生物濾池去除污水處理廠臭氣的應(yīng)用及展望

韓力超，劉建廣，羅培

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

0 引言

隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視，越來(lái)越多的污水處理廠被應(yīng)用到市政污水處理中，雖然使水污染狀況在一定程度上得到了緩解，但隨之產(chǎn)生的問(wèn)題也接踵而至。污水廠產(chǎn)生的惡臭氣體不僅腐蝕金屬材料、設(shè)備和管道，還嚴(yán)重影響到了周邊居民的生活，已成為當(dāng)今世界七種典型公害之一［1］。因此，對(duì)污水處理廠產(chǎn)生的臭氣進(jìn)行處理已迫在眉睫。利用生物法處理惡臭氣體較早的報(bào)道是在1957年，20世紀(jì)70年代初歐洲科學(xué)家開始了這方面的理論和應(yīng)用研究;80年代荷蘭和德國(guó)利用微生物處理惡臭氣體取得了很好的效果，我國(guó)90年代初期才開始進(jìn)行這方面的研究［2］。近年來(lái)，生物法以其能耗低、裝置簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于污水處理廠的惡臭氣體治理中［3－4］。其中，生物濾池工藝作為一種安全可靠的處理方法應(yīng)用最為廣泛，在國(guó)際上被譽(yù)為治理空氣污染的綠色解決方案。

1 惡臭氣體的成分及來(lái)源

GB14554—93《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)—惡臭污染排放標(biāo)準(zhǔn)》將惡臭定義為:一切刺激嗅覺器官引起人們不愉快及損壞生活環(huán)境的氣體物質(zhì)。污水處理廠產(chǎn)生的臭氣成分復(fù)雜多樣，主要包括蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物和微生物呼吸、發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)物及不完全產(chǎn)物［5］。目前，人們按照氣體化學(xué)組分的不同大致分為5類:(1)含硫化合物，如硫化氫、硫醇類、硫醚類;(2)含氮化合物，如氨、胺類、酰胺、吲哚類;(3)鹵素及衍生物，如氯氣、鹵代烴;(4)烴類，如烷烴、烯烴、炔烴及芳香烴;(5)含氧有機(jī)物，如醇、醛、酮、有機(jī)酸。其中以硫化氫、氨氣、硫醇和揮發(fā)性脂肪酸為惡臭氣體主要代表。

城市污水處理過(guò)程中，會(huì)在泵房、曝氣池、沉淀池、厭氧池和污泥處理區(qū)等區(qū)域產(chǎn)生含有多種惡臭污染物的臭氣［6］。污水處理廠的臭氣大致上由污水處理系統(tǒng)和污泥處理系統(tǒng)兩部分產(chǎn)生，主要來(lái)自有機(jī)物的分解過(guò)程。主要臭氣源產(chǎn)生原因及相對(duì)污染程度見表 1［7］。

表1 污水處理中的臭氣源

2 生物濾池工藝概況

2.1 除臭原理

2.2 除臭裝置及流程

生物濾池除臭工藝一般由四部分組成:氣體收集輸送系統(tǒng)、加濕保溫系統(tǒng)、生物過(guò)濾系統(tǒng)和檢測(cè)控制系統(tǒng)。其整個(gè)除臭過(guò)程的工藝流程如圖1［10］。

圖1 生物濾池除臭工藝流程圖

2.3 影響因素

2.3.1 溫度

溫度是影響微生物活性的重要因素，生物濾池內(nèi)的氧氣含量一般在0.2～1.0mg/L，微生物進(jìn)行好氧呼吸，所適應(yīng)的溫度范圍相對(duì)較大，操作溫度一般維持在微生物的最佳溫度范圍內(nèi)，即25～35℃。較低的溫度雖然有利于臭氣中的污染成分被填料表面的生物膜吸收，但會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)。一般而言，在適宜的生長(zhǎng)范圍內(nèi)，微生物的生長(zhǎng)速率會(huì)隨溫度的升高而升高，對(duì)惡臭氣體的去除效率也相應(yīng)的升高［11－12］。所以需采取保溫措施，特別是北方寒冷地區(qū)，應(yīng)使空氣溫度維持在一定范圍內(nèi)，以確保微生物的良好生長(zhǎng)。

2.3.2 濕度

從除臭過(guò)程來(lái)看，臭氣中的污染物首先要溶解于水中，才能被微生物吸收降解。適宜的濕度對(duì)除臭系統(tǒng)的正常運(yùn)行非常重要。濾池前增設(shè)加濕器對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行濕潤(rùn)能夠提高傳質(zhì)效率，防止濾料層風(fēng)干。［13－15］水分過(guò)多會(huì)降低傳質(zhì)效率，并增大氣體穿過(guò)的阻力，甚至導(dǎo)致局部厭氧而影響除臭效率。水分過(guò)少則會(huì)影響氧在水中的溶解和微生物的新陳代謝，使細(xì)胞的降解速率減弱，降低整體除臭效率［16］。另外，填料過(guò)于干燥也會(huì)使得代謝產(chǎn)物不易排出濾池。一般填料濕度范圍在40% ～60%，臭氣相對(duì)濕度為80%～90%為宜。

2.3.3 pH 值

生物濾池中微生物新陳代謝與pH密切相關(guān)，其中大部分微生物在接近于中性的環(huán)境下活性最高。由于臭氣中的H2S、NH3和含氯有機(jī)物的氧化分解會(huì)產(chǎn)生酸性副產(chǎn)物，導(dǎo)致環(huán)境中的pH下降，影響微生物的活性，甚至破壞現(xiàn)有的菌種，降低惡臭物質(zhì)的去除率，在這種情況下，應(yīng)添加化學(xué)緩沖劑如石灰［17］。劉建偉、馬文林等［18］通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，適合H2S降解的最佳pH為強(qiáng)酸性(pH為2左右)和中性(pH為7左右)，而適宜NH3去除的最佳pH為中性(pH為7左右)。

在液壓機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下(分別是控制力矩τ1和τ2)，其數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為圖2所示的直角坐標(biāo)系示意圖，輸送臂可以繞回轉(zhuǎn)副O(jiān)和A作轉(zhuǎn)動(dòng)。兩臂的長(zhǎng)度分別是l1和l2，臂自身的質(zhì)量分別是m1和m2，液壓元件的質(zhì)量忽略不計(jì)。輸送臂可以看作是一個(gè)開鏈?zhǔn)絼傂?連桿機(jī)構(gòu)，始端關(guān)節(jié)固定在基座O上，末端連桿為自由端B，對(duì)于輸送臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)要研究?jī)蓚€(gè)主要的問(wèn)題：建立和求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

2.3.4 停留時(shí)間

惡臭氣體的停留時(shí)間直接影響其去除效率。由于臭氣被生物膜吸附、吸收及降解都需要一定的時(shí)間，所以在理論上停留時(shí)間越長(zhǎng)，生物濾池的凈化效率越高。但從經(jīng)濟(jì)角度考慮，過(guò)長(zhǎng)的停留時(shí)間會(huì)使設(shè)備的體積增大，投資成本增加。針對(duì)城市污水處理廠產(chǎn)生的臭氣，生物過(guò)濾系統(tǒng)停留時(shí)間一般為2～ 8.5min［19］。

2.3.5 填料選擇

填料作為微生物的載體，主要分為無(wú)機(jī)填料(如沙子、碳酸鹽類、玻璃材料、沸石、活性炭等)和有機(jī)填料(土壤、堆肥、木屑、聚丙烯小球等)兩大類。由于填料的特性各異，不同的場(chǎng)合應(yīng)選擇不同的填料。席勁瑛等［20］通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察了珍珠巖、礦物球、竹片和沸石等填料去除臭氣中H2S性能、壓降變化、持水能力和pH緩沖能力，并分析出其各自的優(yōu)點(diǎn)。Daryl Letto，Derek Webb 等［21］對(duì)生物除臭濾池在加拿大多倫多市Ashbridge’s Bay污水廠污泥處理站的干化和轉(zhuǎn)運(yùn)段的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，得出了無(wú)機(jī)濾料相比于有機(jī)濾料有顯著的優(yōu)勢(shì)。薛二軍等［22］利用組合填料在生物系統(tǒng)內(nèi)定向培養(yǎng)除臭微生物，實(shí)現(xiàn)了污水處理廠全過(guò)程除臭。

2.3.6 濾料壓降

濾料在設(shè)備中由于自重作用不斷被壓實(shí)，孔隙率不斷降低，氣體通過(guò)填料的阻力也不斷增大，所以壓降和能耗也隨之增大。當(dāng)壓降達(dá)到一定數(shù)值，應(yīng)考慮更換濾料。生物濾池的壓力損失一般為400～2000Pa［23］。

2.3.7 營(yíng)養(yǎng)成分

要保證微生物的正常生長(zhǎng)，除碳元素外，氮、磷、鉀等微量元素也必不可少。如果臭氣中的養(yǎng)分不能滿足微生物的生長(zhǎng)，需額外投加營(yíng)養(yǎng)成分。復(fù)合填料能夠提供微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)成分，而若采用惰性填料，可以通過(guò)濾池上方的散水裝置為濾池提供營(yíng)養(yǎng)成分。營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的水平對(duì)生物濾池啟動(dòng)及穩(wěn)定階段的生物活性有很大的影響［24］。

2.3.8 設(shè)計(jì)負(fù)荷

為保證最小的投資，在保持運(yùn)行穩(wěn)定的前提下應(yīng)合理設(shè)計(jì)負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)表明，進(jìn)氣量為500m3/h時(shí)裝置基本達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，生物工作段主要集中在(300～900)mm區(qū)域［25］。城市污水處理廠采用生物濾池工藝處理惡臭氣體的濾料表面負(fù)荷一般為30 ～250m3/(m2·h)［26］。

2.4 與其它幾種除臭工藝比較

根據(jù)除臭工藝的種類，大致分為生物氧化技術(shù)、天然植物液除臭技術(shù)、活性氧化技術(shù)和高能離子凈化技術(shù)等［27］。生物濾池作為一種傳統(tǒng)的生物除臭方法已被廣泛應(yīng)用于各種污水除臭中。但是隨著科技發(fā)展，各種新型除臭技術(shù)以其自身優(yōu)勢(shì)正慢慢受到人們的青睞。各種臭氣處理方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素比較如表 2［28］所示。

3 生物濾池工藝的研究及工程應(yīng)用

生物濾池工藝具有對(duì)環(huán)境沖擊少，無(wú)需化學(xué)藥品，沒(méi)有二次污染等特點(diǎn)，在國(guó)外的研究和應(yīng)用較為廣泛，如廢水輸送/處理，食品/飲料行業(yè)、化學(xué)/醫(yī)藥行業(yè)等。生物濾池除臭法作為研究最多、工藝最成熟的生物除臭方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于含H2S或NH3惡臭氣體的處理［29］。目前，關(guān)于生物濾池工藝處理污水廠惡臭氣體在國(guó)內(nèi)也正在逐漸推廣。

表2 污水臭氣處理方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素比較

生物濾池處理污水廠臭氣特別是去除H2S和NH3有明顯的效果。南方某城市污水處理廠［30］采用生物過(guò)濾法對(duì)污泥濃縮池和脫水車間的臭氣進(jìn)行處理。60d的除臭運(yùn)行結(jié)果表明，在H2S和NH3的進(jìn)氣濃度分別為 0.18 ～2.71mg/m3和 1.93 ～5.95 mg/m3條件下，處理后的 H2S和NH3濃度分別為0.01～0.08mg/m3和 0 ～0.62mg/m3，在除臭系統(tǒng)6m外臭氣濃度均能達(dá)到二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。李慧麗，張建新等［31］對(duì)氣體收集系統(tǒng)和生物除臭濾池內(nèi)的噴淋管路進(jìn)行了改造，并更換了新型生物填料，結(jié)果顯示，H2S的平均去除率從改造前的36.5%提高到62.9%，最大去除率可以達(dá)到96.2%;NH3的去除率從28.2%提高到接近100%。在溫度＞20℃、相對(duì)濕度＞80%的條件下，生物除臭濾池能夠有比較理想的處理效果。陳杏［32］對(duì)廣東佛山溢達(dá)污水處理廠生物濾塔工藝的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在溫度為22℃，濕度＞95%，pH值為6.6左右且進(jìn)氣流量及濃度穩(wěn)定的情況下，生物濾塔的除臭效率可達(dá)96%以上，平均凈化效率達(dá)85%以上，凈化后的氣體達(dá)到《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。王明健，李歆［33］對(duì)某已建成并投入運(yùn)行的污水處理廠生物濾池排放氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，H2S的濃度為0.04mg/m3，NH3濃度為1.0mg/m3，即使在冬季，H2S 和 NH3濃度也分別維持在 0.05～0.06mg/m3和 1.20～1.30mg/m3，都達(dá)到了國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。天津塘沽區(qū)南排河南岸某污水處理廠［34］設(shè)計(jì)建設(shè)兩套生物濾池除臭工藝，根據(jù)其實(shí)際運(yùn)行效果，該工藝對(duì)H2S、NH3和臭氣濃度的出去效率分別為93%、90%和90%以上，臭氣處理系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

近幾年，國(guó)內(nèi)多家污水處理廠也相繼采用生物濾池工藝去除污水廠臭氣。深圳市羅芳污水處理廠［35］二期工程厭氧池除臭設(shè)備采用生物濾池，填料采用有機(jī)生物填料，系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量2萬(wàn)m3/h，過(guò)濾流速143m/h，填料高度 1.4m，濾池壓力損失 ＜500Pa。經(jīng)過(guò)測(cè)試，除臭效果完全滿足設(shè)計(jì)要求，除臭效率＞90%。成都市沙河污水處理廠［36］對(duì)全廠5處臭源進(jìn)行收集采用生物濾池處理，臭氣處理后符合GB3095—1996《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn);脫臭生物濾池系統(tǒng)，采用集中脫臭玻璃鋼生物濾池裝置一套，分獨(dú)立2格，Q=70000m3/h，過(guò)濾面積414m2，配套采用隔音罩隔音離心風(fēng)機(jī)一臺(tái);處理后尾氣20m高空管道集中排放。無(wú)錫市城北污水處理廠［37］二期工程中的厭氧池除臭工藝采用生物濾池，單座水解池平面尺寸為56.0m×33.6 m，密封罩平均凈高為0.5m，除臭空間約為1900m，換氣次數(shù)為2次/h，設(shè)計(jì)除臭風(fēng)量為4000m3/h(1.12m/s)。加濕區(qū)與生物濾池組成一體式裝置。此外，青島市團(tuán)島污水處理廠、泉州市北峰污水處理廠、泉州市城東污水處理廠、珠海吉大水質(zhì)凈化廠、秦皇島市綠港污泥處理廠等均采用生物濾池工藝除臭。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著人們生活環(huán)境質(zhì)量的提高，生物濾池工藝作為一種新型臭氣處理技術(shù)具有投資適中、填料構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作方便、無(wú)需液體循環(huán)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，已越來(lái)越多的應(yīng)用于污水處理廠。但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究應(yīng)用尚處于起步階段，還有許多問(wèn)題亟待解決。

(1)微生物菌種有待優(yōu)化。微生物是生物濾池除臭系統(tǒng)的核心部分，除臭效果與微生物的質(zhì)量有著直接的聯(lián)系。要進(jìn)一步提高生物濾池的除臭性能，需篩選和馴化更適合分解特定惡臭氣體的微生物菌種。

(2)開發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的填料。微生物在惡臭氣體處理實(shí)際工程中應(yīng)用效果的優(yōu)劣，與所用填料有密切的關(guān)系。填料是微生物生長(zhǎng)的重要場(chǎng)所，是制約生物除臭技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

(3)研究脫臭的深層機(jī)理。目前生物脫臭的深層機(jī)理尚不明確，尤其對(duì)高濃度的惡臭氣體、復(fù)雜的混合氣體處理還有待研究，對(duì)微生物脫臭深層機(jī)理的研究有助于指導(dǎo)工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

(4)改良裝置設(shè)備和工藝模式。臭氣有時(shí)會(huì)在過(guò)氣斷面上分布不均勻，甚至出現(xiàn)短流;降雨、加濕不當(dāng)和填料自重也會(huì)造成填料孔隙堵塞，使通透性變差;臭氣收集后濃度提高，臭氣中的酸性物質(zhì)會(huì)對(duì)鋼制件造成腐蝕;寒冷地區(qū)易受冰凍影響等。為提高除臭效率，改良裝置及模式已成當(dāng)務(wù)之急。

(5)去除率與工藝參數(shù)需定量化。各種工藝參數(shù)對(duì)除臭效果有不同程度的影響，但每個(gè)影響因素對(duì)除臭效果還沒(méi)有一個(gè)定量的關(guān)系，因此應(yīng)加強(qiáng)它們之間的定量化研究。

根據(jù)以上問(wèn)題，應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)之上不斷改進(jìn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，加快研究和發(fā)展新型惡臭氣體處理技術(shù)，如生物滴濾池和生物濾床等。綜合經(jīng)濟(jì)因素，采用組合法會(huì)更加經(jīng)濟(jì)有效，如:植物提取液—生物濾床，生物滴濾塔—活性炭吸附等組合技術(shù)，節(jié)約成本，提高除臭效率。生物濾池處理高濃度惡臭氣體、復(fù)雜的混合氣體的研究將成為今后惡臭處理研究的熱點(diǎn)。

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