基于結(jié)構(gòu)改進的生物滴濾塔對雞舍NH3和H2S的處理效果

童 儀，韋曉雨，黃詩瑜，楊 攀，劉 波，王 晉，王文林

(1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164； 2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 320102；3.南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226000)

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，養(yǎng)殖過程帶來的惡臭氣體污染問題備受關(guān)注。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2018—2020年全國惡臭/異味污染投訴情況分析》，在我國18個省份中，畜牧業(yè)投訴均居該省份惡臭投訴行業(yè)的第1位。NH3與H2S為養(yǎng)殖場惡臭氣體的主要組成成分，排放量大，臭味閾值低，易被人感知。此外，NH3可與大氣中SO2、NOx結(jié)合生成NH4NO3、(NH4)2SO4等二次顆粒物，在PM2.5的形成中發(fā)揮重要作用[1-2]。因此，對養(yǎng)殖場NH3與H2S進行無害化處理，是實現(xiàn)養(yǎng)殖場綠色生產(chǎn)、保護大氣環(huán)境的重要途徑[3]。

目前，學(xué)者針對養(yǎng)殖舍NH3和H2S的去除，主要從源頭控制與末端治理兩個角度出發(fā)。源頭控制包括日糧優(yōu)化、提高糞尿清除效率和頻率等[4-7]，處理效率為10%～46%[8]；末端治理有濕簾噴淋、填料吸附和生物滴濾塔處理等[4-7]，處理效率為63%～95%[8]。相比較而言，末端處理效率更高，對NH3與H2S的處理更徹底。在末端處理工藝中，由于NH3和H2S的酸堿性、溶解性差異大，噴淋、吸附等方式難以用于高效協(xié)同處理NH3和H2S，而生物滴濾塔工藝通過脫氮除硫細菌的生物作用可同步高效去除NH3和H2S[9-12]，具有設(shè)備簡單、壓降較小、處理效率高且穩(wěn)定等優(yōu)點，現(xiàn)已被學(xué)者廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖舍NH3和H2S的末端處理中。但目前生物滴濾塔模擬處理欄舍NH3或H2S的研究存在以下問題。(1)只重視氣態(tài)NH3和H2S的處理，忽視了循環(huán)液中累積污染物的去除。如KAFLE等[13]利用木皮有機填料的生物滴濾塔處理養(yǎng)豬舍NH3和H2S，去除效率均可達95%以上，但其未對生物滴濾塔循環(huán)液中污染物進行去除。生物滴濾塔在處理NH3和H2S時，受氧氣供應(yīng)不足、生物處理能力下降等影響，塔內(nèi)循環(huán)液中會累積NH4+和氫硫酸，造成二次污染。(2)在提高裝置處理效率的研究中，鮮有針對裝置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，多為改進菌種或填料的形式[14]，成本難以控制，后續(xù)還需持續(xù)的管理維護。(3)目前，還沒有模擬雞舍排放特征下NH3和H2S的去除研究。雞舍排出的氣體包含大量粉塵，其來源為干粉飼料、雞群皮膚或羽毛掉落物以及養(yǎng)雞墊料[15]，質(zhì)量濃度可達600 μg·m-3以上[16]。進氣中的飼料粉塵可為微生物提供碳源與其他營養(yǎng)，而目前已有研究多通過化學(xué)添加劑作為微生物的營養(yǎng)源，不能體現(xiàn)雞舍排放特征下飼料粉塵對生物滴濾塔處理效率的影響情況。

針對上述問題，根據(jù)養(yǎng)雞欄舍NH3和H2S排放特征，設(shè)計一種簡便易行的結(jié)構(gòu)改進型生物滴濾塔，可協(xié)同去除氣態(tài)NH3、H2S以及循環(huán)液中累積的污染物。通過改變進氣結(jié)構(gòu)，模擬利用排風(fēng)扇動能為循環(huán)液提供曝氣，解決氧氣供應(yīng)不足、微生物處理能力下降的問題。此外，在進氣中添加飼料粉塵模擬雞舍排氣特征，將飼料粉塵作為微生物營養(yǎng)源以減少經(jīng)濟成本。通過與其他研究中使用的普通生物滴濾塔對比，衡量改進裝置在不同停留時間、進氣濃度條件下對氣相NH3、H2S與循環(huán)液中累積污染物的處理效果，旨在為養(yǎng)雞欄舍NH3和H2S的生物滴濾塔處理提供改進依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

共設(shè)置兩組試驗裝置。分別為普通組(A組)和改進組(B組)，普通組為目前研究中普遍使用的裝置設(shè)計[17-19]。裝置分進氣模塊和處理模塊。裝置結(jié)構(gòu)見圖1～2。

1.1.1A組試驗裝置

進氣模塊由NH3鋼瓶、H2S鋼瓶、空氣泵和氣體混合室構(gòu)成。處理部分使用普通生物滴濾塔，塔身與循環(huán)液槽分離，進氣口設(shè)置于塔身底部，僅起到進氣作用。生物滴濾塔塔身部分由有機玻璃制成，圓柱形，外徑為100 mm，內(nèi)徑為90 mm，總高度為900 mm，在距離底部50 mm處設(shè)置隔板，用于放置填料。填料為多面體小球，尺寸為25 mm，孔隙率為90%。填料層高度為750 mm。頂部設(shè)置噴淋頭用于均勻噴灑循環(huán)液，多余循環(huán)液流入循環(huán)液槽，再由蠕動泵提升至塔頂循環(huán)噴淋。普通組循環(huán)液組分為C6H12O6，0.02 g·L-1；K2HPO4，10.44 g·L-1；KH2PO4，4.08 g·L-1；MgCl2·6H2O，0.46 g·L-1；FeC6H5O7，0.01 g·L-1；NaCl，0.07 g·L-1。循環(huán)液通過NaHCO3控制pH為7.5～8.0，循環(huán)液每4 d更換1次。

圖1 A組試驗裝置

圖2 B組試驗裝置

NH3、H2S與空氣經(jīng)過減壓閥，由流量計控制濃度，進入氣體混合室混勻后直接由塔身底部進入普通生物滴濾塔，由塔頂出氣口排出，并通過便攜式檢測儀器測定出氣口濃度。通氣完畢40 min后取循環(huán)液，離心后取上清液測定NH4+、NO3-、NO2-、SO42-和溶解氧濃度。

1.1.2B組試驗裝置

B組在A組試驗裝置基礎(chǔ)上從以下方面做出改進：(1)進氣模塊增設(shè)飼料粉塵添加槽，模擬雞舍的粉塵排放。(2)處理模塊使用改進的一體化生物滴濾塔，改進生物滴濾塔塔身與循環(huán)液槽的密封連接，進氣口設(shè)置于循環(huán)液槽底部，在進氣的同時為循環(huán)液曝氣，循環(huán)液槽中添加多面體小球以增強曝氣效果。B組循環(huán)液不添加化學(xué)營養(yǎng)成分，微生物所需營養(yǎng)由飼料粉塵提供。飼料粉塵添加量類比A組試驗中C6H12O6添加量(0.02 g·L-1)，飼料粉塵中粗蛋白質(zhì)量含量約為16%，但由于添加量小，未考慮飼料粉塵中氮對循環(huán)液氮含量的影響。

在A組試驗流程基礎(chǔ)上，B組增加了飼料粉塵添加過程，其余試驗流程相同。飼料粉塵自氣體混合室上方添加，NH3、H2S與空氣在氣室內(nèi)混合均勻后伴隨飼料粉塵，由循環(huán)液槽底部進入改進的生物滴濾塔。

1.1.3A、B組中微生物的培養(yǎng)

微生物來源于養(yǎng)殖場雞糞，采樣地點為南通市如皋市南陽養(yǎng)殖場，于糞便風(fēng)干機處取半干糞便，加水曝氣24 h后取上清液，加入營養(yǎng)液并曝氣培養(yǎng)7 d，再加入Na2S·9H2O(0.40 g·L-1)和(NH4)2SO4(0.40 g·L-1)以選擇性培養(yǎng)除氮脫硫細菌[20]，曝氣馴化7 d。待菌液中出現(xiàn)懸浮絮狀污泥后則馴化完畢，在菌液中投入多面體小球進行掛膜。為便于微生物附著于填料球，每日停止曝氣4 h，待小球上出現(xiàn)2～3 mm棕黃色附著物時即完成掛膜，將掛膜后的小球移入生物滴濾塔。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于7—8月在室內(nèi)進行，控制試驗溫度約為30 ℃。共設(shè)計3組試驗，依次探究不同停留時間、進氣濃度對A、B組處理效率的影響，以及平穩(wěn)運行條件下A、B組對循環(huán)液中污染物的處理效果。試驗設(shè)計如下：首先，控制進氣濃度，設(shè)計不同停留時間對A、B組處理效率的影響試驗，探究NH3和H2S處理效率均較高的最佳停留時間。然后，在此停留時間條件下，設(shè)計不同進氣濃度對A、B組處理效率影響試驗。最后，控制進氣濃度和停留時間，在A、B組達到較高處理效率情況下，設(shè)計A、B組對循環(huán)液中污染物處理效果的對比試驗。

1.2.1停留時間對處理效率影響的對比試驗

為使進氣濃度符合雞舍低濃度排放特征，通過資料[21-24]調(diào)研，獲取雞養(yǎng)殖舍NH3和H2S排放濃度范圍，分別為3×10-6～60×10-6和0.02×10-6～10×10-6。根據(jù)濃度范圍，設(shè)定NH3和H2S進氣濃度φ分別為15×10-6和3×10-6，設(shè)定停留時間分別為30、25、20、15和10 s。設(shè)定噴淋量為60 mL·min-1，對應(yīng)不同停留時間下液氣比分別為6.99、5.83、4.66、3.50和2.33 L·m-3,分別探究不同停留時間下A、B組的處理效率。

1.2.2進氣濃度對處理效率影響的對比試驗

雞舍NH3和H2S排放濃度范圍分別為3×10-6～60×10-6和0.02×10-6～10×10-6[21-24]，依此設(shè)定試驗NH3和H2S濃度組合(表1)。停留時間設(shè)定為1.2.1節(jié)所述試驗中A、B組運行穩(wěn)定、處理效率高的參數(shù)。噴淋量為60 mL·min-1。在4個濃度組合下分別對A、B組進行試驗并對比兩者處理效率。

表1 NH3和H2S進氣濃度組合

1.2.3循環(huán)液中污染物處理效果對比試驗

設(shè)定噴淋量為60 mL·min-1，NH3和H2S進氣濃度分別為15×10-6和3×10-6，停留時間為1.2.1節(jié)所述試驗中A、B組運行穩(wěn)定、處理效率高的參數(shù)。對A、B組進行試驗并對比兩者循環(huán)液中各物質(zhì)濃度。

NH3進入液相后形成游離NH4+，氧化的最終產(chǎn)物為NO3-，NO2-為代謝中間產(chǎn)物；H2S氧化的最終產(chǎn)物為SO42-，SO3-和硫化物為代謝中間產(chǎn)物，但是濃度極低[17]，所以筆者研究不考慮SO3-和硫化物濃度。每日通氣后等待40 min取循環(huán)液離心，得上清液測定并對比A、B組循環(huán)液中NH4+、NO3-、NO2-、SO42-和溶解氧濃度。循環(huán)液每4 d更換1次，以4 d為1個試驗周期。

1.3 分析方法

1.3.1NH3和H2S處理效率

NH3和H2S處理效率通過進出口濃度差與進氣濃度的比值進行衡量。利用流量計控制進氣NH3、H2S及空氣的體積與比例，從而控制停留時間與進氣濃度。利用便攜式氣體檢測儀測定出氣口NH3和H2S濃度(NH3檢測儀器型號：MIC-600S-2-W，中國；H2S檢測儀器型號：E-201-C-9，中國)，檢測范圍均為0～100×10-6，分辨率均為0.01×10-6，NH3響應(yīng)時間≤1 min，H2S響應(yīng)時間≤30 s。

NH3和H2S處理效率(μ，%)計算公式為

(1)

式(1)中，Cin為進氣口NH3或H2S濃度，10-6；Cout為出氣口NH3或H2S濃度，10-6。

停留時間(t，s)計算公式為

(2)

式(2)中，V為生物滴濾塔填料層體積，m3；Q為氣體流量，m3·h-1。

1.3.2循環(huán)液中物質(zhì)濃度

采用納氏試劑分光光度法測定循環(huán)液中NH4+濃度；采用紫外分光光度法測定循環(huán)液中NO3-濃度；采用重氮化耦合分光光度法測定循環(huán)液中NO2-濃度；采用硫酸鋇比濁法測定循環(huán)液中SO42-濃度。

1.3.3統(tǒng)計方法

試驗數(shù)據(jù)采用Origin 2021軟件進行統(tǒng)計分析并作圖，采用SPSS 22統(tǒng)計軟件，通過獨立樣本t檢驗進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 停留時間對A、B組處理效率的影響對比

如圖3所示，A、B組NH3處理效率隨停留時間的減少而降低。當(dāng)停留時間為30、25、20 s時，A、B組NH3處理效率均較高，B組高于A組，但差距不明顯。當(dāng)停留時間為30 s時，B組NH3平均處理效率為(98.21±0.54)%，比A組提高3.47個百分點；當(dāng)停留時間為25 s時，B組NH3平均處理效率為(98.00±0.52)%，比A組提高2.76個百分點；當(dāng)停留時間為20 s時，B組NH3平均處理效率為(95.54±0.69)%，比A組提高2.91個百分點。

用獨立樣本t檢驗法進行分析。B組與A組相比， ***表示差異非常顯著(P<0.001)，**表示差異極顯著(P<0.01)； *表示差異顯著(P<0.05)；不標者表示差異未達顯著水平(P>0.05)。

當(dāng)停留時間為15、10 s時，B組NH3處理效率顯著高于A組(P<0.001)。當(dāng)停留時間為15 s時，B組NH3平均處理效率為(92.64±1.07)%，比A組提高9.30個百分點；當(dāng)停留時間為10 s時，B組NH3平均處理效率為(86.90±1.26)%，比A組提高10.52個百分點。

如圖4所示，同NH3處理效率變化情況類似，A、B組H2S處理效率也隨停留時間的減少而降低。當(dāng)停留時間為30、25和20 s時，A、B組H2S處理效率均較高。當(dāng)停留時間為30 s時，B組H2S平均處理效率為(96.31±0.87)%，比A組提高3.17個百分點；當(dāng)停留時間為25 s時，B組H2S平均處理效率為(95.39±0.76)%，比A組提高2.71個百分點；當(dāng)停留時間為20 s時，B組H2S平均處理效率為(93.12±1.44)%，比A組提高7.85個百分點。

當(dāng)停留時間為15、10 s時，A、B組差異非常顯著(P<0.001)，B組處理效率高于A組。當(dāng)停留時間為15 s時，B組H2S平均處理效率為(87.75±1.09)%，比A組提高10.17個百分點；當(dāng)停留時間為10 s時，B組H2S平均處理效率為(80.79±3.87)%，比A組提高10.68個百分點。

采用獨立樣本t檢驗法進行分析。B組與A組對比， ***表示差異非常顯著(P<0.001)；**表示差異極顯著(P<0.01)； *表示差異顯著(P<0.05)；不標者則表示差異未達顯著水平(P>0.05)。

2.2 進氣濃度對A、B組處理效率的影響對比

如圖5所示，與A組相比，B組NH3處理效率受進氣濃度變化的影響較小， NH3處理效率總體保持在90%以上。當(dāng)NH3進氣濃度為5×10-6時，A、B組差異非常顯著(P<0.001)，B組處理效率高于A組，B組對NH3的平均處理效率為(93.98±1.37)%，比A組高10.74個百分點。當(dāng)進氣濃度為15×10-6、30×10-6和45×10-6時，A、B組對NH3處理效率均較高且保持穩(wěn)定，B組NH3平均處理效率為(95.78±1.40)%，比A組高2.43個百分點。

如圖6所示，A、B組H2S處理效率隨進氣濃度的增大而增大。

采用獨立樣本t檢驗法進行分析。B組與A組對比， ***表示差異非常顯著(P<0.001)；**表示差異極顯著(P<0.01)； *表示差異顯著(P<0.05)；不標者則表示差異未達顯著水平(P>0.05)。

采用獨立樣本t檢驗法進行分析。B組與A組對比， ***表示差異非常顯著(P<0.001)；**表示差異極顯著(P<0.01)； *表示差異顯著(P<0.05)；不標者則表示差異未達顯著水平(P>0.05)。

當(dāng)進氣濃度為1×10-6和3×10-6時，A、B組差異非常顯著(P<0.001)，B組處理效率高于A組。當(dāng)H2S進氣濃度為1×10-6時，B組H2S處理效率遠高于A組， B組對H2S的平均處理效率為(87.73±1.27)%，比A組高17.47個百分點。

隨著進氣濃度的增加，A、B組H2S處理效率的差距不斷縮小。當(dāng)H2S進氣濃度為3×10-6時，B組H2S平均處理效率為(94.33±2.03)%，比A組高9.52個百分點；當(dāng)H2S進氣濃度為5×10-6時，B組H2S平均處理效率為(96.09±1.72)%，比A組高7.44個百分點；當(dāng)H2S進氣濃度為7×10-6時，B組H2S平均處理效率為(97.35±0.88)%，比A組高4.13個百分點。

2.3 A、B組對循環(huán)液中污染物的處理效果對比

通過衡量NO3-和SO42-等氧化最終產(chǎn)物的生成量以及NH4+、NO2-等污染物的去除量來評價A、B組對循環(huán)液中污染物的處理效果。

如圖7所示，與A組相比，B組各周期NH4+最終累積濃度(即各周期最后1 d的濃度)下降更快，值更低。在周期1中，B組NH4+最終累積質(zhì)量濃度為13.83 mg·L-1，比A組減少45.42%；從周期2開始，與B組周期1相比，B組NH4+最終累積質(zhì)量濃度明顯降低，為5.89 mg·L-1，并在之后周期內(nèi)保持穩(wěn)定，而A組NH4+最終累積濃度從周期3才開始降低。B組在周期2、3、4、5中，NH4+最終累積質(zhì)量濃度分別為5.89、6.43、5.99和5.77 mg·L-1，比A組分別減少76.21%、70.93%、69.03%和70.81%。

圖7 A、B組循環(huán)液中NH4+濃度

如圖8所示，B組NO2-生成量均低于A組。在周期1中，B組NO2-最終累積質(zhì)量濃度為3.71 mg·L-1，比A組減少64.22%；從周期2開始，B組NO2-最終累積濃度低于周期1并保持穩(wěn)定，而A組NO2-最終累積濃度從周期3才開始降低并保持穩(wěn)定。在周期2、3、4、5中 B組NO2-最終累積質(zhì)量濃度分別為2.39、2.48、2.01和1.99 mg·L-1，分別比A組減少76.07%、70.16%、74.52%和76.49%。

圖8 A、B組循環(huán)液中NO2-累積濃度

如圖9所示，B組NH3的氧化最終產(chǎn)物NO3-生成量均高于A組。

圖9 A、B組循環(huán)液中NO3-累積濃度

在周期1中，B組NO3-最終累積質(zhì)量濃度為39.74 mg·L-1，比A組增加97.03%；從周期2開始，B組NO3-最終累積濃度比周期1升高并保持穩(wěn)定，而A組NO3-最終累積濃度從周期3才開始升高。在周期2、3、4、5中 B組NO3-最終累積質(zhì)量濃度分別為68.69、72.96、72.74和70.69 mg·L-1，分別比A組增加100.67%、79.00%、59.83%和56.29%。

如圖10所示，在周期1～5中，B組SO42-濃度均高于A組。在周期1～5中，B組SO42-累積質(zhì)量濃度分別為 12.33、13.33、12.88、13.35和13.78 mg·L-1，分別比A組增加38.93%、29.80%、32.24%、22.76%和29.21%。

圖10 A、B組循環(huán)液中SO42-累積濃度

3 討論

試驗結(jié)果表明，與A組相比，B組在NH3與H2S氣液協(xié)同處理效果上具有更大優(yōu)勢。在不同停留時間、不同進氣濃度條件下B組處理效率均優(yōu)于A組，尤其是在低停留時間與低排放濃度條件下，優(yōu)勢更為明顯。B組循環(huán)液中NH4+、NO2-等污染物去除量更大，NH3和H2S的最終氧化產(chǎn)物NO3-、SO42-生成量更多。

3.1 B組在低停留時間下處理效率的優(yōu)勢

對比在不同停留時間條件下A組和B組氣相處理效率，發(fā)現(xiàn)B組在低停留時間條件下表現(xiàn)出更佳的處理效率。當(dāng)停留時間為10 s時，B組NH3和H2S平均處理效率比A組分別提高10.52和10.68個百分點。在養(yǎng)殖舍通風(fēng)量一定的情況下，停留時間越短，對應(yīng)生物滴濾塔所需的有效容積越小，裝置占地面積更小，建設(shè)和運行成本更低。對應(yīng)的B組在實際應(yīng)用中的經(jīng)濟優(yōu)勢更大。

分析上述結(jié)果的原因，首先，傳質(zhì)效率是影響停留時間的重要因素[25]，傳質(zhì)效率與傳質(zhì)面積呈正比，B組氣體從循環(huán)液中通入，且B組循環(huán)液槽中添加了填料，進氣過程中表現(xiàn)為氣泡分散且均勻，與A組僅依靠塔內(nèi)填料上附著的循環(huán)液吸收的狀況相比，傳質(zhì)面積更大,所以在低停留時間條件下B組處理效率更高。其次，生物作用也是實現(xiàn)低停留時間條件下高效處理的重要因素[14]。李玥等[26]對雞糞中除臭菌進行分離篩選，發(fā)現(xiàn)5株具有除臭功能的菌株，分屬于芽孢桿菌屬(Bacillussp.，MS03)、貝萊斯芽孢桿菌(Bacillusvelezensis，MS07)、耐寒短桿菌(Brevibacteriumfrigoritolerans，MS11)、木糖葡萄球菌(Staphylococcusxylosus，MS42)和變異棒桿菌(Corynebacteriumvariabile，MS82)，這些菌屬均為好氧或兼性厭氧菌。B組為循環(huán)液提供曝氣的設(shè)計增大了循環(huán)液中的溶解氧，改善了微生物的生長環(huán)境，對應(yīng)于低停留時間條件下的去除效率更高。

對比高雪晴[14]的研究，其使用添加好氧反硝化菌的生物滴濾塔對欄舍NH3進行處理，筆者研究中的裝置有效容積與之相近，可直接對比停留時間對處理效率的影響。高雪晴[14]的研究中添加好氧反硝化細菌的生物滴濾塔最佳停留時間為16 s時的處理效率在95%以上。筆者研究中改進型生物滴濾塔停留時間為15 s時的處理效率約為90%，略低于使用好氧反硝化細菌的生物滴濾塔，這可能是由于好氧反硝化菌在脫氮作用方面的優(yōu)勢所致。在實際使用中，也可在B組中添加好氧反硝化細菌。B組進氣的同時為循環(huán)液曝氣的特點可為好氧反硝化細菌提供更優(yōu)越的生存環(huán)境，進一步提高處理能力，降低建設(shè)和運行成本。對比上述針對改進菌種以提升生物滴濾塔處理效率的研究，筆者研究對塔內(nèi)微生物去除NH3和H2S的機理缺乏探討，下一步應(yīng)識別微生物群落多樣性和構(gòu)成，并對微生物群落的代謝途徑進行深入研究。

3.2 B組在低進氣濃度下處理效率的優(yōu)勢

受管理水平的影響，不同雞舍排放的NH3和H2S 濃度差異大，多數(shù)情況下濃度較低[21-24]。B組處理效率總體高于A組，在低濃度條件下，B組明顯高于A組，當(dāng)NH3、H2S進氣濃度分別為5×10-6和1×10-6時，B組對NH3和H2S的平均處理效率分別為(93.98±1.37)%和(87.73±1.27)%，分別比A組高10.74和17.47個百分點。B組對不同濃度高效處理的適應(yīng)性強于A組。

一般情況下，受氣體分壓的影響，進氣濃度越低，生物滴濾塔的吸收就越困難[27]，但B組在低濃度條件下的吸收效率遠高于A組。分析上述結(jié)果的原因，首先，與對停留時間的分析相同，B組進氣設(shè)置提高了傳質(zhì)效率，增強了生物處理能力。其次，由于B組考慮了雞欄舍排放粉塵的特征，在進氣時模擬粉塵排放，進入裝置的飼料粉塵的吸附作用也能提高處理效率[13]。這可以從B、A組對高濃度條件下NH3和H2S的吸收效率差異(圖5～6)看出，對極易溶于水的NH3，當(dāng)進氣濃度(>15×10-6)較高時，B組和A組表現(xiàn)出的處理效率相接近(均約為95%)，但針對H2S這種相對不易溶于水的氣體，當(dāng)進氣濃度(>5×10-6)較高時，B組處理效率(約為95%)總體高于A組(約為90%)，這可能與B組飼料粉塵的吸附作用有關(guān)。而這種吸附作用在提高不易溶于水的H2S吸收效率上體現(xiàn)得更加明顯，對極易溶于水的NH3吸收效率的提升作用只在低濃度(5×10-6)條件下才得以體現(xiàn)。

對比KAFLE等[13]和SUN等[28]的研究結(jié)果，兩者分別使用木皮填料與木屑+糞肥填料的生物滴濾塔處理豬欄舍NH3和H2S，處理效率均在95%以上。筆者研究中B組NH3和H2S進氣濃度分別為5×10-6～45×10-6和1×10-6～7×10-6時，處理效率分別為92.15%～99.31%和86.90%～98.66%，略低于KAFLE等和SUN等的研究結(jié)果。分析上述結(jié)果的原因，可能與使用的填料有關(guān)，KAFLE等和SUN等使用有機填料，對NH3與H2S的吸附作用優(yōu)于筆者研究所使用的多面體小球加飼料粉塵，導(dǎo)致NH3和H2S去除效率較高。在實際應(yīng)用中,可將B組中的多面體小球替換成吸附能力好的有機填料，進一步提升B組對NH3和H2S的處理效率。對比上述通過改進填料以提升生物滴濾塔處理效率的研究，筆者研究欠缺不同填料的吸附作用對提升生物滴濾塔處理效率的探討，下一步可依據(jù)養(yǎng)殖場廢棄物資源化利用的原則，設(shè)計養(yǎng)殖場內(nèi)不同有機廢料，如秸稈墊料、堆肥殘渣等作為填料時的處理費用和效果研究。

3.3 B組在循環(huán)液累積污染物處理效果上的優(yōu)勢

當(dāng)停留時間為20 s、NH3和H2S進氣濃度分別為15×10-6和3×10-6時，停留時間與進氣濃度試驗已證明B組對NH3和H2S氣體的處理效率優(yōu)于A組。對比B組和A組循環(huán)液中各物質(zhì)的累積濃度，發(fā)現(xiàn)與A組相比，B組循環(huán)液達到最高處理效果所需的啟動時間更短，NH4+和NO2-處理量更大，NO3-和SO42-等穩(wěn)定的最終產(chǎn)物生成量更多，此兩者均非國家現(xiàn)行養(yǎng)殖場污水排放標準[29-31]中的指標物。

分析上述結(jié)果的原因，針對含氮污染物的去除進行分析，微生物剛進入裝置時，硝化細菌需要適應(yīng)新環(huán)境，硝化作用常在5～7 d甚至10 d以后才能顯著展現(xiàn)[32]。適當(dāng)增加溶解氧濃度能夠提升硝化細菌活性，促進NH4+和NO2-的處理以及NO3-的形成[32]。在實際工作中，硝化反應(yīng)器中ρ(溶解氧)至少應(yīng)在2 mg·L-1以上，當(dāng)ρ(溶解氧)超過5 mg·L-1時，NO3-將以4.2 mg·L-1·h-1的速度生成[32]。由于改進進氣方式，B組循環(huán)液中溶解氧濃度高〔B組通氣40 min后ρ(溶解氧)平均值為5.01 mg·L-1，A組除更換循環(huán)液第1天溶解氧濃度較高外，其余時間ρ(溶解氧)平均值僅為2.49 mg·L-1，圖11〕，同時B組飼料粉塵可吸附微生物、污染物和氧氣，加速了微生物處理能力的恢復(fù)[33]，表現(xiàn)為B組在第2周期開始后，NH4+與NO2-最終累積濃度下降，NO3-最終累積濃度升高;而A組則從第3周期才開始這一過程。此外，由于B組具有循環(huán)液溶解氧濃度高、飼料粉塵吸附等優(yōu)勢，生物處理能力更強，各周期內(nèi)NH4+和NO2-最終累積濃度更低，NO3-最終累積濃度更高。針對含硫污染物的去除進行分析，同含氮污染物的去除原因一致，B組各周期內(nèi)H2S最終產(chǎn)物SO42-最終累積濃度也均高于A組。

筆者研究中B組生物滴濾塔處理NH3和H2S的最終產(chǎn)物為NO3-和SO42-，雖然兩者不屬于國家現(xiàn)行養(yǎng)殖場廢水排放標準中的指標物，但是在一些地區(qū)已經(jīng)對廢水中總氮(包括NO3-)排放提出要求。下一步應(yīng)通過添加厭氧模塊等形式，將NH3和H2S轉(zhuǎn)化為無害的N2和S單質(zhì)，實現(xiàn)無害化處理。

圖11 A、B組循環(huán)液中溶解氧濃度

4 結(jié)論

(1)NH3和H2S處理效率隨停留時間的增加而增大。與A組相比，B組在更短的停留時間下可保持較高的處理效率。當(dāng)停留時間為10 s時，NH3和H2S進氣濃度分別為15×10-6和3×10-6時，B組NH3和H2S的平均處理效率分別為(86.90±1.26)%和(80.79±3.87)%，分別比A組提高10.52和10.68個百分點。在實際應(yīng)用中，B組可有效降低占地面積，減少建設(shè)與運行費用。

(2)NH3和H2S處理效率隨進氣濃度增大而增大。B組處理效率總體高于A組，在低濃度條件下，B組明顯高于A組，當(dāng)NH3和H2S進氣濃度分別為5×10-6和1×10-6時，B組對NH3和H2S的平均處理效率分別為(93.98±1.37)%和(87.73±1.27)%，分別比A組高10.74和17.47個百分點。B組對不同NH3和H2S進氣濃度高效處理的適應(yīng)性強于A組。

(3)與A組相比，B組在生物處理的快速啟動與污染物的高效去除方面有著明顯優(yōu)勢，可高效去除循環(huán)液中累積的污染物。在停留時間為20 s條件下，當(dāng)NH3和H2S進氣濃度分別為15×10-6和3×10-6時，在試驗最后一個周期，B組循環(huán)液中NH4+和NO2-等污染物的最終累積質(zhì)量濃度分別為5.77和1.99 mg·L-1(符合國家養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準)，分別比A組減少70.81%和76.49%；NH3和H2S 的最終氧化產(chǎn)物NO3-、SO42-(兩者均非國家現(xiàn)行的養(yǎng)殖場廢水排放標準中的指標物)的最終累積質(zhì)量濃度分別為70.69和13.78 mg·L-1，分別比A組增加56.29%和29.21%。