生物濾床工藝處理城市污水處理廠惡臭氣體

前言
　　
目前，我國城市污水處理廠的建設很少考慮臭氣的處理問題，但隨著人民生活水平的提高，對環境質量的要求越來越高，對惡臭氣體所帶來的污染也更加敏感，有關污水處理設施臭氣影響市民生活質量和健康的投訴案例屢見報端，呈上升的趨勢。在污水處理過程，保護和提高處理現場及周圍的環境，減少惡臭影響，如何對惡臭進行有效控制已成為急需解決的課題。
　　
與工業廢氣相比，城市污水處理廠臭氣具有2個顯著特點[1,2]：（1）污染物成分復雜。主要包括硫化氫（臭雞蛋味）、氨（氨味）、甲硫醇（爛洋蔥味）、胺類（魚腥味）、二胺（腐肉味）、糞臭素（糞便味）等，另外還含有少量的硫醚類、酞胺類、芳香烴、醇、醛、酮、酚以及有機酸等物質。（2）產生量變化大。即使在同一污水處理廠中各單元產生的臭氣也隨水量、水質、氣候條件、操作參數等因素的變化而變化。
　　
近年來，各種臭氣處理技術在實際應用中取得了不斷的發展[1,3-5]，如吸附、吸收、焚燒、催化燃燒、化學氧化以及生物、生態處理等方法。生物濾床[4-8]是一種優化的土壤處理工藝，它利用土壤基質的過濾、吸附、吸收、物理化學反應、生物降解等功能凈化臭氣，同時表面種植的植物亦有一定的凈化功能。它具有經濟、美觀、管理方便、運行穩定、處理效果好等優點。本文介紹了生物濾床的組成、對臭氣的凈化機理、影響處理效率的因素等，并對生物濾床除臭工藝在國內外應用現狀及局限性進行了分析。
　　
1、生物濾床的組成及其凈化原理
　　
1.1 生物濾床的組成
　　

一般來講，生物濾床由土壤基質、布氣系統、加濕系統、基質內生物群落、表面植物等幾部分組成。生物濾床的主體是一個有一定面積和底部坡度的洼地，底層鋪防滲膜；臭氣布氣管道和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）布于防滲膜上，布氣管道堆有100-150mm厚的卵石，以防布氣管道堵塞；布氣管道之上為由土壤、木塊、煤渣、樹皮碎塊、泥炭塊堆肥或脫水污泥等材料組合而成土壤基質；床體表層種植耐污植物；同時加濕系統亦布置于床體頂部，以污水廠污水作為水源，一方面保持床體的濕度，另一方面為床體內微生物的生長補充營養。

1.2 凈化機理
　　
生物濾床除臭工藝是將氣體收集并加濕后通過管道輸入生物濾床底部并使其擴散于土壤內，臭氣中多種污染成分溶于水后吸附于土壤顆粒表面。經過一段時間在土壤顆粒表面可逐漸培養出針對致臭物質的微生物，并可不斷將致臭物質分解，完成脫臭。
　　
1.3 工藝特點
　　
生物濾床除臭工藝與其它工藝相比，具有以下顯著特點：①是一個自然的過程，無需化學藥劑，費用低；②設置靈活，在一個污水廠中可集中設置一個生物濾床，也可在產生臭氣的構筑物附近就地收集臭氣、就地處理；③結構簡單，便于施工，處理構筑物少；④處理設施全部采用地下式，不影響地面綠化和地面景觀；⑤設備需求少，操作管理簡單，維護費用極低；⑥對場地要求不高，洼地或構筑物間綠地即可滿足要求；⑦無二次污染；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散和稀釋。煙囪排放時速雖然很快，但必須依賴于強風驅散被處理的氣體；⑧抗沖擊負荷能力強；⑨土壤生物過濾法去除污染物的范圍廣。作為一種生態系統，微生物容易適應輸入氣體流，所以它們能夠有效地去除臭氣污染物，還能夠去除沒有臭味的甲烷等氣體。
　　
2 影響因素
　　
2.1 土壤基質
　　
生物濾床的土壤基質（又稱填料、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、樹皮碎塊、泥炭塊堆肥或脫水污泥等），使基質具備如下條件：允許生長的微生物種類多、供微生物生長的表面積大、營養成分合理、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、自身無異味、經濟耐用。另外，生物濾床系統長期使用后有毒物質會不斷積累，發生酸化，并影響微生物生長，一般在基質中加入石灰石，以提高床體對ph值的緩沖能力，石灰石的投加比例為1%（g/g）。土壤基質除了為微生物和表層植物提供生長介質，還可通過吸附、過濾、化學反應等作用可直接去除臭氣中的污染成分。bohn[6]研究發現每克生物濾床基質（主要為堆肥）中的生物量近似為10億，隨著不同的基質組成而有一定的變化。基質厚度一般為0.5-1.0m，較大的基質厚度可以減少床體占地面積但增加了臭氣通過時的壓力損失。臭氣通過床體的壓力損失隨著氣流速度的增大和基質顆粒粒徑的減小而增大。yang[9]發現當床內基質顆粒粒徑在1-12mm，氣流速度從0增至0.3ms-1時，床內壓力損失從0增至35kpam-1，二者線性相關。另外、孔隙度也是一個影響基質壓力損失的重要因素；對于以土壤為主要基質的一般為40-50%，以堆肥為主要基質的為50-80%。在實際設計中，一般使臭氣通過速度以0.1-1.0m/min為宜。
　　
2.2 濕度
　　
對于生物濾床的運行來說，由于臭氣中污染物質要先被液相吸收并被微生物氧化，所以要求保持臭味物質有一定的濕度。生物濾床濕度太低則水溶性惡臭成分難以及時進入液相，且造成填料易干燥，降低床內生物活性，既影響了整體除臭效率，又使得代謝產物不易排出濾池。但是，當生物濾池的濕度過高時傳質效率也會受到影響，且因氣體穿過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系復雜，造成對濕度的控制具有相當的難度。pinnette等[10]認為，影響濾池濕度的因素包括加濕系統、生物新陳代謝產生的熱量、陽光輻射、輻射熱轉移、傳導熱轉移、降雨等。williams and miller[7]指出床體的濕度根據基質材料的不同，宜保持在20-60%。如果床體濕度過低不僅濕床內生物活性降低，亦會造成臭氣短流，進一步影響除臭效果。yang等[9]亦發現當以堆肥和污泥構成的基質的床內含水率高于30%（g/g）時，含水率的變化對臭氣中h2s的去除基本無影響，而當含水率低于30%時，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對進氣加濕。
　　
2.3 ph值
　　
生物濾床中生物體的新陳代謝與ph密切相關。研究發現[9-12]，許多微生物僅在一定的ph范圍內才能生長，并且絕大多數微生物生長最適ph均在中性范圍內。yang等[9]研究了臭氣中h2s的去除效率與ph的關系，發現當ph低于3.2時，去除效率顯著下降，而在較高ph時，其去除效率基本與ph無關。而臭氣中污染成分在生物凈化過程中，含氯有機物、h2s的氧化分解產生鹽酸、硫酸等酸性物質以及有機物質分解產生的二氧化碳均會導致生物濾床中的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32天的反應，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，他們發現如果不采取措施經過3周時間的反應，ph從6.5-7.0下降到3.6-4.8，經過6個月后，ph下降至2以下。kapahi等[12]建議通過向生物濾床基質中碎貝殼、石灰石等物質可以使床內保持較穩定ph范圍，亦可通過在生物濾池的濾料上噴灑ph值緩沖劑來穩定ph值。
　　
2.4 溫度
　　
較低的溫度有利于臭氣中污染成分被基質表面生物膜吸收，但會影響微生物的生長；而在較高的溫度下恰恰相反。床溫的控制一般通過調節臭氣溫度來實現。knauf等[13]發現在較高的溫度下臭氣的去除效率明顯下降；對于以堆肥為主要成分的生物濾床，當溫度從40℃升至55℃時，去除效率卻從95%降至85%；而對于以木塊為主的生物濾床，當溫度從35℃升至50℃時，去除效率卻從80%降至70%。yang等[14]也發現在25-50℃范圍內，床內硫化氫氧化細菌具有較穩定的去除效果，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℃范圍內生物濾床都可正常運行；由于污染物質在生物氧化過程中均會釋放出一定熱量，從而使生物濾床能保持較高的溫度[10]；因此一般情況下，可以不考慮對床體進行加溫。
　　
2.5 設計負荷
　　
合理的設計負荷有利于降低生物濾床系統投資，保持運行的穩定性。文獻顯示[14-18]，生物濾床處理城市污水處理廠臭氣的濾料表面負荷一般為30-250m3／(m2·h)。下表所示為國內外部分污水處理廠除臭系統設計負荷。
　　
表1國內外污水處理廠生物濾床除臭工藝負荷
　　table 1 load of bio-filter bed in sino-foreign municipal sewage treatment odor control
項目 設計負荷/m3m-2h-1 去除率/% 基質組成

lueneburg污水廠 32-93 99 堆肥、樹葉、灌木樹枝
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，沸石和有機物料
水灣污水廠 73.5 99 樹皮,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 臭氣停留時間
　　
臭氣在生物濾床中的停留時間直接影響了其處理效果。停留時間過短，臭氣中污染成分還未充分被生物膜吸收，就被排除床體，無法使最大量的臭氣被降解轉化；如果停留時間過長，則會使床體體積過大，增加投資。因此在生物濾床的設計時有必要確定合理的停留時間。文獻介紹[5,6,9,]，以去除肉食加工廠廢氣為主的生物濾床停留時間為15s；以去除三氯酚為主的生物濾床停留時間為3h；以去除h2s為主的生物濾床停留時間為23s。針對城市污水處理廠產生的臭氣，郝桂玉[19]考察了國外部分污水處理廠生物除臭裝置停留時間，認為污水處理廠除臭生物濾床停留時間一般為2-8.5min。
　　
3 生物濾床除臭工藝應用現狀及其局限性
　　
3.1 應用現狀
　　
生物濾床除臭工藝作為一種綠色技術，它對環境沖擊少，不需要化學藥品（材料），不會造成二次污染，土壤基質由堆肥、廢木碎屑、煤渣、泥炭塊等可再循環的產品組成，具有生態可持續性。生物濾床工藝在國外研究和應用較廣泛，如onclick="g('廢水');">廢水輸送/處理、食品/飲料行業和化學行業。目前,有關生物濾床的研究在我國也逐漸成為一個熱門課題。
　　
3.2 生物濾床工藝局限性
　　
生物濾床局限性表現為：①占地面積較大；⑦降雨和加濕不當可能造成土壤基質孔隙堵塞，使透氣性變差；③底部防滲層如出問題，污水會滲漏到自然土壤中；④臭氣可能會產生短流或在過氣斷面上分布不均勻；⑤寒冷地區易受冰凍影響；⑥國內對這項技術的研究相應用尚處于起步階段，工藝設計參數及應用實例較少，技術上有待進一步探索和完善。
　　
4 結語
　　
隨著國家對居民對生活環境質量要求的不斷提高，嚴格執行gb14554-93《惡臭污染物排放標準》和gbz2-2002《工作場所有害因素職業接觸限值》，不僅保護污水處理作業區內操作人員的身心健康，也同時保障周圍居民生活環境質量。生物濾床作為一種新型生態臭氣處理技術，具有投資省、運行簡便、處理效果穩定等諸多優點，不失為我國城市污水處理廠惡臭氣體控制的優選方案。