生物除臭技术在畜禽场臭气处理中的应用研究进展

廖 超,程金花*,王学敏,付言峰,李碧侠,任守文,徐小波,应诗家,涂 枫,戴超辉

(1.江苏省农业科学研究院畜牧研究所,江苏南京 210014;2.农业农村部种养结合重点实验室,江苏南京 210014;3.江苏省农业种质资源保护与利用平台,江苏南京 210014;;4.江苏省畜禽精准育种工程研究中心,江苏南京 210014)

近年来,在各类稳产保供政策的激励下,越来越多的超大型集约化规模化养殖场的崛起与运营导致养殖场周边的臭气污染愈加严重[1],从而致使养殖场周边的空气质量恶化,严重影响居民生活,干扰经营性活动。集约化畜禽场的臭气排放对环境和人类健康的危害引发越来越多的关注。臭气中有氨气等含氮化合物、硫化氢和硫醇等含硫化合物、有机酸、醛和碳氢化合物[2],对人体健康存在一定影响,易造成头痛、呼吸困难、恶心呕吐等身体不适症状[3]。

臭气处理的方法有多种,其中生物法不仅除臭效率高、成本低,而且基本上不产生二次污染,因此在畜禽养殖过程应用较广。该研究在综述不同生物法除臭技术原理的基础上,对影响除臭性能的主要因素(填料、pH、营养、温度、微生物)进行分析,总结新型生物除臭技术及设备的研究进展,并对今后生物法处理臭气的发展趋势进行了展望。

1 生物除臭技术

生物除臭技术的基本原理是利用微生物氧化降解作用,将恶臭物质降解为O2、H2O、N2、硝酸盐、硫酸盐和有机物等无害物质[4]。与传统的物理化学方法相比,生物法具有处理效果好、工艺简单、操作方便、运行稳定、投资运行成本低、能耗少、无二次污染等诸多优点[5],尤其是在处理低浓度(<1 000 mg/L)、易被微生物降解的有机废气时,更具有明显的优越性[6]。目前,常见的生物除臭技术大致有3种,即生物过滤法、生物滴滤法和生物洗涤法[7]。

1.1 生物过滤法生物过滤法的工艺流程如图1所示,恶臭气体进入吸收室(微生物/填料床复合物),由填料床吸附恶臭物质,然后通过填料床表面的微生物降解恶臭物质,使恶臭气体得到净化[8]。生物过滤法在国外有着长时间和大规模的研究和论证,具有运行费用低和结构简单的优点,适用于处理低浓度臭气[9]。填料一般是活性炭、珍珠岩、土壤等具有吸附性的材料。早期的填料床以木屑、堆肥和废弃生物质等易降解的有机物为主[10]。Tymczyna等[11]以纤维泥炭、粗泥炭、麦秸、堆肥和马粪的组合作为填料,研究不同时间下生物过滤对NH3的降解性能。初始阶段(填充生物填料5 d后),降解效率较低(36%),而经过3个月的生物过滤后,降解效率提高到89%。La Pagans等[12]以土壤作为填料床,对从堆肥过程中排放的气体中氨氮的去除率接近96%。早期的填料成本低、易获取,但这些填料在使用过程中自身会降解,导致微生物生长环境恶化,进而使生物过滤的除臭性能下降[13]。为克服这些问题,采用珍珠岩、竹炭和活性炭等难降解材料作为填料,不仅硬度大和强度高,而且还具有支撑作用;竹炭和活性炭属于多孔碳基材料,具有丰富的官能团,对恶臭污染物具有较高的吸附能力,利于微生物在其表面生长,从而提升生物除臭的稳定性和抗冲击负荷能力。

图1 生物过滤法工艺流程Fig.1 Biofiltration process flow

1.2 生物滴滤法生物滴滤法即填充塔型脱臭法,生物滴滤法的工艺流程见图2,其除臭过程是臭气进入吸收室,富含微生物的营养液从顶部喷淋下来,并逐步流过吸收室,恶臭物质在生物吸收室内被微生物降解[14]。吸收室内填料层为微生物的生长提供必要的附着表面,一般采用无机惰性材料,如开孔合成的塑料,因此可以保持长期的稳定性,同时多孔结构能缓解填料层的堵塞问题[15]。在吸收室内,通过不断循环含有微生物的营养液来降解恶臭物质。一部分恶臭物质被填料层中的微生物直接降解,另一部分则溶解在营养液中。恶臭物质降解过程中会有微量元素积累,影响微生物的活性。因此,营养液需定期更换。

图2 生物滴滤法工艺流程Fig.2 Process flow of biological trickling filtration method

相较于生物过滤法,生物滴滤法的优势在于通过顶部喷淋装置可自主调节营养液的各类指标(如微生物种类和pH),使除臭性能更加高效稳定。

生物滴滤法有利于水溶性物质的降解,对于养殖场产生的亲水性臭气,如硫化氢、氨和苯系列,具有更好的降解性能[16]。

1.3 生物洗涤法生物洗涤法的工艺流程如图3所示。臭气进入吸收室,吸收室顶部喷淋出活性污泥悬浮液,活性污泥富含丰富微生物,恶臭物质在吸收室被微生物降解,使用后的活性污泥进入生化池,经曝气和添加营养液后,活性污泥可再生利用[17]。生物洗涤法的优点是通过活性污泥的再生处理后可循环使用,使除臭性能稳定高效[18]。该方法能够较好地去除含氨、酚、乙醛等恶臭气体,但对含硫的恶臭物质处理效果不明显。

图3 生物洗涤法工艺流程Fig.3 Process flow of biological washing method

在生物洗涤法的应用中,为便于恶臭物质从气相向液相传输,其内部常采用气液逆流或交叉流的方式来增加传质面积[19]。使用后的活性污泥进入生化池,需添加营养液和曝气处理再生。生物洗涤法在降解混合污染物时,其降解性能较差。因此,后续研究对生物洗涤法的结构进行了优化,如增加多级生物洗涤处理模块,针对不同成分的污染物进行多级处理,从而达到提高降解性能的目的[20]。生物洗涤法除具有无二次污染、能耗低的特点外,还具有压降小、运行稳定、pH可控等优点。pH的稳定控制对H2S等酸性气体的降解也有增强作用[21]。

2 影响生物法除臭性能的主要因素

2.1 填料填料作为支撑材料,也是微生物生长的载体,其性能直接影响除臭效率[22]。填料一般选用有机或无机材料,如木屑、泥炭,分子筛等。挑选填料时,应注意以下几点[23]:具有较大的比表面积,利于微生物在其表面附着生长;多孔性,利于气流传输和控制压降;持水性好,保持填料床的湿度;成本低,易获取。早期的活性土壤填料富含有机质和微生物,能吸附降解有机污染物。通过与珍珠岩、黑炭的混合,对猪场主要恶臭物质(NH3、H2S)的去除率高达95%[24],而土壤在使用过程中因为微生物流失而板结的问题也较为突出,需要定期更换土壤过滤床。因此,为延长填料的使用寿命,常采用火山岩、竹炭和活性炭等无机惰性材料,这些惰性材料在使用过程中比表面积、强度和硬度和孔隙率基本保持不变,为微生物的生长提供了稳定的环境[25]。

2.2 pHpH是影响微生物活性的重要因素。根据不同的菌种,需要适当调节pH,细菌和放线菌的适宜pH为7～8,pH过高或过低都会影响微生物的活性[26]。

在微生物对含硫、氮等化合物降解氧化的过程中,往往会产生酸类物质,降低填料床的pH,导致微生物的活性受限,进而影响对恶臭物质的去除效果[27]。针对微生物生长环境酸化的现象,不同填料的缓冲能力不同。Kennes等[28]研究了不同填料的缓冲能力,结果表明土壤的缓冲能力最好、堆肥次之,泥炭本身是酸性的,缓冲能力最差。在pH没有调控的情况下,生物法的降解能力通常随着pH的减小而降低。

2.3 温度温度主要影响微生物的活性,从而影响生物除臭性能。一般而言,在适宜的温度范围内才能使微生物的活性最大,而不同微生物的最适生长温度不同[29]。Stetter[30]根据不同微生物的最适生长温度对其进行分类:嗜冷微生物(<20 ℃)、嗜温微生物(25～40 ℃)、嗜热微生物(40～65 ℃)、极端嗜热微生物(65～80 ℃)、超嗜热微生物(>80 ℃),因此要注意温度与微生物的协同。徐桂芹等[31]研究表明,在2～8 ℃的低温条件下,嗜冷微生物(亚硝化菌)对H2S和NH3混合气体的降解率可达99%。Ryu等[32]研究指出,在60 ℃、停留时间为1.2 min的条件下,嗜热微生物(硫氧化菌)对H2S的去除率可达到95%。

2.4 营养生物法除臭应用中,营养物质是维持微生物生长、代谢和良好活性的重要保障[33]。微生物生长所需微量元素包括氮、磷、钾等,其中氮占比最高,因此目前对营养物质的研究主要集中在氮源。恶臭物质降解后产生的有机物构成微生物生长所需氮源。Gribbins等[34]研究表明,当氮源和碳源满足一定比例且不小于1%时,才能达到最佳的降解效果。为达到好的降解效果,当氮碳比不满足要求时,可通过适当添加微量元素进行调节。Acuňa等[35]研究发现,在较高的营养浓度下,微生物细胞密度较高、盐晶体和胞外聚合物形成度较高,而在较低的营养浓度下,细胞密度较低。这项研究结果证实了在启动和长期运行期间,营养液浓度对微生物活性的重要性。营养物浓度过大也会引起微生物增长过快,导致填料床堵塞。因此,采用间歇提供营养物质的方式能使其保持在适宜的浓度。

2.5 微生物恶臭物质的降解由微生物完成,多为异氧型微生物,以细菌为主,其次是真菌、放线菌,另外还可能有更高等的生物(蠕虫、线虫)[36]。微生物的种群结构和生物多样性取决于污染物的种类,如果含有的污染物的种类只有一种,微生物种群就比较单一;相反,若降解多种成分的恶臭污染物,则需要微生物的种类也更多[37]。堆肥、土壤等本身含有丰富的微生物,一般不需要进行接种。许多研究者更偏向于利用填料中土著微生物,经过一段时间的驯化,筛选出优势菌种,用于降解恶臭污染物。

3 新型生物除臭技术及装备

新型生物除臭技术及装备的基本原理依然是利用微生物进行降解,但在设备结构上根据原有缺陷作出一系列创新,其中最为典型的代表有旋转生物过滤器和膜生物反应技术。

3.1 旋转生物过滤器旋转生物过滤器的结构如图4所示。旋转生物过滤器的外壳是封闭的不锈钢容器,内部是旋转盘,转盘上设有进气系统,容器下部装有营养液,运行时马达带动转盘转动,出气口在中间轴心位置。与传统生物除臭技术相比,旋转生物过滤器的填料部分可旋转,克服营养液、污染物负荷、生物膜等分布不均的缺点[38]。

图4 旋转生物过滤器结构示意Fig.4 Schematic diagram of rotating biological filter structure

旋转生物过滤器对恶臭物质的降解效率取决于转速、水力停留时间、生物膜的特性以及溶解氧水平[39]。生物转盘的转速快慢决定着反应槽内氧溶解度的高低。水力停留时间是指恶臭物质的溶解液在转盘上的停留时间,当停留时间过短时,溶解液对生物膜形成冲击,不利于生物膜的生长,降解率达不到最优,因此存在水力停留时间的优化问题。

大量学者对旋转生物过滤器的性能开展了研究,Padhi等[40]采用海绵作为支撑介质,研究对气态苯的降解性能。初始阶段,苯在低流动速率[8 g/(m3·h)]下的降解率为90%,而当苯流动速率升高到69 g/(m3·h)时,去除率降至59%。因此,旋转生物过滤器适用于降解低流速的苯。Datta等[41]研究旋转生物过滤技术对挥发性有机物的降解性能,在90 d的试验中,当流动速率在0～480 g/(m3·h)时,甲基乙基酮的去除率为100%,当流动速率为508 g/(m3·h)时,去除率降至75%。可见,流动速率在一定范围内时,具有较高降解率,超过上限后降解率随之下降。

3.2 膜生物反应技术膜生物反应技术在生物降解的基础上增加了膜分离技术,作为一种替代传统生物反应器处理废气的方法,由于其提供了较大的气液界面和良好的传质条件,非常适合去除臭气中的疏水性污染物。通过膜的筛选,可允许目标污染物选择性地通过[42]。

如图5所示,膜材料表面有一层生物膜,当恶臭污染物通过膜材料后,被生物膜降解。一般来说,污染物(作为碳源)和氧气是从气相提供给生物膜的,而营养物质和水是通过液相提供的。膜材料作为气液相的界面,为恶臭污染物的降解提供微生物生长的支持。污染物在膜材料上的扩散是由气相和生物膜之间的浓度差驱动的。传质的驱动力取决于污染物在液相中的减少浓度,因此膜生物技术的除臭性能很大程度上取决于微生物种群活性[43]。

图5 膜生物技术传质示意Fig.5 Mass transfer diagram of membrane biotechnology

目前使用的膜材料主要有2种,即致密膜和微孔膜。与其他类型的生物反应器相比,膜生物反应技术可以形成一个额外的屏障进行传质。致密膜无气孔,恶臭污染物溶解于液相并通过聚合物材料扩散到生物膜进行降解,因此对亲水性恶臭污染物的降解效果较好。致密膜的渗透性较低,通过选择合适的膜材料可以达到选择性渗透的目的。微孔膜由疏水材料构成,具有多孔结构,通常含有30%～85%的孔隙空间。它可以提供更高的气体渗透性,因此可以用于疏水性气体的传输。在大尺寸的孔隙中,微生物可能会在孔隙处生长富集,并造成堵塞的风险,而较小的孔隙则会阻止微生物通过,保持气体的通透性[43]。可结合致密膜和微孔膜的特性,开发复合膜进行应用。

Fitch等[44]报道了不同膜材料(如二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯等)对苯、己烷、丙酮、甲苯、柠檬烯和二甲苯、己烷的降解效果,试验在相当低的污染物浓度下进行,不同的膜材料的降解率均超过95%。

膜生物反应技术目前仅停留在实验室研究或中试阶段,且有关膜生物反应技术处理臭气的研究主要集中于单一污染物,在畜禽场的实际应用中,臭气成分复杂,其适用性也有待进一步研究。

4 总结

近年来,应用生物除臭法去除畜禽场恶臭气体取得了不错的效果,但不同处理技术在实际应用过程中还存在诸多局限,需要针对畜禽场规模及臭气成分进行不同影响因素及技术的组合,达到处理效果的最佳平衡,更需要兼顾相关处理技术在实践中的适用性和经济可行性。

(1)随着环境政策的收紧、居民关注度的提高、养殖效益的持续低迷,对臭气处理的技术要求和经济适用性也越来越严格。传统生物除臭法各有优缺点,应该根据养殖场恶臭化合物的类型和浓度及处理要求来选择合适的生物除臭法。在大规模养殖下,臭气浓度高,应将生物滴滤法或者生物洗涤法作为首选,而中小规模场可选用生物过滤法。同时,根据恶臭化合物的亲疏水性及复杂程度,也需要考虑不同生物除臭技术的组合,以达到最佳的处理效果。

(2)填料、pH、温度、营养和微生物是影响系统稳定性和除臭性能的主要因素。填料分为有机和无机2种,在使用过程中需要从用料成本、更换周期、除臭效果等多方面进行综合考虑。pH、温度、营养都可为微生物生长提供适宜条件。在畜禽场的除臭应用中,臭气成分往往复杂多变,需要多种微生物共存。为满足不同微生物的生长条件,同时考虑达到最佳的降解效果,需要取pH、温度、营养条件的交叉区间,进行综合平衡。

(3)新型生物除臭技术在设备结构和膜组件上作出了优化和创新,其基本原理依然是微生物降解除臭。旋转生物过滤器在结构上使填料床可旋转,有利于生物膜的均匀分布。膜生物反应技术能有选择性地降解污染物。以上提到的传统和新型生物除臭技术都属于末端除臭技术,而除臭工艺也需要从源头上减少污染物的排放。例如优化饲料配方,减少粪便中氨、氮化合物的含量,从源头上减少污染物的排放。将除臭技术做到首尾结合,使臭气对环境的污染减小到最低。