摘要:为了提高污水处理厂和周边的环境卫生质量,我们必须要对臭气进行有效处理。本文中主要介绍了臭气生物处理的现状和比较常见的生物除臭工艺。在此基础上进行了生物除臭工艺的比较以及选择。
关键词:臭气来源 生物除臭 生物除臭工艺比较 除臭装置的选择
1 前言
由于城市界域的不断扩大,以往地处人员稀少的郊外的城市污水处理厂,已经离我们越来越近。同时,人们对城市生活工作的环境质量要求也越来越高。为了提高污水处理厂和周边的环境卫生质量,我们必须要对臭气进行有效处理。
2 污水处理中的臭气成分及来源
污水处理厂的臭气成分复杂多变,主要由氨、硫化氢和甲硫醇等组成。大致可分成5类:
(1)含硫的化合物,如H2S、硫醇类、硫醚类;
(2)含氮的化合物.如胺类、酰胺、吲哚类;
(3)卤素及衍生物,如氯气、卤代烃;
(4)烃类,如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃;
(5)含氧的有机物,如醇、酚、醛、酮、有机酸等。
其中无机物有H2S、NH3等,绝大多数恶臭气体产生原物质为有机物质,这些物质对人体健康危害较大。
德国工程师协会对城市污水厂各个部分的气味扩散进行了调查(见表1),从结果可以看到污水处理系统的恶臭,主要来自于系统中处理与收集过程中微生物的还原性代谢产物。主要排放点为处理装置、泵房、地下装置的人孔和通风处等。
表1 城市污水处理厂的部分工序气味值和波动范围
3 臭气生物处理技术的研究现状
用生物法处理空气中的污染物可以追溯到50年代中期,最先是用于处理空气中低浓度的臭味物质。1959年在德国的一个污水处理厂建立了一个填充土壤的生物过滤床,用于控制污水输送管散发的臭味。60年代,人们开始采用生物过滤法处理气态污染物,德国和美国开始对此方法进行深入研究。从80年代起,德国和荷兰越来越多地采用生物过滤法控制工业生产过程中产生的挥发性有机物和有毒气体。迄今,在德国和荷兰有500多座大规模的废气生物过滤处理装置,生物过滤反应器的面积一般在10～2000m2之间,废气处理流量达到1000～150000m3/h。美国1990年通过的清洁空气法修正案严格限制了189种危险空气污染物(其中70%是挥发性有机物)的排放,这促进了包括生物过滤法在内的废气控制技术的研究和应用,大规模的生物过滤装置开始被建立用来处理各种污染气体。
我国微生物除臭研究起步较晚,20世纪80年代末和90年代初才开始相关的小试研究,目前基本停留在这一水平上。
4 生物除臭工艺及比较
气态污染物的生物净化工艺一般分为三类:
生物洗涤器、生物滴滤塔、生物滤池。
4.1生物洗涤器
生物洗涤器是一个悬浮活性污泥处理系统,由一个吸收室和一个再生池构成。其工艺流程见图1。生物悬浮液(循环液)自吸收室顶部喷淋而下,使废气中的污染物转移至液相,实现传质过程。吸收了废气中的有机物的生物悬浮液流入再生反应器中,通入空气充氧再生。被吸收的有机物通过微生物氧化作用,最终被再生池中的生物悬浮液从液相去除。最常见的生物悬浮液是活性污泥悬浮液,但其处理后再生的时间较长,需要几个小时。由于吸收和再生所需的时间不同,因此生物悬浮液的再生是在同一个反应器中进行,还是在另一个反应器中完成,取决于生物悬浮液的活性强度和再生能力。洗涤器中气液相的接触方法除液相喷淋法,还可采用气相鼓泡法,这取决于吸收过程中何者为控制步骤。若气相阻力较大则用喷淋法,反之液相阻力较大时可用鼓泡法。
生物洗涤器的特点是:液相和生物相均循环流动,生物为悬浮状态,洗涤器中有一定生物量和生物降解作用。其优点是压降低,填料不易堵塞;但设备多,需外加营养物,成本较高,反应条件难控制,操作维护难度高,普通污水处理人员难掌握,需配备专业人员管理。不适应较长时间间歇运行的条件。填料比表面积小,限制了微溶化合物的应用范围,也不适用于非水溶性化合物的处理。
4.2生物滴滤塔
生物滴滤塔处理臭气的工艺流程如图2所示。该滤池主要包括增湿器和生物处理装置两部分。由引风机收集的臭气经增湿装置预处理(有的预处理还包括温度调节、去除颗粒物等)后进入生物处理装置,气体中的污染物从气相主体扩散到填料外层的水膜并被填料所吸附,最终降解为二氧化碳、水等。
恶臭气体在生物滴滤塔中的吸附净化一般要经历以下几个步骤:
(1)废气中的有机污染物首先同水接触并溶解(或混合)于水中,即由气膜扩散进入液膜;(2)溶解(或混合)于液膜中的有机污染物在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜内,进而被其中的微生物捕获并吸收;(3)进入微生物体内的有机污染物在其自身的代谢过程中作为能源和营养物质被分解,最终转化为无害的化合物。
因此,生物滴滤塔与生物洗涤器一样,通过气液传质完成除臭过程,同样存在适用性问题,不适用于非水溶性化合物的处理。
生物滴滤塔的特点是液相是循环流动的,而生物相是不流动的。
生物滴滤塔与生物滤池的最大区别是填料上方喷淋循环液,它要求水流连续地通过有孔的填料,这样可以有效地防止填料干燥,精确地控制营养物浓度与pH值。另外,生物滴滤需要增加配备喷淋泵,并在塔底部要建有水池来实现水的循环运行。
理想的生物除臭填料应该具备以下特征:
1)最佳的微生物生长环境――营养物、湿度、pH和碳源的供应不受限制; 2)较大的比表面积――接触面积、吸附容量、单位体积的反应点多; 3)一定的结构强度――防止填料压实,后者会使压降升高、气体停留时间缩短;4)高水分持留能力――水分是维持微生物活性的关键因素; 5)高孔隙率――使气体有较长的停留时间; 6)较低的体密度――减小填料压实的可能性。显然,在上述六个特征中,1)和4)二个关系除臭微生物生存条件的特征在生物滴滤塔中根本不具备。
鉴于此,要维持生物滴滤塔的除臭效果,必须配备一套完善的喷淋、监测、调节及控制的组合系统。
首先是温度,微生物的生长有适宜的温度范围,一般将温度控制在25℃~35℃。
其次是pH值,能分解H2S的细菌有嗜中性pH环境(最佳pH6.5~7.5)和嗜酸性pH环境(最适pH2.0~3.0)两种。但是,臭气成分中还含有NH3,其硝化反应需要碱性环境。因此,需要向循环液中投加适量的可溶性碱,调节循环液的pH值,以调节塔内的pH值,从而保证较好的脱臭效果。
再次是需要额外配备喷淋泵,维持适宜的循环喷淋量,以便有效地防止填料干燥,并精确地控制营养物浓度与pH值。一般认为,随着喷淋量的增加,臭气的净化效率增加,但是过大喷淋水的冲击,又易导致生物膜脱落。一旦发生生物膜脱落,修复工作需专业人士进行,周期大约需要1～6个月。
综上所述,生物滴滤塔与生物洗涤器一样属于设备多、仪器多,需外加营养物和调节pH值,成本较高,反应条件难控制,操作维护难度高,普通污水处理人员难掌握,需配备专业人员管理,不适应较长时间间歇运行条件的除臭设备。
4.3生物滤池
生物滤池是最早被研究和使用的一种处理挥发性有机污染物和除臭的生物技术。其工艺流程见图3。具有一定湿度的有机废气进入生物滤池,通过约1.0~2.0 m厚的生物活性填料层,有机污染物从气相转移到生物层,进而被氧化分解,处理后的气体从生物滤池的顶部排出。
生物滤池的填料层是具有吸附性的滤料(一般为天然有机材料,如堆肥、泥煤、谷壳、木片、树皮和泥土等)。生物滤池因其较好的通气性和适度的通水和持水性,丰富的微生物群落, 以及自身天然的吸附性能,因而适应处理的臭气化合物的范围非常大,既能处理水溶性臭气物质,又能处理非水溶性臭气物质,能有效地去除城市污水处理厂的臭气和烷烃类化合物如丙烷、异丁烷,对酯及乙醇等生物易降解物质的处理效果更佳,得到了广泛的应用。
生物滤池的特点是生物相和液相都是不流动的,传质面积非常大,不需外加营养物,不需进行pH值调节,不需要循环喷淋系统,运行和启动容易,运行费用低。适应较长时间间歇运行的条件,可以停止运行较长时间,一旦重新启动,立即达到很好的处理效果。但占地面积较大。
以木片、树皮为填料的生物滤池的优异性能主要得益于填料自然天成的微生物性,前述的理想生物除臭填料的六个特征无一不具备:
(1)最佳的微生物生长环境。木片和树皮富含有机质和碳元素,因此,微生物所需的营养物和碳源的供应不成问题;
木片和树皮自身富含水分,且废气经预洗后湿度已达饱和,因此,适宜的湿度环境也不成问题;
pH则更不成问题,这是因为木片和树皮具有自然天成的pH弱酸性及优异的酸碱缓冲性能,运行过程不会发生pH值失调的情况。
以木片和树皮构成的生物填料,可以提供最佳的微生物生长环境。
(2)较大的比表面积。分散的木片和树皮除了具有巨大的外表面积,还有丰富的内表面积,其比表面积是任何陶瓷、塑料等不能提供营养物质的惰性材料所不能比拟的。因此,其接触面积、吸附容量、单位体积的反应点多也是自然天成的;
(3)一定的结构强度。据测试,以木片和树皮为填料的生物滤池在工程条件下,运行半年后,其压力降不大于500Pa,五年后其压力降不大于1000Pa。而生物滴滤塔在工程条件下的起始压力降就达1000Pa或以上。可见木片树皮填料在生物滤池运行条件下具有足够的结构强度。
(4)高水分持留能力。水分是维持微生物活性的关键因素。那么木片树皮填料的水分持留能力有多大,下面的数据足以说明问题:干态的木片树皮堆密度约为260公斤/立方米,而吸水后的堆密度可达600公斤/立方米左右,其水分持留能力可达自身重量的二倍以上。
(5)高孔隙率。不规则的散堆木片树皮填料,你就是刻意要它不留孔隙也办不到,所以孔隙率也不会发生问题。
(6)较低的体密度。干态的木片树皮堆密度仅260公斤/立方米左右,就是吸湿到极限木片树皮也会浮在水面上,以没有孔隙的立方体计算,其体密度也不会大于1000公斤/立方米,何况是散堆状的木片树皮填料,所以体密度不会造成填料压实问题。上述压力降的测试数据就是证明。
