（环境工程专业论文）生物过滤法净化及回收含氧废弃研究.pdf

丫t11ffh芍iii3hhfzli5ihl4lloli 原创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：柄椒唆 日期知l o 年占月；日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定，本论文：口不保密：i 1 保密，保密期限 至年月日) 学位论文作者：衲概嵋l 签字日霉f 。年6 月多日 指导教师： 签字日期：年月 日 摘要 摘要 氨气是我国国家环保部规定的八种恶臭污染物之一，含氨恶臭气体不仅威 胁人类健康，还会对生态环境造成严重危害。生物过滤法是一种有效的恶臭处 理方法，但是填料的选择是影响生物过滤法净化效率的关键因素。本研究通过 选择堆肥和玉米芯为生物过滤法填料，先将富集培养的除臭菌接种到填料表面 进行挂膜处理，然后对比研究了两种填料对氨气的净化效果。通过优化进气浓 度、进气流量、填料高度、进口体积负荷与体积去除负荷等因素，确定了以玉 米芯为填料的生物过滤塔净化含氨废气最佳的工艺条件。主要研究结果如下： ( 1 ) 塑料泡沫对氨的饱和吸附容量为6 4g - n h 3 m - 3 _ 填料，珍珠岩为7 6 8 g - n h 3 m - a 填料，玉米芯为2 9 8 2g - n h 3 m - 3 填料，玉米芯填料对氨气的吸附效果 远好于珍珠岩和塑料泡沫。系统运行稳定后，以玉米芯为填料的反应器中生物 量较大，平均每克玉米芯上细菌数高达4 x 1 0 8c f u 、真菌2 1 1 0 6c f u 、放线菌 1 7 x 1 0 5c f u 。 ( 2 ) 玉米芯填料最适含水率为4 0 左右，最佳进气浓度6 3 2 7 1m g m 一。当进 气浓度小于2 7 1m g m 刁时，o 8m 3 h 。1 为最佳进气流量；当进气浓度大于2 7 1 m g m o 时，0 3m 3 h 。为最佳进气流量；当进气浓度低于1 2 1m g m d 时，下部填 料对氨的去除率贡献最大，约为9 0 5 ，中部5 3 7 ，上部1 6 7 。玉米芯填料 塔体积去除负荷随着进口体积负荷的增加而增加，入口体积负荷越高，体积去 除负荷越偏离1 0 0 去除线。堆肥填料塔最佳进气浓度7 3 - - 6 3 0m g m 一，进气浓度 低于7 3m g m o 时，0 3m 3 h 1 为最佳进气流量，进气浓度高于7 3m g m 3 时，o 8 m 3 h 1 为最佳进气流量。堆肥填料塔的下部填料对氨气的净化起主要作用，下部 对去除率的最大贡献率为9 4 1 、中部1 3 5 、上部仅为6 7 。堆肥填料塔去 除负荷与氨气进口负荷基本相近，整个实验期间变化不大，进口负荷与去除负 荷呈线性关系。 ( 3 ) 两段串联生物过滤法除臭效果良好，其中第一段的堆肥填料在生物过滤 系统内起到了关键作用，氨的平均去除率为9 3 。o 。第二段的玉米芯填料对除臭 起到了强化处理的效果，整个运行期间两段串联生物过滤的净化效率均大于 9 7 0 。 关键词：生物过滤法；氨气；玉米芯；堆肥；填料 l a b s t r a c t a b s t r a c t a m m o n i ai so n eo ft h ee i g h tk i n d so fo d o rp o l l u t a n t ss t i p u l a t e db yc h i n e s es t a t e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm i n i s t r y a m m o n i a - c o n t a m i n a t e dn o to n l yt h r e a t e n sh u m a n h e a l t h ，a n dw i l lc a u s es e r i o u sh a r mt ot h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t b i o f i l t r a t i o ni sa n e f f e c t i v et r e a t m e n tm e t h o d sf o ro d o rp o l l u t a n t s b u tt h ec h o o s i n go fp a c k i n gw a st h e k e yf a c t o r , w h i c ha f f e c t e dp u r i f i c a t i o n t h ec o m p o s t i n ga n dc o r nc o bw e r es e l e c t e da s t h eb i o f i l t r a t i o np a c k i n gi nt h es t u d y f i r s t ，w ei n o c u l a t e dt h ee n r i c h m e n tc u l t u r e d d e o d o r i z i n gb a c t e r i ao np a c k i n gs u r f a c et om a k em e m b r a n e h a n g i n g t h e nw e c o n t r a s t e dt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c tf o ra m m o n i ao ft h et w ok i n d so ff i l l e r s t h r o u g ht h e r e s e a r c ho nf a c t o r so ft h ei n l e tc o n c e n t r a t i o n ，i n l e tf l o w r a t e ，f i l l i n gh e i g h t ，i m p o r t v o l u m el o a d i n ga n dr e m o v a lo fl o a dv o l u m ea n do t h e rf a c t o r s ，w eg o tt h ea p p r o p r i a t e t e c h n o l o g yc o n d i t i o n sa n do ft h eb i o l o g i c a lf i l t e rw i t hc o r nc o ba sf i l l e rf o rt h e a m m o n i ap u r i f i c a t i o n t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es a t u r a t i o na d s o r p t i o nc a p a c i t yo fp l a s t i cf o a mw a s6 4g - n h 3 m - 3 p a c k i n g p e r l i t ew a s7 6 8g - n h 3 - m - 3 p a c k i n g c o r n c o bw a s2 9 8 2g - n h 3 m - 3 p a c k i n g t h e p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo fn a t u r a lw a sm u c hb e t t e rt h a nt h a to fp e r l i t ea n dp l a s t i c c o m p u l s o r yb i o m e m b r a n et r e a t m e n ti sa ne f f e c t i v em e t h o df o rb i o f i l t r a t i o n t h e b i o m a s si nt h er e a c t o ro f c o r n - c o bw a sl a r g ew h e nt h es y s t e mw a ss t a b l e ，t h ea v e r a g e p o p u l a t i o nn u m b e rw a sf o u n dt ob e4 ) ( 10 8c f u g 1f o rb a c t e r i a , 2 1xl0 6c f u 分1f o r f u n g ia n d1 7 x10 c f u g f o ra c t i n o m y c e t e s ( 2 ) t h eo p t i m u mm o i s t u r ec o n t e n to fc o r nc o bp a c k i n gw a s4 0 t h eo p t i m u m i n l e tc o n c e n t r a t i o nw a s6 3 2 7 1m g m 3 i ft h em a s sc o n c e n t r a t i o nw a sl e s st h a n2 7 1 2 m g m 3 t h eb e s ti n t a k ef l o w r a t ew a s0 8m 3 h i i ft h em a s sc o n c e n t r a t i o nw a sm o r e t h a n2 71 2 m g m 3 t h e b e s ti n t a k ef l o w r a t ew a s0 3m 3 h q w h e nt h em a s s c o n c e n t r a t i o nw a sl o w e rt h a n12i i m g m 。，t h el a r g e s tc o n t r i b u t i o nr a t et ot h e r e m o v a le f f i c i e n c yo fu n d e rp a r tw a s9 0 5 ，t h em i d d l ep a r tw a s5 3 7 ，t h eu p p e r p a r tw a s16 8 v o l u m er e m o v a ll o a d i n go fb i o f i l t e r sa r ei n c r e a s e da l o n gw i t ht h e v o l u m el o a d i n g s ，t h eh i g h e ro fe n t r yv o l u m el o a d i n gt h ef a r e ro f10 0 r e m o v a l l i n e i nt h ep a c k e dc o l u m no fc o m p o s t i n g t h eo p t i m a li n l e tc o n c e n t r a t i o nw a s7 3 - 6 3 0 i l 一a b s t r a c t 一 一一一 m g m 3 i ft h em 舔sc o n c e n t r a t i 。nw a s l e s st h a j l7 3m g 。m d ，t h e k s t ，i m a k en ? 警e w a s0 3m 3 h - 1 i f t h em a s sc o n c e n t r a t i o nw a s m o r et h a n2 7 1 2m 分m 一t h eb e s ti n t 警 n o 埘a t e 麟0 8m 3 1 1 t h el o w e rp a c k i n gp l a y e dm a j o r r o l e0 n 舢o n i a p u r i f i c a t l o ，n 也el a r g e s tc o n t r i b u t i o nr a t et 0m e r e m 。v a je 舔c i e n c yo fu n d e rp a r tw a s 9 4 1 t l l e m i d d l ：p a r tw a s1 3 5 ，t h eu p p e rp a n 、 髑6 7 t h ev o l u m e l 。a d m 萨a n d 登州， v 。l 啪el o a d i n gw 弱s i l i m 牡d u r i n gt h e w h 。l ee x p e r i m e n t i tc h a n g e dl 黼e t h e v o l u m el o a d i n g sh a sl i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t h t h ee n t r yv o l u m el o a d i n g ( 3 ) t w os e r i e so fb i o l o g i c a l f i l t r a t i o nd e o d o r i z a t i o n 出“s 9 0 0 d m p o s t p l a y e dak e yr o l ew i t h i nt h es y s t e m ，t h ea v e r a g er e m o 砌r a t e 咖9 3 c o b ：) l ( i n gp l a y e d 锄e 1 1 1 1 a n c e d t r e a t m e n te f f e c t ，t h er e m o v a le f f i c i e n c y 、佗m o 佗m 8 n 9 7 d m 证g 血c 。p e r a t l 。m ，c 。 c o b ，c o m p 。s t i n g ，p a c k i n g ke y w o r d s ：b i o f i l t r a t i o n a m m o m a ， c o i t i c o d w 儿1 p u ) u 儿5 r p i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 1 文献综述1 1 1 含n h 3 恶臭气体产生的来源1 1 2 含n h 3 恶臭气体特征及危害1 1 2 1 含n h 3 恶臭气体的特征1 1 2 2 含n h 3 恶臭气体的危害2 1 3 含n h 3 恶臭气体净化方法3 1 3 1 物理化学处理方法4 1 3 2 生物处理方法7 1 4 生物过滤法优点及过滤塔性能参数1 0 1 4 1 生物过滤法优点1o 1 4 2 生物过滤塔性能参数11 1 5 氮素在生物过滤塔内的转化规律1 1 1 6 本研究的意义1 2 1 7 研究内容12 1 8 研究方案l3 2 试验装置与方法1 4 2 1 试验装置1 4 2 2 试验材料l5 2 2 1 药品与试剂l5 2 2 2 填料与仪器设备1 5 2 3 分析测定方法l8 3 填料的选择2 0 3 1 材料与方法2 0 i v 目录 3 2 结果与分析2 0 3 2 1 塑料泡沫对氨气的吸附效果。2 0 3 2 2 珍珠岩对氨气的吸附效果2 1 3 2 3 玉米芯对氨气的吸附效果2 l 3 3 小结2 2 4 填料挂膜2 4 4 1 试验材料与方法2 4 4 1 1 液体培养基2 4 4 1 2 填料挂膜微生物来源；2 4 4 1 3 挂膜方法2 4 4 2 结果与分析2 5 4 2 1 生物膜的驯化。2 5 4 2 2 玉米芯填料挂膜效果验证2 6 4 2 3 填料表面微生物计数、形态观察及形态鉴定。2 7 4 3 卅、结2 8 5 生物过滤法净化含氨废气影响因素分析2 9 5 1 试验材料与方法2 9 5 2 结果与分析3 0 5 2 1 玉米芯填料含水率对n i l 3 吸附容量的影响3 0 5 2 2 进气浓度对n i l 3 去除效率的影响3 3 5 2 3 进气流量对n h 3 去除效率的影响3 5 5 2 4 填料高度对n i l 3 去除效率的贡献3 7 5 2 5 进口体积负荷与体积去除负荷之间的关系。3 9 5 3 小结4 3 6 双层生物过滤法净化回收含氨废气研究4 5 6 1 试验材料与方法一4 5 6 2 结果与分析4 5 6 2 1 连续运行反应器除臭及氮素同收效果4 5 6 2 2 间歇运行方式反应器对氮素的回收效果4 7 6 2 3 两种运行方式下反应器内p h 变化对比4 9 n ，、 目录 6 3 ，j 、结5 0 7 试验结论与展望51 7 1 试验结论5 1 7 2 展望51 参考文献5 3 个人简历5 6 致谢5 7 v l ， 1 文献综述 1 文献综述 1 1 含n h 3 恶臭气体产生的来源 恶臭是指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损坏人们生活环境的气体物 质【l 】。迄今为止，人们嗅觉能感知的恶臭物质有4 0 0 0 多种，其中对人体危害较 大的有5 0 多种，氨气是其中具有代表性的一种恶臭气体，在工农业生产中的应 用比较广泛，故其污染源的分布也比较广泛2 卅。目前产生含氨恶臭气体的污染 源主要有以下三种来源： 。 ( 1 ) 农牧业恶臭 农牧业的畜牧场、家禽饲养场、屠宰场、农业耕地等产生的含氨恶臭。如 养殖场畜禽粪便堆积过程中氨气的挥发，有机肥生产过程中产生的氨气，以及 农业耕种过程中施入的易挥发氮肥，如氨水、碳酸氢铵，或一次性施入过多尿 素、碳酸铵、硝酸铵等氮肥后没有及时盖土或灌水，都会释放氨气。 ( 2 ) 工业恶臭 工业生产中产生氨气的主要部门有化肥、塑料、石油精炼、制药、炼焦等行 业中，尤其是肥料生产及运输使用过程中产生的氨气【5 q j 。 ( 3 ) 城市及农村公共设施恶臭 城市污水处理厂、垃圾填埋场、医院、公共厕所等公共设施产生的恶臭， 以及城镇住房产生的含氨恶臭，如来自建筑施工地使用的混凝土添加剂中含有 大量含氮物质，在墙体中随着湿度、温度、p h 等环境因素的变化而还原成氨气 释放出来【9 1 1 1 。 1 2 含n h 3 恶臭气体特征及危害 1 2 1 含n h 3 恶臭气体的特征 氨气是国家环保部规定的八种恶臭污染物之一，能从大气污染中单独分离 出来，具有其自身的特点： 易溶解性：氨气极易溶于水，因此能够渗透嗅觉器官绒毛周围的水性黏 液，穿过多脂的绒毛本身产生嗅觉作用。 1 文献综述 易挥发性：臭味物质的存在之所以能够被人们感觉到，主要是由于气味 物质达到嗅觉器官或微粒运动造成的。具有较强气味的物质，蒸汽压一般也比 较大，氨气具有较强的蒸汽压，固其挥发性较强，对人体的嗅觉器官刺激也较 强。 对红外线吸收能力强：氨气对红外线有强烈的吸收作用。一般来说，气 味物质产生气味的大小由其对红外线的吸收波段决定。 拉曼效应：当单一色光经一种纯物质散射时，散射光总是小于或大于原 来单色光的波长，这就是拉曼效应，散射光波长变化的量叫做拉曼位移。拉曼 位移是物质分子振动的一种度量。人们一般认为分子内部振动决定物质的气味。 所以说拉曼位移同气味之间存在一定关系。 含n h 3 恶臭气体的污染特征： ( 1 ) 污染范围很广：当恶臭气体排放到大气中，在大气环流的作用下快速扩散， 能够在较短的时间内造成大范围污染。 ( 2 ) 净化处理困难：恶臭气体的阈值一般都较低，即使将恶臭气体去除9 0 以上，人的嗅觉器官可能认为仅仅去除了6 0 。这就提高了对恶臭气体的净化 标准，增加了对恶臭气体的治理难度。 ( 3 ) 测定困难：恶臭气体对人的心理影响较大，极低的浓度就可以使人产生不 快，这就给测定带来了困难，目前还没有找到一个全面评述恶臭气体的简易测 定方法。 ( 4 ) 评价困难：恶臭污染源多为常见的、局部的无组织排放源，污染多为短时 间、突发性的，因此难以捕捉收集，又因为恶臭扩散方式复杂，到目前为止世 界上还没有一种公认的恶臭评价方法，因此国内外目前对这方面的研究比较活 跃。 1 2 2 含n h 3 恶臭气体的危害 ( 1 ) 危害人类身体健康【1 2 _ 1 6 】 皮肤组织接触氨气时，会对皮肤产生刺激和腐蚀作用，因为氨可以吸收皮 肤组织中的水分，不但使组织蛋白变性，而且使组织脂肪皂化，破坏细胞膜结 构。氨的溶解度极高，对人体上呼吸道有强烈的腐蚀和刺激作用，皮肤粘膜和 眼结膜吸附氨后，会产生刺激和炎症，造成粘膜上皮组织损害和呼吸道纤毛麻 痹，使病原微生物易于侵入，人体对疾病的抵抗力被减弱。氨通常以气体形式 2 1 文献综述 进入人体，二氧化碳能中和较少部分，余下大部分被血液所吸收，部分氨可随 人体尿液、汗液以及呼吸系统排出体外。 短期内吸入大量氨气后会出现咽痛、声音嘶哑、头晕、胸闷、呕吐、痰带 血丝、流泪、咳嗽、呼吸困难、乏力等症状，严重者甚至可发生肺水肿、呼吸 窘迫综合症，同时有可能发生呼吸道刺激症状。若过多的吸入氨气，会造成血 液中氨浓度过高，就会通过三叉神经末梢的反射作用而引起心脏的停搏和呼吸 停止，危及生命。长期接触氨气，部分人可能会出现皮肤色素沉积或手指溃疡 等症状；氨气被呼入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧 功能。 ( 2 ) 危害动植物生长 氨气对动物的生长繁殖危害较大，是公认的动物圈舍内危害最大的气体， 氨气可诱导鸡、鸭、猪等动物多种呼吸道疾病的发生，当氨气浓度为1 0 1 5m g k g 时，会降低动物对传染病的抵抗能力，一般来说，氨气对动物的危害程度与动 物的种类和氨气的浓度有关，反刍类动物对氨气的耐受比单胃动物强，猪又比 鸡强，而鸡的幼雏对氨较敏感【l 。n 。氨气对植物的生长也有较大危害，氨气危害 的程度，依蔬菜种类不同而有差异，其中以黄瓜、西红柿最易受害。据测定， 大棚中氨气浓度超过5 1 0 西m g l 就会造成危害，导致蔬菜茎叶坏死或全株死亡。 空气中氨气浓度过高时，植株首先表现为茎叶水浸状，而后变褐坏死，最后全 株枯死；土壤中氨气浓度过大时，会严重影响硝酸菌的活动。 ( 3 ) 污染环境，危害生态平衡 自工业化以来，由于人口的增长及工农业生产的发展，特别是化学氮、化 石燃料耗量、以及规模化养殖的快速发展，使得氨气排放量急剧增加，自然界 原有的氮循环遭到严重扰乱，失衡的氮素循环过程中产生的一些氮氧化物向大 气和水体过量迁移，对环境造成了严重的危害。随之带来的酸雨问题、水体富 养化问题，硝酸盐地下水污染问题等给生态平衡带来了严重危害i l 引。 1 3 含n h 3 恶臭气体净化方法 含n h 3 恶臭气体的净化方法主要有物理方法、化学方法和生物方法三种。 恶臭气体的净化方法选择主要依据恶臭废气的物理化学性质、气源浓度、流量 大小及具体处理要求来确定。常见的恶臭气体处理方法主要包括吸收法、吸附 3 1 文献综述 法、燃烧法、膜分离法、电晕法、臭氧分解法、冷凝法等【1 9 啪】。 1 3 1 物理化学处理方法 1 3 1 1 吸收法 吸收法净化气态污染物，是采用低挥发性或不挥发性溶剂对含氨恶臭气体 进行选择性的吸收除去气态污染物以消除污染。此法适用于低浓度、中浓度的 硫化氢与氨气等恶臭物质的处理。吸收工艺流程图见图1 1 ，吸收系统由吸收装 置和解析装置两部分组成，这种方法已广泛用于处理含氟化物、s 0 2 、n 0 2 、n h 3 等气态污染物废气的净化中，已经成为净化工业废气的重要技术之一。然而吸 收法具有明显的缺陷：净化温度高、气量大、压力低的废气时在经济和技术 上均存在问题。净化过程中用到的吸收液需要及时处理，否则易造成二次污 染。吸收运行费用较高，回收利用的有用物质较少。 图1 1 吸收法净化废气工艺图 离 1 3 1 2 吸附法1 2 7 3 2 i 对于含有氨恶臭气体的处理，陶粒、分子筛、沸石、活性碳是最常用的吸 附剂，这类吸附剂基本上均经过物理方法和化学方法处理。例如，采用磷酸浸 泡过的活性碳处理含氨废气；采用k o h 浸泡过的活性碳处理s 0 2 和h 2 s 。吸附 法在恶臭气体治理中相对于其它处理方法具有其自身的特点： 吸附工艺缺点： 吸附剂和冷凝液易产生二次污染。 4 1 文献综述 高。 对于高浓度、难处理的恶臭气体或利用不能再生的吸附剂时，处理费用 吸附工艺优点： 该净化工艺可长期运行，部分产品可以回收利用。 该工艺操作简单，可满足不同出口气体控制标准的要求。 1 3 1 3 燃烧法 燃烧法是传统的废气处理方法之一，适用于气量少、高浓度的可燃性恶臭 物质的处理。该方法净化效率高、分解彻底，但存在操作安全性差、设备易腐 蚀、氮氧化物排放及燃烧费用等问题。该方法一般分为催化燃烧和直接燃烧两 种，催化燃烧主要适用于处理较低浓度的恶臭气体，工艺比较简单，处理效率 较高，常用的催化剂有贵重金属、金属氧化物催化剂等。直接燃烧法在处理高 浓度、成分复杂的恶臭气体中应用广泛，但易产生二次污染，目前已有催化氧 化和蓄热燃烧等高效、经济的脱臭技术。 1 3 1 4 膜分离法【3 3 蚓 图1 2 膜分离法净化废气工艺图 膜分离技术是最近十几年才发展起来的一种新技术，是一种高效的分离方 法，适用于高浓度的、小气量、具有回收价值的恶臭气体。其核心部分为膜组 件，卷式膜和中空纤维膜为常用的膜组件。其处理工艺如图1 2 所示：对恶臭气 5 1 文献综述 体首先进行压缩和冷凝，而后通入具有选择性渗透的高分子膜，进行膜分离。 一般来说当恶臭气体进入膜分离系统后，将恶臭气体进行选择性的富集，净化 后的无污染气体留在未渗透侧排出系统，被富集的恶臭气体进入冷凝回收系统， 回收利用。膜分离技术具有流程简单、能耗低、效率高、并且无二次污染等优 点，但是具有设备投资、运行费用较高等缺点。 1 3 1 5 电晕法 恶臭气体进入带高电压的反应器，通过前沿陡峭、脉宽窄的高压脉冲放电， 然后在常温常压下产生大量高能电子和o 、o h 等活性自由基，对恶臭气体的分 子进行氧化降解反应，使其最终转化为无害物质。但是目前这种方法还处在实 验室研究阶段，已经成为国内外研究的热点。 净 化 除 雾 器 图1 3 冷凝法废气净化工艺图 1 3 1 6 臭氧分解法 臭氧分解法是一种新型方法，相关的报道还比较少。该方法适用于中低浓 6 1 文献综述 度恶臭的处理，并且臭氧发生器能耗高，处理费用高，对人体和周围环境也可 能造成危害，目前还没有应用报道。 1 3 1 7 冷凝法 3 5 3 6 】 冷凝法是最简单的恶臭气体处理方法，工艺流程图如图1 3 所示，冷凝法是 一种有价值的恶臭气体回收利用方法。它主要通过控制温度来实现，将废气冷 却到低于恶臭气体的露点温度以下，将恶臭气体冷凝成液滴，从而使恶臭气体 分离出来，达到回收的目的。该方法适用于高沸点和高浓度、小气量的恶臭气 体处理，一般去除率高达8 0 9 0 以上，对中等和高挥发性的废气处理效果不好。 该方法具有净化效率高、设备简单、操作方便、无二次污染、可以回收较纯产 物等优点，但一般不单独使用，常和其它气体处理方法联合使用。 1 3 1 8 纳米材料光催化分解法 随着纳米材料的兴起，纳米材料光催化分解法越来越得到人们的关注，纳 米材料光催化分解法是一项新兴的技术，它是利用纳米材料的纳米粒子( w 0 3 、 t i 0 2 、z n o 等) 在特定波长光的照射下产生空穴作用和电子跃迁及水蒸气存在 的条件下产生o h ，将恶臭最终氧化分解成c 0 2 和h 2 0 或其它离子。目前，公 认的光反应最佳催化剂是t i 0 2 ，其以催化活性高、氧化能力强、稳定性好而最 为常用f 3 7 1 。 1 3 2 生物处理方法【3 9 】 生物法处理废气技术的研究相对于物理化学方法起步较晚，但其在废气处 理中的优势逐渐体现出来。常见的生物法处理工艺主要有生物过滤法、生物滴 滤法、生物洗涤法。各种生物处理工艺原理如下： 1 3 2 1 生物过滤法 生物过滤法净化含氨废气工艺如图1 4 所示：废气经过增湿后从过滤塔底部 进入，附着在填料表面的微生物将含氨废气吸附降解，分解为硝酸根、c 0 2 、h 2 0 等，达到废气净化的目的。生物滤池常用的填料有天然有机材料以及无机填料， 常见有机填料有堆肥、花生壳、泥炭、木屑、谷壳等，这些有机填料不但本身 含有微生物生长的营养物质，可以为微生物提供足够的养分，而且具有不错的 7 1 文献综述 比表面积，可以为微生物提供附着空间。常见的无机填料有珍珠岩、陶粒、兰 石等，这些填料本身不含有营养成分，需根据废气处理需要添加不同的营养成 分，提高了废气处理的成本。生物滤池的填装高度一般为o 1 l m ，可分为单层 或多层，生物滤池的有效建筑面积需要根据进气流量以及净化效果来定。废气 在生物过滤池内的降解过程为吸附、吸收、降解【5 0 4 1 。经多年研究与实践证实， 生物过滤法适用于气量大、浓度低的含氨废气，生物过滤法处理能力大，操作 方便，工艺简单，能耗少，运行费用低，且具有较强的缓冲能力【5 引，但是存在 占地面积大的缺点。 填料塔 空气压缩机 空气压缩机 图1 4 生物滤池工艺流程示意图 1 3 2 2 生物滴滤法 生物滴滤法净化含氨废气工艺如图1 5 所示：气体由滴滤池底部进入，在滴 滤池内与生物膜接触被吸附净化，净化后气体由滴滤池顶部排出。循环喷淋液 由滤床顶部进入滴滤层，流经生物膜表面后在滤池底部汇集，消耗循环液由储 液槽提供。该工艺和生物过滤法处理工艺相近，是在生物过滤法的基础上发展 的一种废气处理工艺，属于生物固定床生物处理工艺，该工艺集合了生物过滤 法和生物吸收法两种工艺的优点，既有附着生长的微生物也有悬浮生长的微生 8 1 文献综述 物，该工艺和生物过滤工艺的最大不同在于设有喷淋循环装置和p h 调节装置。 生物滴滤法填料为无机填料，通常采用碎石、塑料、陶粒、拉西环、沸石、鲍 尔环等，比表面积一般为1 0 0 3 0 0m 2 m 一。无机填料具有不易压实，流通空间 大等优点，但不能为微生物生长提供养分，只是作为微生物附着生长的载体， 需要在循环液中添加营养物质来满足填料表面微生物生长的需要。生物滴滤池 填料层高度一般约为1 0 - - 2 o m ，同样可分为单级和多级。生物滴滤法的优点是： 操作简单、设备较少、生物相和液相循环流动，生物膜附着在无机填料上，气 体压降较低，填料不易堵塞，废气净化效率高，缺点是：需要另外添加营养物 质，运行费用比生物过滤法高。 “ 图1 5 生物滴滤塔工艺流程示意图 1 3 2 3 生物吸收法 生物吸收法也叫生物洗涤法，生物吸收法是利用营养物质、水和微生物组 成的吸收液来处理废气，适合于处理易溶性的气态污染物。生物吸收法净化含 氨废气工艺如图1 6 所示：生物吸收法对废气的降解过程由洗涤过程和降解过程 两部分。生物吸收法是利用营养物质、水和微生物组成的吸收液来处理废气， 9 1 文献综述 吸收液自吸收塔顶部喷淋而下，与从底部进入的废气逆流接触，使废气中的污 染物和氧由气相转入液相。吸收了废气的吸收液被送回活性污泥池，利用曝气 设备送入氧气使得吸收液再生。被吸收的气态污染物通过微生物氧化分解作用， 被再生池中的活性污泥悬浮液从液相中去除【5 和5 8 】。生物吸收法的优点是：反应 器压降低、反应条件易控制、填料不易堵塞、净化效率高。缺点是：工艺运行 设备较多，需要外加营养物质，废气处理成本较高，填料比表面积小，由于其 主要是利用吸收液对废气的吸收作用，故限制了其应用范围。 图1 6 喷淋吸收塔法设备示意图 1 4 生物过滤法优点及过滤塔性能参数 1 4 1 生物过滤法优点 生物过滤法和常规的物理化学方法相比有以下几方面的优点： 设备简单、投资成本低。 运行费用低、抗冲击能力强、无废弃物排放、不会造成二次污染。 对污染物的选择性强，可以针对目标污染物筛选相应菌种，净化效率高。 管理方便、易于操作。 1 0 1 文献综述 1 4 2 生物过滤塔性能参数 去除率：污染物去除程度，用来判断过滤塔净化效果的最直观参数。 去除负荷：单位时间单位体积填料去除污染物的量。 空床停留时间：废气在反应器中的相对停留时间。 质量负荷：单位时间单位体积填料引入污染物的量。 一 表面负荷：单位床体面积的废气体积负荷。 表1 1 生物过滤反应器的性能参数及其典型范围 注：v ：生物反应器的体积：q ：废气的体积流鼍；a ：生物反应器面积；c i ：废气中污染 物的浓度；c e ：废气处理后所含污染物的浓度。 1 5 氮素在生物过滤塔内的转化规律 氮素存在形态为有机氮和无机氮，无机氮包括：硝态氮、亚硝态氮、铵态 氮，气态氮等，有机氮主要包括：氨基酸态氮、氨基碱态氮，未鉴别氮等，氨 气作为氮素的一种主要存在形态在微生物的作用下，在反应器内的转化过程如 下： 有机氮叫n n ； ( 1 ) c o ( n h 2 ) + h 2 d 屿c d 2 + 慨屿删 ( 2 ) 删+ 伽一屿也( 3 ) n h ：j 塑o n o ； n o ；型业。婀塑! 业2 d 型业o 2 ( 5 ) 其中：( 1 ) 为有机氮的矿化过程，( 2 ) 有机氮的水解过程( 3 ) 氨的挥发过程 ( 4 ) 消化过程( 5 ) 反消化过程 1 文献综述 1 6 本研究的意义 氨气是国家环保部规定的八种恶臭污染物之一【l 】。含氨的恶臭气体不仅威胁 人类健康，而且对生态环境造成严重危害。短期内吸入大量氨气后会出现乏力、 咽痛、声音嘶哑、胸闷、呕吐、流泪、咳嗽、头晕、呼吸困难、痰带血丝等。 严重者可发生成人呼吸窘迫综合症、肺水肿，同时可能发生呼吸道刺激症状。 若吸入的氨气过多，导致血液中氨浓度过高，就会通过三叉神经末梢的反射作 用而引起心脏的停搏和呼吸停止，危及生命。长期接触氨气，部分人可能会出 现皮肤色素沉积或手指溃疡等症状；氨气被呼入肺后容易通过肺泡进入血液， 与血红蛋白结合，破坏运氧功能。因此严格控制空气中氨气含量对于减少大气 污染，提高环境质量、保障人们身体健康有极其重要的意义。 常见的恶臭污染物处理技术有吸附法、燃烧法、化学吸收法、生物法【5 6 】等。 生物法因投资和运行费用低、管理方便、无二次污染等优点【”5 钔，成为恶臭污染 控制的热点之一，其中生物过滤法是生物法中的一种有效的处理恶臭污染物的 方法1 5 引。填料是影响生物过滤法处理效率的关键因素之一，常见的生物过滤填 料有堆肥、木屑、珍珠岩、兰石、陶粒、活性炭等，这些填料在不同程度上存 在易于压实、更换频繁、价格昂贵等缺点【6 0 川】，制约了生物过滤法的发展和应用。 此外，氨气虽然对大气有严重的污染，但是氮素却是工农业生产中的不可缺少 原料，对其回收利用的研究还未见报道。 本研究采用生物过滤法净化回收含氨废气，针对生物过滤法处理工艺存在 的问题，在净化废气的基础上，研究对含氨废气中氮素的回收利用，以实现对 含氨废气的无害化处理和资源化利用。 1 7 研究内容 本论文以工农业生产中产生的含氨恶臭气体为目标污染物，开展氨恶臭气 体的生物净化除臭和进行氮素回收研究。主要研究内容包括： 1 2 1 文献综述 弋 7 v l 影响因素分析 珍珠岩吸附 塑料泡沫吸附 玉米芯吸附 玉米芯填料挂膜 挂膜效果验证 填料表面微生物计数及鉴别 含水率对玉米芯吸附容量的影响 进气浓度对去除效率的影响 进气流量对去除效率的影响 填料高度对去除率的贡献 进口体积负荷与体积去除负荷之间的关系 连续运行反应器除臭固氮效果考察 间歇运行反应器固氮效果考察 1 8 研究方案 本研究根据研究内容，大致分三个阶段： 第一阶段：除臭塔填料的选择； 第二阶段：填料挂膜微生物的驯化与效果验证； 第三阶段：影响除臭的因素考察及两级生物反应器除臭保氮效果研究； 1 3 厂ii，、【rilj、ill 一 匝 2 试验装置与方法 2 试验装置与方法 2 1 试验装置 本研究采用的试验装置见图2 1 ，主要有三部分组成，包括气体生成系统、 气体混合系统和生物反应器。生物反应器外径0 1 l m ，总高1 2 m ，分上下两段， 下段以堆肥为填料，填料高度为0 4 5 m ；上段以玉米芯为填料，填料高度为o 3 0 m ， 反应器底部采用多孔布气，为保持反应器内填料湿度，上部设有喷淋装置。氨 气是由空气泵通入氨水瓶中吹脱产生，之后和空气压缩机吹进的空气在气体混 合装置中混合生成含氨废气，通过控制曝气量和氨水浓度来控制氨气浓度。含 氨废气由空气压缩机送入生物反应器内，生物反应器分为两段，下段以堆肥为 填料吸收和转化大部分含氨废气，以提高腐熟堆肥中氮含量，从而提高堆肥的 品质，上段以玉米芯为填料，用来提高反应器的净化效率，强化处理效果，更 换的玉米芯可以作为堆肥辅料加入堆肥中，实现对含氨废气的无害化处理和资 源化利用。 6 7 8 1 2 l o 9 1 空气泵，2 氨水瓶，3 气体混合装置，4 阀门，5 取样口，6 空气压缩机，7 小型空气压缩 机，8 气体流量计，9 堆肥填料出气采样口，1 0 总出气口，1 1 喷淋装置，1 2 生物反应器 图2 1 试验装置图 1 4 2 试验装置与方法 2 2 2 填料与仪器设备 2 2 2 1 填料及来源 2 试验装置与方法 玉米芯：取自于郑州市高新技术开发区沟赵乡农阳。 腐熟堆肥：取自于河南省花花牛奶牛繁育中心。 1 6 2 试验装置与方法 珍珠岩：于郑州市陈寨花卉市场购买。 泡沫塑料：包装塑料泡沫破碎而成。 2 2 2 2 试验仪器设备 1 7 2 试验装置与方法 表2 3 试验中用到的主要仪器 仪器名称规格 数量 ，定氮仪 k d n 一0 8 a1 分析天平 b s l 2 4 s 1 电热鼓风干燥箱 1 0 1 3 l 酸度计phs25 1 空气压缩机 a c o - 0 1 2 2 大气采样器 c d 1 1 单人单面净化工作台d d