1 引言(Introduction)

随着工业的发展, 大量含有VOCs的油漆、稀释剂、固化剂等原辅材料被投入到生产过程中, 再加上部分企业不妥当的收集、处理方式, 致使大气污染物中的VOCs排放问题日益严重(杨忠平等, 2018).大部分VOCs具有毒性, 一些物质还可能致癌和致畸进而危害人体健康; 当VOCs散发到空气中, 会与空气中碳氢化合物和氮氧化合物结合, 部分化合物会在光的催化下产生一系列光化学反应, 进而形成光化学烟雾污染大气(刘鑫等, 2016).目前VOCs生物处理法主要有：生物过滤、生物洗涤、生物滴滤等, 其中, 生物滴滤塔法具有处理能力大、适用范围广、运行工况易于调节、填料不易堵塞等优点, 有利于工程推广, 因而备受研究者的关注(褚其英等, 2018; Li et al., 2015).然而, 有机污染物碳链长短不一, 大多数微溶或不溶于水, 使得微生物的利用效率降低, 生物量积累周期延长, 有的VOCs在滴滤塔经过几个小时可被去除, 有的却需要几天甚至几十天.因此, 提高生物滴滤塔净化低浓度VOCs效率的关键在于提高其从气相进入水相的速率, 提高滴滤塔生物膜所在水相中VOCs的平衡浓度(刘雪锦等, 2014), 使低浓度有机废气迅速进入生物膜水相, 提高生物利用的效率.

生物表面活性剂鼠李糖脂是同时含有疏水基和亲水基结构的两亲化合物, 可以通过酯键等化学键作用与体系中有机物相互结合, 提高疏水性VOCs从气相转移到液相的传质速率.也有研究发现, 鼠李糖脂能提高有机物的生物可利用性和去除速率(卢剑等, 2016; 辛鑫等, 2017; Yang et al., 2010), 其在废气治理领域具有广阔的潜在应用前景, 但目前关于鼠李糖脂直接作用于生物滴滤塔强化废气治理的研究还存在很多关键问题.有研究报道了鼠李糖脂对污染物在水相中的增溶作用, 以及对模拟体系中生物膜对废气降解的影响(刘佳等, 2014; Zhou et al., 2011).而鼠李糖脂直接作用于生物滴滤塔强化废气治理, 特别是添加鼠李糖脂后在降解体系中对滴滤塔降解废气性能、强化生物滴滤塔作用的生物膜机理的研究还很少.苯系物是VOCs中一种最具有代表性的有机污染物.乙苯作为最重要的有机溶剂和化工生产原料, 属于低毒类污染物, 难溶于水, 但相对于甲苯、二甲苯来说对人体皮肤的刺激性更强, 乙苯可经消化道、呼吸道和皮肤进入人体, 令中枢神经系统兴奋, 而后进入麻醉状态, 长期接触可引起呼吸道刺激、白血球减少和淋巴细胞增加(徐超, 2013).因此, 本研究以典型的有机污染废气成分——乙苯作为研究对象, 研究滴滤塔生物膜营养液中鼠李糖脂的添加对生物滴滤塔的启动过程和运行效果的影响及其作用机理.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 实验装置及流程

实验的主要装置为120 mm×1050 mm的生物滴滤塔, 用陶粒做填料, 陶粒直径6~8 mm, 堆积密度155 kg·m^-3, 空隙率90.8%.生物滴滤塔内填料分为2个单元, 单元之间用多孔板分隔, 以保证气流均匀分布, 每层高为300 mm.

实验装置及流程如图 1所示, 乙苯废气采用动态法配制, 由空气泵将乙苯废气和空气混合后, 经过加湿器, 吹入乙苯废气储瓶中, 得到模拟乙苯废气.通过2个气体流量计的控制, 乙苯气体分为两路, 并从塔底进入2个生物滴滤塔, 在上升的过程中与湿润生物膜接触, 净化后的气体从塔顶排出.循环液体采用逆流操作从塔顶向下喷淋, 在填料层中自上向下流动, 由塔底排出至循环液储槽, 再由循环水泵抽回塔顶.定期向循环液储槽投加氮磷营养液, 维持微生物的生长繁殖活动.

2.2 分析项目和方法 2.2.1 材料

鼠李糖脂购自于湖州紫金生物科技有限公司, 经Pseudomounas ZJU-10-1发酵产生, 鉴定为单鼠李糖脂和双鼠李糖脂质量比2:1的青状混合物, 纯度大于90%, 该鼠李糖脂的临界胶束浓度(CMC)为10.8 mg·L^-1.分析纯乙苯(Ethylbenzene, C₈H₁₀)(>99.5%, 阿拉丁试剂有限公司)作为模拟废气.菌种取自于原驯化运行生物滴滤塔中, 经乙苯浓度递进式诱导筛选后加进循环液槽中进行挂膜培养.

2.2.2 鼠李糖脂的最适宜投加浓度测定

向无机盐细菌培养液中添加不同浓度(0.0、2.7、5.4、10.8、21.6、43.2 mg·L^-1)的鼠李糖脂, 过滤灭菌后, 加入原生物滴滤塔乙苯降解菌种的菌液, 恒温35 ℃振荡培养24 h, 测定相应锥形瓶中的鼠李糖脂浓度(刘雪锦等, 2014).鼠李糖脂参考Zhang等(2010)方法, 采用苯酸硫酸法测定.

在无机盐营养液中加入浓度为0.0、2.7、5.4、10.8、21.6、43.2 mg·L^-1的鼠李糖脂后, 接种同样浓度的混合菌液, 每12 h通入50 μL乙苯, 并每12 h提取5 mL菌液, 8000 r·min^-1离心20 min, 称重, 然后进行记录、分析, 用生物量表示微生物的生长曲线.

在含有0、2.7、5.4、10.8、21.6、43.2 mg·L^-1鼠李糖脂和50 μL乙苯的无机盐培养液锥形瓶中, 接种同浓度的混合菌种, 恒温35 ℃振荡培养24 h, 用微量取样器抽取瓶上方的气体用气相色谱法分析乙苯的浓度, 分析不同鼠李糖脂添加浓度对菌种乙苯降解能力的影响.

2.2.3 乙苯浓度

乙苯浓度用气相色谱仪GC9890A测定, 分析条件：进样量1 μL, 汽化室温度120 ℃, 检测器温度250 ℃, 柱温80 ℃, 载气N₂, 载气流速30 mL·min^-1, 分流比10:1, 检测器为氢火焰离子化检测器(FID); 色谱柱为毛细管柱(30 m×0.53 mm×3.0 μm)(卢仁钵等, 2016).

2.2.4 生物膜特征

生物膜形态结构采用扫描电镜观察(倪红等, 2011); 生物量采用生物膜干重法测定, 生物膜干重采用标准MLVSS测定, 以生物膜干重(以MVSS表征)与洗脱后陶粒干重比值(mg·g^-1)来衡量生物量变化(胡俊等, 2012).

2.2.5 滴滤塔内启动运行和生物多样性分析

以乙苯为微生物生长的唯一碳源, 控制空床停留时间EBRT=102 s, 控制乙苯进气浓度在100~300 mg·m^-3, 循环液pH=7左右, 喷淋量6 L·h^-1, 气体流量0.2 m³·h^-1, 进行挂膜驯化, 实验组BTF2加入21.6 mg·L^-1鼠李糖脂, 对照组BTF1不添加鼠李糖脂, 对BTF系统进行挂膜启动.

在两个生物滴滤塔稳定运行的第35 d选取反应器中填料高度分别在0.25、0.75 cm处比较有代表性的区域的生物样品进行16S rDNA V3~V4区扩增产物的高通量测序, 分析塔内微生物的种群组成.生物样品DNA的提取、高通量测序文库的构建和基于Hiseq-PE250平台的测序由北京诺禾致源生物信息科技公司完成.使用Meta VxTM文库构建试剂盒构建测序文库, 在Illuminabasespace云端计算平台进行初始分类分析.

2.3 数据处理

采用SPSS 16.0对所得数据进行统计分析, 采用Origin 9制图.利用Uparse软件(Edgar et al., 2013)对所有生物测序样品的全部Effective Tags进行聚类, 默认以97%的一致性(Identity)将序列聚类成为OTUs(Operational Taxonomic Units), 同时会选取OTUs的代表性序列, 筛选OTUs中出现频数最高的序列作为OTUs的代表序列.对OTUs代表序列进行物种注释, 用Mothur方法与SILVA(Wang et al., 2007)的SSUrRNA数据库(Quast et al., 2013)进行物种注释分析, 来获得分类学信息, 最后统计各样本的群落组成.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 鼠李糖脂对微生物的影响 3.1.1 鼠李糖脂的可生物去除性

有研究报道, 当反应液中加入鼠李糖脂时, 微生物会优先利用鼠李糖脂作为碳源, 从而影响苯系物的去除(周学霞, 2012).表 1为鼠李糖脂在不同起始浓度条件下, 经过乙苯驯化后的菌种作用24 h后, 溶液中剩余鼠李糖脂的浓度.结果表明, 鼠李糖脂能被微生物利用而去除, 起始浓度越高其消耗率越低, 在2.7~43.2 mg·L^-1浓度范围内, 其24 h消耗率不超过20%, 特别是在鼠李糖脂浓度高于10.8 mg·L^-1时, 鼠李糖脂24 h消耗率低于6%.

3.1.2 鼠李糖脂对微生物降解乙苯的影响

在无机盐营养液中加入浓度为0、2.7、5.4、10.8、21.6、43.2 mg·L^-1的鼠李糖脂后, 通入50 μL乙苯, 恒温35 ℃振荡培养24 h后测定剩余乙苯的浓度, 结果如图 2所示.从图 2可以看出, 随着鼠李糖脂浓度的增加, 乙苯的剩余浓度逐渐降低.鼠李糖脂浓度为21.6 mg·L^-1时, 气相中的乙苯浓度降低到0.62 mg·L^-1.当鼠李糖脂浓度高于21.6 mg·L^-1时, 剩余乙苯的浓度与鼠李糖脂浓度为21.6 mg·L^-1时相比没有明显的差异.结果表明, 鼠李糖脂在一定的浓度下能够有效促进乙苯废气的降解, 提高乙苯的降解性能.

3.1.3 鼠李糖脂对微生物生长的影响

在无机盐营养液中加入浓度为0、2.7、5.4、10.8、21.6、43.2 mg·L^-1的鼠李糖脂后, 每12 h通入50 μL乙苯, 并每12 h提取5 mL菌液, 离心后称重, 结果如图 3所示.从图 3可见, 不同浓度鼠李糖脂对微生物生长均有促进作用, 并且随着鼠李糖脂浓度增加, 促进作用越明显.在不添加鼠李糖脂情况下, 微生物增长缓慢, 生物量均低于添加鼠李糖脂组.不添加鼠李糖脂组最大生物量为0.578 g·L^-1, 当鼠李糖脂的浓度高于10.8 mg·L^-1时, 对微生物生长的促进作用尤为明显, 微生物生长迅速.鼠李糖脂浓度在21.6 mg·L^-1时, 最大的生物量为6.46 g·L^-1.分析其增长原因可能是鼠李糖脂形成胶束包裹大量疏水性底物, 胶束通过疏水的微环境加强了对疏水性底物的分配作用, 从而让疏水性有机废气更易溶于液相中并增大其与生物相中微生物的接触(Rodriguez et al., 2008).综合考虑, 根据鼠李糖脂的增溶效果与成本, 将最适宜投加量确定为21.6 mg·L^-1.

3.2 生物滴滤塔运行性能 3.2.1 生物滴滤塔的挂膜启动

挂膜启动期是滴滤塔生物膜形成的过程, 启动时间的长短反映了生物滴滤塔对污染物的处理效能, 直接影响到工程投入使用的进度(陈佼等, 2017).本文对添加鼠李糖脂后滴滤塔启动过程进行了分析, 结果见图 4.

如图 4所示, 在启动阶段两个滴滤塔的乙苯进气浓度均从起初的110 mg·m^-3左右逐渐上升到了300 mg·m^-3左右.在BTF1中(图 4a), 随着乙苯进气浓度的升高, 前5 d启动期出气浓度和去除率波动较大, 随后乙苯的去除率逐渐上升, 在第11 d时系统对乙苯的去除率上升到40%.经过28 d的运行, BTF1系统在乙苯进气浓度为300 mg·m^-3左右时对乙苯的去除率达到80%以上, 并趋于稳定.添加鼠李糖脂的BTF2在第4 d时对乙苯的去除已有明显的效果, 从第8 d开始, 乙苯的去除率逐渐上升, 经过23 d的运行, 乙苯的去除率达到了92%, 并趋向于稳定.两个填料塔内陶粒表面均形成了一层厚厚的生物膜.比较BTF1和BTF2可见, 在启动挂膜初期, BTF2系统乙苯的去除效率更稳定且高效, 添加鼠李糖脂相对缩短了生物滴滤塔的挂膜启动稳定时间, 当去除率大于80%时, BTF2比BTF1缩短了12 d, 且系统挂膜稳定后对乙苯废气的去除率提高12%.生物滴滤塔挂膜启动时间缩短的原因可能是由于在起始阶段鼠李糖脂降低了液相的表面张力, 减少了污染物气液相的传质阻力, 促进了污染物在液相中的增溶, 能够为微生物提供足够的碳源, 生物量在这一时期得到快速的增长(Volkering et al., 1997).

3.2.2 添加鼠李糖脂对不同负荷生物滴滤塔处理效率的影响

在生物滴滤塔挂膜启动成功并稳定运行1周后, 研究生物滴滤塔系统在乙苯进气浓度分别为600、900和1200 mg·m^-3, 空床停留时间EBRT=102 s时的乙苯去除效率, 结果见图 5.

如图 5a所示, BTF1中乙苯去除率随着进气浓度的增加出现了很大的波动, 在进气浓度由300 mg·m^-3突然提高到600 mg·m^-3左右时, 其对乙苯废气的去除率由80%左右迅速下降到68%, 然后经过14 d逐步恢复到77%并达到稳定.当进气浓度由600 mg·m^-3提高到900和1200 mg·m^-3时, BTF1系统对乙苯废气的去除率下降, 当稳定后去除率只能恢复到68%和46%, 系统去除率难以恢复到80%以上, 并且随着进气浓度的增加系统去除率达到相对稳定的时间越长.

如图 5b所示, 添加鼠李糖脂的BTF2则表现出良好的去除效果, 随着乙苯进气浓度的增加去除率波动小, 在进气浓度提高到600 mg·m^-3左右时, 其对乙苯废气的去除率由92%左右下降到85%, 然后经过9 d逐步恢复到89%并达到稳定.当进气浓度迅速由600 mg·m^-3提高到900和1200 mg·m^-3时, 对乙苯废气的去除率下降, 当稳定后去除率逐步恢复到85%和80%, 系统去除率维持在80%以上, 并且随着进气浓度的增加系统去除率达到相对稳定的时间越短.

结果表明, 添加鼠李糖脂的BTF2比BTF1具有更高的稳定性和去除能力, 对高浓度乙苯表现出更强的耐受能力, 达到去除率稳定的时间更短.

3.3 挂膜启动期间鼠李糖脂对生物滴滤塔系统生物量的影响

在两个生物滴滤塔挂膜启动期间, 每隔5 d选取反应器中填料高度在0.25 m处比较有代表性的区域进行填料生物量分析, 结果如图 6所示.由图 6可见, 在挂膜启动期间BTF1和BTF2的生物量都呈现逐渐增加的趋势.BTF1的生物量相比于BTF2增长较缓慢, 从第5 d的6.43 mg·g^-1增长到最后第35 d的41.35 mg·g^-1; 添加鼠李糖脂的BTF2从第5 d的10.35 mg·g^-1增长到最后第35 d的80.97 mg·g^-1.添加鼠李糖脂的BTF2在第35 d时生物量比BTF1增加了39.62 mg·g^-1.结果表明, 在挂膜启动期间添加鼠李糖脂的BTF2塔内微生物比BTF1增长迅速, 生物量增加明显, 对乙苯废气表现出更好的适应性.

3.4 生物滴滤塔的生物膜扫描电镜观察

在稳定运行期间从两个生物滴滤塔的采样口中取出代表性的陶粒, 并经过2.5%戊二醛溶液固定、磷酸缓冲液(pH=8)清洗、梯度酒精脱水、叔丁醇置换和冷冻干燥等处理, 用扫描电镜观察陶粒表面微生物的分布及形态(卢仁钵等, 2016), 结果如图 7所示.从图 7可见, 两个生物滴滤塔的陶粒内部和表面挂满了致密的生物膜, 存在大量的杆状、短杆状和少量的球状微生物.杆状细菌在生物滴滤塔内经过不断的驯化和繁殖, 逐渐形成了优势菌群.添加鼠李糖脂的BTF2系统中各种菌比BTF1系统中更紧密地粘附在陶粒表面和内部, 陶粒上附着的微生物膜明显比BTF1致密, 该生物膜的致密性和稳定性对塔内乙苯废气的去除有着关键的作用.

3.5 生物滴滤塔内生物多样性分析

生物滴滤塔内乙苯降解菌在门水平上和属水平上的分布情况如图 8所示.从图 8a中可以看出, BTF1和BTF2的微生物群落组成基本相同, 两个生物滴滤塔系统中优势菌主要为变性杆菌门(Proteobacteria)、蓝藻细菌门(Cyanobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、坚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bcateroidetes)六大菌群, 其中, 主要优势菌群是变形杆菌门.这些主要优势菌群在生物滴滤塔系统去除乙苯的过程中扮演了很重要的角色.以上优势菌群形态多为杆状和棒状, 与电镜扫描SEM的观察结果相符.在BTF1系统中, 变形杆菌门占主导地位, 其含量为62.3%, 剩余的菌群中, 蓝藻细菌门(Cyanobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、坚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bcateroidetes)的含量分别为16.5%、8.4%、6.2%、4.6%、1.3%, 其余菌群如Saccharibacteria菌门、Synergistetes菌门等含量均低于1%.而在添加鼠李糖脂的BTF2系统中, 变形杆菌门占主导地位, 其含量为81.9%, 剩余的菌群中, 酸杆菌门(Acidobacteria)、坚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bcateroidetes)、蓝藻细菌门(Cyanobacteria)的含量分别占为2%、4.3%、3.7%、1.9%、1.4%, 其余菌群如Saccharibacteria菌门、Synergistetes菌门等含量均远低于1%.添加鼠李糖脂的BTF2系统中主要优势菌群变形杆菌门含量比BTF1系统多19.6%.

从图 8b可以看出, 在生物滴滤塔BTF1和BTF2中主要有Mizugakiibater、Thiononas、Dyella、Acidobacterium、Acidibacter、Pandoraea、Devosia和Pseudomonas八大菌属, 其中, 主要优势菌有Thiononas、Mizugakiibater、Dyella、Pandoraea和Pseudomonas. Mizugakiibater、Dyella、Pseudomonas和Devosia属于伽马变形菌纲Xanthomonadales菌目, Jayamani等(2015)证实了Xanthomonadaceae具有很强的乙苯去除效果.Thiononas和Pandoraea菌属于贝塔变形菌纲Burkholderiales菌目, Perez-pantoja等(2012)研究发现, 伯克氏菌(Burkholderiales)属对芳香族化合物具有高效的去除效果.也有研究表明, Pseudomonas是去除苯系物的菌株(Chen et al., 2014).程晓暄等(2017)也发现Pseudomonas对多环芳烃具有较高的去除效果.Acidobacterium菌属于酸杆菌门(Acidobacteria), Acidibacter菌属于放线菌门(Actinobacteria).在BTF1下层系统中, 主要优势菌属占45.7%, 其中, Mizugakiibater、Thiononas、Pseudomonas、Pandoraea和Dyella菌分别占41.5%、1.8%、1.2%、0.7%和0.5%.在添加鼠李糖脂的BTF2下层系统中, 主要优势菌属占73.4%, 其中, Thiononas、Mizugakiibater、Dyella、Pandoraea和Pseudomonas菌分别占37%、14%、18%、2.3%和2.1%.

结果表明, 两个生物滴滤塔中优势菌都含有多种菌属, 在陶粒上形成了紧密的生物膜, 构成了生物滴滤塔系统的多样性, 从而为高效处理乙苯废气奠定了基础.Poulsen等(2014)报道, 一些难去除污染物的好氧生物去除过程包含了多种微生物种群的相互作用.在生物滴滤塔系统中添加鼠李糖脂可以促进优势菌的富集生长, 为提高生物滴滤塔去除乙苯废气效率提供了生物物质基础(陈少毅等, 2014; 钟华等, 2006).

4 结论(Conclusions)

1) 鼠李糖脂的最佳投加浓度为21.6 mg·L^-1, 此浓度下对微生物生长的促进作用尤为明显.挂膜稳定后添加鼠李糖脂的BTF2系统在第35 d时生物量比BTF1增加了39.62 mg·g^-1.

2) 添加鼠李糖脂的BTF2系统经过23 d的启动运行, 乙苯的去除率比BTF1高, 达到了92%并趋向于稳定.

4) BTF1和BTF2的微生物群落组成基本相同, 优势菌均为变性杆菌门(Proteobacteria).在BTF1和BTF2系统中, 变形杆菌门分别占62.3%和81.9%.在属水平上, BTF1下层系统中Mizugakiibater、Thiononas、Pseudomonas、Pandoraea和Dyella菌分别占41.5%、1.8%、1.2%、0.7%和0.5%;添加鼠李糖脂的BTF2下层系统中Thiononas、Mizugakiibater、Dyella、Pandoraea和Pseudomonas菌分别占37%、14%、18%、2.3%和2.1%, 各属所占比例发生改变.