生物滤池去除污水处理厂臭气的应用及展望

韩力超，刘建广，罗培

(山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101)

0 引言

随着人们对环境问题的日益重视，越来越多的污水处理厂被应用到市政污水处理中，虽然使水污染状况在一定程度上得到了缓解，但随之产生的问题也接踵而至。污水厂产生的恶臭气体不仅腐蚀金属材料、设备和管道，还严重影响到了周边居民的生活，已成为当今世界七种典型公害之一［1］。因此，对污水处理厂产生的臭气进行处理已迫在眉睫。利用生物法处理恶臭气体较早的报道是在1957年，20世纪70年代初欧洲科学家开始了这方面的理论和应用研究;80年代荷兰和德国利用微生物处理恶臭气体取得了很好的效果，我国90年代初期才开始进行这方面的研究［2］。近年来，生物法以其能耗低、装置简单、无二次污染等优点，被广泛应用于污水处理厂的恶臭气体治理中［3－4］。其中，生物滤池工艺作为一种安全可靠的处理方法应用最为广泛，在国际上被誉为治理空气污染的绿色解决方案。

1 恶臭气体的成分及来源

GB14554—93《中华人民共和国国家标准—恶臭污染排放标准》将恶臭定义为:一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损坏生活环境的气体物质。污水处理厂产生的臭气成分复杂多样，主要包括蛋白质、脂肪、碳水化合物和微生物呼吸、发酵过程的产物及不完全产物［5］。目前，人们按照气体化学组分的不同大致分为5类:(1)含硫化合物，如硫化氢、硫醇类、硫醚类;(2)含氮化合物，如氨、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、炔烃及芳香烃;(5)含氧有机物，如醇、醛、酮、有机酸。其中以硫化氢、氨气、硫醇和挥发性脂肪酸为恶臭气体主要代表。

城市污水处理过程中，会在泵房、曝气池、沉淀池、厌氧池和污泥处理区等区域产生含有多种恶臭污染物的臭气［6］。污水处理厂的臭气大致上由污水处理系统和污泥处理系统两部分产生，主要来自有机物的分解过程。主要臭气源产生原因及相对污染程度见表 1［7］。

表1 污水处理中的臭气源

2 生物滤池工艺概况

2.1 除臭原理

2.2 除臭装置及流程

生物滤池除臭工艺一般由四部分组成:气体收集输送系统、加湿保温系统、生物过滤系统和检测控制系统。其整个除臭过程的工艺流程如图1［10］。

图1 生物滤池除臭工艺流程图

2.3 影响因素

2.3.1 温度

温度是影响微生物活性的重要因素，生物滤池内的氧气含量一般在0.2～1.0mg/L，微生物进行好氧呼吸，所适应的温度范围相对较大，操作温度一般维持在微生物的最佳温度范围内，即25～35℃。较低的温度虽然有利于臭气中的污染成分被填料表面的生物膜吸收，但会影响微生物的生长。一般而言，在适宜的生长范围内，微生物的生长速率会随温度的升高而升高，对恶臭气体的去除效率也相应的升高［11－12］。所以需采取保温措施，特别是北方寒冷地区，应使空气温度维持在一定范围内，以确保微生物的良好生长。

2.3.2 湿度

从除臭过程来看，臭气中的污染物首先要溶解于水中，才能被微生物吸收降解。适宜的湿度对除臭系统的正常运行非常重要。滤池前增设加湿器对进气进行湿润能够提高传质效率，防止滤料层风干。［13－15］水分过多会降低传质效率，并增大气体穿过的阻力，甚至导致局部厌氧而影响除臭效率。水分过少则会影响氧在水中的溶解和微生物的新陈代谢，使细胞的降解速率减弱，降低整体除臭效率［16］。另外，填料过于干燥也会使得代谢产物不易排出滤池。一般填料湿度范围在40% ～60%，臭气相对湿度为80%～90%为宜。

2.3.3 pH 值

生物滤池中微生物新陈代谢与pH密切相关，其中大部分微生物在接近于中性的环境下活性最高。由于臭气中的H2S、NH3和含氯有机物的氧化分解会产生酸性副产物，导致环境中的pH下降，影响微生物的活性，甚至破坏现有的菌种，降低恶臭物质的去除率，在这种情况下，应添加化学缓冲剂如石灰［17］。刘建伟、马文林等［18］通过实验得出，适合H2S降解的最佳pH为强酸性(pH为2左右)和中性(pH为7左右)，而适宜NH3去除的最佳pH为中性(pH为7左右)。

在液压机构的驱动下(分别是控制力矩τ1和τ2)，其数学模型可以简化为图2所示的直角坐标系示意图，输送臂可以绕回转副O和A作转动。两臂的长度分别是l1和l2，臂自身的质量分别是m1和m2，液压元件的质量忽略不计。输送臂可以看作是一个开链式刚性2连杆机构，始端关节固定在基座O上，末端连杆为自由端B，对于输送臂的运动学要研究两个主要的问题：建立和求解运动学方程。

2.3.4 停留时间

恶臭气体的停留时间直接影响其去除效率。由于臭气被生物膜吸附、吸收及降解都需要一定的时间，所以在理论上停留时间越长，生物滤池的净化效率越高。但从经济角度考虑，过长的停留时间会使设备的体积增大，投资成本增加。针对城市污水处理厂产生的臭气，生物过滤系统停留时间一般为2～ 8.5min［19］。

2.3.5 填料选择

填料作为微生物的载体，主要分为无机填料(如沙子、碳酸盐类、玻璃材料、沸石、活性炭等)和有机填料(土壤、堆肥、木屑、聚丙烯小球等)两大类。由于填料的特性各异，不同的场合应选择不同的填料。席劲瑛等［20］通过实验考察了珍珠岩、矿物球、竹片和沸石等填料去除臭气中H2S性能、压降变化、持水能力和pH缓冲能力，并分析出其各自的优点。Daryl Letto，Derek Webb 等［21］对生物除臭滤池在加拿大多伦多市Ashbridge’s Bay污水厂污泥处理站的干化和转运段的应用效果进行了分析，得出了无机滤料相比于有机滤料有显著的优势。薛二军等［22］利用组合填料在生物系统内定向培养除臭微生物，实现了污水处理厂全过程除臭。

2.3.6 滤料压降

滤料在设备中由于自重作用不断被压实，孔隙率不断降低，气体通过填料的阻力也不断增大，所以压降和能耗也随之增大。当压降达到一定数值，应考虑更换滤料。生物滤池的压力损失一般为400～2000Pa［23］。

2.3.7 营养成分

要保证微生物的正常生长，除碳元素外，氮、磷、钾等微量元素也必不可少。如果臭气中的养分不能满足微生物的生长，需额外投加营养成分。复合填料能够提供微生物生长所需的营养成分，而若采用惰性填料，可以通过滤池上方的散水装置为滤池提供营养成分。营养供应的水平对生物滤池启动及稳定阶段的生物活性有很大的影响［24］。

2.3.8 设计负荷

为保证最小的投资，在保持运行稳定的前提下应合理设计负荷。实验表明，进气量为500m3/h时装置基本达到满负荷运转，生物工作段主要集中在(300～900)mm区域［25］。城市污水处理厂采用生物滤池工艺处理恶臭气体的滤料表面负荷一般为30 ～250m3/(m2·h)［26］。

2.4 与其它几种除臭工艺比较

根据除臭工艺的种类，大致分为生物氧化技术、天然植物液除臭技术、活性氧化技术和高能离子净化技术等［27］。生物滤池作为一种传统的生物除臭方法已被广泛应用于各种污水除臭中。但是随着科技发展，各种新型除臭技术以其自身优势正慢慢受到人们的青睐。各种臭气处理方法技术经济因素比较如表 2［28］所示。

3 生物滤池工艺的研究及工程应用

生物滤池工艺具有对环境冲击少，无需化学药品，没有二次污染等特点，在国外的研究和应用较为广泛，如废水输送/处理，食品/饮料行业、化学/医药行业等。生物滤池除臭法作为研究最多、工艺最成熟的生物除臭方法，已经被广泛应用于含H2S或NH3恶臭气体的处理［29］。目前，关于生物滤池工艺处理污水厂恶臭气体在国内也正在逐渐推广。

表2 污水臭气处理方法技术经济因素比较

生物滤池处理污水厂臭气特别是去除H2S和NH3有明显的效果。南方某城市污水处理厂［30］采用生物过滤法对污泥浓缩池和脱水车间的臭气进行处理。60d的除臭运行结果表明，在H2S和NH3的进气浓度分别为 0.18 ～2.71mg/m3和 1.93 ～5.95 mg/m3条件下，处理后的 H2S和NH3浓度分别为0.01～0.08mg/m3和 0 ～0.62mg/m3，在除臭系统6m外臭气浓度均能达到二级排放标准。李慧丽，张建新等［31］对气体收集系统和生物除臭滤池内的喷淋管路进行了改造，并更换了新型生物填料，结果显示，H2S的平均去除率从改造前的36.5%提高到62.9%，最大去除率可以达到96.2%;NH3的去除率从28.2%提高到接近100%。在温度＞20℃、相对湿度＞80%的条件下，生物除臭滤池能够有比较理想的处理效果。陈杏［32］对广东佛山溢达污水处理厂生物滤塔工艺的运行状况进行分析，结果表明，在温度为22℃，湿度＞95%，pH值为6.6左右且进气流量及浓度稳定的情况下，生物滤塔的除臭效率可达96%以上，平均净化效率达85%以上，净化后的气体达到《恶臭污染物排放标准》二级标准。王明健，李歆［33］对某已建成并投入运行的污水处理厂生物滤池排放气体进行监测，H2S的浓度为0.04mg/m3，NH3浓度为1.0mg/m3，即使在冬季，H2S 和 NH3浓度也分别维持在 0.05～0.06mg/m3和 1.20～1.30mg/m3，都达到了国家排放标准。天津塘沽区南排河南岸某污水处理厂［34］设计建设两套生物滤池除臭工艺，根据其实际运行效果，该工艺对H2S、NH3和臭气浓度的出去效率分别为93%、90%和90%以上，臭气处理系统运行稳定。

近几年，国内多家污水处理厂也相继采用生物滤池工艺去除污水厂臭气。深圳市罗芳污水处理厂［35］二期工程厌氧池除臭设备采用生物滤池，填料采用有机生物填料，系统设计风量2万m3/h，过滤流速143m/h，填料高度 1.4m，滤池压力损失 ＜500Pa。经过测试，除臭效果完全满足设计要求，除臭效率＞90%。成都市沙河污水处理厂［36］对全厂5处臭源进行收集采用生物滤池处理，臭气处理后符合GB3095—1996《环境空气质量标准》规定的二级排放标准;脱臭生物滤池系统，采用集中脱臭玻璃钢生物滤池装置一套，分独立2格，Q=70000m3/h，过滤面积414m2，配套采用隔音罩隔音离心风机一台;处理后尾气20m高空管道集中排放。无锡市城北污水处理厂［37］二期工程中的厌氧池除臭工艺采用生物滤池，单座水解池平面尺寸为56.0m×33.6 m，密封罩平均净高为0.5m，除臭空间约为1900m，换气次数为2次/h，设计除臭风量为4000m3/h(1.12m/s)。加湿区与生物滤池组成一体式装置。此外，青岛市团岛污水处理厂、泉州市北峰污水处理厂、泉州市城东污水处理厂、珠海吉大水质净化厂、秦皇岛市绿港污泥处理厂等均采用生物滤池工艺除臭。

4 结语

随着人们生活环境质量的提高，生物滤池工艺作为一种新型臭气处理技术具有投资适中、填料构造简单、操作方便、无需液体循环系统等优点，已越来越多的应用于污水处理厂。但是，目前国内对这项技术的研究应用尚处于起步阶段，还有许多问题亟待解决。

(1)微生物菌种有待优化。微生物是生物滤池除臭系统的核心部分，除臭效果与微生物的质量有着直接的联系。要进一步提高生物滤池的除臭性能，需筛选和驯化更适合分解特定恶臭气体的微生物菌种。

(2)开发经济有效的填料。微生物在恶臭气体处理实际工程中应用效果的优劣，与所用填料有密切的关系。填料是微生物生长的重要场所，是制约生物除臭技术进一步发展的关键。

(3)研究脱臭的深层机理。目前生物脱臭的深层机理尚不明确，尤其对高浓度的恶臭气体、复杂的混合气体处理还有待研究，对微生物脱臭深层机理的研究有助于指导工艺的设计和运行。

(4)改良装置设备和工艺模式。臭气有时会在过气断面上分布不均匀，甚至出现短流;降雨、加湿不当和填料自重也会造成填料孔隙堵塞，使通透性变差;臭气收集后浓度提高，臭气中的酸性物质会对钢制件造成腐蚀;寒冷地区易受冰冻影响等。为提高除臭效率，改良装置及模式已成当务之急。

(5)去除率与工艺参数需定量化。各种工艺参数对除臭效果有不同程度的影响，但每个影响因素对除臭效果还没有一个定量的关系，因此应加强它们之间的定量化研究。

根据以上问题，应在现有技术基础之上不断改进，扬长避短，加快研究和发展新型恶臭气体处理技术，如生物滴滤池和生物滤床等。综合经济因素，采用组合法会更加经济有效，如:植物提取液—生物滤床，生物滴滤塔—活性炭吸附等组合技术，节约成本，提高除臭效率。生物滤池处理高浓度恶臭气体、复杂的混合气体的研究将成为今后恶臭处理研究的热点。

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