生物处理技术是目前VOCs末端治理控制的主流技术,具有高效、低耗、反应条件温和、二次污染小等优点,但生物反应器长期运行过程中生物膜的过度生长和非均匀性分布会导致填料层堵塞和运行性能恶化。因此,需要调控填料层表面的生物量在合理范围内,并保证其长期的高降解活性。通过建立BTF和微量臭氧强化的BTF(O3-BTF),对两套生物滴滤反应体系长期运行过程中的宏观运行性能、填料床特性进行研究,并对塔内生物量积累和分布规律进行分析,探讨生物膜相组成及表面特性变化,尝试阐明导致反应体系填料层堵塞和运行性能恶化的根本原因,并尝试采用微量臭氧强化技术调控生物滴滤反应体系生物膜的生长和分布,控制反应体系填料层堵塞,进而强化其持续高效运行。两套生物滴滤塔在运行初期,净化性能相当,但长期运行后,其性能表现出明显的差异。BTF在运行至150天时,因运行性能恶化而停止运行,O3-BTF在实验过程中一直保持高效运行。两套BTF随着停留时间的缩短和进气浓度的增加,对甲苯的去除率均逐渐降低。反应体系运行初期(第40天),在进气浓度为200 mg/m3,EBRT为30 s时,BTF和O3-BTF对甲苯的去除负荷和去除率均为24 g/m3·h和97%左右;运行后期(第140天),在进气浓度为600mg/m3,EBRT为30 s时,BTF对甲苯的去除负荷和去除率为48.96 g/m3·h和69.2%,而O3-BTF分别达到66.12 g/m3 h和89.4%。O3-BTF上下段去除效率基本相同,并持续保持高效,而BTF下段的去除性能在后期出现明显下降。可见,在相同运行条件下,O3-BTF在运行后期表现出明显的强化效应。CO2的生成量与甲苯的去除负荷呈线性关系,O3-BTF对甲苯的最大矿化率更高,达到87%左右,而BTF为80%。BTF对甲苯的净化符合Michaelis-Menten动力学模型,O3-BTF单位体积的最大降解速率rmax高于BTF体系,其值分别为174.2 g/m3·h和156.3 g/m3·h。长期运行过程中,BTF的压降上升较快,孔隙率逐渐下降,而O3-BTF运行到180天时压降仍保持在4.5 mmH2O左右,上下段孔隙率均大于BTF。表明微量臭氧可调控填料层特性,进而强化BTF反应体系的长期持续高效运行。微量臭氧对控制生物量的过量累积和非均匀分布具有明显的调控作用。BTF沿反应器径向,从进气口至出气口生物量浓度逐渐降低。BTF运行到后期(第150天),填料层中生物量累积严重,进气口和出气口附近生物量分别为60.32 mgVSS/g填料和10.25 mgVSS/g填料;而O3-BTF生物量增长缓慢,且分布相对均匀,运行至180天时,进气口和出气口附近生物量分别为40 mgVSS/g填料和13.5 mgVSS/g填料。Biolog的分析表明微量臭氧作用不会降低填料层生物膜的代谢活性。生物膜表面相对疏水性和zeta电位变化分析表明,微量臭氧可有效减缓生物膜表面相对疏水性的增加和生物膜表面电负性的降低。EPS分泌量和主要成分的变化可能是导致反应体系运行性能恶化的本质原因之一,而微量臭氧可有效减缓其运行过程中的变化。BTF运行过程中,EPS总分泌量和胞外蛋白分泌量逐渐增加,运行至后期(140天)分别为前期(40天)的2.7倍和2.6倍。O3-BTF中两者的含量基本与初期持平。多糖分泌量在滴滤塔运行过程中未出现明显增加的趋势。EPS中PN/PS的增大会引起生物膜表面相对疏水性的增加。微量臭氧通过调节PN/PS对生物膜表面相对疏水性的增加有一定控制作用。生物膜与EPS的电负性随反应器的运行逐渐降低,两塔的上段电负性大于下段,且O3-BTF降低速度较慢。EPS平均分子量变化趋势与zeta电位相同。FTIR分析结果进一步表明,EPS的主要化学成分在运行期间发生了变化。微量臭氧通过改变生物膜相进而强化生物滴滤反应体系长期高效运行。在反应器径向随着距进气口距离的增加,甲苯浓度逐渐降低,生物量不断减少,呈线性相关,O3-BTF中的生物量在甲苯的浓度沿管径剧烈变化的同时其变化较为缓和。O3-BTF中的微生物的单位生物量去除负荷始终高于BTF。表明,03-BTF中微生物对甲苯的降解能力要大于BTF。两个生物滴滤塔内孔隙率、生物量以及压降之间两两均线性相关,且相关系数均在0.92以上,说明生物滴滤反应器内部生物膜相的特性与填料床床层性质密切相关。