復(fù)合式生物除臭反應(yīng)器處理城市污水處理廠惡臭氣體.doc

1、復(fù)合式生物除臭反應(yīng)器處理城市污水處理廠惡臭氣體第1卷第7期2007年7月環(huán)境工程ChineseJourna1ofEnvironmenta1EnineerinVo1.1.No.7Ju1.2007復(fù)合式生物除臭反應(yīng)器處理城市污水處理廠惡臭氣體劉建偉劉俊新李琳(中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京100085)摘要采用復(fù)合式生物除臭反應(yīng)器處理北京某城市污水處理廠污泥濃縮池和脫水間散發(fā)的惡臭氣體,研究了反應(yīng)器對惡臭氣體的凈化效果和微生物懸浮生長區(qū)與附著生長區(qū)內(nèi)的生物特性及對惡臭污染物的去除能力.該污水處理廠的惡臭氣體中主要發(fā)臭物質(zhì)為硫化氫和氨,除臭反應(yīng)器的運行結(jié)果表明,在設(shè)備穩(wěn)定運行期間,進(jìn)氣中硫化氫和氨

2、的濃度分別為0.2122.61Ill-g/m和0.10.5mg/m,而出氣中硫化氫濃度在00.06mg/m,氨濃度為00.02mg/m.對反應(yīng)器內(nèi)部測試表明,微生物懸浮生長區(qū)和附著生長區(qū)對硫化氫和氨都有一定的去除,但去除機理不同.硫化氫主要被附著生長區(qū)的嗜酸性硫細(xì)菌生物氧化,少量硫化氫在懸浮區(qū)溶于水被中性硫細(xì)菌氧化;氨主要在懸浮區(qū)靠生物硝化作用去除,少部分氨在附著區(qū)被去除,且多因化學(xué)中和作用轉(zhuǎn)移到填料所含的水中.關(guān)鍵詞生物除臭城市污水處理廠惡臭氣體硫化氫氨中圖分類號X512文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號16739108(2007)0707805Odorsremovalinsewagetreatmentp

3、lantusingacombinedbioreactorLiuJianweiLiuJunxinLiLin(ResearchCenterforEcoEnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085)AbstractAcombinedbioreactor,consistingofasuspensiongrowthzoneandanattachmentgrowthzone,wasdevelopedtotreatodorsinamunicipalwastewatertreatmentplantinBeijing.Themainod

4、ormaterialsemittedfromsludgethickeningtankandsludgedewateringfacilitywereH2SandNH3.Eliminationcapacitiesofodors,effectfactorsandmicrobiologicalcharacteristicintheindividualzonewereinvestigatedinthisstudy.ResuitsshowedthattheinletconcentrationsofH2SandNH3were0.2122.61mg/mand0.10.5mg/m,respectively.Du

5、ringtheperiodofsteadytreatment,theeffluentconcentrationsreducedto00.06mg/mforH2Sand00.02mg/mforNH3.H2SandNH3couldberemovedeffectivelyinthecombinedbioreactor.However,theirremovalmechanismsinthesuspension?-growthzonewereverydeferentfromthatintheattachment?-growthzone.MostofH2Swerebiooxidizedbyacidophi

6、licThiobacilliintheattachmentgrowthzonewhilelessH2SwasdissolvedinthewaterorbiooxidizedbynonacidophilicThiobacillinthesuspensiongrowthzone.MuchmoreNH3wereremovedbynitrationinthesuspensiongrowthzone,onlyfewNH3transferredtoaqueousphasebychemicalneutralizationintheattachmentgrowthzone.Keywordsbiological

7、deodorization;municipalwastewatertreatmentplant;odors;hydrogensulfide;ammOBia在城市污水處理廠運行過程中,特別在污泥濃縮,脫水過程中會產(chǎn)生大量的惡臭氣體,發(fā)臭物質(zhì)包括還原性硫化物,氨,苯,甲苯和氯化物等.這些污染物具有易揮發(fā),嗅閾值低等特點,不僅嚴(yán)重污染周邊居民的生活環(huán)境,危害人體健康,而且對污水處理廠的設(shè)備具有強烈腐蝕性.隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,生活水平的提高和公眾環(huán)境意識的日益增強,城市污水處理廠的惡臭污染也就成為亟待解決的首要問題.為了防止和消除城市污水處理廠惡臭氣體對周圍環(huán)境及居民生活的影響,一些發(fā)達(dá)國家先后制定和

8、逐步完善了一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).我國于1994年1月15日和2003年7月1日起分別實施了惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB14554一基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50238050)收稿日期:20070323;修訂日期:2007一O6一O4作者簡介:劉建偉(1979),男,博士研究生,主要從事廢氣生物處理技術(shù)研究工作.Email:liujw222sohu.eom通訊聯(lián)系人,Email:jxliuroees.ae.en第7期劉建偉等:復(fù)合式生物除臭反應(yīng)器處理城市污水處理廠惡臭氣體791993)和城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB189182002),對惡臭污染物的排放作了嚴(yán)格的規(guī)定.生物法是處理惡臭氣體的

9、有效方法之一,具有適用范圍廣,效率高,裝置簡單,運行費用低,維護(hù)管理方便,無二次污染等優(yōu)點.生物法包括生物過濾,生物滴濾和生物洗滌技術(shù)等j.生物除臭技術(shù),特別是生物過濾,已大量應(yīng)用于污水處理廠臭味氣體的處理,并取得了較好的效果.傳統(tǒng)的生物濾池中通常采用木屑,樹皮等作為填料,雖然為微生物的生長提供了有利的條件,但長期運行出現(xiàn)腐爛,濾料層阻力增加,處理效率降低等問題.此外,惡臭氣體中成分復(fù)雜,水溶性差別也較大,以細(xì)菌為主的常規(guī)生物濾池很難將不同性質(zhì)的物質(zhì)同時高效去除.針對這些問題,新的改進(jìn)型生物除臭技術(shù)不斷被發(fā)展,例如新型生物載體生物反應(yīng)器,真菌反應(yīng)器和復(fù)合式反應(yīng)器等.本研究在小試研究成果基礎(chǔ)上,

10、將復(fù)合式生物除臭反應(yīng)器應(yīng)用于北京某城市生活污水處理廠污泥濃縮池和脫水問的惡臭氣體處理,重點考察其處理效果和長期運行的穩(wěn)定性,確定不同區(qū)域的生物特征,為該技術(shù)的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和積累實踐經(jīng)驗l材料與方法1.1生物除臭工藝北京某污水處理廠位置與居民區(qū)極為接近,污水廠運轉(zhuǎn)過程中經(jīng)常有惡臭氣體產(chǎn)生,特別是污泥脫水過程中產(chǎn)生的惡臭氣體污染更為嚴(yán)重.為了減少惡臭氣體對居民正常生活的影響,該廠采用本生物除臭技術(shù)處理污染最為嚴(yán)重的污泥濃縮池和脫水問的惡臭氣體.除臭工藝系統(tǒng)包括惡臭氣體收集與凈化2部分,工藝流程如圖1所示.出氣圖1生物除臭工藝流程示意圖Fig.1Schematicdiagramofodorcon

11、trolprocess污泥濃縮池上面設(shè)置密閉式集氣罩,污泥脫水問上方裝有排風(fēng)扇,集氣罩和排風(fēng)扇均通過管道與風(fēng)機和生物除臭設(shè)備相連.污泥濃縮池的惡臭氣體連續(xù)排出,而污泥脫水問的惡臭氣體則為非連續(xù)產(chǎn)圖2復(fù)合式生物除臭反應(yīng)器現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2Photographofthecombinedbioreactor生,即污泥脫水機運行時有惡臭氣體產(chǎn)生,且瞬時濃度很高.污泥脫水機每天的運行時間是5h.根據(jù)測算,為有效控制惡臭氣體對周邊的影響,污泥濃縮池和污泥脫水間的惡臭氣體最大排出量為250m/h.在風(fēng)機的作用下,氣體通過管道系統(tǒng)進(jìn)入生物除臭設(shè)備,凈化后排人大氣.復(fù)合式生物除臭反應(yīng)器的特點是利用細(xì)菌與真菌的協(xié)

12、同作用有效去除惡臭氣體中不同性質(zhì)的污染物質(zhì).在反應(yīng)器的內(nèi)部分為微生物懸浮生長區(qū)和在填料上附著生長區(qū)2部分,在懸浮生長區(qū),氣體被加濕,其中部分惡臭物質(zhì)溶于液相并被懸浮生長的微生物所降解;經(jīng)過懸浮區(qū)的氣體具有足夠濕度,未去除的惡臭物質(zhì)可被附著生長區(qū)的微生物繼續(xù)吸附和降解.該反應(yīng)器將氣體預(yù)濕和有利于不同類型微生物生長的各區(qū)域優(yōu)化集成,形成一體化設(shè)備(圖2).本除臭工程采用的反應(yīng)器總體積為4.1m,有效體積為3.5m,處理能力為250m/h,根據(jù)該污水廠臭味氣體中惡臭物質(zhì)的類型與濃度確定懸浮區(qū)和附著區(qū)的有效體積分別為0.85m和2.65m.本生物除臭設(shè)備于2006年6月安裝完畢,7月開始調(diào)試.為了縮短

13、除臭設(shè)備的啟動時間,根據(jù)該污水廠臭味氣體中主要污染物性質(zhì),在設(shè)備運行初期,接種了一部分在實驗室篩選的硫細(xì)菌,接種量為60L.1.2分析方法根據(jù)氣體分析和該污水廠惡臭污染物排放控制要求,采用硫化氫和氨為控制指標(biāo),對生物除臭設(shè)備的運行效果進(jìn)行研究.硫化氫和氨的現(xiàn)場檢測采用檢測管(北京勞動保護(hù)研究所生產(chǎn)),另外,硫化氫和氨分別采用氣體采樣袋和大氣采樣器采集后帶回實驗室利用氣相色譜儀(Agilent6890N氣相色譜儀,火焰光度檢測器)和納氏試劑分光光度法測定.現(xiàn)場測定結(jié)果和實驗室測定結(jié)果相比較以確認(rèn)分析80環(huán)境工程第1卷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性.揮發(fā)性有機物的分析采用色譜一質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC6890NMS

14、D5973).pH值采用pHS型精密酸度計進(jìn)行測定.總氮的分析采用過硫酸鉀氧化一紫外分光光度法,NH4的分析采用納氏試劑光度法,NO;的分析采用紫外分光光度法,s的測定采用對氨基二甲基苯胺光度法,sO:一的分析采用離子色譜法.采用培養(yǎng)計數(shù)法進(jìn)行微生物計數(shù).非嗜酸性硫細(xì)菌和嗜酸性硫細(xì)菌的計數(shù)采用的培養(yǎng)基分別為硫代硫酸鹽固體培養(yǎng)基和Waksman固體培養(yǎng)基.Waksman固體培養(yǎng)基組成:Na2S203?5H208g;KH2PO43g;NH4C10.1g;MgSO4?7H200.5g;FeSO?7H200.01g;CaC120.3g;瓊脂18g;蒸餾水1000mL;pH4.硫代硫酸鹽固體培養(yǎng)基組成:

15、NaS0,?5H08g;K2HPO42g;KH2PO42g;NH4C10.4g;MgSO47H200.2g;FeSO4?7H200.01g;瓊脂18g;蒸餾水1000mL;pH7.,2結(jié)果與討論2.1污水處理廠惡臭氣體濃度分析城市污水處理廠惡臭氣體產(chǎn)生源主要為格柵間,進(jìn)水泵房,沉砂池,污泥濃縮池和脫水問,主要的污染氣體為硫化氫,甲硫醇,氨,胺和揮發(fā)性有機物等.2006年7月11月,近150d內(nèi),監(jiān)測了該污水處理廠污泥濃縮池和脫水問散發(fā)的硫化氫,氨和揮發(fā)性有機物的濃度.揮發(fā)性有機物的分析先采用氣相色譜一質(zhì)譜方法進(jìn)行定性,通過保留時間與質(zhì)譜圖檢索,識別和確認(rèn)出較高濃度的揮發(fā)性有機物,再采用外標(biāo)法定

16、量.表1列出了監(jiān)測濃度最高的6種惡臭污染物質(zhì)的濃度,據(jù)文獻(xiàn)報道這幾種物質(zhì)也是城市污水處理廠最為常見的,其中有5種物質(zhì)是國家惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB145541993)指定控制的惡臭污染物.從表1可以看出,除了硫化氫和氨以外,此污水廠污泥濃縮池和脫水間散發(fā)的其他幾種惡臭物質(zhì)的濃度都是很低的,檢出的濃度均在0.1mg/m以下,低于國家控制標(biāo)準(zhǔn)的要求.因此,該污水處理廠污泥濃縮池和脫水間散發(fā)的惡臭氣體中,硫化氫和氨是2種最主要的惡臭污染物.另外,現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明,污泥濃縮池硫化氫濃度0.270.55mg/m,氨濃度0.10.3mg/m;污泥脫水問硫化氫濃度0.144.86mg/m,氨濃度00.4mg

17、/m.不同的取樣時間,硫化氫和氨的濃度差別較大,特別是污泥脫水間硫化氫的濃度波動更大,在污泥脫水機運行與不運行時,產(chǎn)生的硫化氫濃度最多可以差幾百倍.根據(jù)氣體濃度分析結(jié)果和國家控制標(biāo)準(zhǔn)對臭氣排放控制要求,采用硫化氫和氨為控制指標(biāo),對生物除臭設(shè)備的運行效果進(jìn)行研究.表1污泥濃縮池和脫水間排放廢氣的惡臭污染物濃度Table1Coneenationsofodorsfromsludgethickeningtankandsludgedewateringfacility注:氣體濃度單位:mg/m,一表示還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)2.2硫化氫和氨的去除效果考察了近150d的連續(xù)運行期間設(shè)備的進(jìn),出氣中硫化氫和氨濃度及去除

18、率的變化,結(jié)果如圖3和圖4所示.圖3硫化氫進(jìn),出氣濃度及去除率Fig.3InletandoutletconcentrationsandremovalefficiencyforH2S圖4氨進(jìn),出氣濃度及去除率Fig.4InletandoutletconcentrationsandremovalefficiencyforNH3進(jìn)氣流量為250m/h,硫化氫進(jìn)氣濃度為0.21第7期劉建偉等:復(fù)合式生物除臭反應(yīng)器處理城市污水處理廠惡臭氣體8122.61mg/m,在開始的1個月里,由于接種的菌種未適應(yīng)裝置內(nèi)的環(huán)境,硫化氫去除率不穩(wěn)定,出氣濃度波動較大.經(jīng)過3040d的菌種馴化期后,硫化氫去除率開始趨于穩(wěn)

19、定,除個別時間段因硫化氫進(jìn)氣濃度過高引起去除率降低,出氣濃度過高外(如在9月14日,硫化氫進(jìn)氣濃度22.61mg/m,出氣濃度為0.82mg/m,去除率為96.37%),大部分時間均有較好的去除效果.穩(wěn)定運行后,硫化氫出氣濃度均在00.06mg/m,處理系統(tǒng)出氣口硫化氫的濃度達(dá)二級廠界排放標(biāo)準(zhǔn).設(shè)備運行90d后,硫化氫出氣濃度一直低于0.03mg/m,達(dá)一級廠界排放標(biāo)準(zhǔn).氨進(jìn)氣濃度為0.10.5mg/m,盡管氨進(jìn)氣的最高濃度低于一級廠界排放標(biāo)準(zhǔn)(1mg/m),但此濃度仍高于氨的嗅閾值濃度(0.025mg/m),所以仍有味道,還可能對人體造成危害.經(jīng)過1個多月的啟動期后,除臭設(shè)備處理效果趨于穩(wěn)定

20、,氨出氣濃度在00.02mg/m,低于其嗅閾值濃度,大大降低了對人體的危害.研究中發(fā)現(xiàn),除臭設(shè)備從2006年7月初至11月底在近150d的運行時間里,雖然天氣溫度變化范圍為36IOC,溫度范圍變化較大,但并未對設(shè)備的運行效果造成影響.在設(shè)備運行期間,分別考察了惡臭氣體中硫化氫和氨在微生物懸浮生長區(qū)和附著生長區(qū)內(nèi)的去除效率,監(jiān)測結(jié)果的平均值如表2所示.表2生物除臭設(shè)備對硫化氫和氨的平均去除率Table2AverageremovalefficienciesofH2SandNH3inthecombinedbioreactor(%)從表2中可以看出,本生物除臭反應(yīng)器可以同時有效地去除硫化氫和氨,其中氨

21、主要在懸浮區(qū)被去除,而硫化氫的去除則主要發(fā)生在附著區(qū).2.3硫化氫和氨在除臭設(shè)備內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為了研究硫化氫和氨的物質(zhì)轉(zhuǎn)化情況與去除機理,分別在設(shè)備運行105d和135d時,在反應(yīng)器頂部噴淋水時,取樣分析懸浮區(qū)液體和附著區(qū)滲出液的pH,總氮,NH4+,NO;,S和SOj一的濃度,結(jié)果如表3所示.表3硫化氫和氨在除臭設(shè)備內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化Table3SubstancetransformationsofH2SandNH3inthecombinedbioreactor由表3可知,噴淋水的pH接近7,而懸浮區(qū)液體為弱酸性,附著區(qū)滲出液的pH值則較低.2次監(jiān)測結(jié)果中,附著區(qū)滲出液的pH值分別為1.9和2.06,

22、S濃度分別為0.24mg/L和0.28mg/L,而SOj一濃度分別為3.71mg/L和2.55mg/L,這說明其中只有較少的硫以s.一形式存在,較多的硫化氫發(fā)生了生物氧化作用,生成了SO一.2次監(jiān)測中,懸浮區(qū)液體中s濃度均較高(4.96mg/L和4.15mg/L),而SOj一濃度較低(0.82mg/L和1mg/L),說明懸浮區(qū)硫化氫的去除以溶解作用為主,發(fā)生生物氧化的較少.另外,每次加濕填料時在附著區(qū)產(chǎn)生的少量低pH值滲出液并沒有被單獨處理,而是流入懸浮區(qū)得以稀釋,研究發(fā)現(xiàn),氣體的去除效果并未因此受到影響.從2次的檢測結(jié)果還可以看出,懸浮區(qū)液體中NO/濃度要遠(yuǎn)高于NH4+的濃度,而附著區(qū)滲出液

23、中NH;出現(xiàn)了積累,其濃度遠(yuǎn)高于NO;濃度.這說明懸浮區(qū)中氨的去除主要靠生物硝化作用;而附著區(qū)由于硫化氫的生物氧化形成了強酸性的環(huán)境,因此,堿性的氨與酸發(fā)生化學(xué)中和反應(yīng)而滯留于該區(qū).表明附著區(qū)氨的去除以化學(xué)中和作用為主,發(fā)生硝化作用的較少,而此區(qū)域產(chǎn)生的少量NO;可能與其他作用有關(guān),比如嗜酸微生物的代謝,懸浮區(qū)高硝酸鹽化合物被水氣的帶入等.總的說來,NH在除臭設(shè)備內(nèi)主要在懸浮區(qū)靠生物硝化作用生成NO;而去除的,余下的少部分在附著區(qū)以化學(xué)作用82環(huán)境工程第1卷生成NH4+而積累于附著區(qū)填料中.2.4生物除臭設(shè)備微生物特性分析生物除臭設(shè)備主要是通過微生物的代謝作用實現(xiàn)對污染物的去除.由于進(jìn)氣以硫化

24、氫為主,因此,設(shè)備每運行一段時間,取懸浮區(qū)和附著區(qū)的生物樣品對其中的硫細(xì)菌(包括中性硫細(xì)菌和嗜酸性硫細(xì)菌)進(jìn)行研究,考察2類菌在2個處理區(qū)的數(shù)量及種類變化,結(jié)果如表4所示.表4除臭設(shè)備運行過程中硫細(xì)菌的數(shù)量變化Table4Microbialcountofsulfur?oxidizingbacteriaduringvariousphasesofbioreactoroperation由表4可以看出,除臭設(shè)備運行初期,由于接種的菌種主要是中性硫細(xì)菌,所以其中中性硫細(xì)菌數(shù)量較多,而嗜酸性硫細(xì)菌數(shù)量均較少.隨著生物除臭設(shè)備運行時間的延長,附著區(qū)和懸浮區(qū)嗜酸性硫細(xì)菌和中性硫細(xì)菌的數(shù)量都不斷增加,其中在附著

25、區(qū)嗜酸性硫細(xì)菌的數(shù)量增加較快,到135d時嗜酸性硫細(xì)菌數(shù)量(1.32x10個/mL)已遠(yuǎn)高于中性硫細(xì)菌數(shù)量(2.13x10個/mL).這與硫化氫的生物降解產(chǎn)生較多的酸,改變了填料區(qū)的pH有關(guān).說明隨著設(shè)備的運行,降解硫化氫的優(yōu)勢微生物已由開始接種的中性硫細(xì)菌更替為嗜酸性硫細(xì)菌.與之相反,懸浮區(qū)的中性硫細(xì)菌數(shù)量則略高于嗜酸性硫細(xì)菌.這與上面硫化氫物質(zhì)轉(zhuǎn)化分析結(jié)果相一致,懸浮區(qū)硫化氫發(fā)生生物氧化的較少,其去除主要以溶解作用為主.3結(jié)論(1)污水處理廠污泥濃縮池和脫水間逸散的惡臭氣體中,硫化氫和氨是最主要的惡臭污染物.應(yīng)用復(fù)合式生物除臭反應(yīng)器能夠有效地去除這些惡臭物質(zhì),當(dāng)硫化氫和氨進(jìn)氣濃度分別為0.

26、2122.61mg/m.和0.10.5mg/m時,經(jīng)生物除臭設(shè)備穩(wěn)定處理后,硫化氫的出氣濃度可以達(dá)到一級廠界排放標(biāo)準(zhǔn);氨的出氣濃度為00.02mg/m,低于嗅閡值.(2)經(jīng)過長時間運行,微生物懸浮生長區(qū)和附著區(qū)的優(yōu)勢菌有所不同,對惡臭氣體中污染物質(zhì)的去除也與其性質(zhì)有關(guān),氨主要在懸浮區(qū)通過生物硝化作用去除,剩余的氨在附著區(qū)因化學(xué)中和作用轉(zhuǎn)移到水中;大部分的硫化氫在附著區(qū)被嗜酸性硫細(xì)菌生物氧化為硫酸,少量的硫化氫在懸浮區(qū)溶解于水中被中性硫細(xì)菌氧化.參考文獻(xiàn)1HuubH.J.,DeshussesM.A.CotreatmentofH2Sandtolueneinabiotricklingfiher.Ch

27、em.Eng.J.,2002,87:1011102VanGroenestijnJ.W.,HesselinkP.G.M.Biotechniquesforairpollutioncontro1.Biodegradation,1993,4:2833013DeshussesM.A.Biologicalwasteairtreatmentinbiofilters.Curr.Opin.Biotechno1.,1997,8(3):3353394OttengrafS.P.P.Biologicalsystemsforwastegaselimination.Tibtech.,1987,5(5):1321365ChitwoodD.E.,DevinnyJ.S.EvalutionofatwostagebiofiherfortreatmentofPOTWwasteair.Environ.Prog.,2004,18(3):2122216李建軍,梁燕珍,陳桐生,等.利用生物填充塔處理