養殖場典型功能區惡臭氣體處理工藝選擇與工程實例

劉建偉，高柳堂，韓昌福，張 波，陳雪威，徐 嵩，田洪鈺

(1.北京建筑大學應對氣候變化研究和人才培養基地，北京 100044；2.北京建筑大學環境與能源工程學院，北京 100044；3.北京智創環綠科技有限公司，北京 100083)

在規模化養殖場運行過程中可能會產生諸多環境污染，如糞便污水、惡臭氣體和病原微生物污染等。其中，惡臭氣體污染具有分布廣、影響范圍大等特點，特別是在養殖場的禽舍、運動場、儲糞間等都會產生含硫化氫、氨、酸類、醇類、酯類和有機硫類等[1]物質的惡臭氣體，對人畜健康和生態環境造成嚴重危害。

現有的規模化養殖場惡臭氣體處理技術包括通過飼料改良減少糞污排放的源頭防治技術、飼養階段通風清污的過程控制技術以及采用生物處理技術、吸收及吸附或菌劑噴淋除臭技術等末端控制技術[2]。其中，生物處理技術和菌劑噴淋除臭技術因具有除臭效果好、運行成本低和管理方便等優點，在規模化養殖場惡臭氣體處理中得到了廣泛的應用[3]。

目前，對于規模化養殖場惡臭氣體綜合處理工藝選擇和工程應用方面的研究較少，特別是針對養殖場不同功能區惡臭氣體控制技術的選擇依據不足。因此，本文以北京市某規模化養殖場為研究對象，針對該養殖場不同功能區惡臭氣體產生的特點和排放特性，分別進行了不同控制技術的選擇研究，并針對養殖場典型功能區儲糞間和運動場產生的惡臭氣體，研究了組合式生物除臭工程和復合菌劑霧化噴淋除臭工程的設計與運行效果。

1 養殖場不同功能區惡臭氣體的排放特性與控制技術選擇

某規模化養殖場位于北京市海淀區蘇家坨鎮，養殖規模為牛存欄量600頭及以上，糞污的年產生量和處理量為3 000 t。該養殖場產生惡臭氣體的功能區包括儲糞間、運動場、擠奶間、糞污處理設施處和肥料施用處。以氨和硫化氫為監測指標，對該養殖場不同功能區產生的惡臭氣體濃度進行了監測(尚未建設除臭工程)，其監測結果見表1。

由表1可知，該養殖場不同功能區產生的氨和硫化氫濃度存在一定的差異，同一功能區產生的各種惡臭氣體的濃度隨時間變化有所不同，這主要是由于不同功能區的使用功能不同，其開放程度、面積和操作工藝條件均有較大的差異。

表1 某養殖場不同功能區產生的惡臭氣體濃度(mg/m3)

基于該養殖場不同功能區惡臭氣體的產生量、產生濃度和產生特性，以及各種處理技術應用范圍的差異，對不同功能區惡臭氣體的控制技術進行了選擇。對于惡臭氣體濃度相對高的區域，包括儲糞間和糞污處理設施處，其惡臭氣體濃度變化大，組成成分較為復雜，包含氨、硫化氫、有機硫化物、揮發性胺和VFAs等多種物質，且氣體便于收集，收集后宜采用組合式生物處理技術進行處理。組合式生物處理技術兼具生物洗滌和生物過濾的優點，可在不同分區內實現對惡臭氣體的吸附、吸收和生物降解，可提高惡臭氣體的處理效率，適用于養殖場惡臭氣體濃度高、易于實現集中收集的相對封閉區域的惡臭氣體處理。

對于養殖場開放式空間，包括運動場、擠奶間和肥料施用處，惡臭氣體濃度相對較低，這是由于形成惡臭的基質主要來源于糞尿中未降解蛋白質和易發酵碳水化合物，厭氧條件下產生的惡臭物質遠大于好氧條件下[4]，而運動場通風良好，惡臭氣體的產生較為分散，其濃度和負荷均較低且波動大，由于為開放式空間，不易集中收集，宜采用復合菌劑霧化噴淋技術進行處理。復合菌劑霧化噴淋后的噴淋液中含有大量的自養和異養微生物，特別是亞硝化細菌和硝化細菌，包括Nitrosomonaseuropaea、Nitrococcusmobiles可以有效地去除氣體中的氨[5]，Pseudomonasfluorescens、Enterococcusfaecium、Bacillussubtilis、Bacillusmegaterium、Leuconostocmesenteroides和Lactobacillusplantarum對氨和硫化氫的去除率分別為94%和60%[6]，一些特定微生物和提取物除了具有脫臭特性外，還可抑制家禽糞便中致病菌的生長[7]。復合菌劑霧化噴淋技術具有對惡臭氣體處理效果好、自動化程度高等優點，利于實現分散式惡臭氣體的控制。

2 養殖場典型功能區惡臭氣體處理工程的設計與運行效果

本文選擇該養殖場典型功能區——儲糞間和運動場產生的惡臭氣體為研究對象，分別采用組合式生物技術和復合菌劑霧化噴淋技術對其進行處理，并研究了這兩處典型功能區惡臭氣體處理工程的設計與運行效果。

2.1 組合式生物除臭工程的設計與運行效果

2.1.1 組合式生物除臭工程的設計

(1) 工程概況：組合式生物除臭工程建于2016年10月，11月完成全部設備的安裝，12月開始調試并運行，設計處理規模為10 000 m3/h，其主要由惡臭集中密閉收集系統和組合式生物除臭設備構成。惡臭氣體集中密閉收集系統主要包括儲糞間、吸風口、風管、高壓風機，其中儲糞間長22 m、寬16 m、高3.5 m，拱高為3.2 m，容積為2 000 m3；組合式生物除臭設備由土建基礎和設備組件組成，其中設備組件包括進氣閥門、穿孔布氣板、填料及支撐系統、噴淋系統、儀表監測系統、電氣控制系統和管路系統。

(2) 工程工藝流程：儲糞間產生的惡臭氣體經惡臭集中密閉收集系統收集后，在風機的作用下通過風管、進氣閥門、穿孔布氣板從底部進入組合式生物除臭設備；惡臭氣體進入生物洗滌區后，一部分轉移進入液相通過微生物的代謝作用實現污染物的降解，另外一部分進入生物過濾區利用填料上附著的高效微生物降解生物洗滌區未去除的惡臭物質，凈化后經排風管排入大氣[8]。生物洗滌區填充惰性填料維持較高的微生物量，對氣體起到初步降解、加濕(濕度為90%左右)、除塵和調節溫度的作用，降低了惡臭氣體的進氣負荷。組合式生物除臭工程的工藝流程詳見圖1。

圖1 組合式生物除臭工程的工藝流程Fig.1 Flow chart of combined biological deodorization project

該工程運行初期，以實驗室增殖培養的硫桿菌、假單胞菌、芽孢菌、氨氧化細菌和亞硝酸氧化菌作為基礎菌種，運行時采用氣液逆流操作，通過直接通氣循環掛膜法掛膜并對微生物進行馴化。營養液中除含有基礎菌種外，還有微生物必需的營養物質，經泵由儲液槽傳輸至生物洗滌區頂部和生物過濾區頂部進行噴淋加濕，并從設備底部回流至儲液槽。組合式生物除臭設備示意圖見圖2。

圖2 組合式生物除臭設備示意圖Fig.2 Schematic diagram of combined biological deodorization reactor1.進氣口;2.生物洗滌區曝氣主管;3.生物洗滌區噴淋管;4.生物洗滌區填料;5.曝氣液位計;6.生物洗滌區噴淋裝置;7.排水口;8.儲液槽;9.儲液槽pH傳感器;10.儲液槽液位計;11.生物過濾區pH傳感器;12.生物過濾區溫度-濕度傳感器;13.生物過濾區填料;14.生物過濾區噴淋管;15.生物過濾區噴淋裝置;16.生物過濾區布氣板;17.排氣口

(3) 工程關鍵結構和設計參數：組合式生物除臭工程主要由惡臭集中密閉收集系統和組合式生物除臭設備構成。①惡臭集中密閉收集系統：儲糞間四周為磚混結構，頂部采用具有較強抗腐蝕、抗老化性能的輕型骨架覆面加蓋結構，輕型骨架采用304不銹鋼材質，覆面蓋板為PC耐力板；儲糞間容積為2 000 m3，每小時換氣5次[9-11]，風管采用厚度為5 mm的玻璃鋼風管。②組合式生物除臭設備：組合式生物除臭設備主體結構由玻璃鋼制成，內部件均由玻璃鋼、PVC等耐酸防腐材料構成，板厚大于10 mm；生物過濾區填充聚氨酯填料[12]，孔徑為2～7 mm，其具有適宜的堆積密度、孔隙率和比表面積，能獲得較好的惡臭污染物處理效果和相對較低的填料層壓力降。惡臭集中密閉收集系統的設計參數見表2，組合式生物除臭設備的設計參數見表3。

表2 惡臭集中密閉收集系統的設計參數

表3 組合式生物除臭設備的設計參數

2.1.2 組合式生物除臭工程的運行效果

該養殖場儲糞間的氨濃度及其波動程度均大于硫化氫，因此將氨作為主要監測指標，硫化氫作為輔助監測指標。該養殖場儲糞間的硫化氫進氣濃度為0.42～18.69 mg/m3，平均值為4.82 mg/m3，硫化氫出氣濃度為0.06～0.09 mg/m3，平均值為0.08 mg/m3，硫化氫平均去除率為98.34%，達到《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—93)(排氣筒高度為15 m)的要求。

在組合式生物除臭設備運行210 d內，對該養殖場儲糞間進、出氣中氨的濃度及其去除率的變化進行了監測，其監測結果見圖3。

圖3 組合式生物除臭設備對儲糞間氨的去除效果Fig.3 Removal effect of combined biological deodorization equipment on ammonia in storage

由圖3可見，在組合式生物除臭設備運行的前24 d為啟動階段，氨的去除率不穩定且較低，其值為54.9%～87.6%，這主要是由于掛膜初期，微生物還沒有大量生長且未適應反應器中的環境，氨的去除主要是由于微生物營養液的吸收與填料的吸附作用；在該設備運行的第25～210 d，菌種得到馴化，設備的處理效果趨于穩定，氨的去除率為89.2%～94.1%。

組合式生物除臭設備運行過程中，由于氣溫或操作條件發生變化，有時會使儲糞間逸散的惡臭氣體濃度發生變化，從而形成進氣負荷沖擊，但出氣中氨濃度始終低于3.17 mg/m3，達到《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—93)(排氣筒高度為15 m)的要求，可見進氣負荷的波動對其運行效果造成的影響較小，說明該設備具有較強的抗沖擊能力。

2.2 復合菌劑霧化噴淋除臭工程的設計與運行效果

2.2.1 復合菌劑霧化噴淋除臭工程的設計

(1) 工程概況：霧化噴淋區域為養殖場運動場，東西長40 m，南北長25 m，設計噴淋面積為1 000 m2，噴淋管路和噴頭沿運動場周圍分布，噴頭之間相隔2 m，高度為3 m，以保證噴霧覆蓋整個除臭區域。該復合菌劑霧化噴淋除臭工程建設于2016年8月下旬，9月完成全部設備的安裝并進行調試運行。復合菌劑霧化噴淋除臭設備包括高壓柱塞泵、PLC自動控制系統、霧化噴嘴、管閥、過濾器、液位計、管路系統等組件。

(2) 工程工藝流程：復合菌劑霧化噴淋除臭設備是利用自動配比泵將稀釋的復合微生物菌劑輸送到高壓柱塞泵(一般為4～6 MPa)，過濾后通過耐壓噴淋管路送到各個噴頭，以5～10 μm的微霧粒子噴射和擴散到含惡臭氣體的空間，使惡臭分子與微霧粒子充分接觸并進行氣液傳質，然后被吸收、降解，達到凈化的目的。微生物菌劑為實驗室研發出的復合菌劑，主要包括假單胞菌、亞硝化單胞菌和硝化桿菌等。該復合菌劑霧化噴淋除臭工程的工藝流程詳見圖4。

圖4 復合菌劑霧化噴淋除臭工程的工藝流程圖Fig.4 Flow chart of atomization spray deodorization of the compound microbial inoculum

(3) 工程關鍵結構和設計參數：復合菌劑霧化噴淋除臭設備日運行12 h，每小時工作30 min,復合微生物菌劑與水的混合比例為1∶40。該復合菌劑霧化噴淋除臭設備的關鍵結構及其設計參數見表4。

表4 復合菌劑霧化噴淋除臭設備的關鍵結構及其設計參數

2.2.2 復合菌劑霧化噴淋除臭工程的運行效果

該養殖場運動場的氨濃度及波動程度均大于硫化氫，因此將氨作為主要監測指標，硫化氫作為輔助監測指標。噴淋前該養殖場運動場的硫化氫濃度為0.03～2.65 mg/m3，平均值為0.72 mg/m3，噴淋后其硫化氫濃度為0.02～0.06 mg/m3，平均值為0.05 mg/m3，硫化氫平均去除率為93.06%，達到《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—93)中二級排放標準的要求。

在2016年9月26日到2017年6月復合菌劑霧化噴淋設備運行的252 d內，對該養殖場運動場噴淋前后氨的濃度及其去除率的變化進行了監測，其監測結果見圖5。

圖5 復合菌劑霧化噴淋除臭設備對運動場氨的去除效果Fig.5 Removal efficiency of ammonia in sports field by atomization spray of the compound microbial inoculum

由圖5可見，復合菌劑霧化噴淋除臭設備對該養殖場運動場散發的氨具有較好的去除效果，噴淋前氨的濃度為0.8 ～3.8 mg/m3，與大氣溫度、濕度、風速以及運動場的狀況有關；噴淋后氨的濃度為0.15～0.81 mg/m3，氨的去除率為67.1%～83.16%，達到《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—93)中一級排放標準的要求。

2.3 工程運行成本分析

2.3.1 組合式生物除臭工程的運行成本分析

組合式生物除臭工程的運行費用主要包括電費、水費，該組合式生物除臭設備全天24 h間歇運行，其中風機、洗滌泵、回流泵每小時工作30 min，噴淋泵每小時工作5 min，洗滌泵水量補給按流量的5%計，則該設備處理10 000 m3/h惡臭氣體的綜合成本為8.48元/h，具體明細見表5。

表5 組合式生物除臭工程的運行成本分析

2.3.2 復合菌劑霧化噴淋除臭工程的運行成本分析

復合菌劑霧化噴淋除臭工程的運行費用主要包括電費、水費、復合菌劑費，復合菌劑霧化噴淋除臭設備日運行12 h，每小時工作30 min，該設備每日運行期間處理惡臭氣體的綜合成本為9.95元/h，具體明細見表6。

表6 復合菌劑霧化噴淋除臭工程運行成本分析

3 結 論

(1) 針對規模化養殖場，對于產生濃度相對較高、濃度變化大且組成較為復雜的封閉區域，包括儲糞間和糞污處理設施處產生的惡臭氣體，宜收集后采用組合式生物技術進行處理；對于產生濃度低、不易集中收集的開放式空間，包括運動場、擠奶間和肥料施用處的惡臭氣體，宜采用復合菌劑霧化噴淋技術進行處理。

(2) 組合式生物除臭工程對該養殖場儲糞間產生的氨具有較好的去除效果，氨的去除率為89.2%～94.1%，出氣中氨的濃度為0.14～3.17 mg/m3，達到《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—93)(排氣筒高度為15 m)的要求。

(3) 復合菌劑霧化噴淋除臭工程對該養殖場運動場散發的氨具有較好的去除效果，噴淋前氨濃度為0.8～3.8 mg/m3，噴淋后氨濃度為0.15～0.81 mg/m3，達到《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—93)中一級排放標準的要求。

(4) 組合式生物技術和復合菌劑霧化噴淋技術具有工藝流程短、能耗小、運行成本低、自動化程度高、惡臭物質處理效果好等優點，能有效控制養殖場惡臭氣體的污染和排放。