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的層狀結構，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，水中的營養物質和臭氣及氧都可以通過這些通道移動。在孔狀介質中生物膜形態也不同于一般的生物膜形態，似乎更象一張蜘蛛網，網上每條帶的大小和形狀發生變化；生物網表面積大，生物膜厚度小，從而減少了液體和生物膜之間的質量轉移阻力；生物膜通過孔影響孔附近質量的傳遞，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，噴淋中的營養物以及混合氣中的氧和臭氣不能進入到膜的內層（或進入內層發生困難）。當營養供給向內層擴散受到限制時，內層的微生物就開始內呼吸，隨后，當生物膜的內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系。生物膜的有效厚度一般為100～500 μm，厚度超過400 μm的內層微生物就逐漸由外呼吸轉入內呼吸狀態。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、氧、有機物及礦物質的阻力，當生物膜在500 μm以內時，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。