恶臭物质广泛产生于工农业生产、污水处理、污泥处理及垃圾处置过程[1],成分复杂、分布广,不仅危害人体健康,而且影响生态环境。NH3和H2S是国家环保部规定的八大恶臭污染物之一[2],有研究表明[3],很多臭气中主要恶臭污染物为NH3和H2S,其中含量最多、浓度最大的是NH3。生物除臭技术具有处理效率高、设备简单、成本低、没有二次污染等优点[4],在恶臭气体处理中表现出良好的百富策略白菜网前景。

细菌是目前各类生物除臭反应器中常见的主要功能微生物[5]。利用细菌型反应器进行除臭,其前提是恶臭气体先溶于水,才能被细菌吸收转化或降解,因此对于亲水性物质,细菌型反应器表现出较好的除臭效果。通常恶臭成分较为复杂,既有亲水性也有疏水性臭味物质,对于疏水性物质细菌难以实现理想去除效果。而且适宜细菌生长的环境中要求较高含水率,而较高含水率可加快生物填料腐烂进程,缩短生物填料更换周期。相比之下,真菌、放线菌可在较为干燥环境中生长,其气生菌丝在空气中形成网状结构,可吸收臭味物质的比表面积大,有效吸收转化分布在空气中的疏水性臭味物质[5,6]。有研究证明[7],细菌、真菌和放线菌在处理臭气时具有协同作用。但是目前对复合型菌剂的研究报道较少。

实验室自制复合型除臭菌剂——YDEM-1,YDEM-1是在细菌型除臭菌剂的基础上,投加富含真菌、放线菌的天然菌剂(腐熟堆肥)制作而成,两者投加质量比例为1∶5。其中细菌型菌剂富含芽孢杆菌、乳酸杆菌、光合细菌等有益微生物,活菌总数≥1010个/g,腐熟堆肥中含有多种真菌、放线菌等丝状微生物,数量分别为104、107个/g。

本实验选择几种有机和无机材料制成有机-无机组合式生物填料,由树皮、陶粒、木炭和塑料小球按照3∶1∶1∶1的体积比例混合而成。其中陶粒和塑料小球可起支撑作用,增大孔隙度,减缓填料压实周期。

NH3和H2S均由实验室人工制备,NH3通过碳酸氢铵(NH4HCO3)热分解产生,分解温度为30℃,反应式为NH4HCO3=NH3+CO2+H2O。H2S通过稀硫酸(H2SO4)和硫化亚铁(FeS)反应产生,反应式为FeS+H2SO4(稀)=H2S+FeSO4。

本实验建立生物滤池除臭装置,示意图如图1所示,由气体发生装置、生物滤池反应器、液体循环装置3部分组成,反应器主体部分由有机玻璃制成,形状为圆柱体,内径0.15 m,高1.3 m。向其填充有机-无机组合式生物填料,生物填料有效高度0.8 m,有效体积为14 L。反应器底端模拟传统除臭生物滤池中的增湿器,填充适量的无机填料陶粒和塑料空心小球,并接入喷头,向其缓慢循环水。该设计将增湿器与生物滤池反应器一体化,可以对进气加湿,还可以通过水分蒸发减少上部生物填料水分损失,增强填料的保湿性,在实际百富策略白菜网中可节省空间和成本。

将自制的复合菌剂——YDEM-1通过物理吸附的方式接种到组合生物填料上。气体通过生物滤池底部预湿,从下而上经过填料层,气相污染物与填料中的微生物接触并被降解,净化后的气体从排气口排出。

实验中气体进气浓度的大小通过改变反应的化学物质的量和与空气混合比例的流量计来调控,每次改变进气浓度24 h后测定并计算气体的去除率。分析指标如下。

(1)NH3浓度(mg/m3)[8]:环境空气和废气氨的测定纳氏试剂分光光度法HJ 533-2009。用TH-110F型大气采样器以1 L/min的流量采集10 min,吸收液为0.01 mol/L的稀H2SO4。

(2)H2S浓度(mg/m3)[9]:亚甲基蓝分光光度法《空气与废气监测分析方法》(GB 11742-1989)。用TH-110F型大气采样器以0.5 mL/min的流量采集10 min,吸收液为碱性锌氨络盐。

(3)填料含水率(%):采用重量法。在反应器顶端取适量生物填料,称重,在105℃下烘干至恒重,计算含水率。

(4)气体空床停留时间t(s):通过控制进气口前的流量计来改变进气量,从而改变停留时间。

复合菌剂——YDEM-1是在细菌除臭菌剂基础上,投加富含真菌、放线菌的腐熟牛粪堆肥制作而成。为了探明YDEM-1对生物滤池的除臭效果,以细菌型除臭剂为对照,把这2种菌剂分别接种到相同的生物滤池中,在同一实验条件下,即室温25℃,填料湿度50%,进气量q=1.0 m3/h(停留时间t=50.4 s),NH3进气浓度30～100 mg/m3的条件下比较了2种菌剂对NH3的除臭效果,如图2所示。

由图2可知,NH3进气浓度较低为30 mg/m3时,接种YDEM-1的反应器去除率接近100%。而相同条件下,细菌型除臭菌剂(对照)的NH3去除率为98.5%。随着NH3进气浓度的增加,反应器的去除率均呈下降趋势,但在相同NH3浓度下接种YDEM-1的去除率始终高于细菌型的反应器。当NH3进气浓度提升到100 mg/m3时,2种反应器的去除率分别为97.3%和93.5%。尽管这2种除臭菌剂对NH3均表现出较好的去除效率,但YDEM-1去除效果明显优于对照细菌型除臭菌剂,后续实验均对生物滤池中接种YDEM-1进行研究。

在室温25～30℃,填料湿度50%,空床停留时间50.4 s,NH3进气浓度50 mg/m3的试验条件下,考察了接种复合菌剂YDEM-1的生物滤池启动效果,如图3所示。

由图3可知,反应器运行前期NH3去除率呈先下降后上升趋势,到第4天时去除率最低为97%,到第8天上升到100%,并保持稳定。说明,反应器运行第8天就可实现初次启动。分析反应器运行前期NH3去除率先下降后上升的原因,可能是反应器启动初期NH3去除主要通过填料吸附作用,开始运行时填料吸附效率高,随着时间进程填料吸附逐渐达到饱和,此时YDEM-1还未适应新的环境NH3去除效率低,前期NH3去除呈短暂下降。随着YDEM-1开始适应新的环境,微生物不断增殖,导致后期NH3去除率迅速提高。与其他研究,如Liang等[10]以在堆肥中添加活性炭为填料处理氨,驯化期为2周。刘建伟等[11]对某污水厂的除臭研究中,经过一个多月的菌种驯化期才对NH3和H2S的去除达到稳定。殷骏等[12]研究的驯化时间较长,大约为40 d。相比较来说,本试验中复合菌剂型除臭反应器具有快速启动的特点。

研究表明[13],细菌型生物反应器适宜含水率一般在40%～60%。含水率过高或过低,都会影响到污染物与微生物之间的传质效果和微生物的生理、代谢作用,从而影响生物滤池的除臭效果。在室温25～30℃,空床停留时间50.4 s,NH3进气浓度50 mg/m3的试验条件下,探讨了含水率对接种YDEM-1的生物滤池除臭效果的影响,如图4所示。

由图4可知,随着时间进程反应器填料含水率逐渐下降,填料含水率由51.2%降到33.4%历经14 d,在此过程中NH3去除率始终稳定在100%。之后随着含水率进一步下降,NH3去除率呈下降趋势,当含水率下降到25.6%时,去除率依然在99.1%以上,出气为0.45mg/m3,达到国家一级排放标准。可见,该复合菌剂型生物滤池适宜含水率范围在25%～50%之间,且在低含水率(30%左右)条件下仍表现出良好去除效率。分析原因可能是,YDEM-1是细菌和真菌、放线菌的复合菌剂。当含水率较高时细菌为主要功能菌去除NH3,含水率较低时真菌、放线菌为主要功能菌发挥作用,不同类型菌群的共同作用下使该反应器适宜含水率范围较宽。

本研究中在较低含水率(30%左右)条件下反应器运行一段时间,发现生物填料表面长满真菌菌落如图5所示,且NH3去除效果高效稳定。说明,和细菌型生物除臭反应器相比,复合菌剂型生物滤池能够在较低含水率下正常运行,而低含水率条件可有效减缓生物填料腐烂进程,延长填料寿命和更换周期,这在实际工程中具有良好的百富策略白菜网前景。

在反应器稳定运行情况下,分别研究不同空床停留时间即t=12.6 s(q=4.0 m3/h)、29.6 s(q=1.7 m3/h)、63.0 s(q=0.8 m3/h)和100.8 s(q=0.5 m3/h)对接种YDEM-1的生物滤池中NH3去除效果的影响,如图6所示,NH3进气浓度为25～400 mg/m3。

由图6可见,当NH3进气浓度为58.9、100.9、165.3、230.3 mg/m3条件下,该反应器对NH3去除率达到100%所需空床停留时间分别为12.6、29.6、63.0、100.8 s。当空床停留时间12.6 s、进气浓度377.5 mg/m3、负荷为2.5 kg/(m3·d)时,去除率仍能达到93.4%。表明,该反应器对NH3具有良好的处理效果[14,15]。

增加停留时间有利于提高NH3的去除率,但是停留时间增加的同时也会增加生物滤池的体积,因此适宜的空床停留时间可提高反应器除臭效果和有效控制生物滤池占地及建设成本。实际工程中NH3浓度较低,以百富策略白菜网污泥处理单元为例,NH3浓度通常低于30 mg/m3[16],接种复合菌剂YDEM-1的生物滤池,在空床停留时间十几秒条件下,就能有效去除NH3,出气达到国家恶臭污染物一级排放标准。

H2S是一种典型的臭气,通常和NH3一起排放。在空床停留时间29.6 s条件下,通入不同进气浓度的H2S,考察该反应器对H2S的去除效果,如图7所示。随着H2S进气浓度的增加,该反应器对H2S的去除效果呈下降趋势,当进气浓度低于20 mg/m3时,H2S去除率在90.0%以上。如H2S进气浓度为15.7 mg/m3时,去除率为98.1%,出气0.3 mg/m3,达到国家三级排放标准。尽管,该反应器对H2S去除效果低于NH3去除效果,但对低浓度H2S仍表现出良好的去除效果,而实际生产实践中很多领域,以污水泵站为例,H2S排放浓度低于15 mg/m3[17],对于这些领域该反应器具有良好百富策略白菜网前景。在实际百富策略白菜网中长期运行可能会出现酸性产物的积累,需要调整pH。

实际工程中,往往会遇到一些情况需要停工,因此考察生物反应器闲置后能否快速重新启动,是反映反应器性能的重要指标。将高效稳定运行一段时间的生物滤池反应器,在室温28～30℃的8月份完全闲置一个月,闲置前后填料含水率由起始50%下降到40.7%,表明填料具有良好的保水性能。对闲置一个月反应器,在NH3进气浓度为50 mg/m3左右,空床停留时间为29.6 s条件下重新启动,结果如图8所示。

由图8可知,反应器开始重新启动前4 h,NH3去除率为100%,认为可能是由于开始填料的吸附效率高所导致,之后4～8 h间随着NH3吸附效率下降,NH3去除率也随之下降,到第8小时时最低,但仍能保持在98%以上,出气在1 mg/m3以内,达到国家一级排放标准。之后随着微生物活性恢复,去除率迅速提高,第10小时就达到100%并保持稳定。说明,该复合菌剂型生物滤池抗冲击负荷能力强,能够快速二次启动。

(1)接种YDEM-1的复合型生物除臭反应器启动速度快,初次启动和二次启动时间分别为8 d和10 h。

(2)YDEM-1对NH3去除效率高,进气浓度为58.9、100.9、165.3、230.3 mg/m3条件下,去除率达到100%所需空床停留时间分别为12.6、29.6、63.0、100.8 s。

(3)YDEM-1对H2S有一定去除效率,H2S进气浓度为15.7 mg/m3下,实现98%以上去除率所需空床停留时间为29.6 s。

(4)YDEM-1适宜含水率范围在25%～50%,而较低含水率条件下能够正常运行,对实际工程中具有良好的推广百富策略白菜网价值。