黑麦草强化生物过滤法处理正己烷废气

贺艳云，徐仲均

（北京化工大学 化学工程学院，北京 100029）

黑麦草强化生物过滤法处理正己烷废气

贺艳云，徐仲均

（北京化工大学 化学工程学院，北京 100029）

采用顶部种植黑麦草的微生物填料塔，对模拟正己烷废气进行生物过滤处理。研究了反应温度、入口正己烷质量浓度、填料层高度对正己烷去除效果的影响，考察了填料塔中细菌及过氧化氢酶活性的分布。实验结果表明：黑麦草强化生物过滤的适宜反应温度为25 ℃；正己烷出口质量浓度随入口浓度的增加而增大，随填料层高度的增加而减小；在反应温度为25 ℃，入口正己烷质量浓度为100～500 mg/m3、填料层高度为600 mm的条件下，出口正己烷质量浓度为0～46 mg/m3，均低于GBZ/T 2.1—2007《工作场所化学有害因素职业接触限值》中对正己烷的限值（100 mg/m3）；相同条件下，种植黑麦草的填料塔的正己烷去除率明显提高，细菌浓度及过氧化氢酶活性均高于无黑麦草的填料塔，说明黑麦草显著促进了正己烷的生物降解。

正己烷废气；微生物；黑麦草；生物过滤；协同作用

正己烷属饱和脂肪烃类，具有较高的疏水性，几乎不溶于水，因此常作为溶剂在工业中广泛应用，如石油加工业的催化重整、食品制造业的粗油浸出、塑料制造业的丙烯溶剂回收、日用化学品制造业的花香溶剂萃取等［1］。近几年来，一些地区先后发生了多起正己烷中毒事件，其所带来的健康问题已不容忽视。目前，处理正己烷废气常用的方法有燃烧法、吸附法、冷凝法、生物法等［2-4］。其中生物法以其装置简单可靠，去除效率高，抗冲击能力强，投资和运行成本低，可以自动操作，无二次污染物形成等优点，显示出强大的应用前景。研究表明，植物可以通过自身代谢过程直接降解化学性大气污染物［5］，例如黑麦草有去除甲苯等气态有机污染物的能力［6-7］。植物根系分泌物可通过促进有机物生物降解以及强化微生物对有机污染物的矿化作用来提高有机物的降解效率［8］。植物-微生物联合修复技术已经成为土壤修复领域的研究热点［9］，但该技术在气态有机污染物处理方面还研究较少。

本工作采用顶部种植黑麦草的微生物填料塔，对模拟正己烷废气进行生物过滤处理，研究了入口正己烷质量浓度、填料层高度、反应温度对正己烷去除效果的影响，考察了填料塔中细菌及过氧化氢酶活性的分布，旨在为生物过滤法处理正己烷废气提供科学依据。

1 实验部分

1.1 材料、试剂和仪器

正己烷标准气体：质量浓度804 mg/m3；正己烷：分析纯；霍格兰（Hoagland）营养液：按文献［10］配制。

填料：由草炭土和有机肥料以2∶1的质量比均匀混合而成，总养分含量大于4%（w），有机质含量大于40%（w）。黑麦草种子：购自农科金土地农业技术研究所。

GXZ-280B型智能光照培养箱：宁波江南仪器厂；GXZ-智能型微生物培养箱：宁波江南仪器厂；Acme 6000型气相色谱分析仪：韩国英麟机器株式会社；HGN-2000E型氮气发生器：北京汇龙公司；HGA-30L型空气发生器：北京汇龙公司；质量流量计：量程为0～2 L/min，定制。

1.2 实验装置

实验装置主要由空气发生器、氮气发生器、流量控制箱、气体吹扫瓶、光照培养箱及填料塔组成，见图1。气路采用外径为3mm的聚四氟乙烯管连接。填料塔A、B均为不锈钢材质，内径100 mm。填料层高度600 mm，湿度保持在70%左右。距填料塔底部0，200，400，600 mm处分别设有气体采样口。填料塔A的顶部种植黑麦草，填料塔B无黑麦草。每天向填料塔顶层定量喷洒去离子水1次，每周定量喷洒霍格兰营养液1次，每两周逐层定量喷淋去离子水1次。

图1 实验装置图

1.3 实验方法

气态正己烷通过高纯氮气吹脱正己烷溶液得到，与空气发生器产生且经蒸馏水加湿的空气混合后，进入填料塔底部入口，经逐级净化后由顶部出口排出。实验过程中，气体总流量为2 L/min，培养箱的光照方式为白天光照12 h（光照强度为240 μmol/（m2·s）），黑夜无光照12 h。实验初始阶段通入30 d左右的较低浓度正己烷气体，以驯化正己烷降解菌。每个实验条件保持一周左右，直到正己烷的去除效率趋于稳定。测定结果取3个试样的平均值。

1.4 分析方法

正己烷气体质量浓度的测定采用气相色谱法：FID检测器，DB-624毛细管柱（规格：30 m×0.32 mm×1.8 μm），柱温130 ℃，进样口温度200 ℃，检测器温度260 ℃，色谱柱的温度控制采用恒温的方式［11］。

正己烷去除速率的计算公式见式（1）。

式中：μ为去除速率，mg/（m3·min） ；q为空气流量，m3/min；ρ0为入口的正己烷质量浓度，mg/ m3；ρ为采样口的正己烷浓度，mg/m3；V为气体经过的填料塔体积，m3。

填料中细菌浓度的测定采用牛肉膏蛋白胨培养基平板计数法，30 ℃恒温避光培养3 d［12］。细菌浓度的计算公式见式（2）。

式中：C为单位质量干燥填料中的细菌浓度，CFU/ g；Q为平板菌落数，CFU；N为稀释倍数；V1为最终稀释后菌液体积，5 mL；x为填料含水率；m为湿填料质量，g；V2为接种量，0.5 mL。

填料中过氧化氢酶比活的测定采用高锰酸钾滴定法［13］。过氧化氢酶比活以单位质量填料消耗的浓度为0.02 mol/L的高锰酸钾溶液的体积表征（以灭菌填料为空白），计算公式见式（3）。

式中：A为过氧化氢酶比活，mL/g；V ′为高锰酸钾溶液体积，mL；m ′为干填料质量，g。

2 结果与讨论

2.1 反应温度对正己烷去除速率的影响

在入口正己烷质量浓度为500 mg/ m3的条件下，反应温度对正己烷去除速率的影响见图2。由图2可见：随着反应温度的升高，正己烷去除速率也随之升高；在反应温度10～35 ℃范围内，填料塔A的正己烷去除速率均高于填料塔B；当反应温度为35 ℃、填料层高度为200 mm时，填料塔A对正己烷的去除速率最大，为359.25 mg/（m3·min）。这是因为温度可影响微生物自身酶活性，从而影响微生物的代谢速率［14-15］，进而对生物过滤法去除正己烷的效果产生影响。但考虑到黑麦草的最适生长温度为20～25 ℃，因此实验时将反应温度设定为25 ℃。

图2 反应温度对正己烷去除速率的影响

2.2 入口正己烷质量浓度及填料层高度对出口正己烷质量浓度的影响

在反应温度为25 ℃的条件下，入口正己烷质量浓度及填料层高度对出口正己烷浓度的影响见图3。由图3可见：在填料塔A和填料塔B不同高度处的出口正己烷质量浓度均随入口正己烷质量浓度的增加而增大；对于填料塔A，在填料层600 mm高度处，当入口正己烷质量浓度在100～400 mg/m3变化时，出口正己烷质量浓度几乎不发生变化，但当入口正己烷质量浓度从400 mg/m3增加到500 mg/m3时，出口正己烷质量浓度开始增大，说明此时填料塔A对正己烷的去除效果开始降低。生物过滤塔的去除能力取决于填料中微生物的量，当污染物浓度超过微生物耐受浓度时，微生物降解能力达到饱和，去除效果显著降低［16］。

由图3还可见：入口正己烷质量浓度相同时，出口正己烷质量浓度随填料层高度的增加而降低，说明增加填料层高度可有效增加生物过滤塔对正己烷的去除效果；当填料层高度为600 mm、入口正己烷质量浓度为500 mg/m3时，填料塔A的出口正己烷质量浓度为46 mg/m3，低于GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素》［17］中正己烷的限值（100 mg/m3）。

2.3 黑麦草对生物过滤效果的影响

2.3.1 黑麦草对正己烷去除率的影响

在反应温度为25 ℃、入口正己烷质量浓度为100～500 mg/m3的条件下，填料塔A和填料塔B的正己烷去除率见图4。由图4可见：填料层高度为400 mm和600 mm时，填料塔A的正己烷去除率均明显高于填料塔B，表明黑麦草对生物过滤去除正己烷有明显的促进作用。植物强化生物过滤法显著 提高了污染物的去除效果。

图3 入口正己烷质量浓度及填料层高度对出口正己烷质量浓度的影响

图4 填料塔A和填料塔B的正己烷去除率

2.3.2 黑麦草对填料塔中细菌分布的影响

在反应温度为25 ℃、入口正己烷质量浓度为500 mg/m3条件下，填料塔A和填料塔B的细菌浓度分布见图5。由图5可见，在同一填料层高度，填料塔A的细菌浓度明显大于填料塔B，说明黑麦草的种植有利于细菌的生长。两种填料塔细菌浓度的差异主要是因为黑麦草根系分泌物为根际微生物的生存和繁殖提供了营养和能源物质［18］，使根际微生物的数量明显提高［19］。

2.3.3 黑麦草对填料塔中过氧化氢酶活性的影响

在生物呼吸过程中，过氧化氢酶的作用在于破坏对生物体具有毒性的过氧化氢。同时，过氧化氢酶还可直接参与有机化合物的分解，并将后者转化为可利用的形态［20］。过氧化氢酶活性的强弱与有机污染物的降解效果有密切关系。在反应温度为25 ℃、入口正己烷质量浓度为500 mg/m3的条件下，填料塔中的过氧化氢酶比活见表1。由表1可见，填料层高度为200，400，600 mm时，种植黑麦草填料塔的过氧化氢酶活性均高于无黑麦草填料塔。原因即为黑麦草根系分泌物通过向土壤中输送大量酶和生长因子，从而改善了微生物群落结构，促进了微生物群落的良性发展［21］。

图5 填料塔A和填料塔B的细菌浓度分布

表1 填料塔中的过氧化氢酶比活 A，mL /g

3 结论

a）采用黑麦草强化生物过滤法处理正己烷废气。在反应温度为25 ℃、入口正己烷质量浓度为100～500 mg/m3、填料层高度为600 mm的条件下，填料塔A的出口正己烷质量浓度为0～46 mg/m3，低于GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素》中正己烷的限值（100 mg/m3）。

b）随着反应温度的升高，正己烷去除率明显提高，适合于黑麦草强化生物过滤法的反应温度为25 ℃。

c）出口正己烷质量浓度随入口正己烷质量浓度的增加而增大，随填料层高度的增加而减小。

d）相同条件下，种植黑麦草的填料塔的正己烷去除率明显提高，细菌浓度及过氧化氢酶活性均高于无黑麦草的填料塔，说明黑麦草对生物过滤有明显的强化作用。

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（编辑 叶晶菁）

Treatment of n-Hexane Waste Gas by Ryegrass-Enhanced Biofiltration Process

He Yanyun，Xu Zhongjun
（College of Chemical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

The simulated n-hexane waste gas was treated by biofiltration in a biofilter planted with ryegrass. The effects of reaction temperature，inlet n-hexane mass concentration and packing layer height on n-hexane removal were studied，and the distribution of bacteria and catalase activities were investigated. The experimental results show that：The suitable reaction temperature for ryegrass-enhanced biof i ltration is 25 ℃；The outlet n-hexane mass concentration is increased with the increase of the inlet mass concentration，while it is decreased with the increase of the packing layer height；Under the conditions of reaction temperature 25 ℃，inlet n-hexane mass concentration 100-500 mg/m3and packing layer height 600 mm，the outlet n-hexane mass concentration is 0-46 mg/m3，which is lower than the limit for n-hexane （100 mg/m3） in GBZ/T 2.1-2007；Under the same conditions，the n-hexane removal rate of the biof i lter planted with ryegrass is increased signif i cantly，and the bacteria concentration and catalase activities in it are both higher than those in the biof i lter without ryegrass. These indicate that ryegrass can signif i cantly improve the biodegradation of n-hexane.

n-hexane waste gas；microorganism；ryegrass；biof i ltration；synergistic effect

TQ116.2

A

1006 - 1878（2015）03 - 0231 - 05

2014 - 10 - 22；

2015 - 03 - 16。

贺艳云（1989—），女，河北省秦皇岛市人，硕士生，电话 18811556623，电邮 heyanyunbuct@163.com。联系人：徐仲均，电话 13691177161，电邮 xuzj@mail.buct.edu.cn。

国家自然科学基金资助项目（41175103）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（YS1401）。