生物濾池去除污水處理廠臭氣的應用及展望

韓力超，劉建廣，羅培

(山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南250101)

0 引言

隨著人們對環境問題的日益重視，越來越多的污水處理廠被應用到市政污水處理中，雖然使水污染狀況在一定程度上得到了緩解，但隨之產生的問題也接踵而至。污水廠產生的惡臭氣體不僅腐蝕金屬材料、設備和管道，還嚴重影響到了周邊居民的生活，已成為當今世界七種典型公害之一［1］。因此，對污水處理廠產生的臭氣進行處理已迫在眉睫。利用生物法處理惡臭氣體較早的報道是在1957年，20世紀70年代初歐洲科學家開始了這方面的理論和應用研究;80年代荷蘭和德國利用微生物處理惡臭氣體取得了很好的效果，我國90年代初期才開始進行這方面的研究［2］。近年來，生物法以其能耗低、裝置簡單、無二次污染等優點，被廣泛應用于污水處理廠的惡臭氣體治理中［3－4］。其中，生物濾池工藝作為一種安全可靠的處理方法應用最為廣泛，在國際上被譽為治理空氣污染的綠色解決方案。

1 惡臭氣體的成分及來源

GB14554—93《中華人民共和國國家標準—惡臭污染排放標準》將惡臭定義為:一切刺激嗅覺器官引起人們不愉快及損壞生活環境的氣體物質。污水處理廠產生的臭氣成分復雜多樣，主要包括蛋白質、脂肪、碳水化合物和微生物呼吸、發酵過程的產物及不完全產物［5］。目前，人們按照氣體化學組分的不同大致分為5類:(1)含硫化合物，如硫化氫、硫醇類、硫醚類;(2)含氮化合物，如氨、胺類、酰胺、吲哚類;(3)鹵素及衍生物，如氯氣、鹵代烴;(4)烴類，如烷烴、烯烴、炔烴及芳香烴;(5)含氧有機物，如醇、醛、酮、有機酸。其中以硫化氫、氨氣、硫醇和揮發性脂肪酸為惡臭氣體主要代表。

城市污水處理過程中，會在泵房、曝氣池、沉淀池、厭氧池和污泥處理區等區域產生含有多種惡臭污染物的臭氣［6］。污水處理廠的臭氣大致上由污水處理系統和污泥處理系統兩部分產生，主要來自有機物的分解過程。主要臭氣源產生原因及相對污染程度見表 1［7］。

表1 污水處理中的臭氣源

2 生物濾池工藝概況

2.1 除臭原理

2.2 除臭裝置及流程

生物濾池除臭工藝一般由四部分組成:氣體收集輸送系統、加濕保溫系統、生物過濾系統和檢測控制系統。其整個除臭過程的工藝流程如圖1［10］。

圖1 生物濾池除臭工藝流程圖

2.3 影響因素

2.3.1 溫度

溫度是影響微生物活性的重要因素，生物濾池內的氧氣含量一般在0.2～1.0mg/L，微生物進行好氧呼吸，所適應的溫度范圍相對較大，操作溫度一般維持在微生物的最佳溫度范圍內，即25～35℃。較低的溫度雖然有利于臭氣中的污染成分被填料表面的生物膜吸收，但會影響微生物的生長。一般而言，在適宜的生長范圍內，微生物的生長速率會隨溫度的升高而升高，對惡臭氣體的去除效率也相應的升高［11－12］。所以需采取保溫措施，特別是北方寒冷地區，應使空氣溫度維持在一定范圍內，以確保微生物的良好生長。

2.3.2 濕度

從除臭過程來看，臭氣中的污染物首先要溶解于水中，才能被微生物吸收降解。適宜的濕度對除臭系統的正常運行非常重要。濾池前增設加濕器對進氣進行濕潤能夠提高傳質效率，防止濾料層風干。［13－15］水分過多會降低傳質效率，并增大氣體穿過的阻力，甚至導致局部厭氧而影響除臭效率。水分過少則會影響氧在水中的溶解和微生物的新陳代謝，使細胞的降解速率減弱，降低整體除臭效率［16］。另外，填料過于干燥也會使得代謝產物不易排出濾池。一般填料濕度范圍在40% ～60%，臭氣相對濕度為80%～90%為宜。

2.3.3 pH 值

生物濾池中微生物新陳代謝與pH密切相關，其中大部分微生物在接近于中性的環境下活性最高。由于臭氣中的H2S、NH3和含氯有機物的氧化分解會產生酸性副產物，導致環境中的pH下降，影響微生物的活性，甚至破壞現有的菌種，降低惡臭物質的去除率，在這種情況下，應添加化學緩沖劑如石灰［17］。劉建偉、馬文林等［18］通過實驗得出，適合H2S降解的最佳pH為強酸性(pH為2左右)和中性(pH為7左右)，而適宜NH3去除的最佳pH為中性(pH為7左右)。

在液壓機構的驅動下(分別是控制力矩τ1和τ2)，其數學模型可以簡化為圖2所示的直角坐標系示意圖，輸送臂可以繞回轉副O和A作轉動。兩臂的長度分別是l1和l2，臂自身的質量分別是m1和m2，液壓元件的質量忽略不計。輸送臂可以看作是一個開鏈式剛性2連桿機構，始端關節固定在基座O上，末端連桿為自由端B，對于輸送臂的運動學要研究兩個主要的問題：建立和求解運動學方程。

2.3.4 停留時間

惡臭氣體的停留時間直接影響其去除效率。由于臭氣被生物膜吸附、吸收及降解都需要一定的時間，所以在理論上停留時間越長，生物濾池的凈化效率越高。但從經濟角度考慮，過長的停留時間會使設備的體積增大，投資成本增加。針對城市污水處理廠產生的臭氣，生物過濾系統停留時間一般為2～ 8.5min［19］。

2.3.5 填料選擇

填料作為微生物的載體，主要分為無機填料(如沙子、碳酸鹽類、玻璃材料、沸石、活性炭等)和有機填料(土壤、堆肥、木屑、聚丙烯小球等)兩大類。由于填料的特性各異，不同的場合應選擇不同的填料。席勁瑛等［20］通過實驗考察了珍珠巖、礦物球、竹片和沸石等填料去除臭氣中H2S性能、壓降變化、持水能力和pH緩沖能力，并分析出其各自的優點。Daryl Letto，Derek Webb 等［21］對生物除臭濾池在加拿大多倫多市Ashbridge’s Bay污水廠污泥處理站的干化和轉運段的應用效果進行了分析，得出了無機濾料相比于有機濾料有顯著的優勢。薛二軍等［22］利用組合填料在生物系統內定向培養除臭微生物，實現了污水處理廠全過程除臭。

2.3.6 濾料壓降

濾料在設備中由于自重作用不斷被壓實，孔隙率不斷降低，氣體通過填料的阻力也不斷增大，所以壓降和能耗也隨之增大。當壓降達到一定數值，應考慮更換濾料。生物濾池的壓力損失一般為400～2000Pa［23］。

2.3.7 營養成分

要保證微生物的正常生長，除碳元素外，氮、磷、鉀等微量元素也必不可少。如果臭氣中的養分不能滿足微生物的生長，需額外投加營養成分。復合填料能夠提供微生物生長所需的營養成分，而若采用惰性填料，可以通過濾池上方的散水裝置為濾池提供營養成分。營養供應的水平對生物濾池啟動及穩定階段的生物活性有很大的影響［24］。

2.3.8 設計負荷

為保證最小的投資，在保持運行穩定的前提下應合理設計負荷。實驗表明，進氣量為500m3/h時裝置基本達到滿負荷運轉，生物工作段主要集中在(300～900)mm區域［25］。城市污水處理廠采用生物濾池工藝處理惡臭氣體的濾料表面負荷一般為30 ～250m3/(m2·h)［26］。

2.4 與其它幾種除臭工藝比較

根據除臭工藝的種類，大致分為生物氧化技術、天然植物液除臭技術、活性氧化技術和高能離子凈化技術等［27］。生物濾池作為一種傳統的生物除臭方法已被廣泛應用于各種污水除臭中。但是隨著科技發展，各種新型除臭技術以其自身優勢正慢慢受到人們的青睞。各種臭氣處理方法技術經濟因素比較如表 2［28］所示。

3 生物濾池工藝的研究及工程應用

生物濾池工藝具有對環境沖擊少，無需化學藥品，沒有二次污染等特點，在國外的研究和應用較為廣泛，如廢水輸送/處理，食品/飲料行業、化學/醫藥行業等。生物濾池除臭法作為研究最多、工藝最成熟的生物除臭方法，已經被廣泛應用于含H2S或NH3惡臭氣體的處理［29］。目前，關于生物濾池工藝處理污水廠惡臭氣體在國內也正在逐漸推廣。

表2 污水臭氣處理方法技術經濟因素比較

生物濾池處理污水廠臭氣特別是去除H2S和NH3有明顯的效果。南方某城市污水處理廠［30］采用生物過濾法對污泥濃縮池和脫水車間的臭氣進行處理。60d的除臭運行結果表明，在H2S和NH3的進氣濃度分別為 0.18 ～2.71mg/m3和 1.93 ～5.95 mg/m3條件下，處理后的 H2S和NH3濃度分別為0.01～0.08mg/m3和 0 ～0.62mg/m3，在除臭系統6m外臭氣濃度均能達到二級排放標準。李慧麗，張建新等［31］對氣體收集系統和生物除臭濾池內的噴淋管路進行了改造，并更換了新型生物填料，結果顯示，H2S的平均去除率從改造前的36.5%提高到62.9%，最大去除率可以達到96.2%;NH3的去除率從28.2%提高到接近100%。在溫度＞20℃、相對濕度＞80%的條件下，生物除臭濾池能夠有比較理想的處理效果。陳杏［32］對廣東佛山溢達污水處理廠生物濾塔工藝的運行狀況進行分析，結果表明，在溫度為22℃，濕度＞95%，pH值為6.6左右且進氣流量及濃度穩定的情況下，生物濾塔的除臭效率可達96%以上，平均凈化效率達85%以上，凈化后的氣體達到《惡臭污染物排放標準》二級標準。王明健，李歆［33］對某已建成并投入運行的污水處理廠生物濾池排放氣體進行監測，H2S的濃度為0.04mg/m3，NH3濃度為1.0mg/m3，即使在冬季，H2S 和 NH3濃度也分別維持在 0.05～0.06mg/m3和 1.20～1.30mg/m3，都達到了國家排放標準。天津塘沽區南排河南岸某污水處理廠［34］設計建設兩套生物濾池除臭工藝，根據其實際運行效果，該工藝對H2S、NH3和臭氣濃度的出去效率分別為93%、90%和90%以上，臭氣處理系統運行穩定。

近幾年，國內多家污水處理廠也相繼采用生物濾池工藝去除污水廠臭氣。深圳市羅芳污水處理廠［35］二期工程厭氧池除臭設備采用生物濾池，填料采用有機生物填料，系統設計風量2萬m3/h，過濾流速143m/h，填料高度 1.4m，濾池壓力損失 ＜500Pa。經過測試，除臭效果完全滿足設計要求，除臭效率＞90%。成都市沙河污水處理廠［36］對全廠5處臭源進行收集采用生物濾池處理，臭氣處理后符合GB3095—1996《環境空氣質量標準》規定的二級排放標準;脫臭生物濾池系統，采用集中脫臭玻璃鋼生物濾池裝置一套，分獨立2格，Q=70000m3/h，過濾面積414m2，配套采用隔音罩隔音離心風機一臺;處理后尾氣20m高空管道集中排放。無錫市城北污水處理廠［37］二期工程中的厭氧池除臭工藝采用生物濾池，單座水解池平面尺寸為56.0m×33.6 m，密封罩平均凈高為0.5m，除臭空間約為1900m，換氣次數為2次/h，設計除臭風量為4000m3/h(1.12m/s)。加濕區與生物濾池組成一體式裝置。此外，青島市團島污水處理廠、泉州市北峰污水處理廠、泉州市城東污水處理廠、珠海吉大水質凈化廠、秦皇島市綠港污泥處理廠等均采用生物濾池工藝除臭。

4 結語

隨著人們生活環境質量的提高，生物濾池工藝作為一種新型臭氣處理技術具有投資適中、填料構造簡單、操作方便、無需液體循環系統等優點，已越來越多的應用于污水處理廠。但是，目前國內對這項技術的研究應用尚處于起步階段，還有許多問題亟待解決。

(1)微生物菌種有待優化。微生物是生物濾池除臭系統的核心部分，除臭效果與微生物的質量有著直接的聯系。要進一步提高生物濾池的除臭性能，需篩選和馴化更適合分解特定惡臭氣體的微生物菌種。

(2)開發經濟有效的填料。微生物在惡臭氣體處理實際工程中應用效果的優劣，與所用填料有密切的關系。填料是微生物生長的重要場所，是制約生物除臭技術進一步發展的關鍵。

(3)研究脫臭的深層機理。目前生物脫臭的深層機理尚不明確，尤其對高濃度的惡臭氣體、復雜的混合氣體處理還有待研究，對微生物脫臭深層機理的研究有助于指導工藝的設計和運行。

(4)改良裝置設備和工藝模式。臭氣有時會在過氣斷面上分布不均勻，甚至出現短流;降雨、加濕不當和填料自重也會造成填料孔隙堵塞，使通透性變差;臭氣收集后濃度提高，臭氣中的酸性物質會對鋼制件造成腐蝕;寒冷地區易受冰凍影響等。為提高除臭效率，改良裝置及模式已成當務之急。

(5)去除率與工藝參數需定量化。各種工藝參數對除臭效果有不同程度的影響，但每個影響因素對除臭效果還沒有一個定量的關系，因此應加強它們之間的定量化研究。

根據以上問題，應在現有技術基礎之上不斷改進，揚長避短，加快研究和發展新型惡臭氣體處理技術，如生物滴濾池和生物濾床等。綜合經濟因素，采用組合法會更加經濟有效，如:植物提取液—生物濾床，生物滴濾塔—活性炭吸附等組合技術，節約成本，提高除臭效率。生物濾池處理高濃度惡臭氣體、復雜的混合氣體的研究將成為今后惡臭處理研究的熱點。

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