生物除臭技術在畜禽場臭氣處理中的應用研究進展

廖 超,程金花*,王學敏,付言峰,李碧俠,任守文,徐小波,應詩家,涂 楓,戴超輝

(1.江蘇省農業科學研究院畜牧研究所,江蘇南京 210014;2.農業農村部種養結合重點實驗室,江蘇南京 210014;3.江蘇省農業種質資源保護與利用平臺,江蘇南京 210014;;4.江蘇省畜禽精準育種工程研究中心,江蘇南京 210014)

近年來,在各類穩產保供政策的激勵下,越來越多的超大型集約化規模化養殖場的崛起與運營導致養殖場周邊的臭氣污染愈加嚴重[1],從而致使養殖場周邊的空氣質量惡化,嚴重影響居民生活,干擾經營性活動。集約化畜禽場的臭氣排放對環境和人類健康的危害引發越來越多的關注。臭氣中有氨氣等含氮化合物、硫化氫和硫醇等含硫化合物、有機酸、醛和碳氫化合物[2],對人體健康存在一定影響,易造成頭痛、呼吸困難、惡心嘔吐等身體不適癥狀[3]。

臭氣處理的方法有多種,其中生物法不僅除臭效率高、成本低,而且基本上不產生二次污染,因此在畜禽養殖過程應用較廣。該研究在綜述不同生物法除臭技術原理的基礎上,對影響除臭性能的主要因素(填料、pH、營養、溫度、微生物)進行分析,總結新型生物除臭技術及設備的研究進展,并對今后生物法處理臭氣的發展趨勢進行了展望。

1 生物除臭技術

生物除臭技術的基本原理是利用微生物氧化降解作用,將惡臭物質降解為O2、H2O、N2、硝酸鹽、硫酸鹽和有機物等無害物質[4]。與傳統的物理化學方法相比,生物法具有處理效果好、工藝簡單、操作方便、運行穩定、投資運行成本低、能耗少、無二次污染等諸多優點[5],尤其是在處理低濃度(<1 000 mg/L)、易被微生物降解的有機廢氣時,更具有明顯的優越性[6]。目前,常見的生物除臭技術大致有3種,即生物過濾法、生物滴濾法和生物洗滌法[7]。

1.1 生物過濾法生物過濾法的工藝流程如圖1所示,惡臭氣體進入吸收室(微生物/填料床復合物),由填料床吸附惡臭物質,然后通過填料床表面的微生物降解惡臭物質,使惡臭氣體得到凈化[8]。生物過濾法在國外有著長時間和大規模的研究和論證,具有運行費用低和結構簡單的優點,適用于處理低濃度臭氣[9]。填料一般是活性炭、珍珠巖、土壤等具有吸附性的材料。早期的填料床以木屑、堆肥和廢棄生物質等易降解的有機物為主[10]。Tymczyna等[11]以纖維泥炭、粗泥炭、麥秸、堆肥和馬糞的組合作為填料,研究不同時間下生物過濾對NH3的降解性能。初始階段(填充生物填料5 d后),降解效率較低(36%),而經過3個月的生物過濾后,降解效率提高到89%。La Pagans等[12]以土壤作為填料床,對從堆肥過程中排放的氣體中氨氮的去除率接近96%。早期的填料成本低、易獲取,但這些填料在使用過程中自身會降解,導致微生物生長環境惡化,進而使生物過濾的除臭性能下降[13]。為克服這些問題,采用珍珠巖、竹炭和活性炭等難降解材料作為填料,不僅硬度大和強度高,而且還具有支撐作用;竹炭和活性炭屬于多孔碳基材料,具有豐富的官能團,對惡臭污染物具有較高的吸附能力,利于微生物在其表面生長,從而提升生物除臭的穩定性和抗沖擊負荷能力。

圖1 生物過濾法工藝流程Fig.1 Biofiltration process flow

1.2 生物滴濾法生物滴濾法即填充塔型脫臭法,生物滴濾法的工藝流程見圖2,其除臭過程是臭氣進入吸收室,富含微生物的營養液從頂部噴淋下來,并逐步流過吸收室,惡臭物質在生物吸收室內被微生物降解[14]。吸收室內填料層為微生物的生長提供必要的附著表面,一般采用無機惰性材料,如開孔合成的塑料,因此可以保持長期的穩定性,同時多孔結構能緩解填料層的堵塞問題[15]。在吸收室內,通過不斷循環含有微生物的營養液來降解惡臭物質。一部分惡臭物質被填料層中的微生物直接降解,另一部分則溶解在營養液中。惡臭物質降解過程中會有微量元素積累,影響微生物的活性。因此,營養液需定期更換。

圖2 生物滴濾法工藝流程Fig.2 Process flow of biological trickling filtration method

相較于生物過濾法,生物滴濾法的優勢在于通過頂部噴淋裝置可自主調節營養液的各類指標(如微生物種類和pH),使除臭性能更加高效穩定。

生物滴濾法有利于水溶性物質的降解,對于養殖場產生的親水性臭氣,如硫化氫、氨和苯系列,具有更好的降解性能[16]。

1.3 生物洗滌法生物洗滌法的工藝流程如圖3所示。臭氣進入吸收室,吸收室頂部噴淋出活性污泥懸浮液,活性污泥富含豐富微生物,惡臭物質在吸收室被微生物降解,使用后的活性污泥進入生化池,經曝氣和添加營養液后,活性污泥可再生利用[17]。生物洗滌法的優點是通過活性污泥的再生處理后可循環使用,使除臭性能穩定高效[18]。該方法能夠較好地去除含氨、酚、乙醛等惡臭氣體,但對含硫的惡臭物質處理效果不明顯。

圖3 生物洗滌法工藝流程Fig.3 Process flow of biological washing method

在生物洗滌法的應用中,為便于惡臭物質從氣相向液相傳輸,其內部常采用氣液逆流或交叉流的方式來增加傳質面積[19]。使用后的活性污泥進入生化池,需添加營養液和曝氣處理再生。生物洗滌法在降解混合污染物時,其降解性能較差。因此,后續研究對生物洗滌法的結構進行了優化,如增加多級生物洗滌處理模塊,針對不同成分的污染物進行多級處理,從而達到提高降解性能的目的[20]。生物洗滌法除具有無二次污染、能耗低的特點外,還具有壓降小、運行穩定、pH可控等優點。pH的穩定控制對H2S等酸性氣體的降解也有增強作用[21]。

2 影響生物法除臭性能的主要因素

2.1 填料填料作為支撐材料,也是微生物生長的載體,其性能直接影響除臭效率[22]。填料一般選用有機或無機材料,如木屑、泥炭,分子篩等。挑選填料時,應注意以下幾點[23]:具有較大的比表面積,利于微生物在其表面附著生長;多孔性,利于氣流傳輸和控制壓降;持水性好,保持填料床的濕度;成本低,易獲取。早期的活性土壤填料富含有機質和微生物,能吸附降解有機污染物。通過與珍珠巖、黑炭的混合,對豬場主要惡臭物質(NH3、H2S)的去除率高達95%[24],而土壤在使用過程中因為微生物流失而板結的問題也較為突出,需要定期更換土壤過濾床。因此,為延長填料的使用壽命,常采用火山巖、竹炭和活性炭等無機惰性材料,這些惰性材料在使用過程中比表面積、強度和硬度和孔隙率基本保持不變,為微生物的生長提供了穩定的環境[25]。

2.2 pHpH是影響微生物活性的重要因素。根據不同的菌種,需要適當調節pH,細菌和放線菌的適宜pH為7～8,pH過高或過低都會影響微生物的活性[26]。

在微生物對含硫、氮等化合物降解氧化的過程中,往往會產生酸類物質,降低填料床的pH,導致微生物的活性受限,進而影響對惡臭物質的去除效果[27]。針對微生物生長環境酸化的現象,不同填料的緩沖能力不同。Kennes等[28]研究了不同填料的緩沖能力,結果表明土壤的緩沖能力最好、堆肥次之,泥炭本身是酸性的,緩沖能力最差。在pH沒有調控的情況下,生物法的降解能力通常隨著pH的減小而降低。

2.3 溫度溫度主要影響微生物的活性,從而影響生物除臭性能。一般而言,在適宜的溫度范圍內才能使微生物的活性最大,而不同微生物的最適生長溫度不同[29]。Stetter[30]根據不同微生物的最適生長溫度對其進行分類:嗜冷微生物(<20 ℃)、嗜溫微生物(25～40 ℃)、嗜熱微生物(40～65 ℃)、極端嗜熱微生物(65～80 ℃)、超嗜熱微生物(>80 ℃),因此要注意溫度與微生物的協同。徐桂芹等[31]研究表明,在2～8 ℃的低溫條件下,嗜冷微生物(亞硝化菌)對H2S和NH3混合氣體的降解率可達99%。Ryu等[32]研究指出,在60 ℃、停留時間為1.2 min的條件下,嗜熱微生物(硫氧化菌)對H2S的去除率可達到95%。

2.4 營養生物法除臭應用中,營養物質是維持微生物生長、代謝和良好活性的重要保障[33]。微生物生長所需微量元素包括氮、磷、鉀等,其中氮占比最高,因此目前對營養物質的研究主要集中在氮源。惡臭物質降解后產生的有機物構成微生物生長所需氮源。Gribbins等[34]研究表明,當氮源和碳源滿足一定比例且不小于1%時,才能達到最佳的降解效果。為達到好的降解效果,當氮碳比不滿足要求時,可通過適當添加微量元素進行調節。Acuňa等[35]研究發現,在較高的營養濃度下,微生物細胞密度較高、鹽晶體和胞外聚合物形成度較高,而在較低的營養濃度下,細胞密度較低。這項研究結果證實了在啟動和長期運行期間,營養液濃度對微生物活性的重要性。營養物濃度過大也會引起微生物增長過快,導致填料床堵塞。因此,采用間歇提供營養物質的方式能使其保持在適宜的濃度。

2.5 微生物惡臭物質的降解由微生物完成,多為異氧型微生物,以細菌為主,其次是真菌、放線菌,另外還可能有更高等的生物(蠕蟲、線蟲)[36]。微生物的種群結構和生物多樣性取決于污染物的種類,如果含有的污染物的種類只有一種,微生物種群就比較單一;相反,若降解多種成分的惡臭污染物,則需要微生物的種類也更多[37]。堆肥、土壤等本身含有豐富的微生物,一般不需要進行接種。許多研究者更偏向于利用填料中土著微生物,經過一段時間的馴化,篩選出優勢菌種,用于降解惡臭污染物。

3 新型生物除臭技術及裝備

新型生物除臭技術及裝備的基本原理依然是利用微生物進行降解,但在設備結構上根據原有缺陷作出一系列創新,其中最為典型的代表有旋轉生物過濾器和膜生物反應技術。

3.1 旋轉生物過濾器旋轉生物過濾器的結構如圖4所示。旋轉生物過濾器的外殼是封閉的不銹鋼容器,內部是旋轉盤,轉盤上設有進氣系統,容器下部裝有營養液,運行時馬達帶動轉盤轉動,出氣口在中間軸心位置。與傳統生物除臭技術相比,旋轉生物過濾器的填料部分可旋轉,克服營養液、污染物負荷、生物膜等分布不均的缺點[38]。

圖4 旋轉生物過濾器結構示意Fig.4 Schematic diagram of rotating biological filter structure

旋轉生物過濾器對惡臭物質的降解效率取決于轉速、水力停留時間、生物膜的特性以及溶解氧水平[39]。生物轉盤的轉速快慢決定著反應槽內氧溶解度的高低。水力停留時間是指惡臭物質的溶解液在轉盤上的停留時間,當停留時間過短時,溶解液對生物膜形成沖擊,不利于生物膜的生長,降解率達不到最優,因此存在水力停留時間的優化問題。

大量學者對旋轉生物過濾器的性能開展了研究,Padhi等[40]采用海綿作為支撐介質,研究對氣態苯的降解性能。初始階段,苯在低流動速率[8 g/(m3·h)]下的降解率為90%,而當苯流動速率升高到69 g/(m3·h)時,去除率降至59%。因此,旋轉生物過濾器適用于降解低流速的苯。Datta等[41]研究旋轉生物過濾技術對揮發性有機物的降解性能,在90 d的試驗中,當流動速率在0～480 g/(m3·h)時,甲基乙基酮的去除率為100%,當流動速率為508 g/(m3·h)時,去除率降至75%。可見,流動速率在一定范圍內時,具有較高降解率,超過上限后降解率隨之下降。

3.2 膜生物反應技術膜生物反應技術在生物降解的基礎上增加了膜分離技術,作為一種替代傳統生物反應器處理廢氣的方法,由于其提供了較大的氣液界面和良好的傳質條件,非常適合去除臭氣中的疏水性污染物。通過膜的篩選,可允許目標污染物選擇性地通過[42]。

如圖5所示,膜材料表面有一層生物膜,當惡臭污染物通過膜材料后,被生物膜降解。一般來說,污染物(作為碳源)和氧氣是從氣相提供給生物膜的,而營養物質和水是通過液相提供的。膜材料作為氣液相的界面,為惡臭污染物的降解提供微生物生長的支持。污染物在膜材料上的擴散是由氣相和生物膜之間的濃度差驅動的。傳質的驅動力取決于污染物在液相中的減少濃度,因此膜生物技術的除臭性能很大程度上取決于微生物種群活性[43]。

圖5 膜生物技術傳質示意Fig.5 Mass transfer diagram of membrane biotechnology

目前使用的膜材料主要有2種,即致密膜和微孔膜。與其他類型的生物反應器相比,膜生物反應技術可以形成一個額外的屏障進行傳質。致密膜無氣孔,惡臭污染物溶解于液相并通過聚合物材料擴散到生物膜進行降解,因此對親水性惡臭污染物的降解效果較好。致密膜的滲透性較低,通過選擇合適的膜材料可以達到選擇性滲透的目的。微孔膜由疏水材料構成,具有多孔結構,通常含有30%～85%的孔隙空間。它可以提供更高的氣體滲透性,因此可以用于疏水性氣體的傳輸。在大尺寸的孔隙中,微生物可能會在孔隙處生長富集,并造成堵塞的風險,而較小的孔隙則會阻止微生物通過,保持氣體的通透性[43]。可結合致密膜和微孔膜的特性,開發復合膜進行應用。

Fitch等[44]報道了不同膜材料(如二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯等)對苯、己烷、丙酮、甲苯、檸檬烯和二甲苯、己烷的降解效果,試驗在相當低的污染物濃度下進行,不同的膜材料的降解率均超過95%。

膜生物反應技術目前僅停留在實驗室研究或中試階段,且有關膜生物反應技術處理臭氣的研究主要集中于單一污染物,在畜禽場的實際應用中,臭氣成分復雜,其適用性也有待進一步研究。

4 總結

近年來,應用生物除臭法去除畜禽場惡臭氣體取得了不錯的效果,但不同處理技術在實際應用過程中還存在諸多局限,需要針對畜禽場規模及臭氣成分進行不同影響因素及技術的組合,達到處理效果的最佳平衡,更需要兼顧相關處理技術在實踐中的適用性和經濟可行性。

(1)隨著環境政策的收緊、居民關注度的提高、養殖效益的持續低迷,對臭氣處理的技術要求和經濟適用性也越來越嚴格。傳統生物除臭法各有優缺點,應該根據養殖場惡臭化合物的類型和濃度及處理要求來選擇合適的生物除臭法。在大規模養殖下,臭氣濃度高,應將生物滴濾法或者生物洗滌法作為首選,而中小規模場可選用生物過濾法。同時,根據惡臭化合物的親疏水性及復雜程度,也需要考慮不同生物除臭技術的組合,以達到最佳的處理效果。

(2)填料、pH、溫度、營養和微生物是影響系統穩定性和除臭性能的主要因素。填料分為有機和無機2種,在使用過程中需要從用料成本、更換周期、除臭效果等多方面進行綜合考慮。pH、溫度、營養都可為微生物生長提供適宜條件。在畜禽場的除臭應用中,臭氣成分往往復雜多變,需要多種微生物共存。為滿足不同微生物的生長條件,同時考慮達到最佳的降解效果,需要取pH、溫度、營養條件的交叉區間,進行綜合平衡。

(3)新型生物除臭技術在設備結構和膜組件上作出了優化和創新,其基本原理依然是微生物降解除臭。旋轉生物過濾器在結構上使填料床可旋轉,有利于生物膜的均勻分布。膜生物反應技術能有選擇性地降解污染物。以上提到的傳統和新型生物除臭技術都屬于末端除臭技術,而除臭工藝也需要從源頭上減少污染物的排放。例如優化飼料配方,減少糞便中氨、氮化合物的含量,從源頭上減少污染物的排放。將除臭技術做到首尾結合,使臭氣對環境的污染減小到最低。