（环境工程专业论文）炭纤维复合生物滤池处理混合恶臭及微生物特性研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 随着经济的飞速发展，人们环保意识的不断加强，对工农业生产过程中所散 发出来的恶臭气体也更加敏感和关注，因此如何经济有效地处理恶臭气体具有十 分重要的现实意义。本课题采用由生物滴滤池和生物过滤池串联而成的复合生物 滤池处理含h 2 s 和n h 3 的混合恶臭气体，探讨了复合生物滤池运行的最佳工艺条件 及填料中微生物特性研究。 本试验将活性炭纤维和木屑分别作为生物滴滤池和生物过滤池的填料，通过 研究复合生物滤池在不同进气量、进气浓度、喷淋量以及填料层高度等条件下对 含h 2 s 和n h 3 的混合恶臭气体去除效果的影响，从而得出复合生物滤池的最佳运行 条件。结果表明：气量在1 5 m 3 m ( 气体停留时间约4 3 s ) ，进气浓度h 2 s 1 0 7 m g m 3 、 n h 3 1 1 0 m g m 3 ，循环液喷淋量为4 o l 屈时去除效果最好，h 2 s 和n h 3 去除率均超过 9 9 。生物滴滤池和生物过滤池中填料层高度均为8 0 c m ，h 2 s 和n h 3 的去除主要 在生物滴滤池和生物过滤池的0 6 0 c m 填料段完成。h 2 s 容积负荷小于1 6 4s ( m 3 填 料d ) 时，n i - 1 3 的存在对其去除率基本没有影响，当h 2 s 容积负荷在其可承受的范 围内，一定量的n h 3 有利于h 2 s 的去除，h 2 s 的容积负荷变化对n h 3 去除效果的影响 有相似的情况。试验装置在动态负荷突然变大或变小时，在4 小时内恢复正常，说 明其抗冲击负荷性能好。 对净化产物的分析检测表明，h 2 s 的净化产物s 0 4 2 ，n h 3 的净化产物为n 0 2 和n 0 3 。通过对复合生物滤池中的微生物相观察，可知生物滴滤池中不同高度处 生物膜中的微生物种群不同，下部以细菌为主，中部以真菌和原生动物为主，上 部以藻类为主。最后从装置运行效果最佳时的填料上分离、纯化、筛选出4 株优势 菌株，b i o l o g 自动微生物分析系统的鉴定结果为：生物滴滤池中的细菌分别为 球形芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌金黄亚种，生物过滤池中的酵母菌为橙黄红酵母 菌b ，霉菌为聚多曲霉。 复合生物滤池处理含h 2 s 和n i - 1 3 的混合恶臭气体是可行的，为解决恶臭气体 污染提供了一条有效的治理途径，因此具有一定的环境、经济和社会价值。 关键词复合生物滤池；活性炭纤维；恶臭气体；硫化氢；氨气；菌种鉴定 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , p e o p l ec o n s t a n t l yr e a l i z ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n dp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h em a l o d o r o u sg a st h a ti ss e n to u td u r i n gt h e p r o d u c t i o no fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e t h e r e f o r e ，h o wt ot r e a tt h em a l o d o rp r o b l e m w i t he c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e t h o d sh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h ea i m o ft h ee x p e r i m e n ti st op u r i f yt h em i x e dh y d r o g e ns u i f l d ea n da m m o n i am a l o d o r sb y c o m p o s i t eb i o - f i l t e rc o m p r i s e do f b i o - t r i c k l i n gf i l t e ra n db i o f i l t e r t h eo p t i m u mo p e r a - t i o n a lc o n d i t i o no f t h ec o m p o s i t eb i o - f i l t e ra n dm i c r o b i a lc h a _ m e t e r i s t i c sw e r es t u d i e d t h ep a d d i n go ft h eb i o - t r i c k l i n gf i l t e ra n dt h eb i o - f i l t e ri sa c fa n dw o o d ，r e s p e e - t i v e l y t h eo p t i m u mo p e r a t i o n a lc o n d i t i o nw a so b t a i n e db yt h ee x p e r i m e n te f f e c t so f i n l e tf l o w , i n l e tc o n c e n t r a t i o n , l i q u i df l o wa n dp a c k i n gl a y e rh e i g h to nh 2 sa n dn h 3 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a lr a t eo fh 2 sa n dn h 3w a st h eb e s t , w h e nt h ei n l e t f l o w ( g a sr e s i d e n c et i m e ) ，i n l e tc o n c e n t r a t i o na n dl i q u i df l o ww e r e1 5 m 3 h ( 4 3 s ) ， h 2 s 1 0 7m g m 3 ，n h 3 i1 0 m g m 3a n d4 0 l h ar e s p e c t i v e l y 0 n 恤c o n d i t i o n s ，t h er e m o v a lr a t er e a c h e do v e r9 9 t h ep a c k i n gl a y e rh e i g h to ft h eb i o - t r i c k l i n gf i l t e ra n d t h eb i o f i l t e ri sb o t h8 0 c m t h er e m o v a lo f h 2 sa n dn h 3w a sd o n eb y0 - - 6 0 c mp a c k i n g l a y e rh e i g h to ft h eb i o - t r i c k i i n gf i l t e ra n dt h eb i o f i l t e r w h e nt h ev o l u ml o a do fh 2 s 1 6 4 9 ( m 3 p a d d i n g d ) ，n h 3h a da l m o s tn oi m p a c to nh 2 sr e m o v a l w h e nt h ev o l u m l o a do fh 2 sw a sw i t h i nb e a r a b l er a n g e ，n h 3w a sh e l p f u if o rt h er e m o v a lo fh 2 s h 2 s w o r k i n go nn h 3 h a dt h es i m i l a rs i t u a t i o n n 圮c o m p o s i t eb i o f i l t e rr e s t o r e dn o r m a l l yi n 4h o u r sw h e nt h ed y n a m i cl o a d e dc h a n g ew a si n c r e a s e do rr e d u c e ds u d d e n l y i ts h o w e d t h i se q u i p m e n th a db e t t e ra n t i s h o c kl o a d i n gc a p a c i t y t h ea n a l y s i sa n dd e t e c t i o no f p u r i f i e dp r o d u c t ss h o w e dt h a tp u r i f i e dp r o d u c to f h 2 s w a ss 0 4 2 ；a n dn i - 1 3w a sn o ra n dn 0 3 。b yo b s e r v i n gt h em i c r o b i a lm o r p h o l o g yo f d i f f e r e n tp a c k i n gl a y e rh e i g h ti nt h ec o m p o s i t eb i o - f i l t e r , t h e r ew r ed i f f e r e n tm i c r o b i a l s p e c i e sa n dp o p u l a t i o n t h eb o t t o mw a sm a i n l yb a c t e r i a ；t h ec e n t r a lw a sm a i n l yf u n g i a n dp r o t o z o a ；a n dt h eu p p e rw a sm a i n l ya l g a e f i n a l l y ，f r o mt h ep a d d i n gw h i c hh a dt h e b e s tr u n n i n ge f f e c to nt h ec o m p o s i t eb i o f i l t e r , 4d o m i n a n ts l r d i l l sw e r eo b t a i n e db y s e p a r a t i o na n dp u r i f y i n g t h ei d e n t i f i c a t i o no fb i o l o ga u t o m a t i ca n a l y s i so fm i c r o b e i t 青岛理工大学工学硕士学位论文 w a st h a tt h eb a c t e r i ai nt h eb i o - t r i c k l i n gf i l t e rw a sb a c i l l u ss p h a e f i c u sa n ds t a p h y l o o d c c u sa u r e ms sa u r 刚l sr e s p e c t i v e l ya n dt h ey e a s ti nt h eb i o f i l t e rw a sr h o d o t o r u l aa u o r a n t i a c ab ；m o u l dw a sa s p e r g i l l u ss y d o w i i ( b a i n i e r & s a l t o r y ) t h o m & c h u r c h 1 h cr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em i x e dh y d r o g e ns u l f i d ea n da m m o n i am a l o d o r st r e a t e d b yc o m p o s i t eb i o - f i l t e ra l ef e a s i b l e ，w h i c hp r o v i d e sa ne f f e c t i v eh a r n e s sw a yf o rm a l o - d o r o u sp o l l u t i o n t h e r e f o r e ，i tw i l lh a v ec e r t a i ne n v i r o n m e n t a l ，e c o n o m i ca n ds o c i a l v a l u e k e y w o r d s ：c o m p o s i t eb i n - f i l t e r ；a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r ；m a l o d o r o u sg a s ；h y d r o g e ns u l f i d e ；a m m o n i a ；s t r a i ni d e n t i f i c a l i o n 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 硫化氢和氨混合恶臭气体的来源、危害及处理方法 恶臭指凡是能刺激人的嗅觉器官，普遍引起不愉快或厌恶、损害人体健康的 气味。随着全球城市化和工业化程度不断提高，越来越多的污染物排放到大气中， 严重地危害了生态环境及人体健康，与此同时人们的环保意识在不断增强，对大 气环境质量提出了更高的要求，有关恶臭污染的诉讼事件也在不断增加。尤其在 西方发达国家，关于恶臭的投诉案件已经仅次于噪声污染，居第二位。 目前，对恶臭的研究、治理和评价，已受到世界各国广泛的重视，各国专家 和学者均同意将恶臭污染从大气污染中单独分离出来，列为世界七大环境公害之 一。在我国，恶臭污染问题也变得日益严重，恶臭扰民事件已发生多次，因此关 于恶臭的研究和治理已经引起了市政各有关部门的注意。 地球上存在的2 0 0 多万种化合物中，1 ，5 具有气味，约有1 万种为重要的恶臭 物质【1 】o 按化学组成可分为以下5 类【2 】： ( 1 ) 含硫的化合物，如硫化氢、二氧化硫、硫醇、硫醚类等： ( 2 ) 含氮的化合物，如胺、氨、酸胺、吲哚类等； ( 3 ) 卤素及衍生物，如卤代烃等； ( 4 ) 氧的有机物，如醇、酚、醛、酮、酸、酯等； ( 5 ) 烃类，如烷、烯、炔烃以及芳香烃等。 在这些恶臭物质中，对人们的生产、日常生活影响最为普遍的是硫化氢和氨 气，并且二者通常都相伴相随，同时存在。 1 1 1 含硫化氢恶臭气体的性质、来源及危害 h 2 s 是一种无色有毒的气体，具有强烈的臭鸡蛋气味。在水中的溶解度不大， 通常情况下，1 体积水能溶解4 7 体积h 2 s ，相对密度较大，约为1 1 9 ，因此越接 近地面，浓度越高【3 】。h 2 s 具有可燃性，在空气中不稳定，能被氧化成单质硫、硫 酸盐等硫化合物。 h 2 s 恶臭气体来源广泛，大气中h 2 s 的主要来源是牛皮纸浆、人造纤维、天 然气、炼焦化工、石油精炼、煤气制造、火山喷气、污水处理、造纸、下水道、 青岛理工大学工学硕士学位论文 粪便处理、动物胶、医药、二硫化碳等的生产或加工。此外，在日常生活中，养 殖场、菜腌渍、甜菜制糖、居室、厨房、厕所、垃圾堆等也都是h 2 s 经常产生的 地方，特别是垃圾堆产生的h 2 s 恶臭气体，人们现在对此投诉逐渐增多。 h 2 s 对人的危害极其严重，人对h 2 s 的最低嗅觉浓度约为o 0 0 1 4 3 m g m 3 t 4 j 。当空 气中浓度超过2 8 m 咖时，人就无法正常工作；超过_ 1 0 0 0 m g m 3 时，就可引起急性 中毒，造成人员死亡【5 】。低浓度时，h 2 s 的危害为引起眼炎、眼部分泌物增多，角 膜浑浊畏光，气管炎、咳嗽甚至咽部水肿，如长期吸入h 2 s 可导致人体质变弱、抵 抗力下降，易发生肠炎和心脏衰弱，神经紊乱、多发性神经炎等。浓度过高时， 会使人中枢神经麻痹导致窒息死亡。有数据表明嘲，在牛皮纸浆生产车间内，n 2 s 的挥发浓度可超过4 0 3 2 m g m 3 ，可见对人的危害极其严重。除此之外，作为环境危 害之一，它在有氧和湿热的条件下，还可以严重腐蚀设备、管道和仪表等。 1 1 2 含氨恶臭气体的性质、来源及危害 n h 3 在常温常压下是无色气体，具有强烈刺激性气味，比空气轻，极易溶于 水( 1 体积水可溶解7 0 0 体积n h 3 ) ，易液化。 自然界中的1 n y l - 3 主要来源于氮肥、硝酸、炼焦、粪便处理、肉类加工、禽畜 饲养、温室大棚、晒图作业等生产过程 刀。此外，近年来，随着室内装修的兴起及 各类现代化生活用品的引入，室内空气污染日趋严重。室内空气的气体污染主要 有4 种，即氨气、甲醛、甲苯、氡。其中在北方冬季，氨气的污染最为明显，主 要是在施工过程中。混凝土墙体中加入尿素和氨水为主要原料的混凝土防冻剂， 以及装饰材料中的添加剂和增白剂【s 1 。 人对n h 3 的最低嗅觉浓度约为o 5 m g m 3 。n h 3 的分子量较小，扩散速度很大， 容易侵犯到眼和上呼吸道，能迅速通过细胞组织，渗透到眼内和粘膜内。n i - 1 3 的水 溶性很强，很容易与皮肤粘膜上的水分结合，吸收组织的水分，形成碱性溶液附 着在皮肤粘膜和眼粘膜上，从而产生刺激和炎症，减弱人体对疾病的抵抗力，可 引起流泪、咽痛、呼吸困难及头晕、头痛、呕吐等症状。低浓度氨溶液的损害作 用较小，高浓度氨刺激性很强，可使喉头痉挛而窒息。长期接触较低浓度的氨， 会引起慢性结膜炎、肥大性鼻炎、慢性咽炎、支气管炎以及嗅觉和味觉减退，也 可出现食欲不振、失眠、植物神经功能紊乱、神经衰弱等症状。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 3 含硫化氢和氨混合恶臭气体的来源 自然界中大量的硫化氢和氨气经常是同时产生的，来自于同一个污染源。它 们主要是在生产过程中产生并释放出来的，如在养殖场、肉食品加工厂等生产运 行过程中阻1 1 1 ，天然的动植物体内的蛋白质、脂肪和碳水化合物等在厌氧或好氧的 条件下分解，不断地产生硫化氢、氨气等恶臭物质 1 2 1 3 l ；石油工业、化学工业、 橡胶工业、冶金、造纸、炼焦和医药等行业，各种天然材料或化工合成的产品在 加工、生产或储存、运输过程中的跑、冒、滴、漏，正常排放或意外事故，也都 可能向大气中排放大量的硫化氢和氨气。各种污染源中，城市垃圾、污水、污泥 处理设施所逸出的硫化氢和氨气是大气恶臭污染的主要挥发源。以城市垃圾填埋 场为例，垃圾从运输到填埋整个过程中均产生恶臭气体，并且在垃圾发酵过程中 会持续很多年。大量的调查结果表明，城市垃圾填埋场的恶臭物质主要是硫化氢、 氨、甲硫醇等。从恶臭成分含量来看，氨最多，其次是硫化氢、甲硫醇【1 4 】。因此， 国内外许多学者都在研究控制填埋场恶臭的对策，以改善大气环境质量。 目前许多国家环境法规已经明确规定了硫化氢、氨气等恶臭气体的最高允许 浓度1 5 1 。在我国，居民区大气中h 2 s 一次最高容许浓度是o 0 1 m g m 3 ，n h 3 一次最高 容许浓度是o 2 0 m g m 3 ：车间工作地点空气中h 2 s 的最高容许浓度是1 0 m g m 3 ；城市 煤气中h 2 s 的浓度不超过2 0 1 1 1 9 ，m 3 ；油品炼厂废气中h 2 s 浓度要求净化至1 0 - - 2 0 m g m 3 1 6 1 ，n i t 3 的一级厂界标准值是1 o m g m 3 。 因此，净化硫化氢和氨混合恶臭气体己成为国民经济、环保领域中迫切需要 解决的问题之一。 1 1 4 恶臭气体常见处理方法 恶臭污染是大气污染的一种形式，但不同于一般的空气污染。它以臭味作为 主要污染特征的特殊性，即恶臭气体的臭阈浓度较低，处理后气体中要求的恶臭 气体浓度更低甚至为零，这使得恶臭污染的治理有别于一般空气污染的治理。治 理恶臭的方法主要有物理法、化学法和生物法三类。根据恶臭物质的种类、浓度、 流量的不同可采取不同的处理法，目前国内外主要的脱臭方法有掩蔽法、稀释法、 燃烧法、氧化法、光催化氧化法、吸收法、吸附法和生物法等方法【肌1 9 1 。各种恶 臭治理方法的目的在于经过物理、化学或生物的作用，使得污染物的物相或物质 3 结构发生改变，从而达到去除恶臭物质的目的。各种脱臭方法的原理、特点及适 用范围见表1 1 。 表1 1 恶臭气体处理方法的比较【1 伽 t a b l e l - 1c o m p a r i s o no f t r e a t m e n tm e t h o d sf o rm a l o d o r o u sg a s e s 脱臭方法 脱臭原理特点适用范围 采用更强烈的芳香气味或 可尽快消除恶臭影响，灵适用于需要立即 其他令人愉快的香味与臭活性大，费用低，但恶臭或暂时消除低浓 掩蔽法 气掺和，以掩蔽臭气，使之成分并没有去除掉 度恶臭气体影响 能被人接受的场合 将有臭味的气体通过烟囱费用低，但受气象条件的适用于处理中、 排至大气，或用无臭空气稀 影响，恶臭物质仍然存在低浓度的有组织 稀释法 释，降低恶臭物质浓度以减排放的恶臭气体 少臭味 在高温下恶臭物质与燃料净化效率高，恶臭物质被适用于处理高浓 气充分混合，实现完全燃烧彻底氧化分解，但设备易 度、小气量的可 燃烧法 腐蚀，消耗燃料，处理成燃性气体 本高，易形成二次污染 利用强氧化剂氧化恶臭物净化效率高，但需要氧化适用于处理大气 氧化法质。使之无臭或低臭剂，处理费用高 量的、高中浓度 的臭气 用紫外线和二氧化钛把臭适用于低浓度的恶臭物 净化效率高，维 光催化氧化法气中有异味的化学成分转质的处理护费用低，但是 化为无异味的化学成分 初期投资费用高 使用水等溶剂溶解臭气中可处理大流量气体，工艺适用于处理大气 的恶臭物质最成熟，但净化效率不 量的、高中浓度 吸收法 高，消耗吸收剂，易形成的臭气 二次污染 利用吸附剂的吸附功能使净化效率很高，可处理多适用于处理大气 恶臭物质由气相转移至固组分的恶臭气体，但吸附量的、高净化要 相剂费用昂贵，再生比较困 求的恶臭气体的 吸附法 难，对待处理的恶臭气体 处理 要求高，即较低的温度和 含尘量 利用微生物的代谢活动使净化效率高，可处理复杂 适用于中低浓度 恶臭物质氧化降解为无臭组分的恶臭气体，无二次恶臭气体的处理 物质污染，但对待处理的恶臭 生物法 气体的要求高，即适宜微 生物生长的中低温度和 适宜的含湿量 由表1 1 可知，对于高浓度废气的净化处理，用吸收法、吸附法和燃烧法等方 法处理较为有效，而对既无回收利用价值又严重污染环境的低浓度臭气，使用生 物脱臭法处理，不仅所消耗的化学药品少、能耗低、费用低、处理设旋简单，而 且在适当的处理负荷范围内，脱臭效率较高，运行稳定，更重要的是不产生二次 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 污染，从根本上去除了恶臭气体，因此具有广阔的发展应用前景。 1 2 生物脱臭技术的原理及方法 生物法是利用微生物的代谢活动降解恶臭物质，使之氧化为最终产物而达到 无臭化、无害化。同传统的物理化学方法相比，生物法具有无可比拟的优点叫： ( 1 ) 生物脱臭一般将硫系、碳系、氮系等各种恶臭成分，以及苯酚、氰等有毒 成分氧化和分解成c c h 、h 2 0 、h 2 s 0 4 等物质，通过过滤、曝气、洗涤等人工创造 的环境，进行人为的控制与管理，因而可减少或避免二次污染。 ( 2 ) 生物脱臭法是以恶臭成分作为生物体内的能源，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。与物化脱臭法相比，微生物生长适宜的温 度一般为2 0 3 0 。c ，接近常温。因此生物脱臭过程一般勿须加热，不仅可节省能 源和资源，而且处理成本也比较低廉。 ( 3 ) 只要控制适当的负荷条件与气液接触条件，就能达到极高的脱臭效率。 ( 4 ) 只需设置诸如生物过滤器、曝气槽、捕集器等简单装置。 ( 5 ) 生物脱臭的微生物通常是在低营养条件下进行的，因此所生成的剩余污泥 少。 1 2 1 生物脱臭技术的原理 恶臭气体生物脱臭原理如图1 1 所示。在水、微生物和氧存在的条件下，利用 微生物的代谢作用氧化分解恶臭物质，以达到净化恶臭气体的目的 2 2 2 4 。一般认 为生物脱臭可分为如下三个阶段圆： 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，气液传质过程遵循亨利( h e n 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，可采用搅动气相( 例如鼓泡) 减少气膜厚度 的办法加速转移；对于溶解度低的气体，转移速率由液膜控制，可用搅动液相( 例 如喷淋) 减少液膜厚度的办法加速转移。 第二阶段：溶解于水中的恶臭成分被微生物吸收，恶臭成分得以去除。水中 的恶臭物质传递到水膜与生物膜的表面被微生物以多种途径嘲吸收到细胞内。 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， 恶臭气体的成分不同，其分解产物也不同。不含氮的恶臭物质被分解成c 0 2 和h 2 0 ， 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 含氮的恶臭物质被分解成n h 4 + 、n 0 2 - 、n 0 3 。，含硫的恶臭物质则被分解成s 、s 0 3 2 - 、 s 0 4 2 - 。 净化后气体 废气 图1 - 1 微生物净化臭气模式图 f i g 1 - 1t h ed i a g r a mo fb i o t r e a t m e n to fm a l o d o r 1 2 2 恶臭气体的生物处理方法 微生物在脱臭装置中的存在形式有两种：附着生长系统和悬浮生长系统。在 附着生长系统中，微生物附着在固体多孔填料表面，臭气通过填料床时被吸附、 吸收，最终被微生物降解和利用，典型工艺是生物过滤法( b i o f i l t e r ) ；在悬浮生 长系统中，微生物悬浮于液体中，臭气首先溶解于液相，然后通过扩散进入微生 物细胞，最终被微生物降解和利用，生物吸收法( b i o s c m b b e r ) 是该系统的典型工 艺；此外，还有综合了附着生长系统和悬浮生长系统两种工艺类型的生物滴滤法 ( b i o t r i c l d i n g ) f 1 1 2 7 , 2 s 。因此，生物脱臭法可分为生物过滤法( 附着生长系统) 、 生物吸收法( 悬浮生长系统) 、生物滴滤法( 介于二者之间) 。 1 2 2 1 生物过滤法 生物过滤法是日前研究的最多、技术也较成熟，在实际中也最常用的生物脱 臭法，典型的生物过滤系统如图1 2 所示。其处理流程是含恶臭物质的气体经过去 尘增湿器或降温等预处理工艺后，从滤床底部由下往上穿过滤床，通过滤层时恶 臭物质与填料上的生物膜( 微生物) 接触，被生物膜吸收，经微生物的代谢作用 最终降解为水和二氧化碳或其他成分，处理后的气体从滤池顶部排出。 生物过滤池的进气方式可采用升流式或下降式，前者容易造成深层填料干化， 后者则可避免填料的干化，并可防止未经填料净化的颗粒性污染物排出。为防止 气体中颗粒物造成滤池堵塞，废气进入滤池前必须除尘。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 净化气体 空气加湿器生物滤池 图1 2 生物过滤池装置示意图 f i g 1 2t h es c h c n l a l i cd i a g r a mo f b i o - f i l t r a t i o nd e v i c e 生物过滤器中的滤床采用生物活性介质，一般为天然有机材料，如堆肥、泥 炭、木屑、锯末、谷壳等组成的单一填料或混合填料，这些物质本身含有各种微 生物所需的营养成分，因此不需外加营养物。但由于在运行过程中填料本身为附 着于其上的微生物提供一定的养分，能被微生物降解，因此运行一定时问后会出 现除臭效果变差等问题，应注意经常观察填料的变化，以便及时更换。 生物过滤法具有空床停留时间短，表面负荷、质量负荷适宜，去除效率不低 于9 0 的优点【2 ”。此外，生物过滤池处理技术还具有设备少、操作简单、不需外 加营养物、投资运行费用低等特点，生物过滤池用于处理恶臭气体在欧洲和美国 已得到广泛应用 2 9 - 3 0 。 1 2 2 。2 生物吸收法 生物吸收法是将富含微生物的活性污泥与含有营养物质的水作为悬浮液( 吸 收溶液) ，将污染物吸收其中，然后对悬浮液进行微生物( 生物) 处理。生物洗 涤器是生物吸收法的主要设备，一般由臭气吸收和悬浮液再生两个阶段组成，分 别由吸收设备和再生反应器来完成，装置示意图见图1 3 。臭气从吸收设备底部进 入，从活性污泥池中抽出的生物悬浮液自吸收塔顶部喷淋而下，与下部向上的废 气逆向接触，使废气中的污染物和氧转入液相，实现质量传递，吸收了废气的生 物悬浮液被送回再生反应器( 活性污泥池) ，从再生反应器的底部进入，通入空 气充氧，臭气物质被微生物氧化利用的过程就是悬浮液再生的过程，再生后的悬 浮液再进入吸收设备进行顶部喷淋，吸收与再生两个过程反复进行f 3 1 】。 与生物过滤池相比，生物洗涤器的优点是反应条件容易控制、压降小，但设 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 备多，需外加营养，成本较高，适于处理水溶性较强的恶臭气体。 净化气体 循环气 再生反应器 图l - 3 生物洗涤器装置示意图 f 培1 - 3t h e s c h e m a t i cd i a 斟a mo f b i o s c r u b b e rd e v i c e 1 2 2 3 生物滴滤法 生物滴滤法处理恶臭气体工艺主要是在生物吸收法基础上进行改进，集中了 生物过滤法和生物吸收法两种工艺的优点。生物滴滤池是介于生物过滤池和生物 洗涤池之间的生物除臭装置，滴滤池内装有惰性填料，微生物以生物膜形式生长 在填料上，含有微生物新陈代谢所需营养物质的液体不断喷洒在填料上，当恶臭 气体通过滴滤池时污染物被降解，净化后的气体经过排气口排出。其与生物过滤 法最大区别在于填料上方喷淋循环水，生物相静止而液相循环流动。典型的生物 滴滤系统如图1 - 4 所示。 生物滴滤池填料层的厚度一般约1 0 - - 2 0 米，为单级或多级，面积视处理气体 量和处理效果而定。与生物过滤池不同的是，生物滴滤池所用的填料为无机惰性 填料，不能为微生物的生长提供养分，只作为微生物附着的载体，填料的比表面 积大，为气体通过提供了大量的空间，使气体通过填料柱时的压力损失小，同时 也避免了由微生物生长和生物膜疏松引起的空间堵塞现象。常用的填料有：丝网、 a c o f 、炉渣、浮石、海藻石、鲍尔环、拉西环、钢环、陶粒、沸石、瓷环、轻质 陶块、多面空心塑料小球、塑料填料、颗粒活性炭、活性炭纤维等。 生物滴滤池的特点是：设备少、操作简单、液相和生物相均循环流动、生物 膜附着在惰性填料上、压降低、填料不易堵塞、臭气去除效率高，但需要添加营 养物，运行成本较高，不适合处理水溶性差的化合物。在近l o 年中，生物滴滤池 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 因其较好的安全性，在废气治理方面越来越受到重视【3 2 删。 贮水槽 滴滤池 图1 - 4 生物滴滤塔装置示意图 f i g 1 - 4t h es c h e n 呲i cd i a g r a mo f b i o t r i c k l i n gd e v i c e 1 2 2 4 三种脱臭方法的比较 生物法脱臭是脱臭领域的主导方向，但对于不同的情况，各种生物方法有着 不同的适用范围。表1 - 2 对三种生物方法的技术特点进行了总结口7 3 5 3 6 1 。 表1 - 2 三种臭气生物处理工艺的比较 t a b l e l - 2c o m p a r i s o no f t h r e eb i o - e r a r s 名称优点缺点适用范围 生物过滤法气辟受比表面积大，反应条件难控制，对迸气浓度变进气中的臭气浓度 设备简单，操作、启化适应能力差，设备占地多 l g m 3 ，亨利常数 l o 动容易，运行费用低 生物吸收法 低压力损失，设备占传质表面积低，需大量供氧才可进气中的臭气浓度 地小。反应条件易控维持高降解率，需处理剩余污泥， s g m 3 ，亨利常数 o 0 1 制设备投资大，维护管理费用高 生物滴滤法 适合生长缓慢的微气液比表面积小，启动过程复杂，进气中的臭气浓度 生物，与生物洗涤塔运行费用高 5 9 m 3 ，亨利常数 1 相比设备简单 1 3 降解h 2 s 和n h 5 恶臭气体的常见微生物种类 1 3 1 降解h 2 s 常见的微生物种类 微生物方法脱除h 2 s 的基本原理是：将h 2 s 溶解于水中，利用微生物对h 2 s 的氧 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 化作用将之从酸性气体中脱除。与传统物理化学方法相比，微生物方法反应条件 温和，化学品与能源的消耗大大降低，运行成本低，且无二次污染产生，因此具 有极大的发展前景。 目前发现能够氧化h 2 s 的微生物主要有两大类：无色硫细菌和光合细菌。它们 能将硫化物氧化成硫酸盐，同时以单质硫、硫代硫酸盐、连多硫酸盐、亚硫酸盐 等为中间产物。各种微生物对营养的需要不同，催化氧化硫化物的具体途径也有 所差别。表1 3 为自然界中能够氧化硫化物的部分微生物，大多数是光能自养或化 能自养型细菌，但己发现一些化能异养菌，如：h y p h o m i c r o b i u ms p1 5 5 p t i 、 x a n t h o m o n a ss pd y 4 4 p 8 1 、p s e u d o m o n a sp u t i d ac h l 1 p 9 等能氧化h 2 s 。 表1 - 3 自然界中氧化降解h 2 s 的微生物1 4 0 1 t a b l c l - 3t h em i c r o b eo f o x i d a t i v ed e g r a d a t i o nh 2 si nn a t u r e 微生物 适宜p h 值 适宜温度 c h l o r o b i u mt h i o s u lf a t o p h i l u m7 5 3 0 p r o s t h e c o c h l o r i sa e s t u a r i i 6 52 3 h a l o r h o d o s p i ma b d e l m a l e k i i b 8 4 t h i o m i e r o s p i r as p c v o 7 43 2 x a n t h o m o n a ss pd y 4 47 0 t h i o a l k a l i m i c r o b i u mc y c l i c u m7 5 l o 5 t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s1 4 击02 8 3 5 t h i o b a e i l l u s l i o o x i d a m0 5 - - 6 0 l o 3 7 t h i o b a e i l l mt h i o p a r u s4 5 1 0 o1 1 ，2 5 t h i o b a e i l l u sn c a p o l i t a n u s3 o 5 2 8 t l l i o b a e i l l u sn o v e l l m5 0 - 9 0 3 0 t h i o b a e i l l u sa l b e r t i s 2 o _ 4 52 0 0 t h i o b a e i l l u sp e r o m o t a b o l i s 2 6 - 6 83 0 自养菌分为光合硫氧化菌和化能无机营养硫氧化茵。光合硫氧化菌以硫化物 或硫代硫酸盐作为电子供体，从光源中获得能量，依靠体内特殊的光合色素，同 化c 0 2 进行光合作用，著名的v a nn i e l 反应式如下1 4 0 ： 2 n h 2 s + n c 0 2 与2 砖+ n ( c h 2 0 ) + n h 2 0 ( 1 i ) 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 化能无机营养硫氧化菌通常称之为硫化细菌，包括6 个属：硫杆菌属、硫化 叶菌属、小杆菌属、大单胞菌属、卵硫菌属和硫螺菌属f 4 l 4 2 1 。现今生物脱臭中广 泛应用硫杆菌属，使硫或硫酐的不完全氧化物转化成硫酸等物质，在氧化无机硫 化物的过程中获得能量，并以二氧化碳为主要碳源合成细胞成份。常见的硫杆菌 属菌种有排硫杆菌、氧化硫杆菌和脱氮硫杆菌等。 异养型硫氧化菌分布很广，种类很多，包括许多土壤细菌、放线菌和真菌【4 3 1 。 其中的一些种类能将硫代硫酸盐氧化成四硫酸盐，也有一些能将硫代硫酸盐氧化 成硫酸盐。第一个被报道可用于硫化氢脱除的化能异养菌是x a n t h o m o n a sd y “， 由c h o 等在一个二甲基二硫醚驯化的泥炭中分离得到嗍。 1 3 2 降解n h 3 常见的微生物种类 ( 1 ) 亚硝化细菌和硝化细菌：进行硝化作用的亚硝化细菌( n i t r o s o m o n a s ) 和 硝化细菌( n i t r o b a e t e r ) 都是化能自养菌，专性好氧，它们分别从氧化n h 3 和n 0 2 的过程中获得能量，以c 0 2 为唯一碳源，作用产物分别为n 0 2 碍订n 0 3 。它们要求 中性或弱碱性的环境( p h 6 5 8 0 ) ，p h 6 0 时，作用强度明显下降 2 0 l 。 ( 2 ) 其它微生物：好氧性的异养细菌和真菌，如节杆菌、芽孢杆菌、铜绿假单 胞菌( p a e r u g i n o s a ) 、姆拉克汉逊酵母( h a n s e n u l am r a k i i ) 、黄曲霉( a s p e r g i l l u s f l a v u s ) 、青霉等，能将n h 4 氧化为n 0 2 和n 0 3 。，但它们并不依靠这个氧化过程 作为能量来源，对自然界的硝化作用并不重要。 自然界的硝化作用都是硝化细菌活动的结果，硝化细菌根据作为能源的无机 物的不同，可分为两种不同的生理类群，即亚硝酸细菌和硝酸细菌。这两类细菌 分别将氨氧化成亚硝酸，将亚硝酸氧化成硝酸。 亚硝酸细菌( n i t r o s o m o m s1 亚硝酸细菌将氨氧化成亚硝酸的反应过程可概括为： 2 n h 3 + 3 0 2 哼2 h n 0 2 + 2 吼d + 能量( 6 6 2 1 0 ) ( 1 - 2 ) 在上述反应中，氮由负三价变为正三价。在氨氧化过程中脱下的电子传给分 子氧形成a t p ，从而使亚硝酸细菌可得到同化二氧化碳所需的能量，亚硝酸细菌 利用这一能量合成有机物，反应式如下： 6 c 0 2 + 6 皿o c 6 2 d 6 + 6 d 2 ( 1 - 3 ) 青岛理工大学工学硕士学位论文 硝酸细菌( n i t r o b a c t e r ) 【2 0 】 硝酸细菌能氧化亚硝酸为硝酸，其氧化过程可分为两步： 2 h n 0 2 + 2 月j o _ 2 h n 0 3 + 4 h + + 4 e ( 1 - 4 ) 4 h + + d 2 + 4 e 2 日2 0 + 能量( 2 0 1 k j ) ( 1 - 5 ) 即2 h n 0 2 + 0 2 - 9 2 h n 0 3 + 能量( 2 0 1 k j ) ( 1 - 6 ) 硝酸细菌利用上述反应中生成的a t p 同化二氧化碳合成细胞内的有机物，反 应式如下： 6 ( 7 0 2 + 6 h 2 0 斗c a 风2 0 6 + 6 0 2 ( 1 - 7 ) 1 4 国内外生物除臭技术研究现状 虽然生物净化法在废水处理领域已有一百多年的历史，但利用微生物处理废 气的历史很短，部分工作还停留在试验阶段。但由于其具有传统方法不可比拟的 优越性和安全性，发展潜力和应用前景相当广阔。现分别介绍国内外生物法去除 恶臭气体的研究概况。 1 4 1 国外生物除臭技术研究现状 欧美等西方国家在生物除臭方面的研究开展的比较早。国外利用微生物对恶臭 气体进行控制的概念最早可以在1 9 2 3 年的文献里发现【4 “5 】。b a c h t 4 6 利用生物技术 对污水处理厂的h 2 s 进行了控制。1 9 5 7 年i 乙d p o m o r o y 4 7 】利用土壤微生物处理h 2 s 废气发表在美国专刊上。到2 0 世纪7 0 年代，生物滤池主要用于控制污水处理厂产 生的恶臭气体，之后逐渐扩展到了其他的领域，在许多可降解的污染气体控制方 面发挥了很大的作用。比较广泛的研究是从8 0 年代初荷兰和德国的科研人员获得 良好治理效果后才开始的，随即引起美国、日本和许多其它国家的重视。随着研 究的进展，已有各类微生物除臭的装置和设备开始运用于冶金、石油、化工、畜 牧业、污水处理厂等实际中，并取得明显的效果，其中日本、德国在这方面取得 的成就最为显著 4 8 - 4 9 l ，所以这一方法已逐渐成了世界工业废气净化研究的前沿热 点课题之一。 据1 9 9 1 年统计，欧洲有5 0 0 多座生物滤池在运行，大多数用于家禽和食品加工 业【5 肛5 1 】，处理效率在9 0 以上。s h o d a s 2 研究了各种细菌包括t h i o b a c i u u st h i o p a r u s 青岛理工大学工学硕士学位论文 氧化恶臭硫化物的能力，将细菌接种到泥炭上进行生物过滤的研究，发现t h i o b a e i l l u st h i o p a m s 可以降解所有被测试的硫化物，包括h 2 s 、甲硫醇、二甲基硫和二甲 基二硫，由米氏方程计算出h 2 s 的最大降解速率v