| 原文摘要 | 本研究以具有多孔洞特性之竹生物炭(bamboo biochar)做為生物滴濾塔(biotrickling filter, BTF)之填充濾材，可將廢氣中之揮發性有機物(volatile organic compounds, VOCs)吸附於微孔洞中，以及提供微生物附著生長之載體，並可再透過菌株固定化技術，以聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)作為固定菌株之固化劑，將竹生物炭、VOCs降解菌混合製成菌體固定化竹生物炭顆粒(cell immobilized bamboo biochar beads, cell biochar-bead)。本研究係分別以新穎之cell biochar-bead與傳統濾材(如：拉西環)置於BTF系統內，於不同空塔停留時間(empty bed retention time, EBRT)、不同VOCs有機負荷(organic loading, OL)、單一碳源(如：甲苯)及複合碳源(如：甲苯、二甲苯及丙酮)條件下，評估BTF系統處理VOCs之最大分解能力(elimination capacity, EC)及去除效率(removal efficiency, RE)。另外，亦評估BTF系統選擇cell biochar-bead為濾料下，探討串聯BTF系統對單一碳源(甲苯)之去除效率，以及進行BTF之微生物分解動力學分析。
研究結果顯示：(1) Cell biochar-bead具低崩解率特性，7天之崩解率僅0.51%，同時顆粒又具高含水率(82%)特性，可維持微生物處於濕潤環境中仍保有活性；(2)無包埋菌株之cell biochar-bead對甲苯具有良好吸附能力，biochar 吸附機制為物理與化學性質吸附，cell biochar-bead對甲苯之平均吸附能力為4.62 g/100 g；(3)以cell biochar-bead作為BTF之濾料時，BTF對甲苯之最大EC值為25.5–33.7 g/m3．h；以拉西環作為濾料時，其最大EC值則略低僅22.5–24.1 g/m3．h；(4)以cell biochar-bead作為BTF之濾料時，於複合碳源(如：甲苯、二甲苯及丙酮)環境下，於進流濃度介於0.2–0.6 g/m3時，對污染物之去除效率分別為80.1% (甲苯)、89.7% (二甲苯)及97.7%(丙酮)；但當複合基質濃度超過0.6 g/m3時，則受限BTF內微生物會優先降解易分解基質(丙酮)，導致難分解基質(甲苯、二甲苯)降解效率下降至63.1%、61.9%，進而影響整體VOCs之去除效率(68.3%)；(5)串聯BTF系統處理單一碳源(甲苯)時，有機負荷(OL)由原本單一系統55.7 g/m3．h提高至155.1 g/m3．h，能於第一道(BTF1)系統中，預先將高濃度甲苯經由吸附作用而下降至中低濃度後，再透過第二道(BTF2)系統，將剩餘低濃度污染物進行生物降解，使得BTF系統內不受限於因有機負荷過高而抑制微生物活性，進而降低去除效率之情形；(6)由BTF系統之微生物動力學模式結果獲知，BTF填充cell biochar-bead之最大反應速率(Vm)為0.13 g/kg．h，優於拉西環之Vm值0.08 g/kg．h，顯示填充cell biochar-bead之BTF系統對甲苯具較高的處理效能；(7)透過變性梯度凝膠電泳(denaturing gradient gel electrophoresis, DGGE)與菌群親源分析技術結果顯示，當甲苯濃度分別為1 g/m3、5 g/m3、10 g/m3、飢餓期(即甲苯濃度由10 g/m3降至0 g/m3後，持續維持14天後採樣)、及有機負荷突增(由1 g/m3瞬間提升至10 g/m3)等條件下之各菌相比較得知，(a)因cell biochar-bead係以純菌株(Pseudomonas sp. YATO411、Pseudomonas citronellolis strain. YAIP521及Mycobacterium sp. CHXY119)進行包埋，因此各菌株會受到顆粒載體保護而使得於各試驗條件下成為分解甲苯之優勢菌群，其中又以YATO411與CHXY119菌株能承受於高濃度負荷衝擊下依舊保持為優勢菌群。當甲苯濃度逐漸由1 g/m3逐漸提升至5 g/m3與10 g/m3時，於各試驗條件下總菌數量由原有54%遞減至50%，顯示出BTF系統內之總菌數量受到甲苯濃度逐漸遞增下，使得原本生長於低濃度負荷狀態可生存之菌種，因無cell biochar-bead保護，使得於高基質濃度衝擊下，總菌數量容易因被抑制而減少；(b)當cell biochar-bead投入於單一BTF系統或串聯系統並相互比較，獲知於高有機負荷(16 g/m3)狀態下，載體內包覆之純菌株(如：YATO411、CHXY119及YAIP411菌株)依舊能存活並保有活性，為系統內主要優勢菌種；(c)就串聯系統而言，因前端架設兩道BTF系統，使得第一道BTF系統(即BTF1)可預先將有機氣體吸附後，待BTF1逐漸達吸附飽和後再更換進氣入口後，讓原有第二道BTF系統(即BTF2)恢復至吸附有機廢氣之階段，而BTF1則持續進行cell biochar-bead再生階段，故造成串聯系統內菌相較單一BTF系統豐富且多樣性，總菌落數目亦由原先50%提升至68%；(d)就串聯系統而言，當初始BTF1進行吸附階段下，菌群結構類似BTF1與BTF2兩大系統互換後之菌群結構，相似度為90%；而就BTF2而言，則該階段屬於一脫附狀態下，故菌群結構類似各濃度試驗下之菌群變化，其相似度為81%，顯示出BTF系統互換下菌群仍以脫附基質之菌群為主。
透過研究結果所獲得之最佳操作參數值(EBRT、EC及VOCs濃度範圍)與微生物動力學參數值，未來可依實廠VOCs排放濃度與種類，將VOCs降解菌製成cell biochar-bead及設計適合之處理槽體，可應用於實廠之VOCs廢氣處理。 |