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文檔簡介

1、第24卷第1期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)V ol.24 No.12008年1月 Transactions of the CSAE Jan. 2008 241 生物濾池填料及工藝參數(shù)去除雞糞堆肥臭氣效果研究陸日明1,2,王德漢1,項(xiàng)錢彬1,陳廣銀1,廖宗文1(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,廣州510642;2.廣州怡地環(huán)保實(shí)業(yè)總公司,廣州510030摘 要:為探討利用生物濾池法去除雞糞堆肥臭氣的可行性,對生物濾池的填料組合、填料層高度、填料初始含水率及停留時(shí)間進(jìn)行了篩選,并考察了生物濾池對揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs的去除情況。結(jié)果表明:生物濾池在處理雞糞堆肥臭氣過程中,以腐熟雞糞堆肥和樹皮組成填料、填料層高度

2、為50 cm、填料初始含水率為50%以及停留時(shí)間為90.0 s的處理效果最佳;處理前后臭氣中VOCs的分析結(jié)果表明,生物濾池對堆肥臭氣中VOCs有很好的去除效果,處理后的堆肥臭氣中VOCs的種類和濃度較處理前明顯減少;比較堆肥臭氣中氨和VOCs的總濃度后發(fā)現(xiàn),氨所占的比例高達(dá)98.70%,說明用氨濃度來表示容器式雞糞堆肥的臭氣濃度具有可行性。就地利用雞糞堆肥及樹皮組合作為生物濾池填料去除雞糞堆肥過程中的臭氣具有很好的去除效果,可以在工廠化雞糞堆肥中推廣應(yīng)用。關(guān)鍵詞:生物濾池;雞糞堆肥;氨;臭氣;VOCs中圖分類號(hào): X701.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):1002-6819(2008-1-0

3、241-05陸日明,王德漢,項(xiàng)錢彬,等. 生物濾池填料及工藝參數(shù)去除雞糞堆肥臭氣效果研究J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(1:241-245.Lu Riming, Wang Dehan, Xiang Qianbin, et al. Effects of biofilter media and operating parameters on biofiltration of odor from chicken manure compostingJ. Transactions of the CSAE, 2008, 24(1:241-245. (in Chinese with English abs

4、tract0 引 言當(dāng)前雞糞堆肥除臭的研究集于在如何在堆肥過程中減少臭氣上,這些措施包括調(diào)節(jié)有機(jī)物料的C/N比和酸堿度,在堆肥工藝中調(diào)控添加劑等1-7。上述各種調(diào)控手段雖然能一定程度上減少臭氣的產(chǎn)生,但仍有相當(dāng)部分的臭氣產(chǎn)生,如果不將其消除,不僅會(huì)危害操作者的身體健康,還會(huì)造成大氣污染。因此,在家畜糞尿處理場設(shè)置除臭裝置往往是必不可少的?;钚蕴课?、光催化、催化氧化、焚燒和生物處理等方法被廣泛用于處理空氣中的惡臭物質(zhì),其中生物過濾法利用微生物降解氣態(tài)污染物特別是低濃度的易生物降解物質(zhì),具有經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注8。因此,為了有效控制臭味,最常用的綜合措施是封閉堆肥設(shè)備并采用生物過濾器進(jìn)行過程

5、控制 9。目前,國內(nèi)外許多學(xué)者對生物濾池去除臭氣進(jìn)行了大量研究10-12。而當(dāng)前的生物濾池研究基本針對一種或少數(shù)幾種氣體組分,所使用的氣體均為自行配制,但在日常生活中只含單一或少數(shù)幾種成分的廢氣比較少見,因此生物濾池的試驗(yàn)結(jié)果不能最大程度地接近真實(shí)情況。為降低運(yùn)行成本,增加堆肥技術(shù)的環(huán)境友好性,并促進(jìn)堆肥技術(shù)在中國養(yǎng)殖場(尤其是發(fā)達(dá)城市或城市近郊的養(yǎng)殖場的推廣應(yīng)用,有效地解決雞糞造成的環(huán)境污染問題,本文采取生物濾池與雞糞堆肥設(shè)備配套的綜合措施,采用生物過濾進(jìn)行過程控制,并且就地采用腐熟的雞糞堆肥作為生物濾池填料,通過多個(gè)篩選試驗(yàn)獲得生物濾池最佳收稿日期:2006-11-23 修訂日期:2007

6、-11-14基金項(xiàng)目:農(nóng)業(yè)部“948”項(xiàng)目(2006-G62作者簡介:陸日明(1981-,男,廣東人,主要從事固體廢物治理及資源化利用研究,廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,510642。Email: riminglu通訊作者:王德漢(1965-,男,湖北人,教授,博士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)楣腆w廢棄物的生物處理及資源化、城市生活垃圾的生物處理及資源化,廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,510642。Email: dehanwang 的工藝參數(shù),并通過考察生物濾池對氨及VOCs(揮發(fā)性有機(jī)物的去除,評(píng)價(jià)利用生物濾池去除雞糞堆肥過程臭氣的可行性。本試驗(yàn)將雞糞堆肥過程中產(chǎn)生的臭氣直接用作生物濾池的試

7、驗(yàn)氣體,其結(jié)果可最大限度地接近真實(shí)情況,有一定的實(shí)用意義。1 材料與方法1.1 試驗(yàn)裝置及材料本文利用容器式系統(tǒng)進(jìn)行雞糞的堆肥化處理,并使用腐熟雞糞堆肥作為生物濾池的填料以考察生物濾池去除堆肥臭氣的效果。堆肥反應(yīng)器為鐵制圓形轉(zhuǎn)鼓、有效容積60 L,堆肥產(chǎn)生的臭氣經(jīng)冷凝后作為生物濾池的試驗(yàn)氣體由管道以底部進(jìn)氣的方式接入3個(gè)生物濾池。生物濾池的進(jìn)氣流量用流量計(jì)調(diào)節(jié),生物濾池由高1 m,內(nèi)徑11 cm的PVC管做成。各次試驗(yàn)的堆肥進(jìn)料的原料配比均為雞糞鋸末木炭(V/V=111,進(jìn)料含水率約為55%,堆制周期為13 d,強(qiáng)制正壓鼓風(fēng)量約為0.32 m3/(min·m3。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

8、圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Diagram of the experimental apparatus242 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2008年 1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。試驗(yàn)包括生物濾池優(yōu)化(含試驗(yàn)1、2、3和4和VOCs 成分分析兩部分,VOCs 部分的試驗(yàn)是根據(jù)濾池優(yōu)化獲得的參數(shù)開展的。試驗(yàn)以雞糞堆肥過程中的臭氣為氣源,對不同填料組合(樹皮+堆肥、木片+堆肥、泥炭+堆肥、木炭+堆肥和陶粒+堆肥、填料層高度(40、50和60 cm、填料初始含水率(40%、50%和60%以及停留時(shí)間(68.4 s 、90.0 s 和131.5 s 等4個(gè)參數(shù)及工藝條件進(jìn)行篩選試驗(yàn),考察以不同參數(shù)運(yùn)行的生

9、物濾池對氨氣的去除情況,獲得生物濾池處理雞糞堆肥臭氣的優(yōu)化參數(shù)。試驗(yàn)5在生物濾池處理堆肥臭氣至26 d 時(shí),利用GC-MS 分析生物濾池進(jìn)氣和出氣中的VOCs 種類及相對含量,以考察生物濾池對VOCs 的去除情況,并結(jié)合氨的去除效果評(píng)價(jià)生物濾池對堆肥臭氣整體去除情況。以上試驗(yàn)均不作重復(fù)。為了提高填料性能,降低壓降,一般要求60%的填料顆粒直徑大于4 mm 13,但是雞糞堆肥的顆粒一般都較小,因此需要使用粒徑較大的材料作為填充材料與腐熟的雞糞堆肥混合后作為生物濾池的填料。試驗(yàn)1中5種填料(粒徑>5 mm 與堆肥(粒徑<5 mm按體積比11的比例充分混勻后進(jìn)行試驗(yàn),經(jīng)測算得到各生物濾池

10、填料組合的粒徑大于4 mm 的體積分?jǐn)?shù)在58.7%62.5%間。表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及濾池參數(shù)設(shè)置Table 1 Experiment arrangement and parameters of biofilters試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)康?進(jìn)氣氨濃度 /mg·m -3 填料組合停留時(shí)間/ s填料層高度/ cm填料初始含水率/%填料篩選150.29-1074.67樹皮+堆肥、木片+堆肥、泥炭+堆肥 68.4 50 50 試驗(yàn)1填料篩選242.62-748.75 樹皮+堆肥、木炭+堆肥、陶粒+堆肥68.4 50 50 試驗(yàn)2 填料層高度優(yōu)化 23.661112.85樹皮+堆肥 68.440、50、6

11、050試驗(yàn)3 填料初始含水率優(yōu)化 35.981932.55樹皮+堆肥68.4 50 40、50、60生物濾池 填料及 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)4停留時(shí)間優(yōu)化 42.811105.80樹皮+堆肥 68.4、90.0、131.5 50 50VOCs 成分測試 試驗(yàn)5 生物濾池對VOCs 的去除情況 42.811713.92樹皮+堆肥90.0 50 501.3 分析方法采用Hong 等14的采樣分析方法測定生物濾池進(jìn)氣和出氣中的氨濃度,硼酸吸收液每隔24 h 更換一次。另外每隔48 h 記錄室溫及堆體中心溫度一次。氨的累積去除率是生物濾池進(jìn)氣中氨的累積量(I 與生物濾池出氣中氨的累積量(O 比值的百分?jǐn)?shù)12,即

12、:(100%I O R I=×式中 R 生物濾池對氨的累計(jì)去除率,%;I 生物濾池進(jìn)氣中氨的累積量,mg/h ;O 生物濾池出氣中氨的累積量,mg/h 。 在第二部分VOCs 成分試驗(yàn)中,在生物濾池去除臭氣試驗(yàn)運(yùn)作26 d 后,在進(jìn)氣和出氣采樣口用已抽真空的氣體采樣罐各取一個(gè)樣,做VOCs 的分析測定。采用氣質(zhì)聯(lián)用儀(Agilent 5973N 測定臭氣中的VOCs 濃度,預(yù)濃縮系統(tǒng)為Entech 7100,化合物的檢索譜庫為Wiley 譜庫。同時(shí),以硼酸吸收瓶采集、測定進(jìn)入生物濾池以及經(jīng)其處理后的生物濾池出氣中的氨氣濃度,吸收時(shí)間為60 min 。 2 結(jié)果與分析2.1 生物濾池參

13、數(shù)優(yōu)化1生物濾池填料的篩選15經(jīng)2輪對填料組成的篩選試驗(yàn),結(jié)果表明:填料組成為樹皮/堆肥的生物濾池對氨的去除效果最好,木炭/堆肥填料組合次之,陶粒/堆肥組合最差。說明在處理雞糞堆肥臭氣時(shí),使用樹皮作填充材料與雞糞堆肥組成生物池填料,要比其他參選的填充材料具有更好的氨去除效果。2填料層高度對生物濾池氨去除能力的影響以樹皮和堆肥組成填料、填料初始含水率為50%以及氣體停留時(shí)間68.4 s 為基礎(chǔ),比較了40、50和60 cm 共3個(gè)不同填料高度的生物濾池對氨去除能力的影響,結(jié)果如圖2所示。3個(gè)不同填料層高度生物濾池對氨的去除效果都相當(dāng)理想,50 cm 和60 cm 的生物濾池氨的去除率達(dá)100%,

14、40 cm 的稍差但也可達(dá)92.16%。以上結(jié)果表明,保持停留時(shí)間(68.4 s不變,增加生物濾池填料的高度能夠獲得更好的去除效果。但是由于生物濾池填料的高度增加,底部填料受到的壓力就會(huì)增大,因此會(huì)造成更大的壓力降。綜合考慮認(rèn)為,本試驗(yàn)條件下50 cm 的填料層高度最為合適。圖2 填料層高度對生物濾池氨去除能力的影響 Fig.2 Impact of medias height on ammonia cumulativeremoval rate of biofilter3填料初始含水率對生物濾池氨去除能力的影響 以樹皮和堆肥組成填料、填料層高度50 cm 及氣體停留時(shí)第1期陸日明等:生物濾池填料

15、及工藝參數(shù)去除雞糞堆肥臭氣效果研究 243間68.4 s為基礎(chǔ),比較了40%、50%和60% 3個(gè)不同填料初始含水率的生物濾池對氨去除能力的影響,結(jié)果如圖3所示。結(jié)果顯示,填料初始含水率為60%的效果最好,氨累積去除率為80.33%;50%的次之,40%的最差。填料的含水率在40%60%范圍內(nèi)時(shí)濾池內(nèi)生物濾膜的性能較為穩(wěn)定15,16,因此試驗(yàn)中各濾池的氨去除率相當(dāng)。生物濾池填料的含水率還間接地影響生物濾池的壓力降,這是因?yàn)殡S著含水率的增加,填料的空隙度隨之降低,從而增加生物濾池的壓力降。綜合考慮,在保證生物濾池對氨有較好去除能力的同時(shí),盡量減少生物濾池的壓力降,故在以后的試驗(yàn)中以50%的填料初

16、始含水率運(yùn)行。 圖3 填料初始含水率的生物濾池對氨累積去除率的影響 Fig.3 Impact of initial moisture content of the mediaon ammonia cumulative removal rate of biofilter4生物濾池停留時(shí)間的選擇以樹皮/堆肥作為生物濾池填料、填料層高度50 cm以及填料初始含水率為50%,試驗(yàn)中采用了3個(gè)不同停留時(shí)間: 68.4 s, 90.0 s和131.5 s。在不同停留時(shí)間下的氨去除率見圖4。從圖4可知,停留時(shí)間為68.4 s時(shí),生物濾池對氨的累計(jì)去除率為78.05%,另外兩個(gè)生物濾池對氨的去除率均為100%

17、。眾所周知,生物濾池的停留時(shí)間長短決定了生物濾池的處理負(fù)荷,停留時(shí)間越長污染負(fù)荷則越低,從而可以實(shí)現(xiàn)更好的去除效果。但是在生物濾池高度確定后,停留時(shí)間越長生物濾池所需的截面積就越大,結(jié)果導(dǎo)致建設(shè)生物濾池所需的費(fèi)用增加。因此,選擇90.0 s這個(gè)停留時(shí)間作為試驗(yàn)中最優(yōu)的停留時(shí)間。 圖4 氣體停留時(shí)間對生物濾池氨累積去除率的影響Fig.4 Impact of air detention time on ammonia cumulativeremoval rate of biofilter2.2 生物濾池進(jìn)氣和出氣中的VOCs成分分析采集GC-MS樣品的同時(shí),使用硼酸吸收法測得的生物濾池進(jìn)氣中的氨氣

18、濃度為1713.92 mg/m3,出氣中的氨濃度為0,即生物濾池對氨氣的去除率為100%。氣樣采集時(shí)堆肥的堆體中心溫度約為70。使用專用的氣體采集罐采集到的兩個(gè)氣體樣品,利用GC -MS進(jìn)行VOCs成分分析。圖5和圖6分別是生物濾池進(jìn)氣及出氣的總離子流(TIC譜圖,堆肥臭氣的成分比較復(fù)雜,相當(dāng)一部分化合物在Wiley譜庫中檢測不出,檢測到的化合物及其各自的濃度列于表2。從表2可以看出,未經(jīng)生物濾池處理的堆肥臭氣中有25種有機(jī)組分可以通過譜庫檢測得到,而經(jīng)過生物濾池處理后的氣體樣品只有5種,分別是Benzene、Toluene、Ethyl benzen、(m+p-xylene和o-xylene,

19、生物濾池對這5種化合物的去除率分別為64.27%、88.40%、97.41%、98.98%及99.05%。生物濾池對堆肥臭氣中VOCs的總?cè)コ蕿?8.38%,去除效果良好。表2 氣體樣品VOCs氣質(zhì)聯(lián)用分析結(jié)果Table 2 GC-MS results of odor samples of VOCs編號(hào)化合物名稱處理前樣品濃度/ µg·m-3處理后樣品濃度/ µg·m-3去除率/ %1 COS(碳酰硫 28.11 0.00 1002 TMA(三甲胺 13021.01 0.00 1003 Propanal(丙醛 1494.3 0.00 1004 DMS(

20、二甲基硫 23.21 0.00 1005 CS2(二硫化碳 22.21 0.00 1006 DMDS(二甲基二硫化物 73.17 0.00 1007 2-Butanone(2-丁酮 414.67 0.00 1008 N,N-dimethyl-2-Pronanamine 107.66 0.00 1009 Benzene(苯 197.95 70.73 64.2710 Pentanal(戊醛 1457.16 0.00 10011 2-methyl-Butanol(2-甲基-丁醇 1993.66 0.00 10012 Toluene(甲苯 2507.06 290.74 88.4013 3-methyl

21、-1-Butanal(3-甲基-1-丁醛 84.99 0.00 10014 2-methyl-1-Butanal(2-甲基-1-丁醛 115.56 0.00 10015 Ethyl benzene(乙基苯 77.89 2.02 97.4116 (m+p-xylene 112.621.1598.9817 o-xylene(鄰二甲苯 109.24 1.04 99.0518 i-Propylbenzene(異丙基苯 5.77 0.00 10019 Propylbenzene(丙基苯 343.96 0.00 10020 m-Ethyl toluene(間乙基甲苯 104.99 0.00 10021 p

22、-Ethyl toluene(鄰乙基甲苯 44.86 0.00 10022 o-Ethyl toluene(對乙基甲苯 36.09 0.00 10023 1,3,5-trimethylbenzene(1,3,5-三甲苯 51.77 0.00 10024 1,2,4-trimethylbenzene(1,2,4-三甲苯 120.01 0.00 10025 1,2,3-trimethylbenzene(1,2,3-三甲苯 39.17 0.00 100 總計(jì)22587.09 365.68 98.38注:表中各化合物編號(hào)與圖5和圖6中標(biāo)注的對應(yīng)。圖5和圖6分別是堆肥臭氣經(jīng)生物濾池處理前后的VOCs總離

23、子流(TIC譜圖。從兩圖可以看出堆肥所產(chǎn)生的臭氣組成相當(dāng)復(fù)雜,含有多種有機(jī)化合物,但是經(jīng)過生物濾池處理后排放的氣體組成明顯減少,而且濃度都相對較低。本次試驗(yàn)采樣的堆肥臭氣中氨濃度為1713.92 mg/m3,各種檢測到VOCs的濃度總和為22.59 mg/m3,可知氨在堆肥臭氣所含的各惡臭物質(zhì)(VOCs及氨中所占的比例為98.70%。244 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2008年 圖5 堆肥臭氣總離子流色譜圖Fig.5Total ion chromatograms of odor from composting 圖6 生物濾池出氣的總離子流色譜圖Fig.6 Total ion chromatograms o

24、f odor treated by biofilter3 結(jié) 論本研究采用腐熟雞糞堆肥作為生物濾池的填料,處理雞糞堆肥臭氣,考察了生物濾池對氨的累計(jì)去除效果,研究了填料組成、填料層高度、填料初始含水率以及停留時(shí)間等因素對氨累計(jì)去除率的影響,同時(shí)考察了以試驗(yàn)得到的最佳參數(shù)運(yùn)行的生物濾池對雞糞堆肥臭氣中的VOCs 的去除效果,得出如下結(jié)論:1生物濾池在處理雞糞堆肥臭氣時(shí),最佳的工藝參數(shù)為:以腐熟雞糞堆肥和樹皮組成填料、填料層高度為50 cm 、填料初始含水率為50%以及停留時(shí)間為90.0s 。2生物濾池對堆肥臭氣中VOCs 的總?cè)コ蕿?8.38%,去除效果良好;經(jīng)過處理后的堆肥臭氣VOCs 的化

25、合物組成明顯減少、濃度也大為降低;比較氨和VOCs 的總濃度發(fā)現(xiàn),氨所占的比例達(dá)98.32%,說明用氨濃度來表示容器式雞糞堆肥的臭氣濃度具有可行性。參 考 文 獻(xiàn)1 楊毓峰,薛澄澤,唐新保,等.畜禽廢棄物的強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)堆肥化處理及其生物學(xué)效應(yīng)J.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2000,19(4:209-212.2 賀 琪,李國學(xué),張亞寧. 高溫堆肥過程中的氮素?fù)p失及其變化規(guī)律J.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005,24(1:169-176.3黃懿梅,曲 東,李國學(xué).調(diào)理劑在雞糞鋸末堆肥中的保氮效果J.環(huán)境科學(xué),2003,24(2:155-160.4黃懿梅,曲 東,李國學(xué),等.兩種外源微生物對雞糞高溫堆肥的影響J.農(nóng)業(yè)

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31、e air pollutioncontrol technology for VOC emissionsJ. Air & Waste Manage. Assoc, 1991, 41(8: 1045-1054. 16 Swanson W J, Loehr R C. Biofiltration: fundamentals, design andoperations principles, and applicationsJ. Environ Eng, 1997,123(6: 538-546. Effects of biofilter media and operating parameter

32、s on biofiltrationof odor from chicken manure compostingLu Riming1,2, Wang Dehan1, Xiang Qianbin1, Chen Guangyin1, Liao Zongwen1(1. Department of Environment Science and Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China;2. Environmental Protection Industry and Commerce(ETEC H

33、ead Co. Guangzhou, Guangzhou 510030, ChinaAbstract:In-vessel system was used to compost chicken manure, and mature chicken manure compost was applied as the media of biofilter to study the removal of odor emission. The composting reactor was made from an iron drum which had a cubage of 60L. The odor

34、 from the composting system passed through the three biofilters from their bottoms. Biofilter was made from a PVC tube which was 1 m high and had an inner diameter of 11 cm. In order to gain the optimal operating parameters of biofilter, and the authors seleced the assemblage, height, initial moisture content of the media and air detention time of biofilter to study. And whats more, the property change of biofilter media durin

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