H2S是较为常见的恶臭气体,而恶臭是世界七大环境公害之一[1]。H2S产源较为广泛,如在污水处理、垃圾填埋、畜禽粪便处理和食品加工等不同领域中均有H2S排放[2]。H2S气体对人体健康有很大危害,能使人发生昏迷,甚至死亡[3];在有氧和湿热条件下,会严重腐蚀设备、管道和仪表等,已经引起了人们的广泛关注[4]。生物除臭是控制恶臭污染的有效方法,它具有工艺简单、操作方便、处理成本低、无二次污染等优点[5]。其中生物滴滤塔(BTF)因在去除H2S方面具有稳定高效的除臭性能而使用广泛[6]。目前对生物滴滤塔的填料、工艺参数和降解过程模型等方面都有较为深入的研究[7]。

为了有效控制恶臭气体H2S的排放,本研究先从环境样品中驯化富集硫化细菌,并将驯化富集的硫化细菌以循环滴滤方式挂膜到生物滴滤塔的填料中,考察生物滴滤塔启动及H2S去除特性。

菌源:扬州某百富策略白菜网好氧污泥和校园河床底泥。

硫化细菌驯化富集培养基:Na2S2O3·5H2O,10.0g;NH4Cl,2.0 g;K2HPO4,3.0 g;Mg Cl2,0.5 g;CaCl26H2O,0.2 g；水1 000 mL。

H2S制备:在密闭瓶中加入硫化亚铁固体,再将一定含量的稀硫酸溶液通过蠕动泵以一定流速通入瓶中,使之发生化学反应产生H2S,通过调节蠕动泵控制产气量。

实验装置由H2S气体发生装置、生物填料塔和营养液循环喷淋系统组成,如图1所示。

H2S气体由空气泵抽至滴滤塔底部的进气口,经过填料区由顶部出气口排出,进气量和H2S气体含量由3个空气流量计调节控制。生物填料塔为单层结构,采用有机玻璃制成,内径90 mm,塔体高1200 mm,填料层高度750 mm,填料由陶粒和木炭混合填充,体积比为2:1。营养循环液由蠕动泵打入滴滤塔顶部,喷淋至填料上,流经填料层,再由滴滤塔底部回流至循环液水箱。

循环营养液p H由雷磁pHS-3C精度酸度计测定,H2S气体含量由XLA-BX-H2S硫化氢检测仪检测,SO42-含量采用铬酸钡分光光度法检测。

生物法净化处理H2S恶臭气体的过程中,接种高含量硫化细菌对反应器快速启动具有重要意义[8]。将1.8 L好氧污泥和0.9 L河床底泥加入到13 L硫化细菌驯化富集培养液中,培养液起始pH调至6.0左右,通过曝气供氧,DO的质量浓度控制在5.0 mg/L以上,每隔2～3 d沉淀排除上清液,重新投加新鲜培养液,以此传代驯化富集硫化细菌。

驯化富集过程中,随着硫化细菌的增殖,S2O32-氧化成SO42-并不断积累,SO42-含量间接反映出硫化细菌富集程度。经过3次传代培养,培养液中SO42-含量动态变化,如表1所示。

由表1可知,经过驯化富集,时间历经3 d,SO42-含量均有较大增加,说明实验采用的好氧污泥和河床底泥中硫化细菌的分布较为丰富,用所制培养基成功实现了硫化细菌的快速驯化富集。

利用蠕动泵将驯化富集的硫化细菌培养液以循环喷淋方式打入滴滤塔填料中,进行挂膜接种,培养液中污泥层体积为15%。驯化富集培养液循环喷淋3 d,之后开始通入H2S气体,同时循环营养液中不再投加Na2S2O3·5H2O,此时H2S为反应器的唯一硫源。根据反应器去除效果,进气H2S的质量浓度从15μg/L逐渐提升至75μg/L。挂膜启动阶段反应器对H2S的去除率变化如图2所示。

由图2可知,启动反应器的第1天,进气H2S的质量浓度15μg/L,H2S去除率就达到84%以上。运行第6天,进气H2S的质量浓度提升至75μg/L,容积负荷为11 g/(m3·h),去除率达到100%,之后保持稳定,认为反应器启动成功。此时发现,观察到填料表面生成一层薄薄的生物膜。以百富策略白菜网排放的H2S为例,以污泥压滤间的H2S含量为最高,但一般质量浓度低于75μg/L。

实验历时9 d,即可完成填料挂膜至反应器的启动。说明,利用驯化富集的硫化细菌挂膜到滴滤塔填料中,可实现滴滤塔快速启动。同相关文献报道的启动时间十几天到1个多月相比,本实验自制生物滴滤塔具有明显的快速启动优势[9,10,11]。

气液比是影响生物滴滤塔高效稳定运行的重要参数指标。本实验中气液比为H2S混合进气体积流量与循环液喷淋体积流量之比。为了探明以陶粒和木炭为填料的滴滤塔中,气液比对H2S去除效率的影响,在进气体积流量1.0 m3/h、营养液pH为6.0～7.0、室温8～15℃条件下,设置了6个不同的循环营养液喷淋量,考察了2个进气H2S含量情况下,不同气液比对滴滤塔去除H2S效率的影响,结果如图3所示。

由图3可知,进气H2S的质量浓度分别为75、105μg/L时,当气液比从83逐渐上升至167时,反应器对H2S的去除率分别从86.4%和76%逐渐上升到97.4%和99.4%;当气液比从167上升至500时,去除率分别逐渐下降为95.8%和85%。以陶粒和木炭为填料的滴滤塔,适宜的气液比为167。

分析原因,当气液比过小时,营养液喷淋量相对较大,滴滤塔内的填料湿度相对较高。当填料湿度过高时,填料颗粒间容易形成“气体短路”,使臭气与填料的接触面积减少,从而降低H2S的去除效果。当气液比过大时,营养液喷淋量相对较小,反应器内的填料湿度相对较低。当填料湿度过低时,对微生物繁殖不利,造成微生物数量减少,另外过小的液体流量也不利于清理微生物代谢产物[12]。认为,生物滴滤塔填料和气液比密切相关,为了实现生物除臭滴滤塔高效稳定运行,明确针对不同填料的滴滤塔最适气液比,尤为重要。

在营养液喷淋体积流量6 L/h、pH为2.0～3.0及室温条件下,考察了不同进气H2S含量下进气体积流量qV,g(即空床停留时间t)对反应器去除H2S效果的影响,结果如图4所示。

由图4可知,当进气H2S的质量浓度为45μg/L、停留时间为10.8 s时,始终保持100%的去除率。当进气H2S的质量浓度逐渐提升到75、105、135μg/L时,去除效率达到100%的所需停留时间分别为12.3、17.3、21.6 s。当停留时间缩短到10.8 s时,4种H2S个进气含量下的去除率分别为100%、99.6%、98.7%和98%。

在进气H2S的质量浓度135μg/L,进气体积流量0.4～1.6 m3/h下,考察了容积负荷(VLR)对H2S去除效果的影响,结果如图5所示。

由图5可以看出,当容积负荷从11 g/(m3·h)逐渐增加到23 g/(m3·h)的过程中,去除率始终保持100%。当容积负荷继续增大,去除率有所下降,容积负荷增大为45 g/(m3·h)时,去除率仍能稳定达到98%。可见,生物滴滤塔在空床停留时间只有10.8 s,容积负荷达到45 g/(m3·h)条件下,依旧保持高效稳定运行。

滴滤塔在吸收处理H2S气体过程中,将S2-氧化为SO42-导致循环液pH下降[13]。在进气体积流量1.0m3/h、H2S的质量浓度75μg/L、气液比167、室温条件下,考察循环营养液pH随时间变化对H2S去除效果的影响,结果如图6所示。

由图6可知,循环液的起始pH为6.92,此时反应器对H2S去除率为99.8%。随后pH急速下降,第4天,pH下降至3.1;在后面的20 d时间内,pH从3.1逐步下降至1.28,去除率始终稳定保持在98.7%以上。随着反应进程pH由1.28继续缓缓下降,在此过程中H2S的去除效果也呈下降趋势,当pH进一步下降至1.23时,H2S去除率迅速下降至83.1%。分析原因,可能是pH过低,填料内代谢产物积累较多,导致微生物活性降低,去除率下降。

本研究中循环液pH由3.1下降到1.28时间历经20 d,在此过程中反应器始终能保持稳定高效的去除率,表明反应器对低pH的耐冲击性强。相较于相关文献,生物除臭滴滤塔最低pH应控制在2.0以上[14,15,16];反应器pH下降至1.3时,仍保持较强的活性。

闲置一段时间反应器能否快速重新启动，是反映反应器抗冲击能力和稳定性的重要指标。将高效稳定运行一段时间的滴滤塔闲置40 d后，在进气体积流量1.0 m3/h、气液比167、室温条件下，通入H2S的质量浓度50μg/L的气体，考察滴滤塔的重新启动,结果如图7所示。

由图7可知,滴滤塔重新启动第1天的去除率较低,仅为15%;第3天后滴滤塔的去除效率快速升高,到第6天去除率达到99%,之后去除率稳定保持100%。该反应器在8～15℃条件下,运行第6天就完成重新启动,具有快速重新启动机能,这在实际工程百富策略白菜网中具有十分重要的意义。

通过将驯化富集的硫化细菌挂膜到生物滴滤塔填料上,可实现滴滤塔的快速启动。反应器运行第6天,进气H2S的质量浓度为75μg/L条件下,去除率达到100%。该反应器闲置40多天后,运行第6天就实现重新启动。

当反应器进气H2S的质量浓度为135μg/L、空床停留时间10.8 s、容积负荷为45 g/(m3·h)的优化条件下,去除率稳定在98%以上。

反应器对低p H具有较强的耐受性。循环液pH由3.1下降至1.28历经20 d的时间,反应器H2S去除率始终保持98.7%以上。

该反应器的适宜进气和循环液体积流量之比为167。