廖 超,程金花*,王學(xué)敏,付言峰,李碧俠,任守文,徐小波,應(yīng)詩家,涂 楓,戴超輝

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院畜牧研究所,江蘇南京 210014;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)結(jié)合重點實驗室,江蘇南京 210014;3.江蘇省農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護與利用平臺,江蘇南京 210014;;4.江蘇省畜禽精準育種工程研究中心,江蘇南京 210014)

近年來,在各類穩(wěn)產(chǎn)保供政策的激勵下,越來越多的超大型集約化規(guī)?；B(yǎng)殖場的崛起與運營導(dǎo)致養(yǎng)殖場周邊的臭氣污染愈加嚴重[1],從而致使養(yǎng)殖場周邊的空氣質(zhì)量惡化,嚴重影響居民生活,干擾經(jīng)營性活動。集約化畜禽場的臭氣排放對環(huán)境和人類健康的危害引發(fā)越來越多的關(guān)注。臭氣中有氨氣等含氮化合物、硫化氫和硫醇等含硫化合物、有機酸、醛和碳氫化合物[2],對人體健康存在一定影響,易造成頭痛、呼吸困難、惡心嘔吐等身體不適癥狀[3]。

臭氣處理的方法有多種,其中生物法不僅除臭效率高、成本低,而且基本上不產(chǎn)生二次污染,因此在畜禽養(yǎng)殖過程應(yīng)用較廣。該研究在綜述不同生物法除臭技術(shù)原理的基礎(chǔ)上,對影響除臭性能的主要因素(填料、pH、營養(yǎng)、溫度、微生物)進行分析,總結(jié)新型生物除臭技術(shù)及設(shè)備的研究進展,并對今后生物法處理臭氣的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 生物除臭技術(shù)

生物除臭技術(shù)的基本原理是利用微生物氧化降解作用,將惡臭物質(zhì)降解為O2、H2O、N2、硝酸鹽、硫酸鹽和有機物等無害物質(zhì)[4]。與傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法相比,生物法具有處理效果好、工藝簡單、操作方便、運行穩(wěn)定、投資運行成本低、能耗少、無二次污染等諸多優(yōu)點[5],尤其是在處理低濃度(<1 000 mg/L)、易被微生物降解的有機廢氣時,更具有明顯的優(yōu)越性[6]。目前,常見的生物除臭技術(shù)大致有3種,即生物過濾法、生物滴濾法和生物洗滌法[7]。

1.1 生物過濾法生物過濾法的工藝流程如圖1所示,惡臭氣體進入吸收室(微生物/填料床復(fù)合物),由填料床吸附惡臭物質(zhì),然后通過填料床表面的微生物降解惡臭物質(zhì),使惡臭氣體得到凈化[8]。生物過濾法在國外有著長時間和大規(guī)模的研究和論證,具有運行費用低和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點,適用于處理低濃度臭氣[9]。填料一般是活性炭、珍珠巖、土壤等具有吸附性的材料。早期的填料床以木屑、堆肥和廢棄生物質(zhì)等易降解的有機物為主[10]。Tymczyna等[11]以纖維泥炭、粗泥炭、麥秸、堆肥和馬糞的組合作為填料,研究不同時間下生物過濾對NH3的降解性能。初始階段(填充生物填料5 d后),降解效率較低(36%),而經(jīng)過3個月的生物過濾后,降解效率提高到89%。La Pagans等[12]以土壤作為填料床,對從堆肥過程中排放的氣體中氨氮的去除率接近96%。早期的填料成本低、易獲取,但這些填料在使用過程中自身會降解,導(dǎo)致微生物生長環(huán)境惡化,進而使生物過濾的除臭性能下降[13]。為克服這些問題,采用珍珠巖、竹炭和活性炭等難降解材料作為填料,不僅硬度大和強度高,而且還具有支撐作用;竹炭和活性炭屬于多孔碳基材料,具有豐富的官能團,對惡臭污染物具有較高的吸附能力,利于微生物在其表面生長,從而提升生物除臭的穩(wěn)定性和抗沖擊負荷能力。

圖1 生物過濾法工藝流程Fig.1 Biofiltration process flow

1.2 生物滴濾法生物滴濾法即填充塔型脫臭法,生物滴濾法的工藝流程見圖2,其除臭過程是臭氣進入吸收室,富含微生物的營養(yǎng)液從頂部噴淋下來,并逐步流過吸收室,惡臭物質(zhì)在生物吸收室內(nèi)被微生物降解[14]。吸收室內(nèi)填料層為微生物的生長提供必要的附著表面,一般采用無機惰性材料,如開孔合成的塑料,因此可以保持長期的穩(wěn)定性,同時多孔結(jié)構(gòu)能緩解填料層的堵塞問題[15]。在吸收室內(nèi),通過不斷循環(huán)含有微生物的營養(yǎng)液來降解惡臭物質(zhì)。一部分惡臭物質(zhì)被填料層中的微生物直接降解,另一部分則溶解在營養(yǎng)液中。惡臭物質(zhì)降解過程中會有微量元素積累,影響微生物的活性。因此,營養(yǎng)液需定期更換。

圖2 生物滴濾法工藝流程Fig.2 Process flow of biological trickling filtration method

相較于生物過濾法,生物滴濾法的優(yōu)勢在于通過頂部噴淋裝置可自主調(diào)節(jié)營養(yǎng)液的各類指標(如微生物種類和pH),使除臭性能更加高效穩(wěn)定。

生物滴濾法有利于水溶性物質(zhì)的降解,對于養(yǎng)殖場產(chǎn)生的親水性臭氣,如硫化氫、氨和苯系列,具有更好的降解性能[16]。

1.3 生物洗滌法生物洗滌法的工藝流程如圖3所示。臭氣進入吸收室,吸收室頂部噴淋出活性污泥懸浮液,活性污泥富含豐富微生物,惡臭物質(zhì)在吸收室被微生物降解,使用后的活性污泥進入生化池,經(jīng)曝氣和添加營養(yǎng)液后,活性污泥可再生利用[17]。生物洗滌法的優(yōu)點是通過活性污泥的再生處理后可循環(huán)使用,使除臭性能穩(wěn)定高效[18]。該方法能夠較好地去除含氨、酚、乙醛等惡臭氣體,但對含硫的惡臭物質(zhì)處理效果不明顯。

圖3 生物洗滌法工藝流程Fig.3 Process flow of biological washing method

在生物洗滌法的應(yīng)用中,為便于惡臭物質(zhì)從氣相向液相傳輸,其內(nèi)部常采用氣液逆流或交叉流的方式來增加傳質(zhì)面積[19]。使用后的活性污泥進入生化池,需添加營養(yǎng)液和曝氣處理再生。生物洗滌法在降解混合污染物時,其降解性能較差。因此,后續(xù)研究對生物洗滌法的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,如增加多級生物洗滌處理模塊,針對不同成分的污染物進行多級處理,從而達到提高降解性能的目的[20]。生物洗滌法除具有無二次污染、能耗低的特點外,還具有壓降小、運行穩(wěn)定、pH可控等優(yōu)點。pH的穩(wěn)定控制對H2S等酸性氣體的降解也有增強作用[21]。

2 影響生物法除臭性能的主要因素

2.1 填料填料作為支撐材料,也是微生物生長的載體,其性能直接影響除臭效率[22]。填料一般選用有機或無機材料,如木屑、泥炭,分子篩等。挑選填料時,應(yīng)注意以下幾點[23]:具有較大的比表面積,利于微生物在其表面附著生長;多孔性,利于氣流傳輸和控制壓降;持水性好,保持填料床的濕度;成本低,易獲取。早期的活性土壤填料富含有機質(zhì)和微生物,能吸附降解有機污染物。通過與珍珠巖、黑炭的混合,對豬場主要惡臭物質(zhì)(NH3、H2S)的去除率高達95%[24],而土壤在使用過程中因為微生物流失而板結(jié)的問題也較為突出,需要定期更換土壤過濾床。因此,為延長填料的使用壽命,常采用火山巖、竹炭和活性炭等無機惰性材料,這些惰性材料在使用過程中比表面積、強度和硬度和孔隙率基本保持不變,為微生物的生長提供了穩(wěn)定的環(huán)境[25]。

2.2 pHpH是影響微生物活性的重要因素。根據(jù)不同的菌種,需要適當調(diào)節(jié)pH,細菌和放線菌的適宜pH為7～8,pH過高或過低都會影響微生物的活性[26]。

在微生物對含硫、氮等化合物降解氧化的過程中,往往會產(chǎn)生酸類物質(zhì),降低填料床的pH,導(dǎo)致微生物的活性受限,進而影響對惡臭物質(zhì)的去除效果[27]。針對微生物生長環(huán)境酸化的現(xiàn)象,不同填料的緩沖能力不同。Kennes等[28]研究了不同填料的緩沖能力,結(jié)果表明土壤的緩沖能力最好、堆肥次之,泥炭本身是酸性的,緩沖能力最差。在pH沒有調(diào)控的情況下,生物法的降解能力通常隨著pH的減小而降低。

2.3 溫度溫度主要影響微生物的活性,從而影響生物除臭性能。一般而言,在適宜的溫度范圍內(nèi)才能使微生物的活性最大,而不同微生物的最適生長溫度不同[29]。Stetter[30]根據(jù)不同微生物的最適生長溫度對其進行分類:嗜冷微生物(<20 ℃)、嗜溫微生物(25～40 ℃)、嗜熱微生物(40～65 ℃)、極端嗜熱微生物(65～80 ℃)、超嗜熱微生物(>80 ℃),因此要注意溫度與微生物的協(xié)同。徐桂芹等[31]研究表明,在2～8 ℃的低溫條件下,嗜冷微生物(亞硝化菌)對H2S和NH3混合氣體的降解率可達99%。Ryu等[32]研究指出,在60 ℃、停留時間為1.2 min的條件下,嗜熱微生物(硫氧化菌)對H2S的去除率可達到95%。

2.4 營養(yǎng)生物法除臭應(yīng)用中,營養(yǎng)物質(zhì)是維持微生物生長、代謝和良好活性的重要保障[33]。微生物生長所需微量元素包括氮、磷、鉀等,其中氮占比最高,因此目前對營養(yǎng)物質(zhì)的研究主要集中在氮源。惡臭物質(zhì)降解后產(chǎn)生的有機物構(gòu)成微生物生長所需氮源。Gribbins等[34]研究表明,當?shù)春吞荚礉M足一定比例且不小于1%時,才能達到最佳的降解效果。為達到好的降解效果,當?shù)急炔粷M足要求時,可通過適當添加微量元素進行調(diào)節(jié)。Acuňa等[35]研究發(fā)現(xiàn),在較高的營養(yǎng)濃度下,微生物細胞密度較高、鹽晶體和胞外聚合物形成度較高,而在較低的營養(yǎng)濃度下,細胞密度較低。這項研究結(jié)果證實了在啟動和長期運行期間,營養(yǎng)液濃度對微生物活性的重要性。營養(yǎng)物濃度過大也會引起微生物增長過快,導(dǎo)致填料床堵塞。因此,采用間歇提供營養(yǎng)物質(zhì)的方式能使其保持在適宜的濃度。

2.5 微生物惡臭物質(zhì)的降解由微生物完成,多為異氧型微生物,以細菌為主,其次是真菌、放線菌,另外還可能有更高等的生物(蠕蟲、線蟲)[36]。微生物的種群結(jié)構(gòu)和生物多樣性取決于污染物的種類,如果含有的污染物的種類只有一種,微生物種群就比較單一;相反,若降解多種成分的惡臭污染物,則需要微生物的種類也更多[37]。堆肥、土壤等本身含有豐富的微生物,一般不需要進行接種。許多研究者更偏向于利用填料中土著微生物,經(jīng)過一段時間的馴化,篩選出優(yōu)勢菌種,用于降解惡臭污染物。

3 新型生物除臭技術(shù)及裝備

新型生物除臭技術(shù)及裝備的基本原理依然是利用微生物進行降解,但在設(shè)備結(jié)構(gòu)上根據(jù)原有缺陷作出一系列創(chuàng)新,其中最為典型的代表有旋轉(zhuǎn)生物過濾器和膜生物反應(yīng)技術(shù)。

3.1 旋轉(zhuǎn)生物過濾器旋轉(zhuǎn)生物過濾器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。旋轉(zhuǎn)生物過濾器的外殼是封閉的不銹鋼容器,內(nèi)部是旋轉(zhuǎn)盤,轉(zhuǎn)盤上設(shè)有進氣系統(tǒng),容器下部裝有營養(yǎng)液,運行時馬達帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動,出氣口在中間軸心位置。與傳統(tǒng)生物除臭技術(shù)相比,旋轉(zhuǎn)生物過濾器的填料部分可旋轉(zhuǎn),克服營養(yǎng)液、污染物負荷、生物膜等分布不均的缺點[38]。

圖4 旋轉(zhuǎn)生物過濾器結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of rotating biological filter structure

旋轉(zhuǎn)生物過濾器對惡臭物質(zhì)的降解效率取決于轉(zhuǎn)速、水力停留時間、生物膜的特性以及溶解氧水平[39]。生物轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速快慢決定著反應(yīng)槽內(nèi)氧溶解度的高低。水力停留時間是指惡臭物質(zhì)的溶解液在轉(zhuǎn)盤上的停留時間,當停留時間過短時,溶解液對生物膜形成沖擊,不利于生物膜的生長,降解率達不到最優(yōu),因此存在水力停留時間的優(yōu)化問題。

大量學(xué)者對旋轉(zhuǎn)生物過濾器的性能開展了研究,Padhi等[40]采用海綿作為支撐介質(zhì),研究對氣態(tài)苯的降解性能。初始階段,苯在低流動速率[8 g/(m3·h)]下的降解率為90%,而當苯流動速率升高到69 g/(m3·h)時,去除率降至59%。因此,旋轉(zhuǎn)生物過濾器適用于降解低流速的苯。Datta等[41]研究旋轉(zhuǎn)生物過濾技術(shù)對揮發(fā)性有機物的降解性能,在90 d的試驗中,當流動速率在0～480 g/(m3·h)時,甲基乙基酮的去除率為100%,當流動速率為508 g/(m3·h)時,去除率降至75%。可見,流動速率在一定范圍內(nèi)時,具有較高降解率,超過上限后降解率隨之下降。

3.2 膜生物反應(yīng)技術(shù)膜生物反應(yīng)技術(shù)在生物降解的基礎(chǔ)上增加了膜分離技術(shù),作為一種替代傳統(tǒng)生物反應(yīng)器處理廢氣的方法,由于其提供了較大的氣液界面和良好的傳質(zhì)條件,非常適合去除臭氣中的疏水性污染物。通過膜的篩選,可允許目標污染物選擇性地通過[42]。

如圖5所示,膜材料表面有一層生物膜,當惡臭污染物通過膜材料后,被生物膜降解。一般來說,污染物(作為碳源)和氧氣是從氣相提供給生物膜的,而營養(yǎng)物質(zhì)和水是通過液相提供的。膜材料作為氣液相的界面,為惡臭污染物的降解提供微生物生長的支持。污染物在膜材料上的擴散是由氣相和生物膜之間的濃度差驅(qū)動的。傳質(zhì)的驅(qū)動力取決于污染物在液相中的減少濃度,因此膜生物技術(shù)的除臭性能很大程度上取決于微生物種群活性[43]。

圖5 膜生物技術(shù)傳質(zhì)示意Fig.5 Mass transfer diagram of membrane biotechnology

目前使用的膜材料主要有2種,即致密膜和微孔膜。與其他類型的生物反應(yīng)器相比,膜生物反應(yīng)技術(shù)可以形成一個額外的屏障進行傳質(zhì)。致密膜無氣孔,惡臭污染物溶解于液相并通過聚合物材料擴散到生物膜進行降解,因此對親水性惡臭污染物的降解效果較好。致密膜的滲透性較低,通過選擇合適的膜材料可以達到選擇性滲透的目的。微孔膜由疏水材料構(gòu)成,具有多孔結(jié)構(gòu),通常含有30%～85%的孔隙空間。它可以提供更高的氣體滲透性,因此可以用于疏水性氣體的傳輸。在大尺寸的孔隙中,微生物可能會在孔隙處生長富集,并造成堵塞的風(fēng)險,而較小的孔隙則會阻止微生物通過,保持氣體的通透性[43]?？山Y(jié)合致密膜和微孔膜的特性,開發(fā)復(fù)合膜進行應(yīng)用。

Fitch等[44]報道了不同膜材料(如二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯等)對苯、己烷、丙酮、甲苯、檸檬烯和二甲苯、己烷的降解效果,試驗在相當?shù)偷奈廴疚餄舛认逻M行,不同的膜材料的降解率均超過95%。

膜生物反應(yīng)技術(shù)目前僅停留在實驗室研究或中試階段,且有關(guān)膜生物反應(yīng)技術(shù)處理臭氣的研究主要集中于單一污染物,在畜禽場的實際應(yīng)用中,臭氣成分復(fù)雜,其適用性也有待進一步研究。

4 總結(jié)

近年來,應(yīng)用生物除臭法去除畜禽場惡臭氣體取得了不錯的效果,但不同處理技術(shù)在實際應(yīng)用過程中還存在諸多局限,需要針對畜禽場規(guī)模及臭氣成分進行不同影響因素及技術(shù)的組合,達到處理效果的最佳平衡,更需要兼顧相關(guān)處理技術(shù)在實踐中的適用性和經(jīng)濟可行性。

(1)隨著環(huán)境政策的收緊、居民關(guān)注度的提高、養(yǎng)殖效益的持續(xù)低迷,對臭氣處理的技術(shù)要求和經(jīng)濟適用性也越來越嚴格。傳統(tǒng)生物除臭法各有優(yōu)缺點,應(yīng)該根據(jù)養(yǎng)殖場惡臭化合物的類型和濃度及處理要求來選擇合適的生物除臭法。在大規(guī)模養(yǎng)殖下,臭氣濃度高,應(yīng)將生物滴濾法或者生物洗滌法作為首選,而中小規(guī)模場可選用生物過濾法。同時,根據(jù)惡臭化合物的親疏水性及復(fù)雜程度,也需要考慮不同生物除臭技術(shù)的組合,以達到最佳的處理效果。

(2)填料、pH、溫度、營養(yǎng)和微生物是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和除臭性能的主要因素。填料分為有機和無機2種,在使用過程中需要從用料成本、更換周期、除臭效果等多方面進行綜合考慮。pH、溫度、營養(yǎng)都可為微生物生長提供適宜條件。在畜禽場的除臭應(yīng)用中,臭氣成分往往復(fù)雜多變,需要多種微生物共存。為滿足不同微生物的生長條件,同時考慮達到最佳的降解效果,需要取pH、溫度、營養(yǎng)條件的交叉區(qū)間,進行綜合平衡。

(3)新型生物除臭技術(shù)在設(shè)備結(jié)構(gòu)和膜組件上作出了優(yōu)化和創(chuàng)新,其基本原理依然是微生物降解除臭。旋轉(zhuǎn)生物過濾器在結(jié)構(gòu)上使填料床可旋轉(zhuǎn),有利于生物膜的均勻分布。膜生物反應(yīng)技術(shù)能有選擇性地降解污染物。以上提到的傳統(tǒng)和新型生物除臭技術(shù)都屬于末端除臭技術(shù),而除臭工藝也需要從源頭上減少污染物的排放。例如優(yōu)化飼料配方,減少糞便中氨、氮化合物的含量,從源頭上減少污染物的排放。將除臭技術(shù)做到首尾結(jié)合,使臭氣對環(huán)境的污染減小到最低。