生物滤床工艺处理城市污水处理厂恶臭气体
前言
目前，我国城市污水处理厂的建设很少考虑臭气的处理问题，但随着人民生活水平的提高，对环境质量的要求越来越高，对恶臭气体所带来的污染也更加敏感，有关污水处理设施臭气影响市民生活质量和健康的投诉案例屡见报端，呈上升的趋势。在污水处理过程，保护和提高处理现场及周围的环境，减少恶臭影响，如何对恶臭进行有效控制已成为急需解决的课题。
与工业废气相比，城市污水处理厂臭气具有2个显著特点[1,2]：（1）污染物成分复杂。主要包括硫化氢（臭鸡蛋味）、氨（氨味）、甲硫醇（烂洋葱味）、胺类（鱼腥味）、二胺（腐肉味）、粪臭素（粪便味）等，另外还含有少量的硫醚类、酞胺类、芳香烃、醇、醛、酮、酚以及有机酸等物质。（2）产生量变化大。即使在同一污水处理厂中各单元产生的臭气也随水量、水质、气候条件、操作参数等因素的变化而变化。
近年来，各种臭气处理技术在实际应用中取得了不断的发展[1,3-5]，如吸附、吸收、焚烧、催化燃烧、化学氧化以及生物、生态处理等方法。生物滤床[4-8]是一种优化的土壤处理工艺，它利用土壤基质的过滤、吸附、吸收、物理化学反应、生物降解等功能净化臭气，同时表面种植的植物亦有一定的净化功能。它具有经济、美观、管理方便、运行稳定、处理效果好等优点。本文介绍了生物滤床的组成、对臭气的净化机理、影响处理效率的因素等，并对生物滤床除臭工艺在国内外应用现状及局限性进行了分析。
1、生物滤床的组成及其净化原理
1.1 生物滤床的组成
一般来讲，生物滤床由土壤基质、布气系统、加湿系统、基质内生物群落、表面植物等几部分组成。生物滤床的主体是一个有一定面积和底部坡度的洼地，底层铺防渗膜；臭气布气管道和onclick="g(‘排水管‘);">排水管道（多余的水分必须能够很容易地从土壤生物滤床排走以防止onclick="g(‘厌氧‘);">厌氧条件的形成，排出的水返回污水处理系统）布于防渗膜上，布气管道堆有100-150mm厚的卵石，以防布气管道堵塞；布气管道之上为由土壤、木块、煤渣、树皮碎块、泥炭块堆肥或脱水污泥等材料组合而成土壤基质；床体表层种植耐污植物；同时加湿系统亦布置于床体顶部，以污水厂污水作为水源，一方面保持床体的湿度，另一方面为床体内微生物的生长补充营养。图1所示为生物滤床基本结构示意图。
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1.2 净化机理
生物滤床除臭工艺是将气体收集并加湿后通过管道输入生物滤床底部并使其扩散于土壤内，臭气中多种污染成分溶于水后吸附于土壤颗粒表面。经过一段时间在土壤颗粒表面可逐渐培养出针对致臭物质的微生物，并可不断将致臭物质分解，完成脱臭。
1.3 工艺特点
生物滤床除臭工艺与其它工艺相比，具有以下显著特点：①是一个自然的过程，无需化学药剂，费用低；②设置灵活，在一个污水厂中可集中设置一个生物滤床，也可在产生臭气的构筑物附近就地收集臭气、就地处理；③结构简单，便于施工，处理构筑物少；④处理设施全部采用地下式，不影响地面绿化和地面景观；⑤设备需求少，操作管理简单，维护费用极低；⑥对场地要求不高，洼地或构筑物间绿地即可满足要求；⑦无二次污染；生物滤床处理后的空气被低速排放到宽阔地域，因此提高了被处理气体在地平线上的扩散和稀释。烟囱排放时速虽然很快，但必须依赖于强风驱散被处理的气体；⑧抗冲击负荷能力强；⑨土壤生物过滤法去除污染物的范围广。作为一种生态系统，微生物容易适应输入气体流，所以它们能够有效地去除臭气污染物，还能够去除没有臭味的甲烷等气体。
2 影响因素
2.1 土壤基质
生物滤床的土壤基质（又称填料、组合填料）所采用的材料主要为地表肥沃土特别是腐植土，在其中添加比表面积大的其他透气媒介物（如木块、煤渣、树皮碎块、泥炭块堆肥或脱水污泥等），使基质具备如下条件：允许生长的微生物种类多、供微生物生长的表面积大、营养成分合理、孔隙度合理（以利于水分的下渗以及空气和臭气的流通）、吸水性和吸附性好、自身无异味、经济耐用。另外，生物滤床系统长期使用后有毒物质会不断积累，发生酸化，并影响微生物生长，一般在基质中加入石灰石，以提高床体对pH值的缓冲能力，石灰石的投加比例为1%（G/G）。土壤基质除了为微生物和表层植物提供生长介质，还可通过吸附、过滤、化学反应等作用可直接去除臭气中的污染成分。Bohn[6]研究发现每克生物滤床基质（主要为堆肥）中的生物量近似为10亿，随着不同的基质组成而有一定的变化。基质厚度一般为0.5-1.0m，较大的基质厚度可以减少床体占地面积但增加了臭气通过时的压力损失。臭气通过床体的压力损失随着气流速度的增大和基质颗粒粒径的减小而增大。Yang[9]发现当床内基质颗粒粒径在1-12mm，气流速度从0增至0.3ms-1时，床内压力损失从0增至35kPam-1，二者线性相关。另外、孔隙度也是一个影响基质压力损失的重要因素；对于以土壤为主要基质的一般为40-50%，以堆肥为主要基质的为50-80%。在实际设计中，一般使臭气通过速度以0.1-1.0m/min为宜。
2.2 湿度
对于生物滤床的运行来说，由于臭气中污染物质要先被液相吸收并被微生物氧化，所以要求保持臭味物质有一定的湿度。生物滤床湿度太低则水溶性恶臭成分难以及时进入液相，且造成填料易干燥，降低床内生物活性，既影响了整体除臭效率，又使得代谢产物不易排出滤池。但是，当生物滤池的湿度过高时传质效率也会受到影响，且因气体穿过阻力增大还可能造成局部onclick="g(‘厌氧‘);">厌氧而影响除臭效率。影响滤池湿度的因素多且关系复杂，造成对湿度的控制具有相当的难度。Pinnette等[10]认为，影响滤池湿度的因素包括加湿系统、生物新陈代谢产生的热量、阳光辐射、辐射热转移、传导热转移、降雨等。Williams and Miller[7]指出床体的湿度根据基质材料的不同，宜保持在20-60%。如果床体湿度过低不仅湿床内生物活性降低，亦会造成臭气短流，进一步影响除臭效果。Yang等[9]亦发现当以堆肥和污泥构成的基质的床内含水率高于30%（G/G）时，含水率的变化对臭气中H2S的去除基本无影响，而当含水率低于30%时，去除率直线下降。生物滤床保持湿度的方法一般为直接淋洗滤床或对进气加湿。
2.3 pH值
生物滤床中生物体的新陈代谢与pH密切相关。研究发现[9-12]，许多微生物仅在一定的pH范围内才能生长，并且绝大多数微生物生长最适pH均在中性范围内。Yang等[9]研究了臭气中H2S的去除效率与pH的关系，发现当pH低于3.2时，去除效率显著下降，而在较高pH时，其去除效率基本与pH无关。而臭气中污染成分在生物净化过程中，含氯有机物、H2S的氧化分解产生盐酸、硫酸等酸性物质以及有机物质分解产生的二氧化碳均会导致生物滤床中的pH下降，影响微生物的生化作用。Yang等[9]亦研究了生物滤床中pH变化，通过32天的反应，生物滤床的pH从最初的8降至2.5。Brennan等[11]亦介绍了这种下降趋势，他们发现如果不采取措施经过3周时间的反应，pH从6.5-7.0下降到3.6-4.8，经过6个月后，pH下降至2以下。Kapahi等[12]建议通过向生物滤床基质中碎贝壳、石灰石等物质可以使床内保持较稳定pH范围，亦可通过在生物滤池的滤料上喷洒pH值缓冲剂来稳定pH值。
2.4 温度
较低的温度有利于臭气中污染成分被基质表面生物膜吸收，但会影响微生物的生长；而在较高的温度下恰恰相反。床温的控制一般通过调节臭气温度来实现。Knauf等[13]发现在较高的温度下臭气的去除效率明显下降；对于以堆肥为主要成分的生物滤床，当温度从40℃升至55℃时，去除效率却从95%降至85%；而对于以木块为主的生物滤床，当温度从35℃升至50℃时，去除效率却从80%降至70%。Yang等[14]也发现在25-50℃范围内，床内硫化氢氧化细菌具有较稳定的去除效果，而在这一温度范围外，去除效果明显下降。生物滤床的最佳温度为(20-37℃)，但在5—65℃范围内生物滤床都可正常运行；由于污染物质在生物氧化过程中均会释放出一定热量，从而使生物滤床能保持较高的温度[10]；因此一般情况下，可以不考虑对床体进行加温。
2.5 设计负荷
合理的设计负荷有利于降低生物滤床系统投资，保持运行的稳定性。文献显示[14-18]，生物滤床处理城市污水处理厂臭气的滤料表面负荷一般为30-250m3／(m2·h)。下表所示为国内外部分污水处理厂除臭系统设计负荷。
表1国内外污水处理厂生物滤床除臭工艺负荷
Table 1 Load of bio-filter bed in Sino-foreign municipal sewage treatment odor control
项目 设计负荷/m3m-2h-1 去除率/% 基质组成
Lueneburg污水厂 32-93 99 堆肥、树叶、灌木树枝
广州市猎德污水厂 200 95 混合肥料，聚苯乙烯胶球体、碳、活性炭，沸石和有机物料
水湾污水厂 73.5 99 树皮,土壤,泥炭块,肥料
Tamarac污水厂 147.6 98 堆肥、木块
Wesstborough污水厂 122.4 94 堆肥、木块
2.6 臭气停留时间
臭气在生物滤床中的停留时间直接影响了其处理效果。停留时间过短，臭气中污染成分还未充分被生物膜吸收，就被排除床体，无法使最大量的臭气被降解转化；如果停留时间过长，则会使床体体积过大，增加投资。因此在生物滤床的设计时有必要确定合理的停留时间。文献介绍[5,6,9,]，以去除肉食加工厂废气为主的生物滤床停留时间为15s；以去除三氯酚为主的生物滤床停留时间为3h；以去除H2S为主的生物滤床停留时间为23s。针对城市污水处理厂产生的臭气，郝桂玉[19]考察了国外部分污水处理厂生物除臭装置停留时间，认为污水处理厂除臭生物滤床停留时间一般为2-8.5min。
3 生物滤床除臭工艺应用现状及其局限性
3.1 应用现状
生物滤床除臭工艺作为一种绿色技术，它对环境冲击少，不需要化学药品（材料），不会造成二次污染，土壤基质由堆肥、废木碎屑、煤渣、泥炭块等可再循环的产品组成，具有生态可持续性。生物滤床工艺在国外研究和应用较广泛，如onclick="g(‘废水‘);">废水输送/处理、食品/饮料行业和化学行业。目前,有关生物滤床的研究在我国也逐渐成为一个热门课题。
3.2 生物滤床工艺局限性
生物滤床局限性表现为：①占地面积较大；⑦降雨和加湿不当可能造成土壤基质孔隙堵塞，使透气性变差；③底部防渗层如出问题，污水会渗漏到自然土壤中；④臭气可能会产生短流或在过气断面上分布不均匀；⑤寒冷地区易受冰冻影响；⑥国内对这项技术的研究相应用尚处于起步阶段，工艺设计参数及应用实例较少，技术上有待进一步探索和完善。
4 结语
随着国家对居民对生活环境质量要求的不断提高，严格执行GB14554-93《恶臭污染物排放标准》和GBZ2-2002《工作场所有害因素职业接触限值》，不仅保护污水处理作业区内操作人员的身心健康，也同时保障周围居民生活环境质量。生物滤床作为一种新型生态臭气处理技术，具有投资省、运行简便、处理效果稳定等诸多优点，不失为我国城市污水处理厂恶臭气体控制的优选方案。
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