挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是大气环境的重要污染物之一,对健康和环境生态构成威胁。治理大规模工业排放的VOCs废气是环境保护的重大需求。生物滴滤池法(biotrickling filter,BTF)具有相对安全、经济、对环境无二次污染等优势,在大风量、低浓度的VOCs处理中具有很强的应用潜力。在生物滴滤池中,对污染物起到降解作用的是附着生长在填料表面的生物膜,即被胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)包裹的细胞聚合体。由于工业排放的VOCs具有不连续、浓度波动、组分变换等非稳态特征,造成生物膜形成困难,成为生物滴滤技术在工业废气处理应用中受限的主要原因之一。因此,全面解析处理非稳态VOCs的生物滴滤池中生物膜的特性并提出有效的解决办法具有重要的科学意义和应用价值。本研究利用实验室小试的生物滴滤池装置(BTF)和合成的VOCs气体,系统比较分析了进气模式对生物膜形成、污染物去除和微生物群落组成与功能的影响,探讨了不连续进气影响生物膜形成的生物学机制。基于此开展了海藻酸钠和聚乙烯醇改性填料强化生物膜形成和VOCs净化性能的机理研究。并提出了改性填料对VOCs浓度波动和组分变换的抵抗能力。取得的主要结果有:(1)系统比较了不连续进气和连续进气运行模式对生物膜形成的研究,结果表明,生物膜形成受阻(生物量和EPS含量极低)是造成不连续运行的BTF2对VOCs去除效率接近零的关键原因。BTF2在不连续进气的模式下运行60天,每克干重填料上累积的生物量和分泌的EPS含量呈现逐渐下降的趋势,生物膜形成受阻。填料中的优势微生物主要是对碳饥饿具有耐受能力的Mycobacterium。宏基因组功能预测结果表明,BTF2中与生物膜形成相关的功能基因的相对丰度较低,但是对芳香族污染物具有更高的降解潜能。BTF2转变成连续进气模式后,生物量和EPS含量迅速升高,生物膜快速形成,VOCs的去除效率随之升高并达到60%以上。与BTF2相比,连续进气模式运行的BTF1中生物膜在30天内驯化成功,并对五种VOCs组分均具有较好的去除效果(>77.2%)。对VOCs具有降解功能的Burkholderia和Comamonas是此时BTF1中的优势微生物。将BTF1转变成不连续进气后,微生物群落结构未发生显著变化,且维持在30天内维持较高的生物量和EPS含量。因此,生物膜是否形成且稳定是影响VOCs去除效率的关键。(2)对生物滴滤池填料进行合理改性可以显著提高非稳态VOCs废气的生物净化效率,但填料中添加不同的碳源可显著改变微生物群落结构组成和EPS的分泌。系统比较了利用海藻酸钠和聚乙烯醇对填料改性、对填料改性时进行细胞固定化、在填料改性及细胞固定化时添加苯甲酸钠作为碳源的三组实验。结果表明,以经过3%海藻酸钠和5%聚乙烯醇改性后的聚氨酯泡沫填料累积的生物量和EPS含量显著提高,与非改性的聚氨酯泡填料相比分别增加了2倍、20倍,并选择性附着了Sphingopyxis、Hydrogenophaga等微生物。采用这种改性填料的生物滴滤池成功解决了不连续进气条件下生物膜形成受阻的难题,对不连续进气的VOCs去除效率显著提高(20天内达到60%以上)。如果在填料改性时将细胞固定化,能够增加细胞初始附着的浓度,显著提高生物量和EPS含量,促进生物膜的形成,进而提高了不连续VOCs的去除效率。但是,细胞固定化与单纯填料改性相比较,生物膜形成能力和去除性能差异不显著。因此,操作相对简单的填料改性在工业废气处理中具有更好的应用前景。而添加苯甲酸钠至改性填料中,发现添加的碳源虽然提高了生物量,但是抑制了EPS分泌,且改变了微生物群落结构组成,造成生物滴滤池去除性能显著降低。(3)改性填料可以刺激独特的标识性微生物(Biomarker)定殖。这些标志微生物主要是浮霉菌门Planctomycetes(相对丰度为3.00%)和黄杆菌属Flavobacterium(相对丰度为5.56%)。研究结果显示,利用3%海藻酸钠和5%聚乙烯醇改性后的聚氨酯泡沫填料在生物滴滤池早期驯化阶段可以为标识性微生物生长提供有机碳源。它们长期定殖在生物滴滤池中,并直接影响了微生物的群落结构。即使改性剂消耗殆尽后或者进气负荷提高时,反应器内填料上形成的生物膜可以一直保持较高的生物膜形成能力、EPS分泌能力、群落结构多样性和均匀度。是改性填料提高不连续VOCs去除效率且对浓度波动具有较好抵抗能力的生物学基础。(4)以改性后的聚氨酯泡沫为填料的生物滴滤池对VOCs组分变换具有很好的抵抗能力。生物滴滤池经过亲水性和疏水性16种VOCs组分驯化后,填料上可以累积较多的生物量(51.88±3.24 ug/cm~3)、分泌较多的EPS(34.87±3.03 ug/cm~3),形成相对成熟的生物膜。当VOCs转换成疏水性组分后,改性填料上附着的生物膜受到一定程度的破坏(生物量降低至36.51±4.05 ug/cm~3,EPS含量降低至10.52±3.50 ug/cm~3),但是微生物网络复杂程度升高,且能够维持一定量的生物量和EPS含量,造成污染物去除效率差异不显著。当VOCs转换成初始的16种VOCs污染物时,微生物群落结构变化较小、网络复杂程度降低、填料上累积的生物量增加(48.13±3.07 ug/cm~3)、分泌的EPS增多(28.89±2.36 ug/cm~3),生物膜形成能力提高,生物滴滤池达到驯化阶段的净化性能。因此,相对成熟的生物膜是生物滴滤池对污染物组分变换具有抵抗力的关键原因。