污水廠生物除臭設施運行及影響因素的研究
摘要:在污水處理過程中會有大量的惡臭氣體產生，主要含硫化氫和氨等發臭物質。這些臭味物質逸散到空氣中，對污水處理廠及其周邊的空氣環境造成危害。針對清河污水處理廠原有生物除臭設施除臭效率難以提高的問題，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。本研究對改造前后的除臭效果進行了考察，結果顯示，硫化氫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%；氨的去除率從28．2% 提高到接近100%。臭味氣體的處理效果隨除臭濾池的溫度、氣體的相對濕度的升高而提高。為此，對臭味氣體的負荷、流量、溫度以及濕度等因素進行了研究，在溫度>20~C、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。
關鍵詞:污水處理廠生物除臭技術 生物濾池 惡臭(臭味)氣體
在城市污水處理廠污水與污泥處理過程中有大量的惡臭氣體產生，不僅帶來感官上的不悅，而且對人體健康及生態環境還會造成嚴重危害。發臭物質主要有硫化氫、氨和硫醇等。隨著人類社會經濟的發展，人民生活水平的提高和公眾環保意識的增強，城市污水處理廠在運行過程中所產生的臭氣問題，已經引起社會越來越多的關注。許多發達國家制定了相關的法律法規，嚴格控制臭味氣體的排放。在設計污水處理系統時，臭味氣體的處理也作為重要組成部分。據報道，1987年日本城市污水廠約有166座脫臭裝置治理惡臭物質[1-4]。在20世紀90年代初，我國就制定了惡臭氣體的排放標準(GB14554—1993)，并開展了相關的研發工作[5-9]。相關的排放物標準列于表1。
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污水處理廠臭味氣體的特點是量大、濃度低，目前處理方法主要有空氣稀釋法、掩蔽法、化學吸收法、化學噴淋法、活性炭吸附法和生物法等¨ 。與常規物理化學方法相比，生物方法具有成本低、操作簡便、技術清潔、無二次污染等優點。生物法的原理是利用微生物將臭味氣體中的發臭物質轉化為無害或低害類物質，其方法主要有廢氣直接通人曝氣池法、生物濾池法和生物滴濾池法。廢氣直接通人曝氣池法是將收集到的廢氣直接通人曝氣池中，有機氣味物質在曝氣池中被活性污泥降解。其主要優點是方法簡單，費用低，但除臭效果較差，使得曝氣池成為嚴重的氣味擴散源，因此其應用有較大的局限性。
清河污水處理廠采用了生物濾池方法處理污水處理過程中散發的臭味氣體。檢測分析結果表明，該廠臭味氣體中主要發臭物質為硫化氫和氨。生物除臭濾池建成運行后，臭味氣體得到了一定的處理，但是處理效果不理想，硫化氫的平均去除率為36．5% ，氨的平均去除率為28．2% ，主要問題是：氣體收集效果差，部分帶有臭味的氣體未進入除臭濾池；氣量大，臭味氣體在除臭濾池內的停留時間短；除臭濾池內布水不均勻；填料易腐爛，腐爛的填料也會散發臭味，加重污染。清河污水處理廠地處人口密度大、經濟繁榮的北京市海淀區，周邊有商業區、多個居民小區和交通要道。因此，建立完善的臭味氣體控制系統是十分必要的。
針對原有生物濾池除臭系統存在的問題進行了一系列的改造，包括氣體收集系統改造、風量調整措施、重新排布噴淋管以及更換填料等。臭味氣體主要來源于污水處理廠的曝氣沉砂池、細格柵間和進水渠道等處，本研究比較了改造前后生物除臭濾池對氣體中的主要發臭物質硫化氫和氨的去除效果，考察了臭味氣體的負荷、流量、溫度、濕度以及填料的種類等因素對臭味物質的處理效果的影響，確立了生物除臭濾池的最佳運行參數。
1 生物除臭設施
1．1 原生物除臭設施
污水廠原有生物除臭設施由生物除臭濾池(圖1)和氣體收集系統構成。生物除臭濾池長8．05 m，寬3．75 m，高2．7 m，頂部有蓋板。除臭濾池內部為1 m高的濾料層，濾料為樹皮，濾料層底部設有由混凝土多孔板制成的承托層；頂部設置噴淋管)，定期給濾料噴水加濕。
水源來自廠區中水管網，當中水不能保證時，可將廠區的中水作為臨時加濕用水。除臭池側面設有2套疊梁閘，每套閘板9塊，閘框寬1600 121121，高300 mm，便于濾料的更換。臭味氣體來源于進水泵房、粗格柵間，曝氣沉砂池、細格柵間和沉砂池進水渠、洗砂間和沉砂池出水渠。3臺離心風機將收集的臭味氣體從除臭濾池底部的3個進氣口(圖2)送入除臭濾池，風機出風口安裝可調節氣量的蝶閥和止回閥。總進氣量為18 000 m ／h.
1．2 生物除臭設施改造
1．2．1 氣體收集系統的改造
被改造的氣體收集系統是細格柵間的臭味氣體收集口。原有的臭味氣體收集口距離臭氣源較遠(圖3)，一方面，氣體收集效率較低，部分發臭物質沒有進入收集系統而散布到空氣中使細格柵間內的臭味較重；另一方面，進入收集口內臭味氣體被周圍的空氣稀釋，使進口濃度過低。改造的方法是將連接氣體收集口的管道延伸至臭氣濃度較高的點源處(圖4)，以保證臭味氣體的有效收集，減少細格柵間的臭味。
1．2．2 更換風機
原臭味氣體收集系統有3臺離心風，分別安裝在細格柵間、粗格柵間和洗砂車間，風量均為6000 m ／h，進入生物除臭濾池的總風量為18 000 m ／h。由于填料層的體積為40 m ，相應地，氣體在填料中的停留時間為8 s。風量過大，流速過快，使得停留時間短，氣體與附著生長在填料上的微生物接觸時間少，氣體中的發臭物質未能及時被微生物降解，導致處理效果不明顯。
通過對細格柵間、粗格柵間和洗砂車間散發的臭味氣體的測定，細格柵間臭味濃度較高，而粗格柵間和洗砂車間的臭味濃度很低。為此，對細格柵間的進氣口位置進行了改造，同時更換了細格柵間的離心風機，將風量調整為2750 m/h，安裝在粗格柵間和洗砂車間的風機暫停運行。
1．2．3 重新布設噴淋管
原生物除臭濾池頂部的噴淋管只有1條(圖5)，布水不均，填料層內部的含水率有顯著差異，部分填料長期處于干燥狀態。經過改造，使噴淋管增加到3條管線，直管上分別安裝多個三通管，便于均勻布水(圖6)。在運行中，使用該污水處理廠的中水作為噴淋用水，定期對填料進行淋灑加濕，既節約成本，又可利用中水中的剩余營養物作為微生物的外加營養源，定期補充。
1．2．4 更換填料
生物除臭濾池內裝填有一定厚度的填料。原有的填料采用的是按一定比例混合的木片和樹皮的混合物(圖7)，每塊大小約為30×10×5(mm)。使用了2年后，部分木片和樹皮腐爛，填料層發生板結和塌陷，導致除臭濾池內的壓力損失升高，能耗增大。另外，腐爛的填料散發出臭味，加重了污染。因此，將除臭濾池內的填料全部更換(圖8)。新填料采用聚氨酯泡沫塊，尺寸為20×20×20(mm)。這種填料的優點是多孔，表面適合微生物附著生長；孔隙率大，透氣性好，壓力損失小；保水性強，便于控制濕度，減少噴淋水的用量；不易腐爛，可長期使用，且沒有異味。
2 臭味氣體分析方法
含硫化合物：島津GC一9A(日本)氣相色譜分析儀，檢測器為火焰光度檢測器(FPD)；氨：納氏試劑光度法；相對濕度(RH)：OAKTON(德國)溫濕度儀；pH值：PHS一3C(上海雷磁)酸度計。
3 結果與討論
3．1 改造前后臭昧氣體處理效果比較
經上述設備改造后，生物除臭濾池運行了7個月。臭味氣體的去除效果明顯提高。設備改造前后生物除臭濾池的運行條件及臭味氣體的去除效果列于表2。
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比較表2的試驗結果可知，臭味氣體收集系統改造后，硫化氫的平均進氣濃度由改造前的4．48 rag／m 3提高到7．06 mg／m 3，進入除臭濾池的硫化氫濃度增加了近1倍，提高了臭味氣體的收集效果，減少了臭氣的泄漏。通過更換風機，減少除臭濾池的進氣量，有效提高了氣體在生物除臭濾池內的停留時間；噴淋系統改造后，噴淋效率明顯提高，布水比較均勻，位于濾池中部和周邊的填料的含水率相差不大。由于噴淋液采用的是本廠的中水，水中含有一定量的氮、磷和鉀等無機鹽，因此，在給填料加濕的同時，也定期給附著在填料上的微生物提供了生長繁殖所必需的營養成分。新填料持水性好，含水率平均為69% 。除臭濾池內氣體的相對濕度可保持85% 以上，通常為99．9% 。更換填料后，壓力損失明顯降低。微生物分析結果顯示，新填料適合微生物的生長繁殖。生物除臭濾池經過氣體收集系統改造、更換風機、重新排布噴淋管以及更換新填料等4個方面的改造，臭味氣體的去除率明顯提高，硫化氫的平均去除率由改造前的36．5% 提高到62．9% ，最大去除率可以達到96．2% ，氨的平均去除率提高到100% 。絕大多數的出氣濃度達到排放標準，分析結果表明，以上4個方面的改造是行之有效的。
3．2 影響除臭效果的主要因素
本研究中以除臭濾池去除硫化氫為例，重點考察了臭味氣體的負荷、除臭濾池的溫度以及氣體的相對濕度等因素對除臭效果的影響。
進氣濃度和氣體流量發生變化均能引起負荷的改變。控制進氣口的氣體流量是除臭系統的一項重要系統參數。不同的流速是否會影響到除臭的效果，當流速過大時，氣體中的有害物質與微生物的接觸時間過短，未及時被微生物降解就已經溢出。流速過小，使總處理量減小，不能滿足處理需求。由于進入除臭濾池的氣體流量保持2750 m ／h，因此負荷的變化主要由進氣濃度的變化引起。硫化氫的進氣濃度與負荷成正比(圖9)。去除能力與負荷也成正比關系(圖10)，負荷增加，去除能力明顯提高。在較高的負荷下，可以獲得較高的硫化氫的去除能力。
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濕度的控制對于生物除臭濾池的運行非常重要，干燥的環境會使微生物體內的蛋白質變性，引起代謝活動停止[10]。水是微生物生長所必不可少的，水在細胞中起到溶劑與運輸介質的作用，營養物質的吸收與代謝產物的分泌必須以水為介質才能完成。因為水的比熱容高，是熱的良好導體，能有效地吸收代謝過程中產生的熱并及時地將多余熱量散發，從而有效地控制細胞內溫度的變化。所以填料保持適宜的含水率和濕度，能夠使微生物保持降解活性，使生物除臭濾池能夠長期穩定運行。通常生物濾池的含水率一般控制在40% ～80%，相對濕>99% 。氣體的相對濕度對去除效果的影響試驗結果表明(圖11)：在相同條件下(硫化氫的平均進氣濃度為1．75 ms／m ，溫度為18．5℃)，較高的硫化氫去除率是在較高的相對濕度(>80%)條件下獲得的；相對濕度較低時，去除率也較低。實際中，通過調節噴淋系統的噴淋量、噴淋時間和噴淋次數，可以有效地使填料保持適合微生物生長的濕度條件。
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除必需的營養成分以外，微生物的生長還需要適宜的溫度，適宜的溫度可以使微生物大量生長繁殖。一般地，溫度高，生物反應器的去除能力也高。但是，過高過低的溫度均會降低微生物的代謝速率和生長速率[10-11]，降低對氣體中發臭物質的吸附能力和降解能力。溫度過低會造成微生物的活性降低處于休眠狀態，溫度過高則會導致微生物大量的死亡。平均進氣濃度為7．04 ms／nl ，溫度在5～22℃時，硫化氫的去除率隨溫度的變化情況如圖12所示。在不同的溫度條件下，生物除臭濾池對硫化氫的去除效果有明顯的差異。隨著溫度的升高，硫化氫的去除率提高顯著。溫度對硫化氫的去除效果有明顯的影響。除臭濾池內的溫度對氣體的相對濕度也有影響，當溫度高于20~C時，生物除臭濾池對硫化氫有較高的去除率。圖13顯示了氣體相對濕度隨溫度的變化情況。在15~C以下時，氣體的相對濕度無明顯變化；隨著溫度的升高，氣體的相對濕度明顯下降，但仍可保持80% 以上。
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試驗結果表明，在20~C以上，氣體的相對濕度>80% 時，生物除臭濾池對硫化氫的去除率較高，并且增大負荷，去除能力也會提高。
3．3 微生物的接種、培養和馴化
在氣味的生物處理過程中，微生物的作用是不容忽視的，在有氧條件下，生長在填料內的微生物將氣體中的有機物氧化為簡單無機物(如水、二氧化碳等)。其中，部分有機物被轉化為新細胞物質。本試驗中，由于更換的新填料是有機聚合物，自身不帶有微生物，因此，在填料加人生物濾池前進行了初步的微生物接種；在填料加入并通氣后，對填料上的微生物進行了培養和馴化。通過微生物的接種可以使生物除臭濾池較快地進入正常運行，達到較好的處理效果。
4 結 論
(1)生物除臭濾池經過氣體收集系統改造、更換風機、重新排布噴淋管以及更換新填料等4個方面的改造，臭味氣體的去除率明顯提高，硫化氫的平均去除率由改造前的36．5% 提高到62．9% ，最大去除率可以達到96．2% ，絕大多數時間的出氣濃度達到排放標準。分析結果表明，現行的改造是行之有效的。
(2)臭味氣體的負荷、除臭濾池的溫度以及氣體的相對濕度等因素對除臭效果有不同程度的影響。提高負荷，提高溫度，相對濕度>80% 時，可以提高對發臭物質的去除能力。
參考文獻
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