（环境科学专业论文）生物滤池法去除污水处理厂臭气技术及工程应用研究.pdf

上海师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t o d o rf r o mt h ep r o c e s so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n th a db e c o m eo n eo ft h e h o tp o i n t s c o m p l a i n i n gf o ra i rp o l l u t i o n b i o t e c h n o l o g yi su s e df o rt r e a t m e n t o fo d o rp o l l u t i o n a si t sc h a r a c t e r i s t i cb ya b s o r p t i o na n dd e g r a d a t i o nt oc o n t a m i n a t i o na n dt h e r ea r en o b y p r o d u c t sp o l l u t i o nt oe s c a p ei n t ot h ee n v i r o n m e n t r e a lf e t o ro d o r f r o mw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tw a st a k e na st a r g e lr e s p e c t i v e l y b a s e do i lb e n c hs c a l ea n df u l is c a l e s u l f u r e dh y d r o g e na n da m m o n i aw e r er e m o v e d b i o l o g i c a l l y n eb i o f i l mf o r m e do nc e r a m i cp a r t i c l ea n do r g a n i cf i l l i n gw a s d i s c u s s e d e s p e c i a l l yf o rt h es t a r t u ps t e pa n do p e r a t i o np r o c e s s t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i st h e s i si n c l u d e ：t h ec o m p a r i s o no fa c c l i m a t i o na n d t h eo d o r a n tr e m o v a le f f e c tb e t w e e nc e r a m i c sp e h e ta n do r g a n i cs t u f f i n g t 1 l ee f f e c to f d i f f e r e n tp o l l u t i o nl o a do fu n i tf i l l i n gv o l u m e ，h u m i d i t yo fs t u f f i n g ，t h ev a l u eo fp h a n dt e m p e r a t u r e0 1 1r e m o v a le f f i c i e n c ya n dt h eo p e r a t i o no fs y s t e m ；t h et e s to f p r e s s u r ed r o pd u r i n gt h es y s t e mo p e r a t i o n ；t 1 l ei n f l u e n c eo ft h el o a di m p a c ta n dl a yo f a n dm a d et h ee l e m e n t a r yt e c h n o - e c o n o m i ce v a l u a t i o na b o u tt h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n t h em a i ng o a li st op r o v i d es o m ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no ft h ed e v i c eu s e df o ro d o rc o n t r 0 1 a n dt r yt ou db u i l dt h ee x p e r i m e n t a l b a s i sf o rt h ee n g i n e e r i n gd e s i g no fo d o rc o n t r o lf i l e df r o mt h ee c o n o m i ca n d t e c h n i c a l t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h eb i o t r e a t m e n tp r o c e s sf o ro d o rc o n t r o li nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti s f e a s i b l eo nt h et e c h n o l o g ya s p e c t c i r c u l a t ef l u xt h eh a b i t u a t e da c t i v a t e ds l u d g ec o u l d a c c e l c r a t ea c c l i m a t i o no ft h eo r g a n i cf i l t e rm e d i ai nt o ww e e k s t h es u i t a b l ee c o l o g i c a lc o n d i t i o n sf o rm i c r o b i a ld e g r a d a t i o no fo d o rc o m p o u n d s a r e ：s t a yt i m ea t3 7 8 s ，t e m p e r a t u r ea t3 2 c ，s t u f f i n gh u m i d i t ya t5 5 6 0 ，p ha t 3 5 ，w i t hh 2 sa n dn i l 3i n l e tc o n c e n t r a t i o nb e l o w3 0m g c m 。a n d2 0m g m 。，t h e c l e a n i n ge f f i c i e n c yo fh 2 s c o u l d b eu pt o9 0 t h eo n eo fn h 3b e t t e r9 9 i n c r e a s et h eh u m i d i t yo ft h eo r g a n i cs t u f f i n gi sg o o dt om a i n t a i nt h es y s t e m o p e r a t i o nw i t hh i g he f f i c i e n c yb e f o r e6 0 ，a n di fi tu n d e rt h a tr a t e ，t h ep r e s s u r ed r o p o ff i l t e rw i l lr i s eq u i c k l y 皿eo r g a n i cs t u f f i n gb i o f i l t e rs y s t e mh a sg o o dc a p a b i l i t yt oa d a p tt h ei m p a c to f p o l l u t i o nl o a d t h es y s t e mr e m o v a la b i l i t ye n h a l i c ew h e nt h ei n l e tc o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e b u tc l e a n i n ge f f i c i e n c yd r o p t 1 l ee f f e c to fs h o r tt i m el a yo f fo nt h eo r g a n i cs t u f f i n gb i o f i l t c fs y s t e mi ss m a l l b u ti t s h o u l dn o te x c e e d1 0d a y s 1 n h ep r e l i m i n a r yt e c h n i c a la n de c o n o m i c a la b o u tt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i n d i c a t e dt h a tt h eb i o - t r e a t m e n ti sm o r ev a l u a b l et h a nt h o s et r a d i t i o n a lp r o c e s s e s k e y w o r d ：b i n - t r e a t m e n ts e w a g et r e a t m e n tp l a n t d e o d o r i z a t i o n h y d r o g e n s u l f i d ea n l m o n i a v 上海师范大学硕士学位论文 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 作者签名黼期：一，7 ， 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名 师签名删魄m 川 上海师范大学硕士学位论文 1 1 恶臭污染概述 第1 章绪论 恶臭污染是指大气、水体、废弃物等物质中含有的、具有能够引起人体厌恶 或不愉快气味的挥发性物质通过空气介质，作用于人的嗅觉器官而被感知的一种 感知( 嗅觉) 污染f 1 1 。 1 1 1 恶臭的分类及组成 导致恶臭物质发出臭味的主要原因是由于这些物质中含有特征发臭基团。含 发臭基团的气体分子与嗅觉细胞作用，经嗅觉神经向脑部神经传递信息，从而完 成对气味的鉴别。常见的发臭基团有硫基、硫氰基等含硫化合物以及羟基、醛基 等含氧化合物。 目前地球上存在的2 0 0 多万种化合物中，五分之一具有气味，约有1 万种为重 要的恶臭物质i 硐。其中国家标准恶臭污染物排放标准( g b l 4 5 5 4 9 3 ) 中确定 y 8 种主要恶臭污染物，它们分别是氨( n h 3 ) 、三甲胺( ( c n 3 b 0 ，硫化氢( h 2 s ) 、甲 硫醇( c i - 1 3 s h ) 、甲硫醚( ( c h 3 ) 2 s ) 、二甲二硫( ( c h 3 ) z s 2 ) 、二硫化碳( c s 2 ) 、苯乙烯 ( a r - c h = c h z ) 。感觉臭味的一个总的先决条件是其化学物质显示出高挥发性( 分 子量在3 5 0 p a 下) 及亲水和亲脂性。按化学组成可分成以下五类1 4 j ： ( 1 ) 含硫化合物，如硫化氢、二氧化硫、硫醇、硫醚等； ( 2 ) 含氮化合物，如胺、酰胺、吲哚等； ( 3 ) 卤素及其衍生物，如氯气、卤代烃等； f 4 ) 烃类，如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等； ( 5 ) 含氧有机化合物，如醇、酚、醛酮，有机酸等； 可见，除硫化氢和氨外，这些恶臭物质大都为有枫物。这些有机物具有沸点 低、挥发性强的特征，能够散发到大气中，为此我们又称其为挥发性有机化合物， 简称v o c s ( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 上海师范大学硕士学位论文 1 1 2 恶臭污染的来源 恶臭污染源极其广泛1 5 8 ，大体可分为工业污染源( 如造纸厂、印刷厂等) 、生 活污染源( 如厕所、卫生间、垃圾桶、下水道等) 和体泌污染源( 如脚臭、腋臭、口 臭等) 三大类。养殖场、肉类加工厂、生活垃圾场等场所的生产运行过程中，天 然形成的动植物体内的蛋白质、脂肪和碳水化合物等在厌氧活好氧条件下氧化分 解而形成最终产物的过程中，都不断产生醇类、醛类和脂肪类等不完全氧化的恶 臭物质；而在石油工业、化工行业、橡胶行业、冶金、造纸、炼焦和制药等行业， 各种天然材料活化工合成品加工、生产、运输或储存过程中都有可能向大气中排 放恶臭污染物。表1 1 列出了常见恶臭污染源及其臭气特征。 表i - i 主要恶臭物质的臭气特性及污染源 2 上海师范大学硕士学位论文 值得一提的是，许多污水处理厂的由于城市规模的不断扩大，早已置身于居 民区或商业地段，由于早期设计的原因绝大多数并未配备专门的恶臭处理设施， 所以这类恶臭目前己成为危害居民健康，影响生活质量的重要污染源，成为受投 诉最多的环境污染问题之一。研究表明，污水处理厂的恶臭主要来源于生化池水 解、曝气沉砂池、污泥浓缩池等设施，恶臭中的成分以硫化氢和氨气为主。 1 1 3 恶臭污染的特点及危害 1 1 3 1 恶臭污染的特点 ( 1 ) 测定困难人能感觉得到的臭气成分多达, 4 o o o 多种，虽然不同的发生源 产生的臭气成分差别很大，但一种臭气中至少含数十种成分，有的甚至达到数百 种之多。通常把正常人勉强可以感觉到气味的浓度，即恶臭的最低嗅觉浓度称为 嗅觉阈值。大部分臭气的嗅觉阈值浓度又非常低，绝大多数为1 1 0 母以下，所以 恶臭物质在极低的浓度就可使人产生心理上的不快，这就使得其测定非常困难。 目前测定的方法大体上有以下几种： 1 ) 官能试验法日本环境厅采用6 级臭味强度表示法。但难于判断完全无臭 的条件，难于区别相邻二级之间的差别。 2 ) 阈值浓度测量法。用无臭物质进行稀释，直到原来的臭味感觉不到为止， 用稀释倍数表示阈值浓度。但即使对同一个人，其阈值也随条件不同而不同。 3 ) 绝对浓度测量法。用气相色谱法和吸光光度法对臭气物质的浓度进行定 量分析的方法。但对由几种物质引起的臭气，不能分析他它的全部成分。 4 ) 吸附浓度法。让臭味气体通过装在柱体中的吸附剂，当吸附剂超过饱和容 量就会在柱体出口处产生臭味，测定通过吸附柱的臭味气体量，以臭味气体消耗 量的倒数为臭气强度。 5 ) 三点比较式臭袋法。 测定臭气的方法手段有多种，有仪器测出空气中各组分的浓度，为仪器测定 法( 气体色谱分析法、检测管) ，用心理物理学的手段对臭气进行官能测试，为 官能测试法( 注射器法、三点比较式臭袋法、无臭室法) 。 ( 2 ) 治理困难通常有害气体对人产生的生理影响与其浓度成正比，而恶臭给 人的感觉量( 恶臭强度) 与对人的刺激量( 恶臭物质浓度) 的对数成正比。韦伯一费 3 上海师范大学硕士学位论文 希纳( w e b c r f e c h n e r ) 公式很好地反映了这种关系【9 1 。 i = k l o g c 式中：i 恶臭强度； c _ 一恶臭物质浓度，m g m 3 ； 一般对低浓度的臭气常采用韦伯一费希纳定律的修正公式1 1 0 】： i = k l 甙2 2 4 x m ) + a 式中：i m 恶臭强度； x 一臭气质量浓度； m 一臭气分子量； k r 常数。 从上式推算出，即使将恶臭物质去除9 0 ，人的感觉认为只去除了5 0 。这 为恶臭治理工作带来了极大困难，以目前的技术条件，单纯依靠一种技术设备要 达到完全百分之百的消除恶臭是不可能的，要取得极高的效率就必须增加处理级 数，而处理设备的增加必然导致成本的上涨。 1 1 3 2 恶臭物质的危害 恶臭物质分布广、影响大，有资料表明，即使是国家卫生标准以下的低浓度， 长期作业也会使人患病的概率大大增加1 1 1 1 。因为恶臭除了刺激人的嗅觉器官使 人觉得不愉快外，还对人的消化系统、内分泌系统、神经系统和精神产生不利影 响，这表现在： ( 1 ) 危害呼吸系统强烈的恶臭使人体呼吸产生反射性抑制，甚至憋气，妨碍 正常呼吸功能。 ( 2 ) 危害循环系统随呼吸变化，会出现脉搏和血压变化。如氨会使血压出现 先下降后上升现象。 ( 3 ) 危害消化系统人经常接触恶臭，会使人产生厌食、恶心，甚至呕吐，进 而发展到消化功能减退。 ( 4 ) 危害内分泌系统经常受恶臭刺激，会使人的内分泌系统功能紊乱，影响 机体代谢。 ( 5 ) 危害神经系统恶臭的刺激，会使嗅觉疲劳甚至丧失。“久闻不知其臭”最 后会导致大脑皮层兴奋和抑制的调节功能失调。 4 上海师范大学硕士学位论文 ( 6 ) 影响精神状态恶臭使人烦躁不安，思想不集中，工作效率降低，判断力 和记忆力下降，影响大脑的思维活动。 随着生活水平的提高，人们对环境质量的要求越来越高，对恶臭物质引起污 染问题也更加敏感。而当前在国内，许多行业并未顾及恶臭对周围环境的影响， 绝大部分生产过程中产生的恶臭气体几乎未经处理就直接排放到大气中。由于这 些恶臭造成的污染直接，涉及范围广，同时治理难度大，因而如何对其有效防治 已成为亟待解决的问题。 1 2 主要恶臭治理方法及其性能比较 1 2 1 传统治理恶臭方法 恶臭气体的传统治理方法主要分为物理法、化学法【1 2 1 。物理法是在不改变 恶臭物质化学性质情况下，用其它物质将它的臭味掩蔽和稀释，或者将恶臭物质 由气相转移至液相或固相。常见物理方法有掩蔽法、稀释法、冷凝法和吸附法【1 3 1 等。化学法是使用另外一种物质与恶臭物质进行化学反应，改变恶臭物质的化学 结构，使之转变为无臭物质或臭味较低的物质。常见化学方法有热力燃烧法、催 化燃烧法、化学氧化法和洗涤法等【1 4 , 1 5 1 。表1 2 列出了常见的物理、化学脱臭方 法的原理、特点和适用范围【1 6 1 7 1 。此外，近年来又研究了一些比较特殊的脱臭方 法，如电晕除臭、介质阻挡放电低温等离子体技术【1 8 l 、光催化氧化和膜生物反 应器【1 9 捌等技术。 要选择合适的处理方法，则需考虑恶臭物质的性质、浓度、处理量、当地的 自然条件、卫生要求和经济情况等具体因素，在实践中应根据不同的情况而进行 采用。但无论怎样，都存在着所用设备繁多，工艺复杂，有二次污染，再生困难， 后处理过程复杂，能耗大等问题。因此，国外从五十年代便致力于用生物氧化的 方法来处理恶臭物质。 5 上海师范大学硕士学位论文 表1 2 常见的物理和化学脱臭方法 处理方法原理 特点适用范围 稀释法 将有臭味的气体通过烟 费用低，但易受气象条件适用于处理中低浓 囱排至大气，或用无臭空的影响，而且恶臭物质仍 度的有组织排放的 气稀释、降低恶臭物质浓然存在 恶臭气体 度以减少臭味 中和法使用中和脱臭剂减弱恶 可尽快消除恶臭影响，灵适用于需要立即 臭感官强度的方法活性大，费用低，但恶臭地，暂时地消除低 成分并没有被去除掉 浓度恶臭气体影响 的场合 燃烧法在高温下恶臭物质与燃净化效率高，恶臭物质被适用于处理高浓 料气充分混合，实现完全彻底氧化分解，但处理成度、小气量的可燃 燃烧本高，部分污染物无法去性臭气 除 电晕法高压脉冲电晕放电获得成本费用低，可在常温常 适用于低浓度，易 o 、o h 使臭气氧化分解压下进行，但易形成二次 氧化有机挥发物 污染 光分解法 臭气分子在一定波长的臭气反应时间极短，净化适用于中高浓度。 光照或光催化下分解 效率高，但成本高耗能成分单一的臭气 多，易形成二次污染 臭氧氧化法 利用强氧化剂氧化恶臭净化效率高、但需要氧化适用于处理大气量 物质，消除或降低恶臭剂，处理费用高的、高中浓度的臭 气 活性炭吸附法 利用吸附剂的吸附功能效率高，应用面广，但吸适用于低浓度、高 将恶臭物质由气相转移附剂费用高，再生困难，净化要求的恶臭气 至固相且一般需增加干燥、除尘体的处理 等预处理措施 化学洗涤法 适当溶剂溶解臭气中的处理流量大，工艺成熟，适用于处理大气量 恶臭物质但普遍净化效率不高，消的、高中浓度的臭 耗吸收剂，且转移的污染气 需二次处理 1 2 2 恶臭的生物治理技术 1 2 2 1 生物脱臭原理 生物脱臭的过程是在人工环境下，利用经过驯化的微生物的新陈代谢等生命 活动将吸收到的恶臭物质进行分解和同化作用，所产生的代谢物一部分溶入液 相，一部分作细胞物质或代谢能源，还有一部分( 如c 0 2 ) 则析出到空气，废气 中的有机物通过上述过程不断减少，从而达到净化目的。其中，不含氮的有机物 分解最终产物是c 0 2 ；含氮物质经过氨化作用释放出可进一步被硝化最终氨化成 6 上海师范大学硕士学位论文 硝酸；含硫物质经过微生物分解产生可以被另一类微生物的硫化作用氧化成硫 酸。微生物在氧化分解恶臭物质的过程中，还同时将恶臭物质转变为自身的营养 物，微生物得以产生新细胞，继续繁殖。一般认为生物脱臭过程大致可分为以下 三个阶段1 2 1 】： 第一阶段含恶臭物质的气体首先同水接触并溶解于水，即由气相转移到液 相，随液膜附着在填料表面，气液传质过程遵循亨利( h e i l r y ) 定律。根据气液传 质的双膜理论，对于溶解度高的气体，转移速率由气膜控制，对于溶解度低的气 体，转移速率由液膜控制。 第二阶段溶解于液膜中的恶臭物质不断扩散，其中传递到液膜与生物膜的 表面恶臭成分被微生物以有多种途径吸收到细胞内，得以去除。 第三阶段进入微生物细胞的恶臭成分作为营养物质为微生物所分解、利用， 部分物质转换为微生物的营养物质，变成细胞质。如含碳、氢、氧元素的酸、苯 酚、甲醛等被分解成c 0 2 和h 2 0 ，含硫物被氧化成为硫酸，成为微生物的供给源， 含氮物质部分转化为微生物体组成的蛋白质，部分转化成亚硝酸或硝酸，使恶臭 物质转化脱除： 生物脱臭的基本过程可用下式表达 恶臭物质+ 0 2 + 细胞代谢物+ c 0 2 + h 2 0 生物法净化恶臭废气的机理如图l 所示。 恶臭废气的生物净化过程与废水的生物净化过程相似，都是利用微生物的生 命活动将废气中的污染物转化为二氧化碳，水和细胞等物质，但是与废水生物处 理的重大区别，前者的气态污染物首先要经历由气相转移到液相或者固相表面液 膜的传质过程，然后才能在液相或者固相表面被微生物吸收降解，废气中的污染 物通过上述过程不断减少，从而被净化。 用以进行气相污染物降解的微生物种类很多，根据能源结构分为自养菌和异 养菌；自养菌利用无机碳作为能源，因此一般存在于生物除臭塔中；异养菌则是 通过氧化有机物来获得能量，在适宜的温度、p h 值和有氧的条件下，能较快地 完成降解过程。在生物除臭运行初期，微生物对污染物有一个适应过程，其种群 和数量分布逐步向适宜于处理目标污染物的情况转交。在通常情况下，对易降解 的有机物，大约需要1 0 天时间，而对难降解的有机物，所需时间则更长【捌。 7 上海师范大学硕士学位论文 一 ? 警簿7 衙- 黜 | 瓣| 0 | ，j | 。i 二磐- 恶臭 恶臭 j 皇= 弋 相 图1 1 生物法净化恶臭气体示意图 1 2 2 2 主要生物处理装置 恶臭气体的生物净化设施按照微生物的存在方式和水分、营养添加方式的差 异可以分为三类f 为j ：生物洗涤塔、生物过滤池、生物滴滤池。 ( 1 ) 生物洗涤塔 生物洗涤塔( 也称生物吸收塔) 的工艺流程见图1 2 。通常由一个吸收塔和具 有活性污泥的生物反应器组成。生物悬浮液( 循环液) 自吸收塔顶部喷淋而下，恶 臭气体中的恶臭物质和0 2 在这个过程中传入液相，实现质量传递。如果污染物的 浓度较低、水溶性较高，则极易被水吸收，转入液相。如果生物降解和吸收所需 时间相等，可不另设反应器，但是气，液相转化吸收过程往往要远远快于生物反 应的降解过程，这使得生物悬浮液没有充足的消化时间，即充分的再生过程。所 以吸收器和生物反应器要分开设置，使悬浮液有足够的反应停留时间，而停留时 间长短则取决于活性污泥的活性强度和再生能力。吸收塔内的活性污泥吸收恶臭 物质的效率与污泥的m l s s ( 混合液悬浮固体) 浓度、p h 值、溶解氧( 或曝气条件) 等有关。而这些控制条件都可以在生物再生池进行调节，如添加营养液、缓冲剂 以及更换循环液等等。 8 上海师范大学硕士学位论文 臭气 净化气体 吸收塔再生池 图1 2 生物洗涤塔工艺流程 生物吸收法优点是成本低、对溶解性大的污染成分去除率极高；缺点则是悬 浮液再生时间长、活性污泥控制工序复杂。 佗) 生物过滤池 生物过滤器为微生物固着在适宜填料上的填料床。恶臭气体预处理后经过气 体分布器进入生物过滤系统。在停留时间充分的条件下，由气相主体而被转移吸 收到具有生物活性的湿式薄层( 生物膜) 内，并包围在过滤颗粒四周，发生目标污 染物的好氧降解。该过程进行当中，系统为细菌提供适宜的环境条件( 氧气含量， 温度，营养和p h 值) 。填料表面的微生物在生化降解废气中的恶臭物质的同时不 断生长繁殖，从而使生物过滤器的操作得以持续进行。其流程如图卜3 所示。 臭气 净化气体 润湿器过滤池 图1 - 3 生物过滤池工艺流程 生物滤池的填料层是具有吸附性的材料，如土壤、堆肥、活性炭等。 土壤生物滤池中滤层材料一股由黏土、有机质沃土，细砂土、租砂土混合而 成，因其具有较好的通气性和适度的通水与持水性以及完整的微生物群落系统， 因而能有效地去除烷烃类化合物，而对丙烷、异丁烷、酯和醇等易降解物质的处 理效果更佳。 9 上海师范大学硕士学位论文 土壤生物滤池具有设备简单、运行费用低、管理费用低，缺点是占地面积大。 堆肥生物滤池中滤层为可生物降解材料，微生物量比土壤中多，故去除气体 负荷及效果均比土壤床好，气固接触时间只需3 0 秒，而土壤床则需6 0 秒以上。与 土壤床相比，堆肥床可大大减少占地面积，但堆肥床由可生物降解的物质构成， 寿命有限，运行3 巧年后必须更换滤料。生物滤池常用设计常数如表1 3 所示。 表1 - 3 生物滤池常用设计参数 生物过滤法的优点是：设备少，操作简单，不需要外加营养物质，投资运行 费用低，去除效率高。缺点是：反应条件控制较难，占地面积大，基质浓度高时， 因生物量增长快而易堵塞滤料，影响传质效果。 ( 3 ) 生物滴滤池 生物滴滤池集生物吸收与生物过滤于一体( 如图1 - 4 所示) 。恶臭气体由塔底进 入，在流动过程中与填料介质上的生物膜接触而被吸收净化。顶部设有喷淋装置， 不断喷淋下的液体通过多孔填料的表面向下滴。塔内微生物生长所需要的营养物 质通过循环液补充，环境湿度以及p h 值也通过循环液加以控制。 净化气体 臭气 清滤塔 图1 - 4 生物滴滤池工艺流程 生物滴滤池与生物过滤法虽然工艺相似，但也有明显区别，生物滴滤床的填 料顶部设喷淋循环液，填料多位惰性物质。如粗碎石、塑料蜂窝状填料、塑料波 纹板填料、陶瓷等空隙率较大且不具吸附性的填料。填料表面是微生物形成的几 1 0 上海师范大学硕士学位论文 毫米厚的生物膜，填料的比表面积一般为1 0 0 3 0 0 m 2 m 3 。这一方面为气体通过提 供了的空间，另一方面，也使气体对填料层造成的压力以及由微生物生长和生物 疏松引起的空间堵塞的危险性降到了最低限度。 在反应条件控制方面，生物过滤池的p h 值控制主要通过在装填填料时投配 适量的固体缓冲剂来完成，一旦缓冲剂耗竭则需更新或再生填料，温度的调节则 需外加强制措施来完成。而生物滴滤池则可以根据需要随时通过改变循环液p h 值来控制反应器的p h 值。所以在处理卤代烃、含硫、含氮等微生物降解过程中 会产生酸性代谢产物及产能较大的污染物时，生物滴滤池比生物过滤池更有效。 生物滴滤池的优点是设备简单，压降小，填料不易堵塞；缺点是需连续外加 营养物质，传质表面积低，剩余污泥需处理，启动过程复杂，运行费用高，对水 溶性差的污染物处理效果不理想。 1 , 2 , 2 , 3 生物脱臭工艺的环境影响因子 生物脱臭工艺主要依靠微生物的生命代谢活动来去除气体中的恶臭物质，因 此，要取得良好的处理效率就必须为微生物营造一个理想的生长环境，对影响其 生长的因素进行有效控制。而影响微生物生长的主要因素包括填料、含水率、p h 值、温度和含氧量等。如何控制这些因素是生物反应器设计和运行过程中需要考 虑的。 ( 1 ) 填料微生物的载体材料性质对微生物处理废气系统有很大的影响。理想 的填料应具有以下性质：最佳的微生物生长环境，较大的比表面积，一定的结构 强度，高水分保持能力，高空隙率，较低的体积密度。常用的生物滤池材料有活 性污泥、木条、颗粒状活性炭、石楠属植、灰泥、泥炭、土壤、鸡粪和珍珠岩等。 滴滤池常用的有拉西环、陶瓷介质、合成材料等。 ( 2 ) 含水率研究表明f 2 4 7 5 1 ，填料湿度在4 0 6 0 ( 湿重) 范围内时生物过滤 器的性能较为稳定；对于致密的、排水困难的填料和憎水性恶臭气体，最佳含水 率在4 0 左右；对于密度较小、多孔性的填料和亲水性恶臭气体，则最佳湿度为 6 0 或更多。 ( 3 ) p h 值绝大多数微生物的最适p h 值范围都接近中性，所以一般认为生物 处理器的p h 值应该控制在6 8 之间，但是随着反应产物的积累，反应器内的酸 碱度会随着时间的推移而改变。例如在处理含硫物质时，产物中会有硫酸跟等酸 1 1 上海师范大学硕士学位论文 性物质，这些产物的积累可使填料的p h 值降低。一般生物过滤池采取在填料中 添加石灰、大理石、贝壳等，以增加其缓冲能力，而生物滴滤池则在循环液中添 加缓冲剂。此外，高有机负荷引起的不完全氧化也会导致乙酸等有机酸的生成， 也影响p h 值。 ( 4 ) 温度生物反应器中的微生物主要为异养微生物，尽管这些微生物适应的 温度范围在1 0 4 0 ，但一般认为中温菌是其中的优势菌种，生物反应器的温度 维持在2 5 3 5 之间可以取得最好的效果。温度太高则会造成微生物的死亡， 温度太低则会使微生物处于休眠状态而降低处理效率。 ( 5 ) 含氧量在生物法处理系统中，氧的传递要比微生物法处理废水系统容易 得多，且不受溶解度的限制，因为在大多数废气中，氧的含量应是相当多的，即 使是低含氧的烟道气中含氧量就大约有7 8 。 研究表明在处理低浓度污染物时氧含量的改变不影响去除效率，而在处理高 浓度污染物时去除速率受到氧传递的影响。 1 2 3 各种恶臭控制方法的性能比较 如前所述，各种恶臭治理方法都有其优点和局限性，对于具体方法的选择， 要依据恶臭物质的来源、浓度、性质、场地以及处理要求来确定。同时还应作经 济方面的分析才能得出最合理方案。表3 是三大类除臭方法应用效果的简单对比， 表4 是处理规模相当时主要脱臭方法的技术经济比较。 表1 3 主要脱臭方法的效果对比 上海师范大学硕士学位论文 从技术经济分析上可以看出，对于相同的规模，在一次性投资上，化学过滤 法 活性氧化法 生物过滤法，在年度费用方面，化学过滤法最高，生物法和活 性氧化法的费用相当。从投资和运行费用总体来看，生物法最小。 综合比较可以看出相对于普通物理、化学处理技术，生物处理技术治理臭气 性价比最高，这是因为生物法具有以下特点： ( 1 ) 在人工环境下微生物直接将硫系、碳系、氮系等各种恶臭成分以营养物 质的形式吸收、降解，最终产物则是c 0 2 、h 2 0 等简单物质，避免或减少二次污 染，这是其它物理和化学方法不具备的。 ( 3 ) 因为微生物膜直接参与对污染物捕集吸收，所以在脱臭过程中只要使微 生物与恶臭成分相接触，就可以完成氧化和分解过程。过程简单，附属产物少， 一般无需后续处理，极大降低处理成本。 ( 4 ) 只要控制得当，在理想的环境中生物脱臭法可以取得极高的净化效率。 上海师范大学硕士学位论文 ( 5 ) 工艺简单，设备少，能耗和维护成本低。 1 2 4 国内外生物脱臭的研究现状 生物脱臭技术作为一项崭新的恶臭污染控制技术，从1 9 5 7 年，美国的r d p a n e r a y “利用土壤微生物去除硫化氢废气”的研究成果，获美国专利1 2 7 1 至今也不 过半个世纪，有规模的工业应用也是在2 0 世纪7 0 年代以后，然而生物脱臭法发展 却非常迅速。上世纪8 0 年代以来，已有大量微生物除臭装置和设备开始用于冶金、 石油、化工、畜牧业和污水处理厂，并取得了明显的效果 2 8 - 3 1 1 。 由于客观原因，我国在生物脱臭方面的研究起步较晚，2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初才陆续开始相关的小试研究。目前这方面工作开展的较多的是同济大学、 哈尔滨工业大学以及昆明理工大学等，但许多研究仍局限于实验室阶剧3 2 - 3 s 。 近年来，国内外对生物脱臭技术的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 填料特性的研究 填料是微生物生存和生长的介质，它决定了微生物挂膜的难易程度和生物膜 性能的好坏。气态污染物的去除要经过一个气相到液相或气相到生物相的传递过 程，而填料的比表面积决定了气相和液相或生物相的界面面积，因而对传递过程 有很大影响。填料的粒径、空隙率和堆积密度等性质还直接影响着整个床层的压 降以及是否易堵塞等问题。在有机填料方面，国外学者论述的比较多的是有丰富 营养的土壤、泥煤、堆肥等，也有学者对有机和无机填料展开对比试验研究，如 k o e 3 9 】采用活性炭洗涤器对污水厂的恶臭进行了处理，其对h 2 s 的去除率为9 5 左右，臭味去除率为6 0 7 0 。另外也有人将这两种类型的填料混合搭配，取 得了较好的净化效果，如z h u 等用泥煤和活性炭的混合物作为滤料，来去除废 气中的苯i 柏】。 国内的研究人员也逐渐认识到填料特性对生物反应器的重要意义，所以开始 进行初步研究。魏在山，孙佩石等人1 4 1 l 在填料层高度为1 0 0 0 r a m ，气体流量在 3 0 0 1 _ h ，入e l 气体中甲苯的浓度范围在5 0 1 1 0 0 m g 1 ，气体在生物膜填料塔层中 的停留时间约4 1 s ，塔顶循环液喷淋量1 3 2 3 3 6 1 h ，循环液p h = 6 7 ，t = 1 6 8 2 4 的实验条件下，对不锈钢环、瓷环、陶粒、塑料环、海藻石、轻质陶块、煤渣 等作为填料的试验研究，结果表明七种填料的净化性能顺序为：海藻石 轻质陶 1 4 上海师范大学硕士学位论文 块 陶粒 瓷环 不锈钢环 煤渣 塑料环。任爱玲等人【4 纠3 1 则采用p v c 弹性立体填 料进行好氧生物法脱硫的试验研究，并与陶粒、泥炭、木炭填料进行了比较，结 果表明：该填料较其他填料孔隙率高，比表面积大，而且压力损失小，使用寿命 长，生物挂膜速度快，驯化时间短，抗冲击负荷能力较强，对实验中的h 2 s 脱硫 率达9 0 以上。刘波等人【删在气流量为0 5 m 3 h ，进气浓度宅 ：5 0 0 m g m 3 的条件下， 分别采用活性炭、浮石、陶粒生物滴滤池对h 2 s 进行了去除试验，去除率分别为 9 9 、9 8 和9 5 ，同时指出多孔浮石是优质的生物滴滤池填料。 ( 2 ) 反应器的控制参数研究 国内和国外在这方面的研究和叙述比较多。研究的范围包括填料的含水率、 碳氮比、p h 值、氧气含量、温度等对过滤器性能产生影响的参数。同时许多研 究者就单独某中操作参数对过滤器性能的影响展开研究，如m a t t h e w 等【4 5 l 研究了 喷淋液中氮的浓度对系统性能的影响；o k k e r s e l 4 6 l 对运行一段时间后，微生物在 滤塔中集聚和填料结块等现象进行了研究；f e m a n d o 等m 研究了微生物的生长对 系统压降的影响；f r a n c i s 4 s l 研究了滤塔中多余微生物的去除方法；h u u b 等【4 9 l 通 过向滤塔中加入原生动物来控制生物膜的厚度；j i h y e o ns o n g 等【卯】将反应器的性 能与生物膜联系起来，研究生物膜的集聚、分布及其活性。 国内的孙玉梅等对堆肥一珍珠岩填料过滤器在不同的含水率情况下对乙酸 乙酯的去除情况和微生物的活性和繁殖等情况进行了研究【咒】，发现初始湿度低 至3 0 时对乙酸乙酯去除能力较低，而初始湿度在4 0 7 0 时，可以较快达到 稳定运行状态，在稳定状态时对乙酸乙酯的去除率较高。初始湿度高至7 0 的填 料不利于实际操作。梁永坤等人研究了生物过滤法处理含氨废气的技术，通过考 察气体的停留时间、进气方式、进气中氨浓度等因素对氨去除率的影响，得到以 下结论：当进气中氨的浓度分别为1 5 2 、7 5 9 年1 1 1 5 2 0 m g m 3 时，生物过滤反应器对 氨的去除率均在9 5 以上【5 2 , 5 3 1 。这方面的研究虽然在试验条件和所处理气体的性 质有差异，但得出的结论和相关论述基本一致。 ( 3 ) 高效微生物的研究 在国外，随着对脱臭微生物在臭气处理中作用的认识加深，早己开始了高效 脱臭微生物的筛选、培养等研究工作。从8 0 年代中期开始，针对特定恶臭污染物 的高效脱臭菌先后被发现，并应用于实际脱臭系统。国外的许多研究都是从不同 上海师范大学硕士学位论文 生境中分离到能代谢硫系恶臭物质的菌种接种于生物脱臭器中用来处理硫系恶 臭气体。分离自泥炭脱臭器的菌株t h i o b a c i l l u s t h i o p a r a t s d w 4 4 1 5 4 1 ，分离自污水 污泥的菌株，h i o b a c i l u st h i o p a r u st k - m 1 5 5 1 ，分离自淡水湖底的菌株h i o b a c i l l a s t h i o p a r u se 6 t 5 6 1 ，分离自海洋生物絮体的菌株t h i o b a c i l l u s t h i o p a r u st 5 t 5 7 1 等各类 自氧性硫杆菌，它们应用于生物脱臭器中，都取得了很好的处理效果。k e n n e t h 采用实验室分离出来的p s e u d o m o n a s p u t i d af 1 菌种来去除废气中的苯、甲苯和乙 醇 5 8 1 。s a l e e m 等利用筛选到的一株脱氮硫杆菌耐受株l d e n i t r i f i c a n s y ，在反应器 中进行h 2 s 的去除，其脱硫率达8 0 1 5 9 1 。而y i n g 等人筛选出一株处理h 2 s f f 3 菌株 c h l l 和一株处理n h 3 的菌株c h 8 ，把这两株菌株同时固定在填料上，并考察了其 对不同浓度的h 2 s 和n h 3 混合气体的去除效果及影响因素，结果获得了较高的去 除率：对h 2 s 的去除率达到了9 0 以上，对n h 3 的去除率达到9 5 以上唧 。 国内的微生物研究方面报道的较少，大多研究集中在工艺选择及运行参数的 确定上，生物挂膜用的菌源一般来自污水系统的活性污泥。如邵立明等用凝胶包 埋驯化后的二沉池污泥以处理h 2 s 臭气，取得了良好效果【叼。在其他菌种筛选方 面，郑士民等1 6 3 l 从金矿酸性矿水中分离得到氧化亚铁硫杆菌p 3 2 0 菌株，以软性 纤维和玻璃钢蜂窝作为载体制成生物膜反应器，采用穿流栅孔板塔为气体吸收 塔，在塔板数为3 块的条件下对石油催化干气和沼气进行脱硫，h 2 s 的去除率分 别为7 1 4 5 和4 6 9 1 。王玮【删从含硫土壤中分离到的一株无机化能自养型的脱 氮硫杆菌( t h i o b a c i l l u s d en i t r i f c a m ) 菌株u ，在好气条件下，接种量约有1 时，利 用硫代硫酸盐和硫酸盐脱硫率分别为3 4 3 7 和1 9 7 9 。 “) 动力学模型的研究 由于反应器内的气相条件以及其他环境因素始终处于动态之中，所以大多模 型都是在各种假设条件下提出，但国外广泛地把各数学模型应用于实际过滤器的 设计中。如d o u g l a s 等1 6 5 l 给出了单底物情况下的生物滤塔动力学模型，并详细地 给出了参数的获得方法。j o h n 等i 酯l 给出了滴滤塔中传质系数和动力学常数的估 计方法；c r i s t i n a 等【6 t 醴】给出了生物滤塔中动力学参数的估计方法，并建立了生 物膜生长的动力学模型。w a y m e 等i 叫建立了挥发性有机物在生物滴滤塔中净化过 程的数学模型，通过实验数据求出模型参数，并对各个参数进行了模型的敏感度 分析。 1 6 上海师范大学硕士学位论文 在国内，首先研究有机废气生物净化技术的是昆明理工大学的孙佩石等人 3 2 - 3 4 , 4 1 】。该课题组采用不锈钢拉西环为填料来净化甲苯废气。在进行了大量的试 验研究后，对废气生物处理过程进行了动力学的探讨，建立了“吸附一生物膜理 论”，并给出了动力学方程。然而，该方程只是采用了近似的处理方法，利用化 学吸附过程来描述实际的生物去除过程。李国文等 3 5 , 7 0 l 采用柱状活性炭作为生物 滤塔的填料来净化甲苯废气，取得了较好的结果。该课题组同时对生物滤塔净化 废气的动力学进行了探讨，认为废气净化过程的控制步骤为传质过程，并据此得 出了动力学方程。同济大学季学李、羌宁等【7 1 l 采用纤维附着活性炭( a c 0 f ) 为填 料，净化含甲苯废气。 1 3 本文的研究目的、意义和主要内容 1 3 i 研究目的及意义 城市污水处理厂越来越成为城市恶臭的主要排放源，目前已成为各国恶臭污 染防治工作的主要目标之一。在处理低浓度恶臭气体方面，生物过滤池法具有无 可比拟的优势，符合二十一世界的技术发展趋势，该方法在欧洲、日本和美国的 广泛的应用就充分说明了这一点。如前所述，我国在生物治理恶臭方面的研究起 步较晚，目前国内学者对生物滤