【污水處理廠工藝】生物濾床工藝處理城市污水處理廠惡臭氣體
前言
目前，我國(guó)城市污水處理廠的建設(shè)很少考慮臭氣的處理問(wèn)題，但隨著人民生活水平的提高，對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求越來(lái)越高，對(duì)惡臭氣體所帶來(lái)的污染也更加敏感，有關(guān)污水處理設(shè)施臭氣影響市民生活質(zhì)量和健康的投訴案例屢見(jiàn)報(bào)端，呈上升的趨勢(shì)。在污水處理過(guò)程，保護(hù)和提高處理現(xiàn)場(chǎng)及周?chē)沫h(huán)境，減少惡臭影響，如何對(duì)惡臭進(jìn)行有效控制已成為急需解決的課題。
與工業(yè)廢氣相比，城市污水處理廠臭氣具有2個(gè)顯著特點(diǎn)[1,2]：（1）污染物成分復(fù)雜。主要包括硫化氫（臭雞蛋味）、氨（氨味）、甲硫醇（爛洋蔥味）、胺類(lèi)（魚(yú)腥味）、二胺（腐肉味）、糞臭素（糞便味）等，另外還含有少量的硫醚類(lèi)、酞胺類(lèi)、芳香烴、醇、醛、酮、酚以及有機(jī)酸等物質(zhì)。（2）產(chǎn)生量變化大。即使在同一污水處理廠中各單元產(chǎn)生的臭氣也隨水量、水質(zhì)、氣候條件、操作參數(shù)等因素的變化而變化。
近年來(lái)，各種臭氣處理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了不斷的發(fā)展[1,3-5]，如吸附、吸收、焚燒、催化燃燒、化學(xué)氧化以及生物、生態(tài)處理等方法。生物濾床[4-8]是一種優(yōu)化的土壤處理工藝，它利用土壤基質(zhì)的過(guò)濾、吸附、吸收、物理化學(xué)反應(yīng)、生物降解等功能凈化臭氣，同時(shí)表面種植的植物亦有一定的凈化功能。它具有經(jīng)濟(jì)、美觀、管理方便、運(yùn)行穩(wěn)定、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了生物濾床的組成、對(duì)臭氣的凈化機(jī)理、影響處理效率的因素等，并對(duì)生物濾床除臭工藝在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及局限性進(jìn)行了分析。
1、生物濾床的組成及其凈化原理
1.1 生物濾床的組成
一般來(lái)講，生物濾床由土壤基質(zhì)、布?xì)庀到y(tǒng)、加濕系統(tǒng)、基質(zhì)內(nèi)生物群落、表面植物等幾部分組成。生物濾床的主體是一個(gè)有一定面積和底部坡度的洼地，底層鋪防滲膜；臭氣布?xì)?span id="lzhxhnz" class="keyword">管道和onclick="g('排水管');">排水管道（多余的水分必須能夠很容易地從土壤生物濾床排走以防止onclick="g('厭氧');">厭氧條件的形成，排出的水返回污水處理系統(tǒng)）布于防滲膜上，布?xì)?span id="pfrlt7p" class="keyword">管道堆有100-150mm厚的卵石，以防布?xì)?span id="dfj11tn" class="keyword">管道堵塞；布?xì)?span id="l5zbhj3" class="keyword">管道之上為由土壤、木塊、煤渣、樹(shù)皮碎塊、泥炭塊堆肥或脫水污泥等材料組合而成土壤基質(zhì)；床體表層種植耐污植物；同時(shí)加濕系統(tǒng)亦布置于床體頂部，以污水廠污水作為水源，一方面保持床體的濕度，另一方面為床體內(nèi)微生物的生長(zhǎng)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)。圖1所示為生物濾床基本結(jié)構(gòu)示意圖。
1.2 凈化機(jī)理
生物濾床除臭工藝是將氣體收集并加濕后通過(guò)管道輸入生物濾床底部并使其擴(kuò)散于土壤內(nèi)，臭氣中多種污染成分溶于水后吸附于土壤顆粒表面。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間在土壤顆粒表面可逐漸培養(yǎng)出針對(duì)致臭物質(zhì)的微生物，并可不斷將致臭物質(zhì)分解，完成脫臭。
1.3 工藝特點(diǎn)
生物濾床除臭工藝與其它工藝相比，具有以下顯著特點(diǎn)：①是一個(gè)自然的過(guò)程，無(wú)需化學(xué)藥劑，費(fèi)用低；②設(shè)置靈活，在一個(gè)污水廠中可集中設(shè)置一個(gè)生物濾床，也可在產(chǎn)生臭氣的構(gòu)筑物附近就地收集臭氣、就地處理；③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于施工，處理構(gòu)筑物少；④處理設(shè)施全部采用地下式，不影響地面綠化和地面景觀；⑤設(shè)備需求少，操作管理簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用極低；⑥對(duì)場(chǎng)地要求不高，洼地或構(gòu)筑物間綠地即可滿(mǎn)足要求；⑦無(wú)二次污染；生物濾床處理后的空氣被低速排放到寬闊地域，因此提高了被處理氣體在地平線上的擴(kuò)散和稀釋。煙囪排放時(shí)速雖然很快，但必須依賴(lài)于強(qiáng)風(fēng)驅(qū)散被處理的氣體；⑧抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；⑨土壤生物過(guò)濾法去除污染物的范圍廣。作為一種生態(tài)系統(tǒng)，微生物容易適應(yīng)輸入氣體流，所以它們能夠有效地去除臭氣污染物，還能夠去除沒(méi)有臭味的甲烷等氣體。
2 影響因素
2.1 土壤基質(zhì)
生物濾床的土壤基質(zhì)（又稱(chēng)填料、組合填料）所采用的材料主要為地表肥沃土特別是腐植土，在其中添加比表面積大的其他透氣媒介物（如木塊、煤渣、樹(shù)皮碎塊、泥炭塊堆肥或脫水污泥等），使基質(zhì)具備如下條件：允許生長(zhǎng)的微生物種類(lèi)多、供微生物生長(zhǎng)的表面積大、營(yíng)養(yǎng)成分合理、孔隙度合理（以利于水分的下滲以及空氣和臭氣的流通）、吸水性和吸附性好、自身無(wú)異味、經(jīng)濟(jì)耐用。另外，生物濾床系統(tǒng)長(zhǎng)期使用后有毒物質(zhì)會(huì)不斷積累，發(fā)生酸化，并影響微生物生長(zhǎng)，一般在基質(zhì)中加入石灰石，以提高床體對(duì)pH值的緩沖能力，石灰石的投加比例為1%（G/G）。土壤基質(zhì)除了為微生物和表層植物提供生長(zhǎng)介質(zhì)，還可通過(guò)吸附、過(guò)濾、化學(xué)反應(yīng)等作用可直接去除臭氣中的污染成分。Bohn[6]研究發(fā)現(xiàn)每克生物濾床基質(zhì)（主要為堆肥）中的生物量近似為10億，隨著不同的基質(zhì)組成而有一定的變化?；|(zhì)厚度一般為0.5-1.0m，較大的基質(zhì)厚度可以減少床體占地面積但增加了臭氣通過(guò)時(shí)的壓力損失。臭氣通過(guò)床體的壓力損失隨著氣流速度的增大和基質(zhì)顆粒粒徑的減小而增大。Yang[9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)床內(nèi)基質(zhì)顆粒粒徑在1-12mm，氣流速度從0增至0.3ms-1時(shí)，床內(nèi)壓力損失從0增至35kPam-1，二者線性相關(guān)。另外、孔隙度也是一個(gè)影響基質(zhì)壓力損失的重要因素；對(duì)于以土壤為主要基質(zhì)的一般為40-50%，以堆肥為主要基質(zhì)的為50-80%。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般使臭氣通過(guò)速度以0.1-1.0m/min為宜。
2.2 濕度
對(duì)于生物濾床的運(yùn)行來(lái)說(shuō)，由于臭氣中污染物質(zhì)要先被液相吸收并被微生物氧化，所以要求保持臭味物質(zhì)有一定的濕度。生物濾床濕度太低則水溶性惡臭成分難以及時(shí)進(jìn)入液相，且造成填料易干燥，降低床內(nèi)生物活性，既影響了整體除臭效率，又使得代謝產(chǎn)物不易排出濾池。但是，當(dāng)生物濾池的濕度過(guò)高時(shí)傳質(zhì)效率也會(huì)受到影響，且因氣體穿過(guò)阻力增大還可能造成局部onclick="g('厭氧');">厭氧而影響除臭效率。影響濾池濕度的因素多且關(guān)系復(fù)雜，造成對(duì)濕度的控制具有相當(dāng)?shù)碾y度。Pinnette等[10]認(rèn)為，影響濾池濕度的因素包括加濕系統(tǒng)、生物新陳代謝產(chǎn)生的熱量、陽(yáng)光輻射、輻射熱轉(zhuǎn)移、傳導(dǎo)熱轉(zhuǎn)移、降雨等。Williams and Miller[7]指出床體的濕度根據(jù)基質(zhì)材料的不同，宜保持在20-60%。如果床體濕度過(guò)低不僅濕床內(nèi)生物活性降低，亦會(huì)造成臭氣短流，進(jìn)一步影響除臭效果。Yang等[9]亦發(fā)現(xiàn)當(dāng)以堆肥和污泥構(gòu)成的基質(zhì)的床內(nèi)含水率高于30%（G/G）時(shí)，含水率的變化對(duì)臭氣中H2S的去除基本無(wú)影響，而當(dāng)含水率低于30%時(shí)，去除率直線下降。生物濾床保持濕度的方法一般為直接淋洗濾床或?qū)M(jìn)氣加濕。
2.3 pH值
生物濾床中生物體的新陳代謝與pH密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)[9-12]，許多微生物僅在一定的pH范圍內(nèi)才能生長(zhǎng)，并且絕大多數(shù)微生物生長(zhǎng)最適pH均在中性范圍內(nèi)。Yang等[9]研究了臭氣中H2S的去除效率與pH的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH低于3.2時(shí)，去除效率顯著下降，而在較高pH時(shí)，其去除效率基本與pH無(wú)關(guān)。而臭氣中污染成分在生物凈化過(guò)程中，含氯有機(jī)物、H2S的氧化分解產(chǎn)生鹽酸、硫酸等酸性物質(zhì)以及有機(jī)物質(zhì)分解產(chǎn)生的二氧化碳均會(huì)導(dǎo)致生物濾床中的pH下降，影響微生物的生化作用。Yang等[9]亦研究了生物濾床中pH變化，通過(guò)32天的反應(yīng)，生物濾床的pH從最初的8降至2.5。Brennan等[11]亦介紹了這種下降趨勢(shì)，他們發(fā)現(xiàn)如果不采取措施經(jīng)過(guò)3周時(shí)間的反應(yīng)，pH從6.5-7.0下降到3.6-4.8，經(jīng)過(guò)6個(gè)月后，pH下降至2以下。Kapahi等[12]建議通過(guò)向生物濾床基質(zhì)中碎貝殼、石灰石等物質(zhì)可以使床內(nèi)保持較穩(wěn)定pH范圍，亦可通過(guò)在生物濾池的濾料上噴灑pH值緩沖劑來(lái)穩(wěn)定pH值。
2.4 溫度
較低的溫度有利于臭氣中污染成分被基質(zhì)表面生物膜吸收，但會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)；而在較高的溫度下恰恰相反。床溫的控制一般通過(guò)調(diào)節(jié)臭氣溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。Knauf等[13]發(fā)現(xiàn)在較高的溫度下臭氣的去除效率明顯下降；對(duì)于以堆肥為主要成分的生物濾床，當(dāng)溫度從40℃升至55℃時(shí)，去除效率卻從95%降至85%；而對(duì)于以木塊為主的生物濾床，當(dāng)溫度從35℃升至50℃時(shí)，去除效率卻從80%降至70%。Yang等[14]也發(fā)現(xiàn)在25-50℃范圍內(nèi)，床內(nèi)硫化氫氧化細(xì)菌具有較穩(wěn)定的去除效果，而在這一溫度范圍外，去除效果明顯下降。生物濾床的最佳溫度為(20-37℃)，但在5—65℃范圍內(nèi)生物濾床都可正常運(yùn)行；由于污染物質(zhì)在生物氧化過(guò)程中均會(huì)釋放出一定熱量，從而使生物濾床能保持較高的溫度[10]；因此一般情況下，可以不考慮對(duì)床體進(jìn)行加溫。
2.5 設(shè)計(jì)負(fù)荷
合理的設(shè)計(jì)負(fù)荷有利于降低生物濾床系統(tǒng)投資，保持運(yùn)行的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)顯示[14-18]，生物濾床處理城市污水處理廠臭氣的濾料表面負(fù)荷一般為30-250m3／(m2·h)。下表所示為國(guó)內(nèi)外部分污水處理廠除臭系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷。
表1國(guó)內(nèi)外污水處理廠生物濾床除臭工藝負(fù)荷
Table 1 Load of bio-filter bed in Sino-foreign municipal sewage treatment odor control
項(xiàng)目 設(shè)計(jì)負(fù)荷/m3m-2h-1 去除率/% 基質(zhì)組成
Lueneburg污水廠 32-93 99 堆肥、樹(shù)葉、灌木樹(shù)枝
廣州市獵德污水廠 200 95 混合肥料，聚苯乙烯膠球體、碳、活性炭，沸石和有機(jī)物料
水灣污水廠 73.5 99 樹(shù)皮,土壤,泥炭塊,肥料
Tamarac污水廠 147.6 98 堆肥、木塊
Wesstborough污水廠 122.4 94 堆肥、木塊
2.6 臭氣停留時(shí)間
臭氣在生物濾床中的停留時(shí)間直接影響了其處理效果。停留時(shí)間過(guò)短，臭氣中污染成分還未充分被生物膜吸收，就被排除床體，無(wú)法使最大量的臭氣被降解轉(zhuǎn)化；如果停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)使床體體積過(guò)大，增加投資。因此在生物濾床的設(shè)計(jì)時(shí)有必要確定合理的停留時(shí)間。文獻(xiàn)介紹[5,6,9,]，以去除肉食加工廠廢氣為主的生物濾床停留時(shí)間為15s；以去除三氯酚為主的生物濾床停留時(shí)間為3h；以去除H2S為主的生物濾床停留時(shí)間為23s。針對(duì)城市污水處理廠產(chǎn)生的臭氣，郝桂玉[19]考察了國(guó)外部分污水處理廠生物除臭裝置停留時(shí)間，認(rèn)為污水處理廠除臭生物濾床停留時(shí)間一般為2-8.5min。
3 生物濾床除臭工藝應(yīng)用現(xiàn)狀及其局限性
3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀
生物濾床除臭工藝作為一種綠色技術(shù)，它對(duì)環(huán)境沖擊少，不需要化學(xué)藥品（材料），不會(huì)造成二次污染，土壤基質(zhì)由堆肥、廢木碎屑、煤渣、泥炭塊等可再循環(huán)的產(chǎn)品組成，具有生態(tài)可持續(xù)性。生物濾床工藝在國(guó)外研究和應(yīng)用較廣泛，如onclick="g('廢水');">廢水輸送/處理、食品/飲料行業(yè)和化學(xué)行業(yè)。目前,有關(guān)生物濾床的研究在我國(guó)也逐漸成為一個(gè)熱門(mén)課題。
3.2 生物濾床工藝局限性
生物濾床局限性表現(xiàn)為：①占地面積較大；⑦降雨和加濕不當(dāng)可能造成土壤基質(zhì)孔隙堵塞，使透氣性變差；③底部防滲層如出問(wèn)題，污水會(huì)滲漏到自然土壤中；④臭氣可能會(huì)產(chǎn)生短流或在過(guò)氣斷面上分布不均勻；⑤寒冷地區(qū)易受冰凍影響；⑥國(guó)內(nèi)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究相應(yīng)用尚處于起步階段，工藝設(shè)計(jì)參數(shù)及應(yīng)用實(shí)例較少，技術(shù)上有待進(jìn)一步探索和完善。
4 結(jié)語(yǔ)
隨著國(guó)家對(duì)居民對(duì)生活環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，嚴(yán)格執(zhí)行GB14554-93《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和GBZ2-2002《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》，不僅保護(hù)污水處理作業(yè)區(qū)內(nèi)操作人員的身心健康，也同時(shí)保障周?chē)用裆瞽h(huán)境質(zhì)量。生物濾床作為一種新型生態(tài)臭氣處理技術(shù)，具有投資省、運(yùn)行簡(jiǎn)便、處理效果穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，不失為我國(guó)城市污水處理廠惡臭氣體控制的優(yōu)選方案。
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