生物法處理廢氣（Biofiltration）是一種利用微生物代謝能力降解氣態污染物的環保技術，廣泛應用于化工、制藥、食品加工等行業的廢氣治理。其核心是通過附著在填料（如活性炭、堆肥、陶粒等）上的微生物群落，將廢氣中的有機物或無機物轉化為二氧化碳、水和生物質。然而，在實際運行中，微生物量減少（如生物膜脫落、活性下降或種群失衡）是導致系統效率下降甚至失效的常見問題。本文將從環境因素、廢氣特性、營養條件、操作參數和生物競爭等方面，系統分析微生物量減少的原因及其機理。

————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————

一、環境因素對微生物生長的影響

1. 溫度波動

微生物的代謝活性對溫度高度敏感。大多數異養菌的適宜生長溫度為25-35℃，而硝化菌等自養菌的適宜溫度范圍更窄（20-30℃）。若生物反應器內溫度超過40℃，酶活性將顯著下降，導致蛋白質變性；溫度低于10℃時，微生物代謝速率急劇降低，甚至進入休眠狀態。例如，某化工廠的廢氣處理系統中，夏季高溫導致填料層溫度升至45℃，微生物量在兩周內減少60%。

2. pH值失衡

微生物對pH值的要求具有物種特異性。例如，降解苯系物的細菌通常適應中性環境（pH 6.5-7.5），而硫氧化菌偏好酸性條件（pH 2-3）。當廢氣中含有大量酸性氣體（如H2S）或堿性物質（如NH3）時，微生物代謝產物可能改變環境pH值，超出耐受范圍。某垃圾填埋場案例顯示，H2S濃度過高導致生物濾池pH降至4以下，真菌比例上升而細菌量銳減。

3. 濕度不足或過飽和

生物膜的正常生長需要填料濕度維持在40%-60%。濕度過低（<30%）會導致細胞脫水，抑制酶活性；濕度過高（>80%）則會阻礙氧氣傳輸，形成厭氧區并產生抑制性代謝物（如有機酸）。某生物滴濾塔因噴淋系統故障導致填料濕度降至25%，兩周后異養菌生物量減少45%。

二、廢氣成分的毒性效應

1. 污染物濃度過高

當廢氣中污染物（如VOCs、H2S）濃度超過微生物降解閾值時，會引發底物抑制效應。例如，甲苯濃度超過800 mg/m3時，部分菌株的降解速率下降50%以上；H2S濃度高于200 ppm會導致細胞膜脂質過氧化。某石化廠因工藝波動使苯乙烯濃度突增至1200 mg/m3，生物濾池中優勢菌Pseudomonas putida數量一周內減少70%。

2. 毒性物質積累

廢氣中的重金屬（如鉛、汞）、鹵代烴（如氯仿）、或中間代謝產物（如鄰苯二酚）可能直接破壞細胞結構。例如，氯苯降解過程中產生的氯代鄰苯二酚可與DNA結合，抑制復制過程。某電子廠廢氣中檢測到0.5 mg/m3的汞蒸氣，導致生物濾池中微生物ATP含量下降80%。

3. 氧傳遞受限

好氧微生物需足夠的溶解氧（DO>2 mg/L）進行代謝。若廢氣中污染物為高濃度可燃性物質（如甲烷），或填料層壓降過大導致氣流分布不均，局部區域可能缺氧。某沼氣處理項目中，甲烷負荷超過設計值30%，生物膜內DO降至0.5 mg/L，甲烷氧化菌（Methylocystis）數量減少55%。

三、營養供給與代謝失衡

1. 碳氮磷比例失調

微生物生長需C:N:P ≈100:5:1的營養平衡。若廢氣以碳氫化合物為主（C:N >200:1），氮源不足會限制蛋白質合成；反之，若處理含NH3廢氣（N過量），碳源缺乏將抑制異養菌生長。某噴涂車間生物濾池因未補充氮源（C:N =320:1），微生物量每月遞減12%。

2. 微量元素缺乏

Fe、Mg、Ca等微量元素是輔酶或細胞壁合成必需元素。長期運行中，若未及時補充，可能引發代謝障礙。例如，某生物滴濾塔因鎂離子濃度低于0.1 mM，導致脫氫酶活性下降40%。

3. 營養競爭與產物抑制

在混合污染物體系中，微生物可能優先利用易降解物質（如乙醇），導致難降解物質（如二甲苯）積累。此外，代謝產生的有機酸（如乙酸）或鹽類（如硫酸鹽）可能改變滲透壓，抑制細胞分裂。

四、操作參數與工程控制

1. 空床停留時間（EBRT）不足

EBRT過短（<15秒）時，污染物與微生物接觸時間不足，降解不完全，導致中間產物積累。某制藥廠將EBRT從30秒縮短至10秒后，生物膜厚度在1個月內減少40%。

2. 填料堵塞與生物膜脫落

填料孔隙率下降（如因生物質過量增長或粉塵積累）會增大壓降，迫使提高氣流速度，引發剪切力導致生物膜脫落。某堆肥生物濾池運行6個月后，壓降從200 Pa/m增至800 Pa/m，微生物量損失達35%。

3. 沖擊負荷與波動

廢氣流量或濃度的劇烈波動（如間歇排放）會打破微生物適應性。某焦化廠因生產周期變化導致H2S濃度在50-500 ppm間波動，硫桿菌（Thiobacillus）數量波動幅度達±60%。

五、微生物種群競爭與演替

1. 菌種選擇不當

若接種菌株與目標污染物不匹配（如用苯降解菌處理含氯VOCs），或缺乏功能基因（如加氧酶、脫鹵酶），將導致種群衰退。某案例顯示，未適配菌劑的生物濾池在3個月內微生物多樣性下降50%。

2. 捕食者與病原體

原生動物（如纖毛蟲）過度繁殖會吞噬細菌，而噬菌體感染可能導致特定菌群崩潰。某污水處理廠附屬生物濾池中，纖毛蟲密度達到10^5個/g填料時，細菌生物量減少30%。

3. 微生物老化

長期運行中，微生物可能因能量代謝失衡（如NADH/NAD+比例失調）進入衰老期，表現為胞內ROS（活性氧）累積和膜電位下降。研究發現，連續運行18個月的生物濾池中，50%的細菌細胞出現膜損傷。

六、應對策略與優化建議

1. 環境控制：安裝溫濕度傳感器與自動調節系統，通過噴淋或換熱維持pH 6-8、溫度25-35℃、濕度50%-70%。

2. 廢氣預處理：采用吸附、洗滌或稀釋降低污染物濃度。

3. 營養調控：按C:N:P =100:5:1投加NH4NO3、KH2PO4等，定期補充FeSO4、MgCl2。

4. 菌劑強化：接種耐毒性菌株（如Rhodococcus erythropolis）或工程菌，采用固定化細胞技術。

5. 動態調控：根據在線監測數據（如ATP、EPS含量）調整EBRT和負荷，定期反沖洗填料。

七、結論

生物法處理廢氣中微生物量的穩定性受多因素耦合影響，需通過“環境-廢氣-營養-操作-生物”多維度優化實現系統長效運行。未來研究可聚焦于抗逆菌種選育、智能控制系統開發及微生物群落互作機制解析，以進一步提升技術可靠性。