畜牧业在我国仍是低效产业, 动物在将饲料营养转化为畜产品的过程中, 有很多食入养分未吸收而被排入到环境中去, 对土壤、空气、水源造成巨大污染。除了固体粪便和污水污染之外, 养殖场的空气污染是另一个重要的环境问题。畜禽养殖场的空气污染主要来自于养殖场内散发出有恶臭味的气体。这些气体不但会导致动物应激, 阻碍生产性能的发挥, 降低畜禽的抗病力, 而且排放到大气中后会危害人类健康、加剧空气污染和引起地球温室效应[1,2,3]。臭气还是滋生蚊蝇、细菌繁殖和传播疾病的重要传染源, 随着“非典”、禽流感、口蹄疫、甲型H1N1流感等高致命性传染病的爆发, 畜牧业的卫生和安全问题日益受到关注, 对恶臭进行有效的控制已势在必行。

目前, 控制臭气的方法主要有吸附法、焚烧法、化学或生物除臭剂法和化学或生物洗涤法等。吸附方法虽简单方便, 但使用一段时间后需要更换或重新活化吸附材料, 因而会增加成本。焚烧法简单有效, 但能耗较高, 且燃烧的终产品虽无味, 却也是污染物质。除臭剂法和洗涤法主要适用于水浓性高、浓度低的臭气去除, 不适用于高浓度的臭气。化学或生物洗涤法还存在对用过的洗涤剂的处理问题。生物过滤法是由滤料来吸附和吸收恶臭气流中的臭气, 然后由生长在滤料中的细菌和微生物菌群来氧化降解, 臭气有机物被降解为CO2, H2O和微生物细胞生物质, 故生物过滤除臭法被认为是较理想的除臭方法[4,5,6,7,8,9,10,11]。然而, 影响生物过滤法的除臭效果的环境因子很多, 如滤料基质 (天然和有机) 配方、滤料孔隙度、颗粒度 (大小及分布) 、活性滤料层高度、微生物菌群、滤料温湿度以及滤料时效性等都是滤料筛选的重要指标[12,13,14,15,16,17]。因此, 在生物过滤除臭法的研究过程, 包括活性滤料筛选试验、样机除臭效果的性能试验和试运行试验等, 需要能同时进行多个处理的生物过滤除臭试验装置, 而这一装置目前在市场是空白的。

基于活性滤料筛选试验和一系列相关的生物过滤除臭法研究的要求, 除臭试验装置的主要设计参数和性能指标如表1所示[6,17,18,19,20]。

图1为生物过滤除臭试验装置的结构简图。

生物过滤除臭试验装置由风机、超声波加湿器、若干试验柱单元以及连接管路和测试探头等组成。风机进风口经输气管路与臭气源联通;配置有水过滤器、水接口、溢流口和湿度控制面板的超声波加湿器, 经连接管路与输气管路联通, 对流经的臭气进行加湿。风机的出风口排出增压后的臭气, 经加热器、进气分配管、进气接口、连接管路等, 进入各试验柱单元。试验柱单元的数量可根据试验要求所需设置为若干个, 且支承在机架上。每个处理单元底部均设置试验柱外接口, 外接口内部设有滤网和滤网固定圈 (如图2所示) 。试验柱内腔填充活性滤料, 并设置滤料温湿度探头和防止试验柱漏气的密封圈。流经各试验柱内活性滤料后的臭气经气阀a、排气接口和排气汇集管, 由排气管排出。当试验装置测试臭气成分时, 开启气阀b, 且自动关闭气阀a, 臭气进入测试管路, 与气体测试仪接口连接的气体测试仪同步工作, 与气相色谱接口连接的色谱仪系统也同步工作。测试完毕, 气阀a自动开启, 且气阀b亦自动关闭。测试时间与测试间隔时间均可在线或由电脑设定, 由控制箱智能管理。风机、超声波加湿器和电加热器的工作周期, 也可以在线或由电脑设定, 亦由控制箱智能管理[18,19]。

滤料的筛选是生物过滤除臭法成败的关键。滤料包括天然滤料和人工合成滤料, 其主要考虑因素是能否适合细菌和其它微生物的生长。可作为天然滤料的有:木削、垃圾堆肥过程的产物、沙、土壤、石头、贝壳等。近年来, 有机或无机的人工合成材料也逐渐被开发和用作生物过滤料。这些天然和合成滤料都可以作为不同配方处理, 而且不同滤料孔隙度、颗粒度、不同活性滤料层高度、不同微生物菌群接种和添加化学或生物试剂等均可作为试验处理。因此, 用于填充不同活性滤料的试验柱, 不仅应有足够的单元数量, 而且在设计上必须考虑材料的防护性能、更换受试滤料的方便性, 以及更换后试验柱的气密性。

图2是装置试验柱底部的局部放大图。试验柱柱体、内接口和外接口系公称直径相同的PPR管材以及配件制作而成。试验柱组装时, 不锈钢滤网通过其固定圈先胶接固定在外接口内部, 然后再胶接外接口和内接口。在试验柱内, 不锈钢滤网上方填充供试活性滤料。试验柱插入外接口内后, 周边用胶带密封。胶带采用丁基橡胶防水密封粘结带, 粘结强度、抗拉强度高, 弹性、延伸性能好, 防水性、密封性、耐化学性、耐候性和追随性好。该试验柱底部结构具备防腐、防渗、防锈、防挥发性气体等防护性能;且装卸方便, 有利于试验柱内供试活性滤料的更换。

气密性是生物过滤除臭试验装置的关键性能指标之一。没有严格的气密性保障, 百富策略白菜网装置进行的所有试验的结果, 都无法完全令人信服。参照国内外压力容器气密性检测方法, 选用压力测试法比较简单, 测试仪器简便, 测试结果直观[18]。测试过程中, 各试验柱单元的底部结构按图2所示安装, 同时打开各气阀 (电磁阀) , 密封好气体测试仪接口和气相色谱接口, 用堵头将排气管封住, 关闭电加热器电源, 仅留一个进风口与风机的出口相连。将HQCYF-100精密数字压力表安装在安全阀上, 由风机直接向试验柱密闭系统内充气, 压力稍大于50kPa时停止。当试验柱密闭系统压力恢复到50kPa时开始记录压力随时间的变化关系, 重复测试3次。气密性指标用气密系数ζ来表示, 即

ξ=2.302 6tlgpxptξ=2.3026tlgpxpt

其中, pt为tmin后系统内压力;px为t=0时系统内的压力;将实际测得的pt, t 代入式中, 即可求出气密系数ζ, 这个值越小, 表明气密性能越好。以气密系数ζ≤0.05为合格。

图3显示试验柱密闭系统中大气压力随时间的变化情况, 试验柱系统压力曲线回归方程:y=0.01x4-0.293x3+3.176x2-15.021x+62.111, R2=0.999 7。测试开始后, 每间隔10min, 测试1次舱内大气压力。40min内, 压力从50kPa下降至36kPa, 且下降幅度随时间而减少。根据公式计算, 每间隔10min的气密系数ζ分别为0.016 3, 0.009 4, 0.005 9, 0.001 4, 均小于0.03, 故判定合格。40min后, 舱内大气压力基本恒定为36kPa, 气密系数ζ为0。由此可见, 试验柱密闭系统的气密性符合设计要求。

进行系统差异性试验, 旨在验证装置中各试验柱单元的主要性能参数是否一致, 避免因系统差异造成生物过滤法的试验误差。试验装置配置9个试验柱单元, 各试验柱单元内填充相同配方的活性滤料, 草腐土∶蛭石∶生物黑炭为7∶2.5∶0.5, 初始湿度65%, 滤层高度均为80cm。试验时, 接通臭气源 (猪粪) , 开启LSR25WD罗茨风机、ZS-06Z超声波加湿机和自行研制的通道式电加热器。HYD-ZS 土壤在线水分仪的探头插入任一试验柱单元内距底部滤网30cm处的活性滤料中, 对运行中滤料湿度进行测定, 并由RS485接口连接控制箱, 完成超声波加湿机的自动控制。试验第3天, 测定各试验柱内活性滤料的温度和湿度;用HQ-CYF-100精密数字压力表测定进气接口处臭气压力;用LZB-3WB玻璃转子流量计测定出气接口处臭气流量, 反复测试3次。试验第15天, 用气体测试仪分别测定臭气源和流经各试验柱的测试管路处臭气中NH3浓度, 并计算出NH3去除率[20], 如表2所示。

表2显示各试验柱单元主要性能参数的测定结果。试验第3天, 湿度控制设定为80%, 9个试验柱单元内活性滤料的湿度测定结果 (79.96±1.76) %, 一致性很好。这说明湿度探头可以设置在任一试验柱单元内, 超声波加湿器内部采用集成式雾化组件, 并配有无水保护装置, 所产生的雾粒直径≤5μm, 颗粒较均匀, 悬浮于臭气当中, 流经活性滤层时, 能够有效保持滤料湿度, 为微生物菌群生存和扩繁提供条件。各试验柱单元出气接口处臭气流量是影响生物过滤效果的重要性能指标, 臭气流量越大, 臭气在活性滤料中滞留时间越长, 生物过滤效果越好。表2中可以看出, 流经9个试验柱单元活性滤料后臭气流量 (0.525±0.011) L/min, 一致性很好。

在整机系统差异性试验中, 9个试验柱单元填充的活性滤料配方和初始湿度相同, 滤层高度相同, 接通臭气源也相同;当活性滤料的温度和湿度基本一致, 且流经滤料的臭气流量也基本一致, 滤料的除臭效果方可基本相同。滤料的过滤除臭效果主要包括物理过滤和生物过滤, 试验第15天, 微生物菌群扩繁加快, 活性滤料的生物过滤所占的比例加大, 臭气中NH3去除效果明显提高。因此, NH3去除率是综合性指标, 反映了生物过滤除臭效果[20,21]。由表2可以看出, 试验第15天时, 各试验柱单元的NH3去除率均≥95%, 平均96.86%±1.65%, 一致性很好, 说明生物过滤除臭效果基本相同, 整个试验柱总成的系统差异性很小, 符合装置的设计要求。

百富策略白菜网生物过滤除臭试验装置进行了畜禽养殖场生物过滤除臭设备[22]的一系列试验。例如, 试验1:配置9个试验柱单元, 接通猪粪臭气源, 从9种供试活性滤料配方中, 初筛出3个适用于生物过滤除臭法的滤料配方。试验2:配置9个试验柱单元, 进行滤料配方、滤料孔隙度、滤层高度、微生物菌群种类等4因素正交试验, 各因素均取3个水平, 以NH3, H2S, 氮氧化物和有机尘埃的去除率为试验指标, 确定因素的主次顺序, 进而选出优化组合。试验3:配置9个试验柱单元, 在优化组合基础上设置3种微生物菌液添加量处理, 3个重复, 还增加了臭气浓度和活性滤料时效性为试验指标。上述试验对除臭设备的研制均起到关键作用。

生物过滤除臭试验装置可配置5～12个试验柱单元, 各单元主要性能参数基本保持一致, 系统差异性很小;运行参数均由电脑设定调整, 也可以在线调整后自动控制;试验柱密闭系统气密性好, 具备防腐、防渗、防锈、防挥发性气体等防护性能;装卸方便, 便于供试活性滤料的更换, 各项性能指标均达到设计要求。除畜禽养殖场 (舍) 臭气外, 装置还可以百富策略白菜网于垃圾处理厂、食品加工厂和其它工业臭气或有味气体的生物过滤除臭试验。