基于生物滤池的室内空气污染治理效果分析

关键词：生物滤池；室内空气污染；挥发性有机物（VOCs）；微生物降解；净化效率

近年来，建筑密闭性与节能性能的提高使室内空气更新能力下降，同时，建筑装饰材料广泛使用含有甲醛、苯、TVOC 等有害物质的人造板、胶黏剂和油漆，导致污染物在居住与办公空间中长期累积，严重危害人体健康。这些挥发性有机物不仅刺激性强，还与呼吸系统疾病、神经系统紊乱及癌症风险密切相关。传统治理手段如活性炭吸附、臭氧氧化与光催化存在稳定性差、维护成本高和潜在二次污染等问题，难以满足持续净化需求。生物滤池以微生物代谢为核心，能够高效降解空气中的有害气体，具有可持续、环保、自动调节等优点，成为室内空气净化的新兴手段，并在实际应用中展现出良好前景和发展潜力。

一、生物滤池净化机理与适用污染物分析

（一）生物滤池的构成与工作原理

生物滤池（Biofilter）主要由进气系统、预湿润区、滤料层和排气通道构成，其中核心结构为填充了高比表面积、亲水性良好的多孔介质层。系统运行时，含污染物的空气经由风机输送至预湿润区，使气体湿度提升至适宜范围后进入滤料层 [1]。污染物首先在填料表面通过物理吸附和液膜溶解进入生物膜水层中，随后被附着在填料上的微生物群体降解，最终转化为无害产物，如二氧化碳、水和部分可生物合成的生物质。整个处理过程可划分为吸附—溶解—代谢三个连续阶段，效率受微生物代谢速率与填料传质特性的双重制约。微生物的种类、数量及其对环境条件的适应性是决定系统处理能力的核心因素。

（二）室内主要污染物及其理化特性

室内空气中最常见且危害显著的污染物主要包括甲醛（HCHO）、苯系物（BTEX，包括苯、甲苯、二甲苯）和 TVOC（总挥发性有机化合物）。甲醛因其分子小、挥发点低（-19℃）且极易水解，在室温下持续释放并累积，是长期影响室内空气质量的主要气态污染物之一。苯系物多来源于油漆、溶剂、胶黏剂及香氛类产品，因分子结构稳定、水溶性较差，其降解难度高于甲醛，需要依赖专性菌种的代谢途径进行处理 [2]。TVOC 则是多种烷烃、芳香烃、酯类和醛酮类化合物的混合体，成分复杂，来源广泛，通常表现出难以归类和难以分解的特性，因此对净化系统的负荷响应与广谱适应能力提出了更高要求。

（三）微生物降解机制与关键菌群

微生物是决定生物滤池运行效果的核心要素，不同类型的污染物需对应不同降解路径与优势菌群。在甲醛治理中，常见优势菌群如变形杆菌属（Proteus spp.）、假单胞菌属（Pseudomonas spp.）和短芽孢杆菌属（Brevibacillus spp.），可分泌甲醛脱氢酶（FDH）、甲醛脱羧酶等关键酶类，将甲醛转化为甲酸并进一步降解为CO₂ 与H₂O，过程高效且中间产物安全。对于苯、甲苯等芳香族化合物，则主要依赖红球菌属（Rhodococcusspp.）、诺卡氏菌属（Nocardia spp.）等具备芳香烃单加氧酶、双加氧酶表达能力的菌群。这类菌群通过加氧作用破坏苯环结构，是芳香类 VOCs 生物降解的关键。为维持菌群活性与系统稳定性，运行环境应保持中性至微碱性 pH（6.5＼～7.5），并确保供氧充足，避免因厌氧化导致菌群结构紊乱或代谢停滞。

二、生物滤池系统设计与运行参数优

（一）填料材料的种类与功能差异

滤料的选择对生物滤池系统的稳定运行与净化效率具有决定性作用。理想的填料应具备高比表面积、适宜的孔隙率、良好的亲水性以及较强的机械强度，以便为微生物生长提供适宜环境并保障气体流通效率。常用材料包括陶粒（Expanded ClayAggregate），其粒径一般为 4～10mm ，比表面积可达 350m²/m³ ，耐压性能优良，适合长期运行工况；活性炭（Activated Carbon）具有出色的吸附性能，适用于初期高浓度污染负荷处理，但存在饱和快、成本高的问题；泥炭土（Peat）则因其良好的生物亲和性和pH 缓冲能力，常用于系统初期微生物膜的培养；聚氨酯泡沫（PUF）轻质、结构均匀，利于气体分布，但老化较快；多孔陶瓷填料具备良好的耐腐蚀性和结构稳定性，常与陶粒复合使用。实际工程中多采用复合填料配置，如“陶粒 + 泥炭土”组合，既满足结构支撑需求，又可提供微生物附着和营养缓冲功能，实现材料性能的协同增效。

（二）运行参数调控策略

系统运行中的关键参数包括气体空床停留时间（EBRT）、湿度、温度、pH 值及营养元素供给等 [3]。EBRT 是衡量污染气体与生物膜接触反应时间的重要指标，通常控制在15＼～45 秒之间。初始污染物浓度越高，则需更长的 EBRT 以保证充分降解。例如，在某家居建材展厅的应用案例中，初始TVOC 浓度达 ，系统EBRT 设置为40 秒，运行一周后 TVOC 浓度稳定降至 ，降解率超过 91‰ 。湿度方面，维持填料层相对湿度在 40%～60% 最有利于微生物膜形成和代谢活性，尤其在高温干燥季节，应通过自动喷淋系统定时补水以防膜层干裂。温度控制范围应在 2035℃之间，高温虽可提升代谢效率，但温差波动过大会引起菌群失活甚至生物膜脱落。为应对冬季低温运行，一些系统采用管道电加热或在滤池外加保温层来保持反应温度稳定。

pH 值需控制在中性或微碱性，理想范围为 6.5＼～7.5。污染物的生物降解过程中常会产生有机酸或无机酸，如甲醛降解产生甲酸，若 pH 值不加调控会造成酸化，抑制微生物活性。因此，需周期性补充缓冲盐溶液（如 Na₂CO₃ 或 KH₂PO₄），以维持体系的缓冲能力。营养元素方面，微生物需氮、磷作为细胞代谢与增殖的必要元素，通常每月定期补充 NH₄⁺ 与 P0₄^3- 复合营养液 ，可有效延长菌群活性周期并避免处理能力衰退。

（三）设备结构与控制系统设计

在设备结构方面，生物滤池常见设计包括垂直上流式和水平穿流式两种。垂直上流式结构紧凑，占地面积小，适用于风量波动较小、污染浓度较低的办公楼、酒店等室内环境；而水平穿流式则适合大风量、高浓度场所，如大型商场、地下车库等密闭公共区域。在深圳某地下轨道交通调度中心内，部署的一套水平穿流式生物滤池系统，处理风量达12000 m³/h，TVOC 初始浓度为 1. 2mg/m³ ，经过四级填料段处理后，出风端浓度稳定控制在 0.1mg/m³ 以下，运行效果持续稳定，未出现明显波动或衰减。

为了保障运行可靠性，应配备完善的自动化控制系统，集成温湿度传感器、风压差传感器、流量计与 PLC 控制模块，实现风机变频调节、喷淋水自动供给、湿度闭环调节及系统异常报警等功能，确保滤池运行参数始终处于最佳区间并具备自适应调节能力。此外，为防止滤料因污染物沉积或生物膜过厚而导致气流受阻甚至堵塞，应设置反冲洗系统，建议每 1^～2 个月使用清水或 0.5% NaOH 稀碱液进行低压冲洗操作。以某商务楼项目为例，系统运行过程中压差长期维持在 350 Pa 以内，运行一年内未发生过风阻骤升、流量下降或滤池堵塞现象，有效验证了反冲洗机制在实际应用中的重要性与高可操作性。

三、治理效果实测分析与优化策略

（一）工程案例实测效果

在某新建办公楼的室内空气治理项目中，运用集中送风配套末端生物滤池的处理模式，部署了一套日处理风量为 8000 m³ 的空气净化系统，主要针对室内常见的甲醛、苯及 TVOC 等污染物开展净化处理。系统运行前测得的室内甲醛浓度为 ，苯浓度为 0.12 mg/m³，TVOC 浓度为 ，整体污染水平较高。滤池启动并连续运行30 天后，经现场监测与气体采样分析，出风端的甲醛浓度已降至 以下，苯和 TVOC 分别降至 与 0.08mg/m³ ，显示出优异的净化效率，整体去除率均在90% 以上，系统运行稳定高效，处理结果具有良好一致性和可重复性。

该净化装置采用陶粒与聚氨酯泡沫（PUF）复合填料，内部布设为三段式垂直上流结构，每段填料厚度为 30cm ，形成分级过滤与降解空间，并配备双层喷淋加湿系统和智能风阀组件，自动调节湿度与进气温度，保障微生物处于最适宜的代谢环境。系统接入楼宇物联网平台，实现远程运行数据的自动采集、实时上传与智能化监控，并具备预警提醒、异常诊断等功能模块。在实际运行期间，系统维护量较低，仅进行两次反冲洗（使用 0.5% NaOH 稀碱液）与一次针对性微生物补充，无需更换填料或中断运行，反映出该类系统在办公场所应用中的长期可行性与运维经济性。特别是在气候变化较为频繁的过渡季节，该系统依旧保持良好响应能力，展示出较强的环境适应性与稳定性能。

（二）影响处理效果的关键因素

生物滤池的净化性能受到多重因素的协同制约和动态干扰。其中，污染物的初始浓度是决定系统反应速率、负荷承载能力与微生物代谢稳定性的关键指标。当污染物浓度显著升高时，微生物可能因反应过载产生“代谢抑制效应”，甚至因降解中间产物的酸性积累而发生“酸中毒”现象，降低整体净化能力 [4]。因此，建议对源头污染物进行分类评估与源强预控，避免瞬时冲击负荷超过系统设计容量。

另一个关键因素是生物膜的老化与厚化过程。随着运行时间延长，微生物代谢产物和胞外聚合物（EPS）逐渐堆积，使膜层结构变得稠密，造成氧气与污染物向膜内扩散受限，反应效率下降。实际应用中应设定定期检测压降和氧气传输速率的技术手段，如通过压差传感器动态监控每段滤料压降变化曲线，结合空气采样分析生物反应效率，判断膜层是否需冲洗或调整。

此外，运行环境波动也是影响滤池处理性能的重要变量。以季节更替引发的温度骤变为例，在冬夏季转换期，若室内温度控制系统响应滞后，菌群结构易发生变化，造成系统波动。对此，可设置恒温舱室或加装保温材料，采用热交换设备辅助调节气体进出温差；同时，通过投加耐温菌株如嗜热型短芽孢杆菌，可提升系统对外部温度干扰的抗扰能力。

最后，填料的孔隙率变化亦不容忽视。长期运行后，孔道中可能沉积非降解性颗粒、有机膜垢等，导致气体分布不均甚至发生局部堵塞，严重影响通风阻力与反应效率。为此，建议每运行 6 个月进行一次填料结构检测，采用微型孔隙分析仪或目视抽检法评估填料通透状态，并视情况进行局部清洗或更换，维持整个系统的结构稳定性与反应通量。

（三）优化策略与未来应用方向

为了进一步提升生物滤池系统在复杂应用环境中的适应能力与净化效率，可从结构优化、菌种改良、智能化控制与系统集成等方面入手进行系统化升级。在结构设计方面，引入“高浓度预处理段 + 生物深度降解段”的多段反应区构建策略，可有效提高对高负荷污染物的容忍度。前段采用高比表面积填料如活性炭或改性陶粒进行吸附与初步降解，后段则配置亲水性填料与优势菌群完成深度净化。此外，通过基因工程和菌种筛选手段构建复合型微生物体系，如假单胞菌与红球菌的联合驯化培养，不仅可扩大污染物降解谱系，还能提升菌群对 pH 波动、温差变化等环境扰动的耐受能力[5]。在控制层面，可搭载物联网（IoT）传感模块，实现对 TVOC、温湿度、压差等关键参数的实时监测，并结合 AI 模型动态预测污染波动趋势，自动调整 EBRT 与风机运行策略，从而实现精准化管理。为应对不同污染物复合排放场景，还可将生物滤池与光催化氧化、低温等离子体技术等形成协同净化系统，实现物理—化学—生物多机制互补处理。考虑到部分特殊场所如地铁站厅、地下车库、候车厅等区域通风条件有限、布设受限，可研发模块化、可移动式小型生物滤池设备，具备分布式部署与快速安装优势，推动其广泛落地应用。

总结：

生物滤池作为一种生态化的室内空气污染治理手段，在处理甲醛、苯系物、TVOC 等有害气体方面展现出优良的稳定性与高效性。其核心在于微生物对污染物的定向降解能力，以及合理的结构设计与运行参数调控。通过实际工程应用验证，生物滤池系统不仅具备高去除率与低能耗优势，同时在维护简便性、运行持续性与环境友好性方面也具有良好表现，适应多样化室内环境需求。未来，随着微生物工程、材料科学与智能控制技术的进一步发展，生物滤池有望在更广泛的室内空气净化场景中推广应用，并实现与建筑智能化系统的深度融合，助力绿色健康建筑建设与可持续城市发展目标的实现。

参考文献：

[1] 周强 . 复合多介质生物滤池对城市黑臭水体净化机理研究 [D]. 北京建筑大学 ，2020.000036.

[2] 李文珠 . 民用建筑室内环境污染物检测存在的问题 [J]. 石材 ，2024，（10）：107-108+118.

[3] 任泉明 ， 张海 ， 唐侍豪 ， 等 . 室内挥发性有机污染物净化技术研究进展 [J]. 职业卫生与应急救援 ，2024，42（03）：308-312+317.

[4] 严国奇 ， 张欣 ， 傅铁苗 ， 等 . 生物滤池在地埋式污水处理厂的调试及运行 [J].给水排水 ，2024，60（S1）：68-72.

[5] 刘维盛 . 高效生物滤池处理挥发性有机物废气的工艺优化与性能评估 [J]. 资源节约与环保 ，2024，（10）：139-143.