细菌与真菌复合作用处理臭味气体的试验研究

李琳 刘俊新
（中国科学院生态环境研究中心）

　　摘　要：本研究利用细菌和真菌微生物合成了一种新型生物除臭反应器，并对臭味气体进行了试验研究。结果表明，该生物除臭反应器能够有效地去除气体中硫化氢、乙硫醇、氨、乙酸、丙酸、二甲苯等多种发臭物质。
　　关键词：复合式生物反应器；生物除臭

1　前言

　　恶臭作为世界七大环境公害之一，对人体健康和生态环境会造成严重危害。在污水的输送和处理过程中，以及对所产生的污泥进行处理的过程中，都会有臭味气体散发。如果不施行有效地控制，则对周围空气环境产生污染，影响污水处理厂的正常运行。
　　发臭的物质主要包括：含硫化合物，如硫化氢、二氧化硫、硫醇、硫醚类等；含氮化合物，如氨、胺类、吲哚类等；低级脂肪酸，如乙酸、丙酸、异戊酸等^[1]。其中，硫化氢和氨是两种主要的无机物。
　　目前，臭气的处理方法主要有：物理法、燃烧法、化学氧化法、吸收法、吸附法、生物法。生物法是利用微生物将臭味气体中的有机污染物降解或转化为无害或低害类物质的过程。与其它物理化学方法相比，用生物法处理废气投资少，运行费用低，污染物不会被转移到其它地方，不产生二次污染。自80年代初开始，国外对臭气生物处理技术进行了广泛的研究^[2～4]，德国的一座污水厂采用生物法处理重力浓缩池排出的臭味废气，硫化氢和甲基硫醇等恶臭物质被去除。近几年，我国也开展了此方面的研究工作^{[5 6]}。
　　生物法主要有生物滤池、生物洗涤塔和生物滴滤池。在应用中，方法的选择应根据废气中污染物的类型与性质而定^{[7 8]}。常规的除臭生物反应器，主要采用细菌作为微生物的主体，细菌适合于在水中或潮湿的环境中生存。因此，对于水溶性好的污染物，利用细菌进行生物降解，会得到很好的去除效果。但是，对于在水中溶解度低的物质，细菌表面的水层将影响传质速率，导致处理效率降低。
　　利用真菌降解疏水性或水溶性差的污染物，其降解效率高于细菌的降解效率^{[9 10]}。真菌可在较干燥的环境中生长，无需连续喷洒水来维持湿润环境，这就使得臭味物质可直接与微生物接触并被降解；真菌适应的pH值为3～6，处理酸性臭气或出现酸性积累时，不需要加碱调整pH值。特别是对于某些有机物，真菌的降解能力高于细菌。
　　实际上，臭气中所含的污染物是多样而复杂的，既有疏水性物质，也有亲水性物质。使用单一处理设备难以同时有效地去除。将三种设备同时运行，又会带来占地面积大、设备复杂、投资多、运行费用高等问题。另外，生物滤池中的气体预湿设备、生物洗涤塔的气体洗涤设备以及生物滴滤池均需大量循环水，能耗较大。
　　本研究采用细菌-真菌复合生物除臭反应器克服了单一生物除臭反应器的缺陷，能有效地将臭味气体中的亲水性和疏水性物质同时去除。并且设备操作简单、运行成本低、能耗低。

2　试验装置和方法

2.1复合式生物除臭反应器
　　复合式生物除臭反应器由细菌区（Ⅰ）和真菌区（Ⅱ）构成（图1）。根据细菌和真菌生长特性以及臭味气体中主要污染物的种类分别进行接种和培养。细菌区以降解臭味气体中亲水性的污染物为主。真菌区以降解水溶性差的物质为主。真菌在空气中会生成菌丝，菌丝向四周分布形成菌丝网，有助于增大气相中污染物与菌类的接触面积，使气相中的污染物在生物反应器中直接与真菌充分接触，更好地完成传质过程。

　　试验用的复合式生物除臭反应器是用PVC塑料板制成的，总高度为150cm, 总体积为375L。臭味气体首先进入复合式生物反应器的细菌区内，气体中易溶于水的物质被该反应区的微生物吸收降解；同时气体被预湿。未被降解的水溶性差的污染物进入真菌区，被真菌微生物降解。这样， 复合式生物除臭反应器可同时有效地去除亲水性和疏水性污染物。
2.2　试验用的恶臭气体
　　本试验分为两个阶段，实验室试验和现场试验。在实验室试验期间臭味气体来源于实验室进行的污水生物处理、污泥处理试验装置、挥发性有机污染物及恶臭物质生物降解试验散发或排放的臭味气体。该气体中的主要成份及其性质^{[11 12]}列于表1。其中一些物质的嗅阈值极低，如乙硫醇为0.00039ppm。并且，它们在水中的溶解性差异也很大。

表1 恶臭成分及其性质

名称

分子式

嗅阈值(ppm)

溶解度（g／L）

硫化氢

H₂S

0.18

4.12

乙硫醇

CH₃CH₂SH

0.00039

难溶于水

乙硫醚

(CH₃CH₂)₂S

／

不溶

乙酸

CH₃COOH

0.26

与水混溶

丙酸

CH₃CH₂COOH

1.5

易溶于水

氨

NH₃

0.9

511

二甲苯

C₈H₁₀

1.88

水溶性低

2.3　分析方法
　　含硫化合物：岛津GC-9A（日本）气相色谱分析仪，检测器为火焰光度检测器（FPD）。
　　低级脂肪酸：岛津GC-9A（日本）气相色谱分析仪，检测器为氢焰离子检测器（FID）。
　　氨：纳氏试剂光度法
　　苯系物： GC-122（上海）气相色谱分析仪，检测器为氢焰离子检测器（FID）。
　　二氧化碳：HORIBA VIA-510（日本）在线二氧化碳分析仪。
　　相对湿度（RH）：OAKTON(德国)温湿度仪。
　　pH值：PHS-3C（上海雷磁）酸度计

3　结果与讨论

3.1臭味气体的去除效果
　　在试验中，臭味气体的进气量为15m³/h。在近两个月的试验运行中，反应器对发臭物质的去除效果见图2～4。根据定期的监测结果，反应器内细菌区和真菌区对各污染物的平均去除率汇总于表2。

表2 反应器对臭味气体中发臭物质的平均去除率统计表

名称

去除率（%）

细菌区

真菌区

总

硫化氢

53.3

46.7

100

乙硫醇

8.8

63.5

72.3

乙硫醚

28.0

50.0

78.0

乙酸

未检出

未检出

100

丙酸

92.1

未检出

100

氨

未检出

未检出

100

二甲苯

58.6

32.7

91.3

　　从表2的分析结果可以看出，氨、硫化氢、乙酸、丙酸等气体在较短的时间内，去除率可以达到90%以上，比较容易去除；二甲苯由于进气浓度较低，试验得到的去除率也较高。而乙硫醇、乙硫醚则较难去除。
　　极易溶于水的氨、乙酸、丙酸基本上能够在细菌区内被去除；能溶于水的硫化氢和二甲苯，在细菌区内的去除率高于在真菌区内的去除率；而水溶性较小的乙硫醇、乙硫醚与它们相反，在细菌区内的去除率低于在真菌区内的去除率。因此，不同的臭味气体在两个反应区内的去除效果是不同的。
　　由试验结果可知，这种细菌与真菌复合的生物除臭反应器可以实现同时有效地去除亲水性和疏水性的臭味气体。
　　在实验室试验研究的基础上，将细菌-真菌复合式生物除臭反应器安装在某粪便消纳站进行现场试验。在处理粪便过程中散发的恶臭物质主要为硫化氢、硫醇、硫醚等硫化物。以往采用加化学药剂方法除臭，费用高，不能连续除臭。本试验装置在该消纳站运行一个月，对硫化氢的去除率可以达到90%以上，硫醇的去除率可以达到80%以上，并且可以连续运行。
3.2 pH
　　微生物的生命活动，物质代谢与pH密切相关。不同的微生物要求不同的pH。细菌区内的 pH 维持在 6.3～7.0，以适于细菌生长。与细菌、放线菌相比，真菌喜欢在偏酸性环境中生长，因此，真菌区内的 pH 保持在5～6，使真菌能够大量繁殖生长，成为主要菌群。
3.3 RH

　　湿度的控制对于生物反应器的运行非常重要，图5是该复合式生物反应器内相对湿度（RH）的变化情况。
　　真菌区内的RH基本保持在90%以上。可见，经过细菌区的气体可以在较长时间内保持理想的湿度，无需使用单独的预湿设备，可减少设备投资和运行费用。
3.4 CO₂浓度
　　在耗氧条件下，生物除臭反应器内的微生物将臭味气体中的有机物降解，有机物中的碳一部分转化成CO₂，另一部分被微生物利用。因此，反应器内产生CO₂的浓度与微生物的降解活性有密切关联。图6为HORIBA VIA－510（日本）在线二氧化碳分析仪测定的试验装置处理主要含二甲苯物质时的进气、细菌区出气、真菌区出气的CO₂浓度变化结果。

　　进气、细菌区出气、真菌区出气中CO₂的平均浓度分别为675ppm、730ppm、825ppm。可见，对于二甲苯，真菌区的产生CO₂量高于细菌区的产生量。进气中臭味物质的浓度高，CO₂的出气浓度随之升高。

4　结论

　　试验结果表明，细菌-真菌复合式生物除臭反应器可以有效地将臭气中的多种污染物同时去除。具有占地面积小，运行操作与维护简单等优点；细菌区可同时气体预湿和去除易溶于水的污染物，减少辅助设备；复合式生物反应器无需循环水，营养液是定期供给，喷淋次数少，减少能耗。本研究技术可用于污水处理、污泥处理、生活垃圾处理过程中产生的臭气的处理，也可用于其它排放臭气和挥发性有机废气的工厂企业。

参考文献

　　[1] 加藤龙夫，石黑智彦，重田芳广， 恶臭的仪器分析[M]. 北京：中国环境科学出版社，1992.
　　[2] A. K. M. Nurul Islam, et al. Fate of dissolved odorous compounds in sewage treatment plants, Wat. Sci. Tech. 1998, 38(3): 337-344
　　[3] L.Wu,Y-Y Loo and L.C.C. Koe. 2001, ‘A pilot study of a biotrickling filter for the treatment of odorous sewage air’, Water Science and Technology 44(9): 295-299
　　[4] J. W. van Groenestijn, A novel bioscrubber for the removal of ammonia from off-gases, Biological waste gas cleaning , Proceeding of an international symposium, Maastricht, The Netherland, 28-29 April 1997, 305-312
　　[5] 王东伟. 生物滴滤塔处理屠宰废气的实验研究, 硕士学位论文, 哈尔滨建筑大学, 1998.5.
　　[6] 郭静，匡颖，王召，杨秀文. 复合床生物反应器处理恶臭气体和污水. 中国给水排水，2001，17（9）：10-13
　　[7] Groenestijn J.W.van and Hesselink, P.G.M. 1993, ‘Biotechniques for air pollution control’, Biodegradation 4:283-301.
　　[8] 李琳，刘俊新. 挥发性有机污染物与恶臭的生物处理技术及其工艺选择. 环境污染治理技术与设备，2001，2（5）：41-47
　　[9] Aizpuru Aitor, Malhautier Luc, Roux Jean-Claude and Fanlo Jean-Louis. 2001, ‘Biofiltration of a mixture of volatile organic emissions’, J.Air & Waste Manage. Assoc. 51:1662-1670
　　[10]Groenestijn J.W. and Liu J.X. 2001, ‘Biofiltration as a cost-effective treatment technology for off-gases’, Proceedings of the 12th world clean air & environment congress and exhibition, 26-31, August 2001, Seoul, Korea 1: 64
　　[11]鲁格什科.大气中工业排放有害有机化合物手册.北京,中国环境科学出版社,1990.
　　[12]石青等.化学毒性、法规、环境数据手册. 中国环境科学出版社，1992.