生物法組合工藝在餐廚垃圾處理廠廢氣治理中的應(yīng)用研究

劉啟凱，王曉璞

（西原環(huán)保（上海）股份有限公司，上海 201204）

1 概述

1.1 餐廚垃圾處理廠廢氣污染物特征及治理工藝

餐廚垃圾在處理過程中主要產(chǎn)生的廢氣可分為惡臭污染物和VOCs，其中惡臭污染物具有較強(qiáng)的毒害性，惡臭氣體中典型物質(zhì)為硫化氫、氨氣、甲硫醇、二甲二硫等。而釋放的VOCs 種類較多，超過70 種，包括烷烴、烯烴、芳香烴、鹵代烴等不同種類的復(fù)雜污染物[1]。兩類物質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生刺激性氣味，因此在處理過程中需要采取不同工藝的聯(lián)合應(yīng)用，有針對(duì)性地對(duì)兩類污染物質(zhì)分別去除。

常見的廢氣污染物治理方法有活性炭吸附法、酸堿噴淋法、生物法等[2]，處理餐廚垃圾廢氣的主流工藝為以上幾種工藝的組合，但仍然存在處理效果差、運(yùn)行費(fèi)用高、生物填料容易堵塞等弊端[3]。因此，研發(fā)一種能解決上述問題的新工藝，是目前餐廚垃圾處理廠亟需面對(duì)的問題。

1.2 研究?jī)?nèi)容及意義

基于上述原因，本研究主要圍繞生物法組合工藝處理餐廚垃圾廠廢氣開展，探究新工藝對(duì)餐廚廢氣中不同污染物的去除效率，推測(cè)各階段微生物降解規(guī)律，并通過GC-MS 等分析方法判斷餐廚垃圾臭氣的主要成分，進(jìn)而推測(cè)廢氣降解規(guī)律，以期解決生物法治理餐廚廢氣面臨的堵塞、溝流、斷流等導(dǎo)致的除臭效率降低、除臭系統(tǒng)癱瘓等問題，并確定系統(tǒng)最佳運(yùn)行參數(shù)，為后續(xù)研究學(xué)者提供一定的數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

2 項(xiàng)目概況及試驗(yàn)條件

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目在深圳光明區(qū)某餐廚垃圾處理廠進(jìn)行，該廠日處理垃圾量100～110 t，餐廚垃圾成分復(fù)雜，有機(jī)物一般以蛋白質(zhì)、脂肪與多糖類（淀粉、纖維素等）有機(jī)物形式存在，有機(jī)物在發(fā)酵、腐爛、分解過程中，會(huì)逐漸產(chǎn)生多種惡臭氣體污染物。餐廚垃圾放置初期，在好氧菌作用下發(fā)生好氧生化反應(yīng)，使大分子有機(jī)物分解，將有機(jī)物中的氮和硫轉(zhuǎn)化成硝酸鹽（NO3-）、硫酸鹽（SO42-）及CO2。放置過程中隨餐廚垃圾壓實(shí)，空隙減小，含氧量降低，在第一階段生成的NO3-和SO42-在厭氧菌作用下，發(fā)生第二階段厭氧生化反應(yīng)，最終生成NH3、CH3SH、H2S 和（CH3）2S 等惡臭氣體，散發(fā)到周圍環(huán)境中，使人們感到臭味。因而，需對(duì)餐廚垃圾處理過程中產(chǎn)生惡臭污染物較重的臭源，采用局部區(qū)域隔離、負(fù)壓收集，避免臭氣外溢，并對(duì)收集臭氣進(jìn)行除臭處理，阻止臭氣對(duì)廠區(qū)周邊大氣污染。

2.2 試驗(yàn)裝置及方法

2.2.1 試驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置采用三級(jí)生物滴濾塔串聯(lián)的方式，對(duì)廢氣進(jìn)行處理。各級(jí)塔體的停留時(shí)間、填料有所不同，其中，1#、2#塔體填料采用粒徑為25 mm 的PP 多面球，3#塔體填料采用粒徑為5～15 mm 的炭質(zhì)填料。前兩階段主要去除以VOCs 為代表的有機(jī)廢氣，因PP多面球粒徑較大且空隙率較高，在實(shí)際處理廢氣過程中，微生物不容易過度生長(zhǎng)導(dǎo)致填料層堵塞，3#塔體主要去除以硫化氫為代表的無機(jī)廢氣及1#、2#塔體處理后的產(chǎn)生的小分子中間產(chǎn)物。

2.2.2 試驗(yàn)方法

氣質(zhì)聯(lián)用色譜儀：GCMS-QP2020 型氣質(zhì)聯(lián)用儀（GC-MS），分別對(duì)深圳某餐廚垃圾處理廠進(jìn)氣廢氣成分和本試驗(yàn)處理后的廢氣成分繼續(xù)定性分析。

色譜條件：色譜柱為SH-RTX-WAX（60.0 m×250 μm，0.25 μm）；色譜柱起始溫度40 ℃保持2 min，然后以5 ℃/min 升溫到120 ℃，保持3 min；然后以10 ℃/min 升溫到240 ℃，保持5 min。載氣He；載氣流量1.0 mL/min。

質(zhì)譜條件：EI 源；離子源溫度240 ℃；掃描質(zhì)量范圍為1.5～1 090 u。

經(jīng)GCMS 測(cè)試后，利用NIST14 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索[未扣除聚氧硅烷（柱流失成分）等雜質(zhì)峰]，利用面積歸一化法進(jìn)行定量。

3 分析與討論

3.1 H2S 去除效果分析

所有設(shè)備具備運(yùn)行條件后，從深圳某污水處理廠好氧池內(nèi)取14 m3活性污泥，分別加入三級(jí)生物滴濾塔底部水箱內(nèi)，加入比例為1∶3∶3，然后開啟風(fēng)機(jī)和各級(jí)循環(huán)水泵，連續(xù)運(yùn)行7 d 后，系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定?？刂七M(jìn)氣量20 000 m3/h，循環(huán)水泵噴淋速率40 m3/h，考察除臭系統(tǒng)對(duì)H2S 的去除效率，從圖1 中可以看出，餐廚行業(yè)硫化氫進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)較低在0～6×10-6左右，系統(tǒng)穩(wěn)定30 d 后，去除效率能穩(wěn)定在99.9%以上，證明該方法對(duì)H2S 的去除效果較好。

控制進(jìn)氣量20 000 m3/h，循環(huán)水泵噴淋速率40 m3/h，考察各級(jí)生物滴濾塔分別對(duì)硫化氫的去除效率，從圖2 中可以看出，H2S 的去除主要集中在第二級(jí)和第三級(jí)，而第一級(jí)對(duì)硫化氫的去除率較低，說明自氧微生物菌群主要集中在第二級(jí)和第三級(jí)生物滴濾塔中，為該塔體內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌群。

圖2 各級(jí)生物滴濾塔對(duì)H2S 去除效率分析圖

3.2 VOCs 去除效果分析

控制進(jìn)氣量20000m3/h，循環(huán)水泵噴淋速率40m3/h，考察除臭系統(tǒng)對(duì)VOCs 的去除效率，從圖3 中可以看出，當(dāng)進(jìn)口VOCs 質(zhì)量濃度在5～25 mg/m3時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定30 d 后，去除效率能穩(wěn)定在95%以上，并且未出現(xiàn)微生物富營養(yǎng)化、溝流、斷流等現(xiàn)象，證明該方法對(duì)VOCs 的去除效果較好并可長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 VOCs 總?cè)コЧ治鰣D

控制進(jìn)氣量20 000 m3/h，循環(huán)水泵噴淋速率40 m3/h，考察各級(jí)生物滴濾塔分別對(duì)硫化氫的去除效率，從圖4 中可以看出，VOCs 的去除主要集中在第一級(jí)和第二級(jí)，而第三級(jí)對(duì)VOCs 的去除率較低，說明異氧微生物菌群主要集中在第一級(jí)和第二級(jí)生物滴濾塔中，為該塔體內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌群。另外，通過該部分實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可以推斷，當(dāng)進(jìn)氣成分中有機(jī)組分濃度較高時(shí)，微生物會(huì)選擇性的先處理有機(jī)組分，后處理無機(jī)組分。

圖4 各級(jí)生物滴濾塔對(duì)VOCs 去除效率分析圖

3.3 生物降解產(chǎn)物分析

3.3.1 生物降級(jí)推斷依據(jù)

生物滴濾法降解廢氣過程涉及到氣、液、固三相，是涉及到物理、化學(xué)、生物共同反應(yīng)的復(fù)雜反應(yīng)，目前公認(rèn)的兩種理論分別為荷蘭學(xué)者Ottengraf[4]提出的“吸收-生物膜”理論和我國學(xué)者孫佩石[5]提出的“吸附-生物膜”理論。

3.3.2 進(jìn)出口產(chǎn)物定性分析

采用GC-MS 聯(lián)用的方式分別對(duì)降解前的廢氣組分和降解后的廢氣組分進(jìn)行分析，控制進(jìn)氣量20 000 m3/h，循環(huán)水泵噴淋速率40 m3/h，對(duì)應(yīng)的色譜柱圖如圖5 所示，通過分析，從表1 中可以看出，在此條件下，該餐廚垃圾廠進(jìn)氣有機(jī)組分主要為乙酸乙酯（2.77 mg/m3）、丙酮（1.32 mg/m3）、正己烷（0.265 mg/m3），而處理后的有機(jī)組分如圖6 所示，通過分析，從表2中可以看出，處理后的氣體成分中，只含有微量的正己烷（0.133 mg/m3）和乙酸乙酯（0.369 mg/m3）等污染物，說明該方法在工程應(yīng)用中，去除效果較好，中間產(chǎn)物少，二次污染低。

表1 總進(jìn)口氣體成分定性分析表

表2 總出口氣體成分定性分析表

圖5 總進(jìn)口GC-MS 定性分析圖

圖6 總出口GC-MS 定性分析圖

4 結(jié)論

本研究主要驗(yàn)證了生物法組合工藝在餐廚垃圾處理廠的廢氣治理效果，主要研究結(jié)論如下：

1）當(dāng)進(jìn)口風(fēng)量為20 000 m3/h，進(jìn)口H2S 體積分?jǐn)?shù)0～6×10-6時(shí)，H2S 去除率可達(dá)99.9%以上。

2）當(dāng)進(jìn)口風(fēng)量為20 000 m3/h，進(jìn)口VOCs 質(zhì)量濃度為5～25 mg/m3，VOCs 去除率可達(dá)95%以上，并且長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，不出現(xiàn)微生物富營養(yǎng)化、溝流、斷流等現(xiàn)象。

3）該組合工藝中，VOCs 的主要去除在第一段和第二段，而H2S 的主要去除在第三段，說明前兩段培養(yǎng)的微生物主要為異養(yǎng)微生物，而第三段主要為自養(yǎng)微生物。

4）采用GC-MS 對(duì)廢氣成分進(jìn)行定性分析發(fā)現(xiàn)，該餐廚垃圾廠主要污染物氣體成分為乙酸乙酯（2.77 mg/m3）、丙酮（1.32 mg/m3）、正己烷（0.265 mg/m3），而處理后的成分只含有微量的正己烷（0.133mg/m3）和乙酸乙酯（0.369 mg/m3）等污染物，說明該方法在工程應(yīng)用中，去除效果較好、中間產(chǎn)物少、無二次污染。

5）通過本研究表明生物法組合工藝對(duì)餐廚垃圾處理廠產(chǎn)生的廢氣治理效果較好，可長(zhǎng)期穩(wěn)定可持續(xù)性運(yùn)行，具有較為廣闊的市場(chǎng)前景。