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雜色云芝生物濾塔凈化甲苯廢氣效果

文檔作者：駱翼夢(mèng) 李順義馬宏業(yè) 王巖文檔來源：鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月13日
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第33 卷第 12 期農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.33 No.12
218 2017 年 6 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2017
雜色云芝生物濾塔凈化甲苯廢氣效果
駱翼夢(mèng)，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）
摘要：為研究生物濾塔中優(yōu)勢(shì)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(biāo)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(shí)間和進(jìn)氣載荷對(duì)去除率、去除負(fù)荷，
系統(tǒng)壓降變化的影響等。結(jié)果表明：采用強(qiáng)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(duì)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(shí)間（Gas rentention time, GRT）
為148.3 s，進(jìn)口負(fù)荷為7.28 g/(m3·h)時(shí)，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(jìn)口負(fù)荷為58.25 g/(m3·h)時(shí)，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(yàn)條件下，
系統(tǒng)的壓降均在500 Pa 以下，說明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性良好。
關(guān)鍵詞：凈化；甲苯；微生物；VOCs；雜色云芝；生物濾塔
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.028
中圖分類號(hào)：X511 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-6819(2017)-12-0218-06
駱翼夢(mèng)，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(bào)，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 strains Trametes versicolor to 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
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(jī)溶劑[1-2]。
甲苯對(duì)人體危害極大，即使是在很低的濃度時(shí)也是致癌
的，并會(huì)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(diǎn)，是VOCs 廢
氣治理的研究熱點(diǎn)。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(yùn)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(xì)菌和真菌，
細(xì)菌作為功能微生物的生物法凈化甲苯的研究較多，但
細(xì)菌表面的水層會(huì)影響疏水性VOCs 的傳質(zhì)速率，對(duì)水
溶性差的污染物降解效率較低。與細(xì)菌相比，真菌降解
有機(jī)污染物的能力較強(qiáng)，并能耐受嚴(yán)酷的環(huán)境條件[3]，且
對(duì)于疏水性的有機(jī)污染物具有更強(qiáng)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
收稿日期：2016-10-30 修訂日期：2017-05-15
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金-河南省人才培養(yǎng)聯(lián)合資助項(xiàng)目（U1304216）；
河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（142102310314）
作者簡(jiǎn)介：駱翼夢(mèng)，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
※通信作者：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
的氣相甲苯，使處理效率提高。Vergara 等[7]測(cè)得真菌菌
絲的比表面積為1.91×105 m2/m3，與細(xì)菌相比真菌固有的
特性可以提高其對(duì)疏水性有機(jī)污染物的降解效率，以真
菌為優(yōu)勢(shì)微生物的生物濾塔對(duì)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(xì)菌共生的生物
過濾塔中，真菌起到主要作用，對(duì)甲苯的去除貢獻(xiàn)率達(dá)
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(jī)制對(duì)多環(huán)芳烴、烷
基苯類、氯代芳烴等化合物進(jìn)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(duì)芳香族化合物的降
解不局限于次生代謝階段和細(xì)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(diǎn)，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(huì)影響微生物的掛膜、生長和反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)
的壓力損失，從而直接影響生物濾塔的處理效率和運(yùn)行
費(fèi)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(jī)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(shí)間長
等特點(diǎn)，對(duì)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，
萬方數(shù)據(jù)
第12 期駱翼夢(mèng)等：雜色云芝生物濾塔凈化甲苯廢氣效果 219
孔隙率高，對(duì)水流阻力小，不易堵塞，布水布?xì)饩鶆颉?
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(shí)微生物膜不易脫落，機(jī)械強(qiáng)度高，使用壽命長，
且還廉價(jià)易得。松樹皮作為有機(jī)填料能給微生物提供營
養(yǎng)成分，但隨著運(yùn)行時(shí)間延長，有機(jī)填料會(huì)出現(xiàn)壓實(shí)，
導(dǎo)致系統(tǒng)壓降升高；火山石作為無機(jī)填料機(jī)械強(qiáng)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
Table 1 Characteristics of packing materials
填料
Packing material
堆積密度
Stacking density/(g·cm-3)
孔隙率
Porosity/%
有機(jī)質(zhì)
Organic matter/%
比表面積
Specific surface area
/(m2·g-1)
密度
Density/
(kg·m-3)
微孔直徑
Conjugate
diameter/μm
飽和持水能力
Moisture holding
capacity/%
pH 值
pH value
松樹皮Pine bark 244.3±15.2 59.9±1.2 98.2 18.39±0.1 212.6 0.74 56.3±3.8 5.65
火山石Lava rock 591.7±17.0 65.4±1.4 0.6 2.77±0.2 738.3 50.01 28.9±4.3 5.93
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(qiáng)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(dòng)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
Fig.1 Microbial inoculation of biofilter
1.3 試驗(yàn)裝置
生物濾塔材質(zhì)為有機(jī)玻璃，圓柱形，內(nèi)徑108 mm，
高1 500 mm。為降低填料的壓實(shí)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(qiáng)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(gè)部分組成。由空氣壓縮機(jī)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(jìn)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(dòng)泵進(jìn)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(yùn)行過程中，每天損耗量在
6%～10%左右（與進(jìn)氣流量有關(guān)），因此需要7～10 d 左
右補(bǔ)充新的營養(yǎng)液，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。pH 調(diào)節(jié)系統(tǒng)
適時(shí)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(yàn)在室溫25～35 ℃的條件下進(jìn)行。
圖2 生物濾塔裝置示意圖
Fig.2 Device schematic of biofilter
無機(jī)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(xì)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(jìn)行測(cè)定[16]。氣相色譜儀參數(shù)
設(shè)置為：FID（flame ionization detector）檢測(cè)器，F(xiàn)FAP
型氣相毛細(xì)柱（柱長30 m，內(nèi)徑0.25 mm，柱內(nèi)涂膜厚
0.25 μm），氮?dú)庾鳛檩d氣。色譜檢測(cè)條件為：柱溫60 ℃，
進(jìn)樣器溫度150 ℃，F(xiàn)ID 檢測(cè)器溫度250℃。該方法的檢
出限為1.5×10-3 mg/m3，檢測(cè)下限為6.0×10-3 mg/m3。
萬方數(shù)據(jù)
220 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http://www.tcsae.org） 2017年
2）微生物計(jì)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(jìn)行混合，
在搖床上振蕩30 min [17]。然后進(jìn)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(cè)定儀測(cè)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(cè)3 種酶的原因?yàn)椋? 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(cè)
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(jì)檢測(cè)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(jì)檢測(cè)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(jì)檢測(cè)420 nm 處1 min
內(nèi)吸光度值的變化。
1.5 生物濾塔運(yùn)行條件控制
生物濾塔運(yùn)行分為3 個(gè)階段，每個(gè)階段的試驗(yàn)運(yùn)行
條件見表2，考察了生物濾塔運(yùn)行90 d 內(nèi)微生物的掛膜
情況，不同停留時(shí)間（由氣體流量計(jì)控制）、進(jìn)氣量、進(jìn)
口濃度對(duì)生物濾塔凈化甲苯的性能研究。
表2 生物濾塔運(yùn)行條件設(shè)置
Table 2 Operating conditions of biofilter
階段
Phase
運(yùn)行天數(shù)
Running
days/d
進(jìn)氣量
Inlet gas
flow
/(L·h-1)
氣體停留時(shí)間
Gas retention
time GRT/s
進(jìn)口濃度
Inlet
concentration
/(mg·m-3)
進(jìn)氣載荷
Inlet loading
rate
/g·(m3·h) -1)
階段1 300 7.28
Phase one 1～50 200 148.3
600 14.56
階段2 300 14.56
Phase two 51～70 400 74.2
600 29.13
階段3 300 29.13
Phase three 71～90 800 37.1
600 58.25
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(jìn)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(gè)體的菌絲之間相互接觸，在接
觸點(diǎn)相近的細(xì)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(gè)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(duì)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。
a. 40X b. 100X
圖3 電子顯微鏡下雜色云芝的形態(tài)
Fig.3 Form of trametes versicolor under electronic microscope
2.2 雜色云芝降解甲苯產(chǎn)酶特點(diǎn)
雜色云芝對(duì)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(jìn)行的。掛膜第5 天開始檢測(cè)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(cè)得少量的漆酶（Lac）酶活為
2 U/L 左右，隨生物濾塔的運(yùn)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(shí)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(xiàn)中的闡
述一致[19]。
圖4 雜色云芝酶活隨生物濾塔運(yùn)行時(shí)間的變化
Fig.4 Enzyme activity of trametes versicolor varied
with biofilter’s running time
雖然在該系統(tǒng)中只檢測(cè)到了2 種酶，并且在酶活很
低的情況下雜色云芝對(duì)甲苯的降解率幾乎沒有受到影
響，說明雜色云芝在對(duì)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(yàn)深入研究。
萬方數(shù)據(jù)
第12 期駱翼夢(mèng)等：雜色云芝生物濾塔凈化甲苯廢氣效果 221
木質(zhì)素酶系統(tǒng)在白腐菌對(duì)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. chrysosporium
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.
sphaerospermum 對(duì)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(cè)到鄰苯
二酚雙加氧酶。Elisabet 等[23]的研究中首次發(fā)現(xiàn)T.
versicolor 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(jìn)一步研究。
2.3 生物濾塔對(duì)甲苯凈化性能的評(píng)價(jià)
由圖5 可以看出，在階段1 進(jìn)氣量為200 L/h，
EBRT=148.3 s，進(jìn)口濃度為300 mg/m3，進(jìn)氣載荷為
7.28 g/(m3·h)時(shí)，運(yùn)行初期雜色云芝處于短暫的適應(yīng)期，
前5 d 生物濾塔對(duì)甲苯的去除率在10%以下。此時(shí)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?yàn)榧妆皆谘h(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(shí)系統(tǒng)對(duì)甲苯
去除以微生物的降解作用為主。在20 d 左右時(shí)，雜色云
芝基本將填料表面覆蓋，生物濾塔掛膜完成，此時(shí)甲苯
的去除率達(dá)60%以上。
圖5 生物濾塔凈化甲苯效果
Fig.5 Effect of biofilter purify toluene
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(shí)達(dá)到90%以上，最高為92.4%。在進(jìn)氣量
為200 L/h，EBRT=148.3 s，進(jìn)口質(zhì)量濃度為600 mg/m3，
進(jìn)氣載荷為14.56 g/(m3·h)時(shí)，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(jìn)氣量為400 L/h，
EBRT=74.2 s，進(jìn)口質(zhì)量濃度為300 和600 mg/m3，進(jìn)氣
載荷為14.56 和29.13 g/(m3·h)時(shí)，由于進(jìn)氣量增大，氣
體停留時(shí)間縮短，甲苯的去除率降為85%左右。在階
段3 進(jìn)氣量為800 L/h，EBRT=37.1 s，進(jìn)口質(zhì)量濃度為
300 和600 mg/m3，進(jìn)氣載荷為29.13 和58.25 g/(m3·h)
時(shí)，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(shí)間的進(jìn)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(jìn)氣濃度的增
加，甲苯出口濃度逐漸增加，而氣體停留時(shí)間對(duì)甲苯出
口濃度和去除率影響較大。隨著氣體停留時(shí)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(shí)，對(duì)去除率影響更明顯。且在該系統(tǒng)中最高進(jìn)口質(zhì)量
濃度600 mg/m3 和最短的氣體停留時(shí)間37.1 s 時(shí)，甲苯的
去除率也在80.8%，該運(yùn)行結(jié)果表明，雜色云芝生物濾塔
對(duì)甲苯的凈化效果較好。
表3 生物濾塔在不同EBRT 下進(jìn)氣載荷對(duì)
去除率和去除負(fù)荷的影響
Table 3 Effect of inlet loading rate on removal rate and removal
loading of biofilter at different EBRT
運(yùn)行時(shí)間
Running
days/d
氣體停留時(shí)間
Gas retention
time/s
進(jìn)氣載荷
Inlet loading
rate/(g·m-3·h-1)
最大去除負(fù)荷
Maximal removal
loading
/(g·m-3·h-1)
最高去除率
Maximal
removal rate
/%
30～40 7.28 6.73 92.4
41～50
148.3
14.56 13.25 91
51～60 14.56 13.13 90.2
61～70
74.2
29.13 25.26 86.7
71～80 29.13 24.82 85.2
81～90
37.1
58.25 47.07 80.8
不同氣體停留時(shí)間下，148.3、74.2 和37.1 s，氣體進(jìn)
氣載荷對(duì)去除率和去除負(fù)荷的影響見表3。氣體停留時(shí)間
148.3 s，進(jìn)氣載荷較低為7.28 g/(m3·h)的情況下，去除負(fù)
荷較接近進(jìn)氣載荷，此時(shí)的去除率最高達(dá)92.4%，最大去
除負(fù)荷為6.73 g/(m3·h)。隨著氣體停留時(shí)間減小，相同進(jìn)
氣載荷下，去除率和去除負(fù)荷逐漸降低。這可能是由于
隨著進(jìn)氣載荷的增加生物膜逐漸得到完全利用，控制機(jī)
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(huì)
下降；另外，隨甲苯進(jìn)氣載荷的增加，基質(zhì)抑制也會(huì)導(dǎo)
致去除率和去除負(fù)荷下降[24]。
2.4 生物濾塔壓降變化
生物濾塔在運(yùn)行過程中，壓降是生物濾塔的一項(xiàng)重
要經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)[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(huì)導(dǎo)致填料之間空隙變小，填
料的壓實(shí)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(yùn)行壓降將會(huì)導(dǎo)致動(dòng)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(jì)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(xì)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(gè)階段3 個(gè)進(jìn)氣量分別為
200、400、800 L/h，3 個(gè)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(yùn)行時(shí)間的變化。
由圖 6 可以看出生物濾塔在運(yùn)行初期，隨著運(yùn)行時(shí)
間的增加，壓降呈不斷上升的趨勢(shì)。隨著生物量的不斷
增加，微生物累積與微生物殘?bào)w未及時(shí)清出濾塔，填料
之間的空隙逐漸減小，壓實(shí)度增加，壓降不斷升高。相
萬方數(shù)據(jù)
222 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http://www.tcsae.org） 2017年
同濃度下，隨著進(jìn)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(gè)運(yùn)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(duì)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
Fig.6 Variation of pressure drop of biofilter
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(jìn)氣氣速。一般真菌塔中由于真菌的氣生
菌絲會(huì)占據(jù)大量的空間導(dǎo)致真菌塔的壓降要高于細(xì)菌
塔，粒徑較小的微生物易于附著的有機(jī)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(jī)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(yùn)行時(shí)間的增加，
系統(tǒng)壓降不斷升高，當(dāng)運(yùn)行到第21 天時(shí)，系統(tǒng)壓降就高
達(dá)100 mm H2O，即980 Pa。侯晨濤[30]的研究中選擇粒徑
為Φ2.4 mm×(6～8) mm 的柱狀活性炭作為填充填料，在
60 d 時(shí)，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(duì)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(jì)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(yùn)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(duì)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(duì)甲苯的降解機(jī)理和過程有待進(jìn)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(jì)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(shí)際應(yīng)用的潛力。
[參考 文 獻(xiàn)]
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Purification performance of regnant strains Trametes versicolor
to toluene in biofilter
Luo Yimeng, Li Shunyi※, Ma Hongye, Wang Yan
(School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)
Abstract: Aimed to study the purification performance of the regnant strain Trametes versicolor in 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 Trametes versicolor. 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. The Trametes versicolor is 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 of Trametes versicolor in 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. The Trametes versicolor did 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 of Trametes versicolor purifying 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.
Keywords: purification; toluene; microorganism; VOCs; Trametes versicolor; biofilter

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