生物滴濾塔去除氨氣的兩種反應器啟動方法對比

梁美生，馮 珂，高改鳳

（太原理工大學 環境科學與工程學院，太原 030024）

隨著養殖業的蓬勃發展，養殖場造成的環境污染問題也越來越嚴重，因此，對養殖場臭氣中主要致臭成分[1]氨氣、硫化氫、三甲胺等的治理已迫在眉睫。目前，惡臭氣體的去除方法主要有化學法、物理法和生物法。對于大流量、低濃度的揮發性有機廢氣和惡臭氣體的處理，生物法由于具有凈化效率高、設備結構簡單、投資低、操作簡便、可避免二次污染等優點，成為近十年來研究的重點。1992年，荷蘭Clair Tech公司用生物滴濾塔處理高濃度的含酸臭氣，得到較好的處理效果。Huub等人用生物滴濾塔同時處理硫化氫與甲苯，發現反應器在pH值為中性與酸性條件下，去除效果較好[2]。Alonso、Francis和Webster等用生物滴濾塔去除廢氣，研究了運行過程中出現的問題[3-5]。國內于光輝等人鑒定了生物滴濾塔中處理H2S和NH3的微生物菌株[6]。對于生物滴濾塔去除氨氣，如何將高效除臭微生物快速附著在生物反應器中的填料上，是重點也是難點。目前，國內外對生物滴濾塔去除廢氣的填料掛膜方法主要有：間歇曝氣掛膜法、快速排泥-直流通氣掛膜法和直接馴化掛膜法[7，8]。這些反應器啟動方法各有利弊，幾乎沒有人對反應器啟動方法進行對比。故本實驗選取養殖場惡臭氣體中的主要致臭氣體之一——氨氣作為研究對象，比較兩種反應器啟動方式，選出最佳掛膜方法，從而為含氨廢氣和高氨氮廢水的工業化處理提供理論依據。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

本實驗采用一套自制的生物滴濾塔反應器，其外徑為100mm，高為1100mm，塔內填充?8～?15 mm的生物陶粒、?25mm的多面空心小球和?25 mm的鮑爾環作為濾料。為了模擬養殖場臭氣中氨氣的濃度，首先將純度為99.99%的氨氣與高純度氮氣混合制成一定濃度的鋼瓶氣，與來自空壓機的壓縮空氣混合后進入反應器，進行生物反應過程。為了更好地反映生物滴濾塔的不同高度處生物反應情況，塔身等距離設定上、中、下三個出口進行各種指標的分析測定。實驗裝置流程示意圖如圖1所示。

1.2 實驗方法

本實驗采用先污泥馴化再塔內掛膜法和快速排泥-直流通氣掛膜法進行對比研究。污泥均取自太原市河西北中部污水處理廠曝氣池，從水廠取回污泥后先空曝24h，消耗掉有機物，然后測得污泥初始參數，如表1所示。兩種掛膜方法的實驗條件：反應器溫度為30℃，營養液初始pH值為7.7，營養液噴淋量60mL／min，入口反應氣量0.3m3／h，進口氨氣質量濃度為100mg／m3。馴泥階段和掛膜階段的營養液成分為：葡萄糖，NaHCO3，KH2PO4，Mg-SO4·7H2O，（NH4）2SO4，FeSO4·7H2O，NaCl。

圖1 氨氣生物降解流程示意圖

表1 初始污泥性質

1.2.1 先馴化再掛膜的反應器啟動

1）污泥馴化。將空曝后的初始污泥排出上清液，然后加入馴泥階段的營養液，在有機玻璃箱中充分混合，加入（NH4）2SO4，使其 NH4＋離子質量濃度維持在100mg／L左右，目的是使硝化菌進行初步的富集。每日更換營養液，曝氣22h，停曝2h，溶解氧質量濃度約為3mg／L。同時測定混合液中NH4＋-N、NO3--N、NO2--N的質量濃度及pH值、MLSS、SV等數據，從而觀測污泥馴化的程度。

2）滴濾塔掛膜。將馴化好的污泥灌入生物滴濾塔內，靜置48h，然后將污泥排出。接著將泥水混合液以60mL／min不斷噴淋進反應器，通入0.3m3／h的空氣，氣液逆向流動。再過24h后，改為只滴入掛膜階段的營養液，并通入氨氣和空氣的混合氣體，保證進口氨氣質量濃度穩定在100mg／m3。每天測定進口氨氣質量濃度，上、中、下三個出口的氨氣去除率，營養液中氨氮、硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮的含量。

1.2.2 快速排泥-直流通氣反應器啟動

污泥的初始性質同上。從污水廠取回污泥先空曝24h，然后排出上清液，加入掛膜階段的營養液后充分混合，將活性污泥注入生物滴濾塔中，靜置24h，使污泥與填料充分接觸，起到接種的作用，然后全部排掉。與營養液混合的污泥以60mL／min滴入塔中，并通入氨氣和空氣的混合氣體。一天后改為只滴入掛膜營養液，同時每天測定進口氨氣質量濃度，上、中、下三個出口的氨氣去除率，營養液中氨氮、硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮的含量。

1.3 分析方法和分析指標

1.3.1 分析方法

1.3.2 分析指標

1.3.2.1 氨氣去除率

氨氣去除率可以表示為進出口氨氣質量濃度的差值與進口氨氣質量濃度的比值乘以100%，即

式中：ρI、ρO分別為氨氣進口、出口質量濃度，mg／m3；y1為氨氣去除率，%。

1.3.2.2 氨氮的轉化率

氨氣的去除機理[9]是將氨氣先溶于水中，然后被微生物利用轉化為硝酸鹽和亞硝酸鹽。由于氨氣極易溶于水，近似認為進入反應器的氨氣要么被微生物降解為它物，要么還以氨氮形式在營養液中存在，所以氨氮的轉化率可以表明生物降解程度、氨氣溶解的情況及二者的關系。氨氮轉化率的計算式如下：

式中，ρ、ρ0分別為某一時刻和空白營養液中氨氮質量濃度，mg／L；V為營養液的體積，L；m為這一段時間通入氨氣的總量，mg；y2為氨氮的轉化率，%。

1.3.2.3 總氮轉化率

被硝化菌所降解的那部分氨氮，轉化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，兩者之和稱為總氮，所以總氮轉化率可以反映硝化菌降解的能力，它的計算如下：

式中，ρ11、ρ10分別為某一時刻和空白營養液中硝酸鹽氮的質量濃度，mg／L；ρ21、ρ20為某一時刻和空白營養液中亞硝酸鹽氮的濃度，mg／L；V 為營養液的體積，L；m為這一段時間通入氨氣中氮的質量，mg；y3為總氮的轉化率，%。

2 實驗結果及討論

2.1 第一種掛膜方法

2.1.1 污泥馴化過程

經過一個禮拜的污泥馴化后MLSS達到10.62 g／L，氨氮的去除率達到96%，硝酸鹽的轉化率達到約70%，可以說明污泥馴化成功。MLSS質量濃度、氨氮的去除率隨時間的變化如圖2和圖3所示。

圖2 污泥馴化過程中MLSS質量濃度隨時間的變化

圖3 污泥馴化過程中氨氮轉化率隨時間的變化

從圖2可以看出，污泥質量濃度呈現先下降后上升的趨勢。這是因為，活性污泥里有大量不同菌種[10]，根據文獻資料[11]可知，能降解氨氮的硝化菌以自養菌為主，營養液中有機碳含量較少，異養菌死亡速率大于自養菌增加速率，故污泥濃度開始會下降；而后適應環境的菌種大量繁殖，隨后污泥質量濃度大幅提高，這說明所需硝化菌得到初步純化并大量富集。圖3中氨氮的轉化率同樣也隨污泥含量變化而變化，隨后大幅提高，氨氮去除率最終達到96%，此時認為硝化菌得到初步純化、富集，馴化成功。

2.1.2 滴濾塔掛膜階段

掛膜階段經過4個周期15d的培養，塔內有淡黃色的生物膜，上、中、下三個出口的氨氣去除率均穩定在99%以上，總氮轉化率達到85%，掛膜成功。氨氣去除率、總氮轉化率隨時間的變化如圖4和圖5所示。

圖4中，氨氣的去除率最終都達到近100%。上、中、下三個出口中，上部跟中部的去除比較徹底穩定，下部變化比較大，可能是因為下部是氣體剛剛進入反應器，途經的路程較短，營養液較少，所以變化較大。由圖5可見，由于開始不能確定1個周期的合適時間，所以4個周期的時間長短不一致，但是不同周期總氮轉化率的趨勢均呈上升趨勢，最后一個周期效果達到最好，同時也確定了1個周期的時間為4d較合適。這個掛膜方法是一步一步進行硝化菌的純化的，先馴化會使不需要的菌群被淘汰，再進入塔內進行進一步的純化，比較有專一性，生物滴濾塔不容易堵，但是整個階段持續時間較長，大約25d才能達到較好的效果。

圖4 在掛膜階段氨氣去除率隨時間的變化

圖5 在掛膜階段總氮轉化率隨時間的變化

2.2 第二種掛膜方法

經過2個周期8d的時間，淡黃色的生物膜包裹住填料，氨氣去除率穩定在100%，總氮轉化率達到100%，說明此方法周期短，掛膜效果好，反應器已成功啟動。直接掛膜過程中氨氣去除率及總氮轉化率隨時間的變化如圖6和圖7所示。

圖6 直接掛膜過程中氨氣去除率隨時間變化

圖6中，氨氣去除率整體呈現先增長后穩定的趨勢，最終穩定在99.8%左右，上、中、下三個部分沒有明顯的規律，說明掛膜較均勻。圖7中，經過2個周期總氮轉化率長時間穩定在近100%，說明硝化菌代謝十分活躍，掛膜效果很好。

圖7 直接掛膜過程中總氮轉化率隨時間的變化

2.3 兩種反應器啟動方法比較

2.3.1 反應器啟動時間

第一種方法，從馴化開始，然后掛膜，最后氨氣去除率穩定在99%以上，氨氮轉化率達到100%，總氮轉化率達到85%，一共用了25d；第二種方法，直接通氣掛膜啟動，最終氨氣去除率達99%以上，氨氮轉化率100%，總氮轉化率達到100%，一共用了8d.所以第二種方法占有很大的優勢，掛膜周期短，效果好且穩定。

2.3.2 總氮和氨氮轉化率

圖8和圖9為兩種方法在掛膜時期總氮的轉化率和氨氮轉化率隨時間變化的比較。由圖8可以明顯看出，第一種方法經過4個周期總氮轉化率達到80%，第二種方法經過2個周期就達到100%。由圖9可以看出，方法一歷經4個周期，氨氮轉化率最終穩定在80%左右，方法二歷經2個周期氨氮轉化率穩定在90%左右。故從總氮轉化率和氨氮轉化率來看，第二種掛膜方法周期短、效果好。

圖8 兩種方法在掛膜時期總氮的轉化率隨時間變化的比較

圖9 兩種方法在掛膜時期氨氮轉化率隨時間變化的比較

2.3.3 氨氣去除率

圖10為反應器不同出口處兩種反應器掛膜過程中氨氣去除率隨時間的變化。

由圖10可以發現，從上、中、下三個部位氨氣去除率來看，無論哪個出口第二種方法的氨氣去除率均好于第一種方法的氨氣去除率。

圖10 兩種方法掛膜時期氨氣去除率隨時間變化的比較

3 結論

本實驗對生物法去除氨氣過程中兩種反應器啟動方法進行對比，結論如下：

1）從啟動時間上看，先馴化后掛膜法掛膜成功時，用時17d，快速排泥-直流通氣法用時8d，第二種方法用時較少。

2）從總氮轉化率和氨氮轉化率角度來看，第二種掛膜方法優于第一種方法。

3）從氨氣去除率來看，在反應器不同部位處，氨氣去除率均是第二種方法比第一種方法高。

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