移动床生物膜反应器(MBBR)强化甲苯废气处理：性能优化、微生物群落动态与动力学机制

为解决传统甲苯废气处理技术存在成本高、二次污染及传质效率低等问题，伊朗德黑兰医科大学团队对比研究了移动床生物膜反应器(MBBR)与鼓泡塔反应器(BCR)的降解性能。研究发现MBBR在最高消除能力(ECmax 347 g·m-3·h-1)和去除效率(RE 73%)方面表现更优，并揭示微生物群落向芳香烃降解菌(Castellaniella占比35%)定向富集的规律，为工业VOCs治理提供了高效稳定的生物处理方案。

　　

甲苯作为油漆、溶剂等工业领域广泛使用的挥发性有机化合物(VOCs)，其大气排放不仅造成环境污染，更因50 mg·L^-1的剧毒特性直接威胁人体健康。传统物理化学处理方法如吸附、化学氧化等存在成本高昂且易产生有毒副产物的缺陷，而常规生物反应器如鼓泡塔(BCR)又面临气液传质效率低、微生物适应性差等瓶颈。尤其对于甲苯这类疏水性VOCs，其在液相中的低溶解度进一步加剧了生物降解难度。现有研究显示，BCR对甲苯的最高去除效率(RE)仅59%，且存在载体板结、压降升高等操作难题。

德黑兰医科大学环境工程团队在《Biochemical Engineering Journal》发表的研究中，创新性地将污水处理领域的移动床生物膜反应器(MBBR)技术引入废气治理领域。通过对比MBBR与BCR在相同操作条件下的性能差异，并结合微生物组学与动力学分析，系统论证了MBBR在处理甲苯废气中的技术优势。研究采用回流活性污泥(RAS)接种，在空床停留时间(EBRT)40秒条件下，逐步提升甲苯进气浓度至7.6 g·m^-3，历时8周完成系统评估。

关键技术方法
研究采用平行设置的MBBR与BCR反应器，以矿物盐培养基(MSM)维持微生物生长。通过高通量测序分析生物膜菌群结构变化，运用Haldane方程建立降解动力学模型，结合气相色谱监测CO₂生成量计算矿化效率。关键参数包括消除能力(EC)、去除效率(RE)及微生物α多样性指数(Shannon、Chao1、Simpson)。

微生物群落动态
生物膜分析显示MBBR中芳香烃降解菌显著富集：Castellaniella相对丰度达35%，Pseudomonas占7.2%，而BCR的悬浮污泥菌群结构分散。微生物多样性指数呈现特征性下降，Shannon指数从6.6降至5.8，Chao1丰富度从871降至584，表明系统对甲苯负荷产生特异性选择压力。

性能对比
在进气负荷(ILR)291 g·m^-3·h^-1时，MBBR的EC_max达347 g·m^-3·h^-1，RE稳定在73%，显著优于BCR的44%RE。值得注意的是，当甲苯浓度超过抑制阈值时，MBBR仍保持53%RE，而BCR降至37%，证明生物膜结构对冲击负荷具有更强缓冲能力。

动力学特征
Haldane模型拟合显示MBBR存在底物抑制现象，关键参数为：EC_max=5000 g·m^-3·h^-1，半饱和常数K_m=18 g·m^-3，抑制常数K_i=0.25 g·m^-3。化学计量分析证实20%甲苯最终矿化为CO₂，其余转化为生物质或中间产物。

结论与意义
该研究证实MBBR通过生物膜载体创造的高比表面积(>350 m²·m^-3)有效缓解了气液传质限制，其微生物群落自适应机制使系统在变负荷条件下保持稳定。相比传统BCR，MBBR操作压降低于15 Pa·cm^-1，且无需频繁维护，兼具工程适用性与经济性。研究成果为工业VOCs治理提供了新思路，特别适用于石化、喷涂等排放高浓度疏水性VOCs的行业。论文通讯作者Seyed Morteza Zamir指出，该技术未来可与藻类光生物反应器耦合，实现碳减排与资源化双重效益。