养殖场典型功能区恶臭气体处理工艺选择与工程实例

刘建伟，高柳堂，韩昌福，张 波，陈雪威，徐 嵩，田洪钰

(1.北京建筑大学应对气候变化研究和人才培养基地，北京 100044；2.北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 100044；3.北京智创环绿科技有限公司，北京 100083)

在规模化养殖场运行过程中可能会产生诸多环境污染，如粪便污水、恶臭气体和病原微生物污染等。其中，恶臭气体污染具有分布广、影响范围大等特点，特别是在养殖场的禽舍、运动场、储粪间等都会产生含硫化氢、氨、酸类、醇类、酯类和有机硫类等[1]物质的恶臭气体，对人畜健康和生态环境造成严重危害。

现有的规模化养殖场恶臭气体处理技术包括通过饲料改良减少粪污排放的源头防治技术、饲养阶段通风清污的过程控制技术以及采用生物处理技术、吸收及吸附或菌剂喷淋除臭技术等末端控制技术[2]。其中，生物处理技术和菌剂喷淋除臭技术因具有除臭效果好、运行成本低和管理方便等优点，在规模化养殖场恶臭气体处理中得到了广泛的应用[3]。

目前，对于规模化养殖场恶臭气体综合处理工艺选择和工程应用方面的研究较少，特别是针对养殖场不同功能区恶臭气体控制技术的选择依据不足。因此，本文以北京市某规模化养殖场为研究对象，针对该养殖场不同功能区恶臭气体产生的特点和排放特性，分别进行了不同控制技术的选择研究，并针对养殖场典型功能区储粪间和运动场产生的恶臭气体，研究了组合式生物除臭工程和复合菌剂雾化喷淋除臭工程的设计与运行效果。

1 养殖场不同功能区恶臭气体的排放特性与控制技术选择

某规模化养殖场位于北京市海淀区苏家坨镇，养殖规模为牛存栏量600头及以上，粪污的年产生量和处理量为3 000 t。该养殖场产生恶臭气体的功能区包括储粪间、运动场、挤奶间、粪污处理设施处和肥料施用处。以氨和硫化氢为监测指标，对该养殖场不同功能区产生的恶臭气体浓度进行了监测(尚未建设除臭工程)，其监测结果见表1。

由表1可知，该养殖场不同功能区产生的氨和硫化氢浓度存在一定的差异，同一功能区产生的各种恶臭气体的浓度随时间变化有所不同，这主要是由于不同功能区的使用功能不同，其开放程度、面积和操作工艺条件均有较大的差异。

表1 某养殖场不同功能区产生的恶臭气体浓度(mg/m3)

基于该养殖场不同功能区恶臭气体的产生量、产生浓度和产生特性，以及各种处理技术应用范围的差异，对不同功能区恶臭气体的控制技术进行了选择。对于恶臭气体浓度相对高的区域，包括储粪间和粪污处理设施处，其恶臭气体浓度变化大，组成成分较为复杂，包含氨、硫化氢、有机硫化物、挥发性胺和VFAs等多种物质，且气体便于收集，收集后宜采用组合式生物处理技术进行处理。组合式生物处理技术兼具生物洗涤和生物过滤的优点，可在不同分区内实现对恶臭气体的吸附、吸收和生物降解，可提高恶臭气体的处理效率，适用于养殖场恶臭气体浓度高、易于实现集中收集的相对封闭区域的恶臭气体处理。

对于养殖场开放式空间，包括运动场、挤奶间和肥料施用处，恶臭气体浓度相对较低，这是由于形成恶臭的基质主要来源于粪尿中未降解蛋白质和易发酵碳水化合物，厌氧条件下产生的恶臭物质远大于好氧条件下[4]，而运动场通风良好，恶臭气体的产生较为分散，其浓度和负荷均较低且波动大，由于为开放式空间，不易集中收集，宜采用复合菌剂雾化喷淋技术进行处理。复合菌剂雾化喷淋后的喷淋液中含有大量的自养和异养微生物，特别是亚硝化细菌和硝化细菌，包括Nitrosomonaseuropaea、Nitrococcusmobiles可以有效地去除气体中的氨[5]，Pseudomonasfluorescens、Enterococcusfaecium、Bacillussubtilis、Bacillusmegaterium、Leuconostocmesenteroides和Lactobacillusplantarum对氨和硫化氢的去除率分别为94%和60%[6]，一些特定微生物和提取物除了具有脱臭特性外，还可抑制家禽粪便中致病菌的生长[7]。复合菌剂雾化喷淋技术具有对恶臭气体处理效果好、自动化程度高等优点，利于实现分散式恶臭气体的控制。

2 养殖场典型功能区恶臭气体处理工程的设计与运行效果

本文选择该养殖场典型功能区——储粪间和运动场产生的恶臭气体为研究对象，分别采用组合式生物技术和复合菌剂雾化喷淋技术对其进行处理，并研究了这两处典型功能区恶臭气体处理工程的设计与运行效果。

2.1 组合式生物除臭工程的设计与运行效果

2.1.1 组合式生物除臭工程的设计

(1) 工程概况：组合式生物除臭工程建于2016年10月，11月完成全部设备的安装，12月开始调试并运行，设计处理规模为10 000 m3/h，其主要由恶臭集中密闭收集系统和组合式生物除臭设备构成。恶臭气体集中密闭收集系统主要包括储粪间、吸风口、风管、高压风机，其中储粪间长22 m、宽16 m、高3.5 m，拱高为3.2 m，容积为2 000 m3；组合式生物除臭设备由土建基础和设备组件组成，其中设备组件包括进气阀门、穿孔布气板、填料及支撑系统、喷淋系统、仪表监测系统、电气控制系统和管路系统。

(2) 工程工艺流程：储粪间产生的恶臭气体经恶臭集中密闭收集系统收集后，在风机的作用下通过风管、进气阀门、穿孔布气板从底部进入组合式生物除臭设备；恶臭气体进入生物洗涤区后，一部分转移进入液相通过微生物的代谢作用实现污染物的降解，另外一部分进入生物过滤区利用填料上附着的高效微生物降解生物洗涤区未去除的恶臭物质，净化后经排风管排入大气[8]。生物洗涤区填充惰性填料维持较高的微生物量，对气体起到初步降解、加湿(湿度为90%左右)、除尘和调节温度的作用，降低了恶臭气体的进气负荷。组合式生物除臭工程的工艺流程详见图1。

图1 组合式生物除臭工程的工艺流程Fig.1 Flow chart of combined biological deodorization project

该工程运行初期，以实验室增殖培养的硫杆菌、假单胞菌、芽孢菌、氨氧化细菌和亚硝酸氧化菌作为基础菌种，运行时采用气液逆流操作，通过直接通气循环挂膜法挂膜并对微生物进行驯化。营养液中除含有基础菌种外，还有微生物必需的营养物质，经泵由储液槽传输至生物洗涤区顶部和生物过滤区顶部进行喷淋加湿，并从设备底部回流至储液槽。组合式生物除臭设备示意图见图2。

图2 组合式生物除臭设备示意图Fig.2 Schematic diagram of combined biological deodorization reactor1.进气口;2.生物洗涤区曝气主管;3.生物洗涤区喷淋管;4.生物洗涤区填料;5.曝气液位计;6.生物洗涤区喷淋装置;7.排水口;8.储液槽;9.储液槽pH传感器;10.储液槽液位计;11.生物过滤区pH传感器;12.生物过滤区温度-湿度传感器;13.生物过滤区填料;14.生物过滤区喷淋管;15.生物过滤区喷淋装置;16.生物过滤区布气板;17.排气口

(3) 工程关键结构和设计参数：组合式生物除臭工程主要由恶臭集中密闭收集系统和组合式生物除臭设备构成。①恶臭集中密闭收集系统：储粪间四周为砖混结构，顶部采用具有较强抗腐蚀、抗老化性能的轻型骨架覆面加盖结构，轻型骨架采用304不锈钢材质，覆面盖板为PC耐力板；储粪间容积为2 000 m3，每小时换气5次[9-11]，风管采用厚度为5 mm的玻璃钢风管。②组合式生物除臭设备：组合式生物除臭设备主体结构由玻璃钢制成，内部件均由玻璃钢、PVC等耐酸防腐材料构成，板厚大于10 mm；生物过滤区填充聚氨酯填料[12]，孔径为2～7 mm，其具有适宜的堆积密度、孔隙率和比表面积，能获得较好的恶臭污染物处理效果和相对较低的填料层压力降。恶臭集中密闭收集系统的设计参数见表2，组合式生物除臭设备的设计参数见表3。

表2 恶臭集中密闭收集系统的设计参数

表3 组合式生物除臭设备的设计参数

2.1.2 组合式生物除臭工程的运行效果

该养殖场储粪间的氨浓度及其波动程度均大于硫化氢，因此将氨作为主要监测指标，硫化氢作为辅助监测指标。该养殖场储粪间的硫化氢进气浓度为0.42～18.69 mg/m3，平均值为4.82 mg/m3，硫化氢出气浓度为0.06～0.09 mg/m3，平均值为0.08 mg/m3，硫化氢平均去除率为98.34%，达到《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—93)(排气筒高度为15 m)的要求。

在组合式生物除臭设备运行210 d内，对该养殖场储粪间进、出气中氨的浓度及其去除率的变化进行了监测，其监测结果见图3。

图3 组合式生物除臭设备对储粪间氨的去除效果Fig.3 Removal effect of combined biological deodorization equipment on ammonia in storage

由图3可见，在组合式生物除臭设备运行的前24 d为启动阶段，氨的去除率不稳定且较低，其值为54.9%～87.6%，这主要是由于挂膜初期，微生物还没有大量生长且未适应反应器中的环境，氨的去除主要是由于微生物营养液的吸收与填料的吸附作用；在该设备运行的第25～210 d，菌种得到驯化，设备的处理效果趋于稳定，氨的去除率为89.2%～94.1%。

组合式生物除臭设备运行过程中，由于气温或操作条件发生变化，有时会使储粪间逸散的恶臭气体浓度发生变化，从而形成进气负荷冲击，但出气中氨浓度始终低于3.17 mg/m3，达到《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—93)(排气筒高度为15 m)的要求，可见进气负荷的波动对其运行效果造成的影响较小，说明该设备具有较强的抗冲击能力。

2.2 复合菌剂雾化喷淋除臭工程的设计与运行效果

2.2.1 复合菌剂雾化喷淋除臭工程的设计

(1) 工程概况：雾化喷淋区域为养殖场运动场，东西长40 m，南北长25 m，设计喷淋面积为1 000 m2，喷淋管路和喷头沿运动场周围分布，喷头之间相隔2 m，高度为3 m，以保证喷雾覆盖整个除臭区域。该复合菌剂雾化喷淋除臭工程建设于2016年8月下旬，9月完成全部设备的安装并进行调试运行。复合菌剂雾化喷淋除臭设备包括高压柱塞泵、PLC自动控制系统、雾化喷嘴、管阀、过滤器、液位计、管路系统等组件。

(2) 工程工艺流程：复合菌剂雾化喷淋除臭设备是利用自动配比泵将稀释的复合微生物菌剂输送到高压柱塞泵(一般为4～6 MPa)，过滤后通过耐压喷淋管路送到各个喷头，以5～10 μm的微雾粒子喷射和扩散到含恶臭气体的空间，使恶臭分子与微雾粒子充分接触并进行气液传质，然后被吸收、降解，达到净化的目的。微生物菌剂为实验室研发出的复合菌剂，主要包括假单胞菌、亚硝化单胞菌和硝化杆菌等。该复合菌剂雾化喷淋除臭工程的工艺流程详见图4。

图4 复合菌剂雾化喷淋除臭工程的工艺流程图Fig.4 Flow chart of atomization spray deodorization of the compound microbial inoculum

(3) 工程关键结构和设计参数：复合菌剂雾化喷淋除臭设备日运行12 h，每小时工作30 min,复合微生物菌剂与水的混合比例为1∶40。该复合菌剂雾化喷淋除臭设备的关键结构及其设计参数见表4。

表4 复合菌剂雾化喷淋除臭设备的关键结构及其设计参数

2.2.2 复合菌剂雾化喷淋除臭工程的运行效果

该养殖场运动场的氨浓度及波动程度均大于硫化氢，因此将氨作为主要监测指标，硫化氢作为辅助监测指标。喷淋前该养殖场运动场的硫化氢浓度为0.03～2.65 mg/m3，平均值为0.72 mg/m3，喷淋后其硫化氢浓度为0.02～0.06 mg/m3，平均值为0.05 mg/m3，硫化氢平均去除率为93.06%，达到《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—93)中二级排放标准的要求。

在2016年9月26日到2017年6月复合菌剂雾化喷淋设备运行的252 d内，对该养殖场运动场喷淋前后氨的浓度及其去除率的变化进行了监测，其监测结果见图5。

图5 复合菌剂雾化喷淋除臭设备对运动场氨的去除效果Fig.5 Removal efficiency of ammonia in sports field by atomization spray of the compound microbial inoculum

由图5可见，复合菌剂雾化喷淋除臭设备对该养殖场运动场散发的氨具有较好的去除效果，喷淋前氨的浓度为0.8 ～3.8 mg/m3，与大气温度、湿度、风速以及运动场的状况有关；喷淋后氨的浓度为0.15～0.81 mg/m3，氨的去除率为67.1%～83.16%，达到《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—93)中一级排放标准的要求。

2.3 工程运行成本分析

2.3.1 组合式生物除臭工程的运行成本分析

组合式生物除臭工程的运行费用主要包括电费、水费，该组合式生物除臭设备全天24 h间歇运行，其中风机、洗涤泵、回流泵每小时工作30 min，喷淋泵每小时工作5 min，洗涤泵水量补给按流量的5%计，则该设备处理10 000 m3/h恶臭气体的综合成本为8.48元/h，具体明细见表5。

表5 组合式生物除臭工程的运行成本分析

2.3.2 复合菌剂雾化喷淋除臭工程的运行成本分析

复合菌剂雾化喷淋除臭工程的运行费用主要包括电费、水费、复合菌剂费，复合菌剂雾化喷淋除臭设备日运行12 h，每小时工作30 min，该设备每日运行期间处理恶臭气体的综合成本为9.95元/h，具体明细见表6。

表6 复合菌剂雾化喷淋除臭工程运行成本分析

3 结 论

(1) 针对规模化养殖场，对于产生浓度相对较高、浓度变化大且组成较为复杂的封闭区域，包括储粪间和粪污处理设施处产生的恶臭气体，宜收集后采用组合式生物技术进行处理；对于产生浓度低、不易集中收集的开放式空间，包括运动场、挤奶间和肥料施用处的恶臭气体，宜采用复合菌剂雾化喷淋技术进行处理。

(2) 组合式生物除臭工程对该养殖场储粪间产生的氨具有较好的去除效果，氨的去除率为89.2%～94.1%，出气中氨的浓度为0.14～3.17 mg/m3，达到《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—93)(排气筒高度为15 m)的要求。

(3) 复合菌剂雾化喷淋除臭工程对该养殖场运动场散发的氨具有较好的去除效果，喷淋前氨浓度为0.8～3.8 mg/m3，喷淋后氨浓度为0.15～0.81 mg/m3，达到《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—93)中一级排放标准的要求。

(4) 组合式生物技术和复合菌剂雾化喷淋技术具有工艺流程短、能耗小、运行成本低、自动化程度高、恶臭物质处理效果好等优点，能有效控制养殖场恶臭气体的污染和排放。