生物法組合工藝在餐廚垃圾處理廠廢氣治理中的應用研究

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雜污染物[1]。兩類物質(zhì)都會產(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)合應用，有針對性地對兩類污染物質(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、運行費用高、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的問題。

1.2 研究內(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，探究新工藝對餐廚廢氣中不同污染物的去除效率，推測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，進而推測廢氣降解規(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)最佳運行參數(shù)，為后續(xù)研究學者提供一定的數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

2 項目概況及試驗條件

2.1 項目概況

本項目在深圳光明區(qū)某餐廚垃圾處理廠進行，該廠日處理垃圾量100～110 t，餐廚垃圾成分復雜，有機物一般以蛋白質(zhì)、脂肪與多糖類（淀粉、纖維素等）有機物形式存在，有機物在發(fā)酵、腐爛、分解過程中，會逐漸產(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，使大分子有機物分解，將有機物中的氮和硫轉(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，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，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、負壓收集，避免臭氣外溢，并對收集臭氣進行除臭處理，阻止臭氣對廠區(qū)周邊大氣污染。

2.2 試驗裝置及方法

2.2.1 試驗裝置

本實驗裝置采用三級生物滴濾塔串聯(lián)的方式，對廢氣進行處理。各級塔體的停留時間、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 為代表的有機廢氣，因PP多面球粒徑較大且空隙率較高，在實際處理廢氣過程中，微生物不容易過度生長導致填料層堵塞，3#塔體主要去除以硫化氫為代表的無機廢氣及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），分別對深圳某餐廚垃圾處理廠進氣廢氣成分和本試驗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 測試后，利用NIST14 數(shù)據(jù)庫進行檢索[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，分別加入三級生物滴濾塔底部水箱內(nèi)，加入比例為1∶3∶3，然后開啟風機和各級循環(huán)水泵，連續(xù)運行7 d 后，系統(tǒng)運行達到穩(wěn)定。控制進氣量20 000 m3/h，循環(huán)水泵噴淋速率40 m3/h，考察除臭系統(tǒng)對H2S 的去除效率，從圖1 中可以看出，餐廚行業(yè)硫化氫進口體積分數(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H2S 的去除效果較好。

控制進氣量20 000 m3/h，循環(huán)水泵噴淋速率40 m3/h，考察各級生物滴濾塔分別對硫化氫的去除效率，從圖2 中可以看出，H2S 的去除主要集中在第二級和第三級，而第一級對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和第三級生物滴濾塔中，為該塔體內(nèi)的優(yōu)勢菌群。

圖2 各級生物滴濾塔對H2S 去除效率分析圖

3.2 VOCs 去除效果分析

控制進氣量20000m3/h，循環(huán)水泵噴淋速率40m3/h，考察除臭系統(tǒng)對VOCs 的去除效率，從圖3 中可以看出，當進口VOCs 質(zhì)量濃度在5～25 mg/m3時，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VOCs 的去除效果較好并可長期持續(xù)穩(wěn)定運行。

圖3 VOCs 總?cè)コЧ治鰣D

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

圖4 各級生物滴濾塔對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、生物共同反應的復雜反應，目前公認的兩種理論分別為荷蘭學者Ottengraf[4]提出的“吸收-生物膜”理論和我國學者孫佩石[5]提出的“吸附-生物膜”理論。

3.3.2 進出口產(chǎn)物定性分析

采用GC-MS 聯(lián)用的方式分別對降解前的廢氣組分和降解后的廢氣組分進行分析，控制進氣量20 000 m3/h，循環(huán)水泵噴淋速率40 m3/h，對應的色譜柱圖如圖5 所示，通過分析，從表1 中可以看出，在此條件下，該餐廚垃圾廠進氣有機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用中，去除效果較好，中間產(chǎn)物少，二次污染低。

表1 總進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）當進口風量為20 000 m3/h，進口H2S 體積分數(shù)0～6×10-6時，H2S 去除率可達99.9%以上。

2）當進口風量為20 000 m3/h，進口VOCs 質(zhì)量濃度為5～25 mg/m3，VOCs 去除率可達95%以上，并且長期穩(wěn)定運行，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 對廢氣成分進行定性分析發(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餐廚垃圾處理廠產(chǎn)生的廢氣治理效果較好，可長期穩(wěn)定可持續(xù)性運行，具有較為廣闊的市場前景。