复合床生物反应器处理恶臭气体和污水

郭静，匡颖，王召，杨秀文
(天津大学建工学院，天津300072)

　　摘　要：复合床生物反应器内充填了粘土陶粒和轻质悬浮填料，是生物滤池和移动床生物膜反应器结合为一体的新型生物反应器。该生物反应器能够同时处理臭气和污水，且除臭效果好，无堵塞问题。试验结果表明，在11～15℃气温下，当恶臭气体中H2S含量为500mg/L、污水的COD为200～800mg/L时，H₂S与COD的去除率分别为90%和80%。
　　关键词：复合床生物反应器；除臭；去除有机物
　　中图分类号：X521；X703.3
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2001)09-0010-04

Use of Hybrid Bed Bioreactor for Treatment of Foul Gas and Wastewater
GUO Jing,KUANG Ying,WANG Zhao,YANG Xiu-wen

(School of Construction Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

　　Abstract：The Hybrid bed bioreactor was packed with ceramsite and light floating medium.Itis a new type bioreactor by combining the biofilter with a moving bed biofilm reactor,which is able to treat simultaneously the foul gas and wastewater with good effect and without clogging.The test results show that at temperature of 11～15℃,if H2S content in foul gas is 500 mg/L and COD in wastewater is 200～800mg/L,the removal rate is 90% and 80% respectively for H2S and COD.
　　Keywords:hybrid bed bioreactor;odor removal;removal of organic matters

　　早在20世纪50～60年代的某些发达国家，居民指控污水处理厂臭气污染的公害诉讼案件就屡屡发生。日本于1971年6月制定的恶臭防止法中，把城市污水处理厂恶臭发生源作为一个主要评价对象。大量的调查结果表明，污水处理厂的恶臭物质主要是氨、硫化氢、甲硫醇等(见表1)［1］。从恶臭成分含量来看，氨最多，其次是硫化氢、甲硫醇。而硫化氢、甲硫醇的恶臭强度最高，为4～5级(按照日本的0～6级恶臭强度等级划分)，属强臭，不仅影响人的感官，而且有害健康。
　　1957年，Pomeray RD在美国加利福尼亚一城市污水处理厂利用土壤对臭气进行过滤，由于土壤中微生物的氧化作用，将臭气中的H2S转化成SO₄²-等无臭物质，除臭效果十分显著，受到了全世界的瞩目。另外，生物脱臭的工艺设备简单、运转维护方便、效率高、费用低，不仅减少了二次污染(甚至没有)，而且还可以同时进行除臭与污水的处理。针对城市污水处理厂的主要恶臭物质，利用污水生物处理装置进行除臭研究，对控制城市恶臭污染是很有意义的。

表1　　城市污水处理厂恶臭成分测定结果 恶臭物质 分子式 浓度(mg/m³) 恶臭强度 乙醛 CH₃CHO 3.643 未检出 丙醛 C₂H₅CHO 0.214 未检出 乙酸 CH₃COOH 0.41 未检出 丙酸 C₂H₅COOH 　 未检出 硫化氢 H₂S 3.643 4.5 甲硫醇 CH₃SH 0.214 4.7 甲硫醚 (CH₃)2S 0.415 3.2 二甲二硫 (CH₃)₂S₂ 0.00839 1.9 氨 NH₃ 4.857 3.2 三甲氨 (CH₃)N 0.00911 2.0

1　试验装置与方法

1.1　试验装置
　　复合床生物膜反应器(CBBR)是把生物滤池与移动床生物膜反应器结合起来的一体式生物处理装置。
　　移动床生物膜反应器(MBBR)是1988年由挪威KMT公司开发的新型、高效、低能耗的废水生物处理装置［2］，采用了比表面积大、空隙率高、轻质悬浮填料，充填率为70%左右。在曝气的条件下，悬浮填料在反应器内呈移动状态，避免了一般固体填料易堵塞及软性、半软性填料的内部结团现象。CBBR用内径为100mm的有机玻璃管制成，有效高度为250mm。在CBBR的底部是生物滤床，以粘土陶粒作填料，高度为75mm，占反应器有效容积的30%。上部是移动床，采用聚丙烯悬浮填料，填充率为48%。试验时，悬浮填料可以浮在投配液上部，如图1所示。

1.2　恶臭气体与污水
　　根据污水处理厂臭气的分析结果，试验采用含H₂S的气体作为臭气源。H₂S恶臭气体是在气体发生器内配制的，其浓度在5～500mg/m³范围内。污水是用葡萄糖及各种无机盐配制的，COD约为200～800mg/L。
1.3　CBBR处理H2S工艺流程
　　CBBR脱臭系统为气、液两相逆流操作，含H₂S的气体由底部进入，经过生物滤床、移动床由顶部排出。污水则由顶部均匀地喷洒下来，由底部排液管流入沉淀槽。
1.4　分析项目及检测方法
　　气体流量：湿式气体流量计；pH值：PHS—2C型酸度计；SO₄²-：铬酸钡光度法；COD：重铬酸钾法；H₂S气体浓度：检知管法。

2　H₂S的生物转化过程

2.1　微生物的硫化作用
　　生物除臭的原理是H₂S在微生物的作用下，被氧化成硫磺和硫酸，这就是硫化作用。硫化作用主要是由硫磺细菌和硫化细菌引起的［3］。
　　硫磺细菌包括无色硫磺细菌和紫色硫磺细菌，它们能将硫化氢氧化成硫磺颗粒贮存于细胞内。当环境中缺少H2S时，细胞内的硫磺颗粒则继续被氧化成硫酸，即：

　　在好氧条件下的硫化细菌主要是排硫杆菌和氧化硫杆菌。排硫杆菌能氧化H2S为硫酸，同时生成硫而积留于细胞体外，氧化硫杆菌再将硫氧化成硫酸。H2S在上述细菌的作用下被氧化成硫酸。
2.2　H₂S的生物氧化过程
　　在H₂S被微生物氧化的过程中，水是不可缺少的。H2S的生物氧化过程相当复杂，一般认为可分为三个步骤［4］。
　　①H₂S气体的溶解
　　生物脱臭的第一个步骤是使恶臭物质溶于水。气体中的H2S在溶于水的同时，也发生了电离：

　　H₂S被微生物转化的结果是生成硫酸。SO₄²-的累积会导致pH值降低，因而不利于H₂S溶解，会影响生物脱臭效率。
　　②生物膜的吸附作用
　　H₂S溶于水后被生物膜吸附、吸收，吸附与吸收的速率与温度、pH值、微生物量等诸多因素有关。由于生物膜的吸附与吸收作用，使H₂S在水中浓度降低。H₂S不断地由气相转入液相，遵循亨利定律，保持气液两相平衡关系。
　　③H₂S的降解
　　在好氧条件下，由于硫磺细菌和硫化细菌的硫化作用，将H₂S转化为H₂SO₄。转化过程中产生能量以维持微生物的生命活动，使H2S的氧化过程持续不断地进行着。

3　试验结果与分析

3.1　对H₂S的去除效果
　　CBBR处理H2S恶臭气体的试验研究连续运行了6个多月，温度在10～16℃范围。进气量为0.95、1.62和3.78m³/d，气体的停留时间逐步由178s缩短到45s。在改变进气量的同时，也改变H2S的进气浓度，以观察CBBR对H2S的去除能力。
　　在进气量变化时，进水量保持不变(流量为50mL/h)。使液气比(V/V)由1.26降低到0.74和0.32的过程中，进水方式是连续的，排水则是间断的(8h排一次，约400mL)。CBBR中的悬浮填料随着气流与水位的变化上下移动，并伴随有旋转或搅动，使气、液、固三相间有着良好的接触。
　　表2列出了CBBR处理H2S的试验结果。

表2　CBBR处理H₂S的试验效果 去除速率［g/(m³·d)］ 进气量(m³/d) 停留时间(s) 进水量(L/d) 液气比 H₂S浓度(mg/m³) 容积负荷［g/(m³·d)］ 去除率(%) 出水 进气 出气 SO₄^2-(mg/L) pH值 5.82 0.95 178 1.2 1.26 12 未检出 5.82 100 80 6.9 19.87 42 1 20.36 97.66 144 6.7 40.54 87.5 3 42.41 96.6 221 6.4 58.17 125 5 60.59 96.0 210 6.4 89.67 200 15 96.94 92.5 234 6.3 4.95 1.62 105 1.2 0.74 6 未检出 4.95 100 70 7.0 32.23 40 1 33.06 97.5 190 6.6 59.51 75 3 61.99 96 220 6.4 77.61 100 6 82.65 94 246 6.3 96.31 127.5 11 105.38 91.4 260 6.2 19.26 3.78 45 1.2 0.32 10 未检出 19.26 100 130 6.8 52.16 28 1 54.0 96.4 132 6.8 73.28 40 2 77.14 95 194 6.5 123.39 70 6 135.0 91.4 256 6.2 173.60 100 10 192.86 90 272 6.2

　　从表2的测定数据可以看出，恶臭气体在生物反应器内停留时间仅为45～178s，但是去除率均在90%以上；在进气浓度相同时，去除率略有下降；在进气量相同时，去除率则随着进气中H₂S浓度的提高而有所降低。但是在试验范围内，CBBR对H₂S的去除速率随着容积负荷增长而提高，这表明CBBR还具有去除H2S的潜力。
　　CBBR在处理H2S恶臭气体时，与普通生物滤池相比，没有堵塞问题，而且出水pH值在6以上。而普通生物滤池在同样的负荷条件下的pH值要低于6［5、6］，这可能与CBBR内持液量较高有关。
3.2　对污水的同步处理效果
　　利用微生物的代谢功能来降解气体中的H2S，是在有水的条件下进行的，同时水中的有机物及其营养盐也是生命活动必不可少的，因此CBBR可以同时处理臭气和污水。
　　在研究CBBR对恶臭气体和污水的同步处理效果时，连续进气流量为1.62m³/d，H₂S浓度保持在500mg/m³。进水分为两种形式：一是连续进水，水流量为50mL/h，8h排一次水，排水量为400mL；另一种是间歇进水，一次进水量为400mL，反应时间约8h，然后一次排出400mL，再次进水，周而复始。进水中COD浓度为200～800 mg/L。两种运行方式表明生物反应器同时处理污水并脱臭是可行的，H₂S与COD的去除效果如表3、4。但是在同一反应器内，恶臭物质和污水水质对微生物的影响以及微生物同步降解气、液两相中污染物的过程机理，还需要大量、深入地研究，以作进一步探讨。

表3　CBBR去除H₂S和COD的效果(Ⅰ) 进气量(m³/d) 连续进水量(mL/h) H₂S浓度(mg/m³) COD浓度(mg/L) 去除率(%) 进气 出气 进水 出水 H₂S COD 1.62 50 500 140 200 70 72 65 1.62 50 510 47 406 115 90.8 71.7 1.62 50 510 38 590 176 92.5 70.2 1.62 50 500 34 810 307 93.2 62.1

表4 CBBR去除H₂S和COD的效果(Ⅱ) 进气量(m³/d) 一次进水量(mL/8h) H₂S浓度(mg/m³) COD浓度(mg/L) 去除率(%) 进气 出气 进水 出水 H₂S COD 1.62 400 500 173 804 142 65.4 82.3 1.62 400 510 89 607 83 82.2 86.3 1.62 400 510 52 411 53 89.8 87.1 1.62 400 500 40 202 33 92 83.6

4　微生物量的测定

　　在正常运行状况下，CBBR下部是固定生物膜滤床，其有效容积为0.31 L；上部是移动床，其中悬浮填料体积为0.12 L，持液量约1.53 L。因此，CBBR内的微生物既有附着生长的体系， 也有悬浮生长的体系。为了了解微生物的分布状况，对各部分的微生物量进行了测定。悬浮生长的微生物量用SS表示，固定生长的微生物量用生物膜干重表示。测定结果如下：
　　①CBBR混合液SS为1 604 mg/L，总量约为2.456 g；
　　②固定填料生物膜总量为12.036 g；
　　③移动床悬浮填料生物膜总量为1.428 g。
　　CBBR微生物总量约为15.92 g。

5　结论

　　CBBR处理含H2S恶臭气体的试验结果表明，生物除臭工艺简单、效果显著。而且，生物处理装置可以同时处理污水和恶臭气体。城市污水处理厂是主要的恶臭发生源，在污水生物处 理的过程中考虑恶臭气体处理是可行的。采用在曝气池中投加悬浮性填料的方法，可以有效去除污水处理设施所散发的恶臭气体。
　　CBBR是生物滤池、移动床生物膜反应器组合成的一体化生物处理装置。CBBR内微生物既有附着生长体系，又有悬浮生长体系，适应性强，还避免了生物滤池的堵塞问题，在处理H2S等恶臭气体时，没有严重的酸积累问题。

参考文献：

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　　［2］Degaard H,Rusten B,Badin H.Small wastewater treatment plants based on moving bed biofilm reactors［J］.Water Sci Tech,1993,28(10):351-359.
　　［3］顾夏声，李献文.水处理微生物学基础［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.
　　［4］许景文.恶臭生物处理的研究［J］.上海环境科学，1993，12(11)：33-37.
　　［5］郭静，黄炎歆.生物滤池脱臭性能的研究［J］.中国给水排水，1996，12(2)：32-33.
　　［6］马有卫，李国建.生物法净化H2S气体的研究［J］.环境工程，1996，2(2)：18-21.

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　　作者简介：郭静(1946-)，女，山东淄博市人，天津大学 建工学院环境工程系教授，主要从事污水生物处理方面的研究。
　　电　　话：(022)27890461
　　E-mail:wfang@public.tpt.tj.cn
　　收稿日期：2001-04-25