有机废气的生物膜净化过程

摘 要：低浓度有机废气的生物膜净化过程主要通过把废气从气相转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。自养菌和异养菌组成的复合菌在填料塔上的挂膜过程经历吸附、菌体增殖、生物膜初步形成、生物膜成熟四个阶段，最终开始发挥作用。
关键词：有机废气 双膜理论 生物膜 挂膜过程
　　1 净化过程机理
　　低浓度有机废气的生物净化法是一项近年来发展起来的废气污染治理新方法，与其相关的理论和应用技术目前仍处在不断改进和完善的过程中。
　　有机废气的生物净化过程实质上是利用微生物的生命活动将废气中有害物质转变成为简单的无机物及细胞质等的过程。对于生物法净化处理工业废气的机理研究，虽然各国学者已经做了许多工作，但到目前为止还没有统一的理论。一般认为生物法净化有机废气的实质是把废气从气相转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。其净化步骤可用荷兰学者Ottengraf依据传统的气体吸收双膜理论提出的生物膜理论来解释，按照该吸收生物膜理论，生物法净化处理有机废气中的污染物一般要经过以下几个步骤：
　　（1）废气中的有机污染物首先同水接触并溶解于水中（即由气膜扩散到液膜）。
　　（2）溶解（或混合）于液膜中的有机污染物成份在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜，进而被其中的微生物捕获并吸收。
　　（3）进入微生物体内的有机污染物在其自身的代谢过程中被作为能源和营养物质被分解，经生物化学反应最终转化为无害的化合物（如CO2、H2O、N2、S和SO42-等）。
　　（4）生化反应产物CO2、N2从生物膜表面脱附并反扩散进入气相本体，而S和SO42-随营养液排出。
　　2 填料上微生物的挂膜
　　自然界中能够降解硫系恶臭气体的物质并便于工程应用的微生物主要有化能自养菌与化能异养菌。自养菌世代周期长，生长缓慢，在工程应用上，自养菌不易获得大量生物体，难以操控，但自养硫杆菌属对硫系恶臭物质有较高的降解效率。异养菌生长迅速、易于培养与挂膜，对其的操控也要相对容易得多，但其降解的比率（g-S/（细胞・h-1）却远低于硫杆菌属。因此采用自养菌和异养菌组成的复合菌对填料塔进行挂膜，这样既能提高对硫系恶臭的降解效果，又有利于菌群间的生态互补。
　　将复合菌混合接种至盛有新鲜的循环营养液的容器中，在30 ℃条件下培养24 h，菌液明显混浊，把菌液加入填料塔中浸泡并通入混有臭气的空气进行曝气24～36 h，再将填料塔排空，开启营养液的循环系统，使含有复合菌的循环液在填料塔循环挂膜。循环液每24 h要用新鲜营养液更换约10%～20%。从填料的外部形态观察可将初始挂膜到挂膜成熟大致分为四个阶段。
　　2.1 吸附阶段
　　由于填料表面粗糙，比表面积大，有较高的吸附能力，因此可以吸附培养液中的有机物及菌体，为微生物的生长繁殖提供基点和足够的营养物质。此时接种的菌体要调整代谢机制以适应新的环境，大部分微生物处于静止适应期，此时期在填料上用肉眼均未观察到生物膜。
　　2.2 菌体增殖期阶段
　　由于循环营养液营养物质丰富，静止适应期很快结束，微生物进入对数增殖期，菌体活力旺盛，开始大量繁殖，消耗大量有机物的同时，生物量大量增加，此时可以观察到循环营养液非常混浊，但絮凝及附着性差，此时可以适量减少循环营养液中的营养物质。以此控制复合菌的生长速度，使之处于递减增殖期，让菌体形成部分絮凝体。絮凝的菌体有利于其在填料上的吸附，此阶段在填料上可以观察到布满了星星点点微生物群。
　　2.3 膜的初步形成期
　　循环营养液混浊度开始下降，营养液中的菌体数量减少，但填料上的生物膜开始加速生长，星点状的微生物群开始向四周稳步扩散，此时可以适当增加点营养物质以刺激生物膜的加速形成，当填料的大部为半透明的膜所覆盖，则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，极易为水流或气流等机械力量所冲刷掉，此阶段要保持水、气流的均匀性和稳定性。与此同时为了保证所需菌种的主导地位及其快速增长，则可以加大硫系恶臭气体在混合气体中的浓度。填料上的生物膜快速增厚，生物膜从透明状态逐渐转变成黄白色的膜状体，当膜的厚度达到200～500 ?m时，生物膜就基本成熟。
　　3 生物膜形成及结构
　　通过上述分析发现，生物膜不是填料对悬浮微生物不断吸附所形成的，而是物理、化学和微生物过程综合的结果，有机分子或矿质元素随循环营养液喷淋到填料表面，其中有些被吸附以改良的载体表面；游离的微生物细胞被喷淋到这种改良的载体表面，其中碰撞到表面的微生物一部分可能又被循环液冲刷下来，而另一部分在被表面吸附一段时间后，可能变成了不可解吸的细菌；不可解吸的细菌摄取并消耗来自循环营养液的营养物质以及臭气底物，其数量也不断地繁殖增多，与此同时细菌产生大量具有粘性的胞外聚合物，胞外聚合物中含多种功能团，如羧基、羟基和磷酸基，可将微生物紧紧地结合在一起，附在填料表面，微生物量不断增加，直至填料表面完全被覆盖，随后可以从填料的表面向外，并且随着微生物被分裂成新细胞，逐步覆盖由先前已形成的膜层，形成良好的生物膜。由此，微生物在消耗底物进行新陈代谢同时便使生物膜形成累积。
　　一些生物膜不再看作是连续的层状结构，而更多地看作是附着在一起由独立的堆体或群落的随机组合，这些堆体周围存在很多通道，水中的营养物质和臭气及氧都可以通过这些通道移动。在孔状介质中生物膜形态也不同于一般的生物膜形态，似乎更象一张蜘蛛网，网上每条带的大小和形状发生变化；生物网表面积大，生物膜厚度小，从而减少了液体和生物膜之间的质量转移阻力；生物膜通过孔影响孔附近质量的传递，也影响层间流动。
　　生物膜附着强度在其生长阶段初期相对较高，而在后期附着强度随生物膜的厚度急剧地下降。当生物膜达到一定的厚度时，就会妨碍扩散作用的进行，喷淋中的营养物以及混合气中的氧和臭气不能进入到膜的内层（或进入内层发生困难）。当营养供给向内层扩散受到限制时，内层的微生物就开始内呼吸，随后，当生物膜的内层不能支撑其生物群体的时候，生物膜就瓦解脱离，大块的生物膜开始脱落，生物膜脱落后腾出的更新表面，又会形成新生物膜。
　　生物量的多少反映了生物膜的厚度、密度，它们与臭气的处理效率有着直接关系。生物膜的有效厚度一般为100～500 ?m，厚度超过400 ?m的内层微生物就逐渐由外呼吸转入内呼吸状态。一般认为生物膜的厚度在500 ?m左右，超过1000 ?m即自行脱落。生物膜对臭气的去除率决定于膜的厚度对臭气物质、氧、有机物及矿物质的阻力，当生物膜在500 ?m以内时，有机物的去除率随生物膜厚度的增加面增加，当生物膜再增厚时，臭气的去除率与膜的厚度无关。
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