生物滴濾塔去除氨氣的兩種反應(yīng)器啟動(dòng)方法對比

梁美生，馮 珂，高改鳳

（太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

隨著養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展，養(yǎng)殖場造成的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重，因此，對養(yǎng)殖場臭氣中主要致臭成分[1]氨氣、硫化氫、三甲胺等的治理已迫在眉睫。目前，惡臭氣體的去除方法主要有化學(xué)法、物理法和生物法。對于大流量、低濃度的揮發(fā)性有機(jī)廢氣和惡臭氣體的處理，生物法由于具有凈化效率高、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、投資低、操作簡便、可避免二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為近十年來研究的重點(diǎn)。1992年，荷蘭Clair Tech公司用生物滴濾塔處理高濃度的含酸臭氣，得到較好的處理效果。Huub等人用生物滴濾塔同時(shí)處理硫化氫與甲苯，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器在pH值為中性與酸性條件下，去除效果較好[2]。Alonso、Francis和Webster等用生物滴濾塔去除廢氣，研究了運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題[3-5]。國內(nèi)于光輝等人鑒定了生物滴濾塔中處理H2S和NH3的微生物菌株[6]。對于生物滴濾塔去除氨氣，如何將高效除臭微生物快速附著在生物反應(yīng)器中的填料上，是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。目前，國內(nèi)外對生物滴濾塔去除廢氣的填料掛膜方法主要有：間歇曝氣掛膜法、快速排泥-直流通氣掛膜法和直接馴化掛膜法[7，8]。這些反應(yīng)器啟動(dòng)方法各有利弊，幾乎沒有人對反應(yīng)器啟動(dòng)方法進(jìn)行對比。故本實(shí)驗(yàn)選取養(yǎng)殖場惡臭氣體中的主要致臭氣體之一——氨氣作為研究對象，比較兩種反應(yīng)器啟動(dòng)方式，選出最佳掛膜方法，從而為含氨廢氣和高氨氮廢水的工業(yè)化處理提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用一套自制的生物滴濾塔反應(yīng)器，其外徑為100mm，高為1100mm，塔內(nèi)填充?8～?15 mm的生物陶粒、?25mm的多面空心小球和?25 mm的鮑爾環(huán)作為濾料。為了模擬養(yǎng)殖場臭氣中氨氣的濃度，首先將純度為99.99%的氨氣與高純度氮?dú)饣旌现瞥梢欢舛鹊匿撈繗猓c來自空壓機(jī)的壓縮空氣混合后進(jìn)入反應(yīng)器，進(jìn)行生物反應(yīng)過程。為了更好地反映生物滴濾塔的不同高度處生物反應(yīng)情況，塔身等距離設(shè)定上、中、下三個(gè)出口進(jìn)行各種指標(biāo)的分析測定。實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用先污泥馴化再塔內(nèi)掛膜法和快速排泥-直流通氣掛膜法進(jìn)行對比研究。污泥均取自太原市河西北中部污水處理廠曝氣池，從水廠取回污泥后先空曝24h，消耗掉有機(jī)物，然后測得污泥初始參數(shù)，如表1所示。兩種掛膜方法的實(shí)驗(yàn)條件：反應(yīng)器溫度為30℃，營養(yǎng)液初始pH值為7.7，營養(yǎng)液噴淋量60mL／min，入口反應(yīng)氣量0.3m3／h，進(jìn)口氨氣質(zhì)量濃度為100mg／m3。馴泥階段和掛膜階段的營養(yǎng)液成分為：葡萄糖，NaHCO3，KH2PO4，Mg-SO4·7H2O，（NH4）2SO4，F(xiàn)eSO4·7H2O，NaCl。

圖1 氨氣生物降解流程示意圖

表1 初始污泥性質(zhì)

1.2.1 先馴化再掛膜的反應(yīng)器啟動(dòng)

1）污泥馴化。將空曝后的初始污泥排出上清液，然后加入馴泥階段的營養(yǎng)液，在有機(jī)玻璃箱中充分混合，加入（NH4）2SO4，使其 NH4＋離子質(zhì)量濃度維持在100mg／L左右，目的是使硝化菌進(jìn)行初步的富集。每日更換營養(yǎng)液，曝氣22h，停曝2h，溶解氧質(zhì)量濃度約為3mg／L。同時(shí)測定混合液中NH4＋-N、NO3--N、NO2--N的質(zhì)量濃度及pH值、MLSS、SV等數(shù)據(jù)，從而觀測污泥馴化的程度。

2）滴濾塔掛膜。將馴化好的污泥灌入生物滴濾塔內(nèi)，靜置48h，然后將污泥排出。接著將泥水混合液以60mL／min不斷噴淋進(jìn)反應(yīng)器，通入0.3m3／h的空氣，氣液逆向流動(dòng)。再過24h后，改為只滴入掛膜階段的營養(yǎng)液，并通入氨氣和空氣的混合氣體，保證進(jìn)口氨氣質(zhì)量濃度穩(wěn)定在100mg／m3。每天測定進(jìn)口氨氣質(zhì)量濃度，上、中、下三個(gè)出口的氨氣去除率，營養(yǎng)液中氨氮、硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮的含量。

1.2.2 快速排泥-直流通氣反應(yīng)器啟動(dòng)

污泥的初始性質(zhì)同上。從污水廠取回污泥先空曝24h，然后排出上清液，加入掛膜階段的營養(yǎng)液后充分混合，將活性污泥注入生物滴濾塔中，靜置24h，使污泥與填料充分接觸，起到接種的作用，然后全部排掉。與營養(yǎng)液混合的污泥以60mL／min滴入塔中，并通入氨氣和空氣的混合氣體。一天后改為只滴入掛膜營養(yǎng)液，同時(shí)每天測定進(jìn)口氨氣質(zhì)量濃度，上、中、下三個(gè)出口的氨氣去除率，營養(yǎng)液中氨氮、硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮的含量。

1.3 分析方法和分析指標(biāo)

1.3.1 分析方法

1.3.2 分析指標(biāo)

1.3.2.1 氨氣去除率

氨氣去除率可以表示為進(jìn)出口氨氣質(zhì)量濃度的差值與進(jìn)口氨氣質(zhì)量濃度的比值乘以100%，即

式中：ρI、ρO分別為氨氣進(jìn)口、出口質(zhì)量濃度，mg／m3；y1為氨氣去除率，%。

1.3.2.2 氨氮的轉(zhuǎn)化率

氨氣的去除機(jī)理[9]是將氨氣先溶于水中，然后被微生物利用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和亞硝酸鹽。由于氨氣極易溶于水，近似認(rèn)為進(jìn)入反應(yīng)器的氨氣要么被微生物降解為它物，要么還以氨氮形式在營養(yǎng)液中存在，所以氨氮的轉(zhuǎn)化率可以表明生物降解程度、氨氣溶解的情況及二者的關(guān)系。氨氮轉(zhuǎn)化率的計(jì)算式如下：

式中，ρ、ρ0分別為某一時(shí)刻和空白營養(yǎng)液中氨氮質(zhì)量濃度，mg／L；V為營養(yǎng)液的體積，L；m為這一段時(shí)間通入氨氣的總量，mg；y2為氨氮的轉(zhuǎn)化率，%。

1.3.2.3 總氮轉(zhuǎn)化率

被硝化菌所降解的那部分氨氮，轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，兩者之和稱為總氮，所以總氮轉(zhuǎn)化率可以反映硝化菌降解的能力，它的計(jì)算如下：

式中，ρ11、ρ10分別為某一時(shí)刻和空白營養(yǎng)液中硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度，mg／L；ρ21、ρ20為某一時(shí)刻和空白營養(yǎng)液中亞硝酸鹽氮的濃度，mg／L；V 為營養(yǎng)液的體積，L；m為這一段時(shí)間通入氨氣中氮的質(zhì)量，mg；y3為總氮的轉(zhuǎn)化率，%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 第一種掛膜方法

2.1.1 污泥馴化過程

經(jīng)過一個(gè)禮拜的污泥馴化后MLSS達(dá)到10.62 g／L，氨氮的去除率達(dá)到96%，硝酸鹽的轉(zhuǎn)化率達(dá)到約70%，可以說明污泥馴化成功。MLSS質(zhì)量濃度、氨氮的去除率隨時(shí)間的變化如圖2和圖3所示。

圖2 污泥馴化過程中MLSS質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

圖3 污泥馴化過程中氨氮轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化

從圖2可以看出，污泥質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。這是因?yàn)?，活性污泥里有大量不同菌種[10]，根據(jù)文獻(xiàn)資料[11]可知，能降解氨氮的硝化菌以自養(yǎng)菌為主，營養(yǎng)液中有機(jī)碳含量較少，異養(yǎng)菌死亡速率大于自養(yǎng)菌增加速率，故污泥濃度開始會(huì)下降；而后適應(yīng)環(huán)境的菌種大量繁殖，隨后污泥質(zhì)量濃度大幅提高，這說明所需硝化菌得到初步純化并大量富集。圖3中氨氮的轉(zhuǎn)化率同樣也隨污泥含量變化而變化，隨后大幅提高，氨氮去除率最終達(dá)到96%，此時(shí)認(rèn)為硝化菌得到初步純化、富集，馴化成功。

2.1.2 滴濾塔掛膜階段

掛膜階段經(jīng)過4個(gè)周期15d的培養(yǎng)，塔內(nèi)有淡黃色的生物膜，上、中、下三個(gè)出口的氨氣去除率均穩(wěn)定在99%以上，總氮轉(zhuǎn)化率達(dá)到85%，掛膜成功。氨氣去除率、總氮轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化如圖4和圖5所示。

圖4中，氨氣的去除率最終都達(dá)到近100%。上、中、下三個(gè)出口中，上部跟中部的去除比較徹底穩(wěn)定，下部變化比較大，可能是因?yàn)橄虏渴菤怏w剛剛進(jìn)入反應(yīng)器，途經(jīng)的路程較短，營養(yǎng)液較少，所以變化較大。由圖5可見，由于開始不能確定1個(gè)周期的合適時(shí)間，所以4個(gè)周期的時(shí)間長短不一致，但是不同周期總氮轉(zhuǎn)化率的趨勢均呈上升趨勢，最后一個(gè)周期效果達(dá)到最好，同時(shí)也確定了1個(gè)周期的時(shí)間為4d較合適。這個(gè)掛膜方法是一步一步進(jìn)行硝化菌的純化的，先馴化會(huì)使不需要的菌群被淘汰，再進(jìn)入塔內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的純化，比較有專一性，生物滴濾塔不容易堵，但是整個(gè)階段持續(xù)時(shí)間較長，大約25d才能達(dá)到較好的效果。

圖4 在掛膜階段氨氣去除率隨時(shí)間的變化

圖5 在掛膜階段總氮轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化

2.2 第二種掛膜方法

經(jīng)過2個(gè)周期8d的時(shí)間，淡黃色的生物膜包裹住填料，氨氣去除率穩(wěn)定在100%，總氮轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%，說明此方法周期短，掛膜效果好，反應(yīng)器已成功啟動(dòng)。直接掛膜過程中氨氣去除率及總氮轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化如圖6和圖7所示。

圖6 直接掛膜過程中氨氣去除率隨時(shí)間變化

圖6中，氨氣去除率整體呈現(xiàn)先增長后穩(wěn)定的趨勢，最終穩(wěn)定在99.8%左右，上、中、下三個(gè)部分沒有明顯的規(guī)律，說明掛膜較均勻。圖7中，經(jīng)過2個(gè)周期總氮轉(zhuǎn)化率長時(shí)間穩(wěn)定在近100%，說明硝化菌代謝十分活躍，掛膜效果很好。

圖7 直接掛膜過程中總氮轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化

2.3 兩種反應(yīng)器啟動(dòng)方法比較

2.3.1 反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間

第一種方法，從馴化開始，然后掛膜，最后氨氣去除率穩(wěn)定在99%以上，氨氮轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%，總氮轉(zhuǎn)化率達(dá)到85%，一共用了25d；第二種方法，直接通氣掛膜啟動(dòng)，最終氨氣去除率達(dá)99%以上，氨氮轉(zhuǎn)化率100%，總氮轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%，一共用了8d.所以第二種方法占有很大的優(yōu)勢，掛膜周期短，效果好且穩(wěn)定。

2.3.2 總氮和氨氮轉(zhuǎn)化率

圖8和圖9為兩種方法在掛膜時(shí)期總氮的轉(zhuǎn)化率和氨氮轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化的比較。由圖8可以明顯看出，第一種方法經(jīng)過4個(gè)周期總氮轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%，第二種方法經(jīng)過2個(gè)周期就達(dá)到100%。由圖9可以看出，方法一歷經(jīng)4個(gè)周期，氨氮轉(zhuǎn)化率最終穩(wěn)定在80%左右，方法二歷經(jīng)2個(gè)周期氨氮轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定在90%左右。故從總氮轉(zhuǎn)化率和氨氮轉(zhuǎn)化率來看，第二種掛膜方法周期短、效果好。

圖8 兩種方法在掛膜時(shí)期總氮的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化的比較

圖9 兩種方法在掛膜時(shí)期氨氮轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化的比較

2.3.3 氨氣去除率

圖10為反應(yīng)器不同出口處兩種反應(yīng)器掛膜過程中氨氣去除率隨時(shí)間的變化。

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，從上、中、下三個(gè)部位氨氣去除率來看，無論哪個(gè)出口第二種方法的氨氣去除率均好于第一種方法的氨氣去除率。

圖10 兩種方法掛膜時(shí)期氨氣去除率隨時(shí)間變化的比較

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)對生物法去除氨氣過程中兩種反應(yīng)器啟動(dòng)方法進(jìn)行對比，結(jié)論如下：

1）從啟動(dòng)時(shí)間上看，先馴化后掛膜法掛膜成功時(shí)，用時(shí)17d，快速排泥-直流通氣法用時(shí)8d，第二種方法用時(shí)較少。

2）從總氮轉(zhuǎn)化率和氨氮轉(zhuǎn)化率角度來看，第二種掛膜方法優(yōu)于第一種方法。

3）從氨氣去除率來看，在反應(yīng)器不同部位處，氨氣去除率均是第二種方法比第一種方法高。

[1]王巖，霍曉瓊，楊志丹，等.畜禽糞便堆肥化過程中的生物除臭及展望[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36（4）：374-379.

[2]Huub H J Cox，Marc A Deshusses.Co-treatment of H2S and toluene in a bio-trickling filter[J].Chemical Engineering Journal，2002，87（1）：101.

[3]Alonso C，Suidan M T，Sorial G A，et al.Gas treatment in trickle-bed bio-filters：biomass，how much is enough[J].Bio-technology and Bioengineering，1997，54（6）：583-594.

[4]Francis L S，George A S，Makraju S T，et al.Development of two bio-mass control strategies for extended，stable operation of highly efficient bio-filters with high toluene loadings[J].Environmenta1Science ＆ Technology，1996，30（5）：1744-1751.

[5]Webster Todd S，Togna A Paul，William J Guarini.Application of a biological trickling filter reactor to treat volatile organic compound emissions from a spray paint booth operation[J].Metal Finishing，1999，97（9）：20-26.

[6]余光輝，徐曉軍，何晶晶.復(fù)合生物濾池處理 H2S和 NH3的掛膜研究和工藝[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2007，1（1）：30-33.

[7]張嬌，徐曉軍，宋任達(dá)，等.生物滴濾池去除氨氣的掛膜實(shí)驗(yàn)研究[J].北方環(huán)境，2005，30（1）：19-21.

[8]王曉燕，張承中，邢怡，等.錯(cuò)流式生物滴濾塔凈化含硫化氫廢氣的研究[J].應(yīng)用化學(xué)，2007，36（4）：364-366.

[9]徐桂芹，王海燕，張杰，等.含氨惡臭的生物作用能效及機(jī)理分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41（4）：51-54.

[10]Kazuhiro Shinabe，Satosi Oketani，Takashi Ochi，et al.Characteristics of hydrogen sulfide removal in a carrier-packed biological deodorization system[J].Biochemical Engineering Journal，2000，5（3）：209-217.

[11]Smer Chasaya C，Van Langenhove H，et al.The effect of inoculation and the type of carrier material used on the biofilter of methyl sulfides[J].Appl Microbial Biotechnology，1996，45（3）：293-299.

[12]Joanna E Burgess，Simon A Parsons，Richard M Stuetz.Developments in odor control and waste gas treatment biotechnology[J].Biotechnology Advances，2001，19（8）：35-63.