生物滤池法在工业恶臭气体治理中的应用研究

2023-01-15肖碧红邹平洲

皮革制作与环保科技 2022年23期

肖碧红，邹平洲

（深圳市天得一环境科技有限公司，广东深圳 51 8052）

恶臭气体是一种常见的工业废气，通常产生于塑料厂、沥青防水材料厂、制药厂等企业工厂，会形成严重的气体污染，对人体危害极大。目前，废气处理厂治理恶臭气体的主要目的是改变恶臭气体的物质结构，从而消除恶臭气味。工业生产中产生的恶臭气体可通过废气收集、局部通风和综合通风，再通过废气净化工艺进行综合治理。恶臭废气的治理方法包括中和法、燃烧法、氧化法、吸收法、生物法和吸附法等。其中生物滤池法具有安全可靠、除臭效率较高等特点，但目前的研究大多还停留在小试及中试阶段，其在治理工业恶臭气体工程中的应用报道不多。本文采用“智能生物滤池”工艺对主要成分为苯乙烯的工业恶臭气体进行净化，并对工艺及设备进行优化，废气经处理后，相应指标优于国家《恶臭污染物排放标准》（GB 14554-93）［1］中15米排气筒的排放标准，为生物滤池法在治理工业废气中的应用提供借鉴与参考。

1 废气分析

某企业为生产玻璃钢管道的制造企业，主要原材料为玻璃纤维、树脂、固化剂及各类助剂。生产工艺为玻璃纤维通过树脂混合的胶体浸胶后，经170 ℃高温加热固化后成型。在生产过程中废气的产生点为三处浸胶点和一处高温固化点。其废气主要成分为苯乙烯，经采样分析，废气浓度≤350 mg/m³，废气风量设计为15 000 m³/h。苯乙烯对环境有严重危害，被世界卫生组织国际癌症研究机构列入2B类致癌物清单。

2 生物滤池法的反应机理

工厂生产车间所产生的臭气经系统收集后集中送至预处理装置，之后经过高效生物处理塔除臭系统进行初步处理，接着臭气通过滤层进行进一步处理。滤层多孔、湿润并且充满活性微生物，微生物吸附性强、细胞个体小、代谢类型多样、表面积大，恶臭物质通过微生物细胞的吸附、吸收和降解等系列处理过程，分解为简单无机物，主要为H2SO4、H2O、CO2、HNO3等。污染物的转化机理可用图1表示。

图1 污染物的转化机理

生物氧化反应处理臭气包括三个阶段：（1）污染物质的溶解过程；（2）污染物质的生物吸附、吸收过程；（3）污染物质的生物降解过程。有机物进入微生物细胞体内，在脱氢酶、氧化酶等各种细胞内部酶的催化作用下被氧化分解，并进一步合成代谢产生新的微生物细胞。一部分有机物在氧化分解的作用下最终转化为稳定的无机物，如H2O、CO2等，并在这个过程中具备了生成新细胞物质的能力；同时，另一部分有机物在微生物的作用下，结合其他有机物进行合成代谢也形成了新的细胞物质。

3 工艺选择

近年来，我国的恶臭气体污染治理技术发展迅速，从传统的水洗法、掩蔽法、吸附法进一步发展出新的治理工艺，如催化燃烧法、催化氧化法、生物法、冷凝法、直接燃烧法、等离子体法等，恶臭气体的去除效率较以往有了较大提高，取得了较好的治理效果。该企业治理项目从各种技术的适用范围、去除效率、安全性、运维成本等多方面进行对比，首选生物滤池法。生物滤池法工艺流程见图2。

图2 生物滤池法工艺流程图

4 净化工艺设计

4.1 生物菌种的选择

生物滤池净化系统最核心的部分是微生物，微生物的综合质量决定了臭气处理净化效果，研究人员依据臭气成分，并基于微生物菌种分析技术和研究设备来挑选、培育合适的菌种。只有培育出适宜的菌种才能对恶臭物质进行有效治理，保证吸附、降解效果。目前常用的降解VOCs的微生物种类有细菌、真菌、藻类及其他变形虫类微生物等［2］，其中细菌类微生物占比最大，常见的细菌类微生物为芽孢杆菌属、红球菌属、葡萄球菌属及假单胞菌属。芽孢杆菌属和假单胞菌属多用于治理恶臭气体及VOCs，其降解污染物速度快、去除效率高［3］。Liao等人［4］研究发现采用生物滴滤塔等装置，无色杆菌对苯乙烯的去除率为80%。本项目生物滤池净化装置所采用的微生物菌种包括分别针对不同恶臭气体及VOCs的功能性菌类，包括氨氧化细菌、硫化细菌、假单胞菌、芽孢菌等20余种，均为项目团队前期通过筛选与培育获得。

4.2 生物填料的选择

填料是微生物生长繁殖的重要载体，对微生物的生长繁殖速率起着重要作用，理想的生物填料应具备以下功能：（1）比表面积大，接触面积、吸附容量及单位体积的反应点多；（2）孔隙率高，可使气体有较长的停留时间；（3）高水分持留能力，避免填料干燥；（4）优良的机械强度，防止填料压实；（5）使用寿命长；（6）价格便宜。其中生物滴滤常用的填料有陶瓷材料、活性炭、火山岩及其他合成填料。生物质是生物过滤常用的填料，如木屑、堆肥、泥煤、土壤等［5］。

本项目生物滤池净化装置填料是以火山岩为主的多样级配的无机和有机混合填料及天然植物骸体。火山岩主要参数：密度为400～800 kg/m3、孔隙度为70%～80%、抗压强度为7～8 MPa，比表面积为15～25 m2/g。本项目选用的填料具备以下特点：（1）良好的通透性和结构稳定性；（2）提供适宜的环境，利于微生物生长及吸附污染物；（3）维护简单、运行费用低；（4）保湿性和透气性好，载体表面为亲水性；（6）混合填料不易腐烂；（7）适宜处理5～40 ℃的废气。

为了优化填料性能，本项目优化了填料的组分，添加了少部分无机混合物，其主要作用为：（1）可以提高填料的吸水性、通透性，防止板结；（2）均衡营养；（3）缓冲酸性、防止酸化。适宜微生物生长的pH值为6～8，微生物在吸附、降解致臭物质时会产生酸性物质，随着运行时间的延长，往往出现滤池pH值下降的情况，pH值下降会影响微生物的生长，降低除臭效果。项目团队针对此情况，经过多次优化试验，对填料进行多次改性，使填料实现了自动调节pH值的功能，可保证生物滤池的pH值长期维持在6～8。由于填料本身存在大量可供利用的碳源、木质素、纤维素等，在运行过程中无需添加营养液。其运行的浓度负荷范围较宽，维护相对较容易，尤其是长时间停机后，生物滤池无需特殊操作，再启动到正常运行所需的时间较短。

生物滤池可将致臭污染物和VOCs降解成二氧化碳、水和无机盐，不产生二次污染。本项目使用含有专用微生物的溶液对填料进行了处理，在生物滤池运行过程中不需要添加任何营养液，填料使用寿命不低于10年。生物填料的挂膜情况见图3。

图3 生物填料的挂膜情况

4.3 设备壳体设计

温度对微生物活性是重要的影响因素，在工业恶臭气体的降解过程中，生物滤池筛选的微生物适宜温度为5～40 ℃，保证滤池内适宜的温度非常必要（保证不过冷或过热），本项目挑选导热系数小、容重小、抗压强度大、吸水率低、尺寸变形系数低、阻燃性能高（B1级）的新型材料作为设备的壳体，以达到如下效果：（1）滤池内温度适宜，微生物繁殖极佳；（2）不变形、不坍塌，寿命长达10年以上；（3）能很好地适应VOCs防爆区域使用。

4.4 喷淋系统

生物滤池筛选的微生物需要适宜的湿度，配置的喷淋系统应选择优质的耐腐蚀水泵及适宜生物循环液的使用环境；并为北方地区设计了保温系统，保证循环水的适宜温度；为了防止生物膜脱落到循环液中堵塞喷嘴，本项目设计了防止停机的维护系统。

4.5 智能化控制

本项目安装的监控仪表，将滤池内的微生物活性情况等反馈到控制模块中，根据监测数据实现整个系统的自动化、智能化运行；电控系统包括所有废气净化动力设备的配电、监控、报警、保护等元件；自动化控制设备为模块化装置，与项目其他设备配套提供，操作面板设有选择开关（就地/停/远程），实现对整个系统用电设备的电气保护、控制及显示功能，满足手动控制及上级控制系统的监控、控制和自动运行。

4.6 污水净化

生物滤池的排水量为0.10 m³/h，CODCr为400 mg/L左右，废水的可生化性好，因此项目选择一套处理能力为3 m³/d的废水净化系统治理该废水。

5 净化设备参数

生物填料在恶臭气体治理的过程中会不断被压实，生物滤池整个系统的能耗和压降会逐渐加大，因此表面负荷有着重要影响。一方面，过低的表面负荷会增加填料成本和设备成本；另一方面，表面负荷过高会使填料快速增加压降、增大能耗、缩短填料寿命。理想的表面负荷应具备以下特点：（1）臭气浓度变化的冲击在较大范围内影响不明显；（2）填料压降变化减小；（3）投资成本控制在合理范围内。因此根据本项目的臭气来源、浓度测算等，项目团队选择生物滤池表面负荷为432 m³/m2·h，以满足要求。主要设备设计参数见表1。