生物濾池去除惡臭氣體工藝填料優選研究

于承澤， 李鳴曉， 孟繁華， 郝 艷， 劉東明， 侯佳奇*

1.中國環境科學研究院， 環境基準與風險評估國家重點實驗室， 北京 100012 2.中國環境科學研究院， 國家環境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室， 北京 100012 3.青島農業大學資源與環境學院， 青島市農村環境工程研究中心， 山東 青島 266109

注： ①—氨氣氣體罐；②—硫化氫氣體罐；③—甲苯氣體罐；④—甲硫醇氣體罐；⑤—空氣泵； ⑥—混合氣體室；⑦—S1反應塔；⑧—S2反應塔；⑨—S3反應塔；⑩—固體取樣口；—氣體取樣口；—出氣口.圖1 惡臭氣體去除模擬裝置Fig.1 Simulation device for odor removal

城市生活垃圾處置一直是環保領域關注的熱點之一. 目前，城市生活垃圾的處理方法主要有衛生填埋、堆肥和焚燒等[1-3]. 伴隨著垃圾分類政策的推行，將垃圾分類后進行堆肥法處理，具有無害化程度高、減量化效果明顯、處理成本低等優點，因此得到了廣泛應用[4-7]. 但生活垃圾處理廠在堆肥過程中常常產生各種惡臭氣體，對廠內及周邊大氣環境造成污染[8-9]. 惡臭氣體對人體的危害巨大，是人體健康的一大安全隱患[10-13]. 我國GB 14554—1993《惡臭污染物排放標準》嚴格規定了氨氣、硫化氫、甲硫醇等8種惡臭污染物的排放濃度范圍. 氨氣、硫化氫和甲硫醇作為水處理、畜牧業、石化煉制過程和堆肥過程中比較常見的代表性惡臭氣體，其處理工藝成為國內外學者研究的熱點[14-16]. Jia等[17]研究發現，甲苯是實際工業生產中揮發性有機物的主要有害物質，且甲苯在高濃度下具有明顯的環境毒性，對人體健康和生態環境影響較大[18-19]. 目前惡臭氣體處理處置技術主要分為物理處置、化學處置、生物處置3種，其中以生物處置最為常用，對環境產生的次生危害也較小[20]. 在生物法中，生物濾池過濾法是一種可以有效處理惡臭污染物的方法. 已有研究[21-25]發現，濕度、溫度、pH、填料種類、壓降等都會影響生物濾池去除污染物的性能. 目前針對填料種類選擇的研究很多[26-28]，但是針對不同腐熟度堆肥作為填料的研究報道較少[18,29]. 在生物濾池除臭過程中，填料的形態、溫度、濕度等理化性質變化會導致其負載的微生物種類、數量發生很大的變化[30-32]，然而相關學者研究接種劑的較多[33]，但對填料物質組成以及微環境帶來的微生物生長變化的報道較少，有待深入研究.

鑒于此，該研究采用柱試驗，以生活垃圾為研究對象，采用機械-生物四級處理工藝的二次發酵7 d(S1)、20 d(S2)及成品肥(S3)3種不同腐熟程度的堆肥產品作為生物濾池填料，考察其對氨氣、硫化氫、甲苯、甲硫醇4種惡臭氣體的去除效果；探究生物濾池填料在除臭前后氨氮、硝態氮、亞硝態氮、硫酸鹽含量的變化；并結合PCR-DGGE技術，研究處理臭氣過程中微生物的變化規律. 通過分析，優選惡臭氣體去除的最適填料，從微環境角度揭示除臭機理，達到以廢治廢的目的，對生活垃圾處理廠除臭生物濾池填料的選擇有一定指導意義.

1 材料與方法

1.1 試驗設置

1.1.1生物濾池裝置

試驗所用的生物濾池裝置見圖1. 其中，惡臭氣體模擬裝置采用4個8 L的鋼瓶作為配氣盛裝容器，鋼瓶口部裝有氣體流量計與壓力儀表盤，接五通管通入混合氣體室；混合氣體室內設有長短不一的隔板，以達到充分混勻的目的. 生物濾池反應器為有機玻璃材質，圓柱形封閉裝置，底面直徑0.2 m，高度1.6 m；鋪設石英砂墊層做襯底，高度0.05 m；裝置底部設置1個進氣口，頂部設置一個出氣口，在距離底部0.4、0.8、1.2 m處分別設置1個氣體取樣口和1個固體取樣口. 整套裝置進出氣口均設置氣體流量計與壓力表，用于監測生物濾池運行過程中的進氣流量、出氣流量及壓降.

1.1.2惡臭氣體模擬

將氨氣、硫化氫、甲苯與甲硫醇4種氣體分別存儲于配氣鋼瓶中作為模擬氣，進氣流量均為2.5 L/min，進氣濃度分別為200、500、100、80 mg/m3，停留時間為12.5 min，在混氣室充分混合后，通入生物濾池反應器.

1.1.3生物濾池填料

秸稈取自白洋淀，粉碎至顆粒直徑為1～2 cm備用. 堆肥樣品取自上海市某固體廢物處理廠，該廠采用機械-生物四級處理工藝：生活垃圾經初步機械分選后進行一次生物發酵，一次發酵完成后進行二次機械分選去除難降解物質，再進行二次生物發酵進一步腐熟得到成品肥. 在二次發酵工藝7 d、20 d及成品時取堆肥樣品，粉碎至顆粒直徑在5 cm以下，分別與秸稈按照質量比5∶2充分混合，調節含水率在45%～60%之間，作為填料放入3個生物濾池反應器，依次記為S1、S2、S3.

1.1.4樣品采集

每個反應器設置3個氣體取樣口用于惡臭氣體的采集，分別位于距離反應器底部0.4、0.8、1.2 m處. 將采氣袋連接氣體采樣口后打開采樣口氣體閥門，采集3個平行樣本. 固體樣品通過反應器上的固體取樣口采集，每個反應器在距離反應器底部0.4、0.8、1.2 m處分別設置3個固體取樣口，模擬現場環境上、中、下3個高度. 從惡臭氣體通入開始后，每隔2 d分別在3個不同高度處取樣并進行后續分析.

1.2 測試分析

1.2.1惡臭氣體

氨氣含量根據HJ 534—2009《環境空氣中氨的測定 次氯酸鈉-水楊酸分光光度法》測定；硫化氫含量根據《空氣和廢氣監測分析方法》(第四版)測定；甲苯和甲硫醇含量根據GB/T 14678—1993《空氣質量 硫化氫、甲硫醇、甲硫醚和二甲二硫的測定 氣相色譜法》測定.

1.2.2填料理化指標

填料樣品采用0.01 mol/L的氯化鈣，按樣水質量比1∶10 在室溫條件下以150 r/min的水平振蕩1 h后，取50 mL濾液以 3 000 r/min離心30 min，定性濾紙過濾. 氨氮(NH4+-N)含量根據GB 7479—1987《水質 銨的測定 納氏試劑比色法》測定；硝態氮(NO3--N)含量根據GB/T 7480—1987《水質 硝酸鹽氮的測定 酚二磺酸分光光度法》測定；亞硝態氮(NO2--N)含量根據GB/T 7493—1987《水質 亞硝酸鹽氮的測定 分光光度法》測定；硫酸鹽含量根據BS 5551-4.5—1993《固體肥料中無機酸可溶硫酸鹽含量測定方法》測定.

1.2.3填料微生物指標

1.2.3.1PCR-DGGE分析

微生物指標測試委托北京市理化分析測試中心完成，堆肥樣品經脫腐緩沖溶液洗滌去除腐殖質，用BioTeke基因組DNA快速提取試劑盒提取基因組DNA. 首先對細菌16S rDNA的V3區進行PCR擴增，PCR反應體系(50 μL)：10×PCR緩沖液5 μL；dNTP 4 mL；引物(10 μmol/L)各1 μL、模板DNA 40～50 ng、Ex Tag(大連TaKaRa公司)1.5 U、滅菌高純水補齊至50 μL. 引物357F-GC的序列為5′-GC-clamp-CCTACGGGAGGCAGCAG-3′，引物517R的序列為5′-ATTACCGCGGCTGCTGG-3′，引物GC-clamp的序列為5′-CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGG GGCACGGGGG-3′. 擴增條件：94 ℃預變性5 min；之后進行循環，94、48、72 ℃下分別保持1 min，30個循環；循環結束后72 ℃保持10 min；再將100 μL的PCR產物濃縮至30 μL. 最后將20 μL PCR產物進行DGGE電泳，聚丙烯酰胺膠濃度為8%，細菌變性梯度為35%～70%. 電泳條件為60 ℃，20 V預電泳10 min，130 V下電泳6 h. 使用Gel-Red染色劑染色30 min，然后在凝膠成像系統(Bio-Rad, USA)進行拍照分析.

1.2.3.2優勢條帶的切膠回收和測序分析

用無菌手術刀將優勢條帶切下，放在2 mL無菌離心管中，搗碎后加入60 μL TE緩沖溶液，4 ℃下放置24 h，取10 ng DNA進行第二輪PCR擴增，引物為不帶CG夾子的上述引物，擴增條件同1.2.3.1節，擴增產物交由北京市理化分析測試中心測序. 將測序結果提交到GenBank數據庫中，利用BLAST與GenBank數據庫中的序列進行比對，尋找同源性最高的序列，同源性以一致序列的占比作為標準.

1.3 數據分析

采用Origin 2017、Quantity One 4.6.2等軟件對試驗數據進行處理.

2 結果與討論

2.1 不同腐熟程度填料處理下惡臭氣體性能

由圖2可見，3個反應器對惡臭氣體的平均去除率均在96%以上. 各反應器對氨氣的去除率差別不顯著，其中S3對氨氣的去除率最高，平均值為98.99%. 這可能是由于氨氣通入后被吸附在填料中以氨氮形式存在，經過惡臭氣體的馴化，微生物可將氨氮轉化為硝態氮和亞硝態氮，從而使氨氣去除率升高[34]. S2、S3對硫化氫氣體的去除率較高，分別為98.26%、98.14%；不同腐熟程度的填料對甲苯去除率的順序表現為S3 > S1 > S2. 3種填料對甲硫醇的去除效果最好，不同時間段內S2、S3對甲硫醇的去除率均為100%，S1對甲硫醇的去除率除第6天(96.84%)和第8天(96.00%)外，也均為100%. 填料中的硫化氫和甲硫醇被脫硫菌轉化為硫酸鹽，其中3種填料對硫化氫的去除率較低，可能是因為填料中的硫酸鹽還原細菌將部分硫酸鹽還原成了硫化氫[35]. 3種填料相比，S1發酵時間短，蛋白質類物質含量高，而胡敏酸、富里酸等物質含量較少，對氨氣、硫化氫、甲苯起去除作用的菌群存活困難，除臭微生物不易在填料上生長掛膜，不利于微生物對氨氣的吸附降解；而腐熟程度較高的S3發酵時間長、理化性質穩定，更有利于對惡臭氣體去除起作用菌群的生長[36].

2.2 填料理化性質變化

2.2.1氨氮含量變化

由圖3可見，惡臭氣體通入第1天，S1、S2、S3的氨氮含量均在0～1 mg/kg之間. 隨著氨氣的繼續通入，前2 d氨氮含量升幅較大，第4天升幅減緩，而氨氣在生物濾池運行過程中的去除率較高(見圖2)，所以氨氮的累積可能是由于生物濾池對氨氣的吸收過程為主導過程，該過程中氨氣在生物濾池內轉化為氨氮[37]. 第8天，S1、S2、S3的氨氮含量達到峰值，分別為9.07、8.33、7.25 mg/kg；隨后開始下降并在第20天降至最小值，分別為1.77、1.28、1.19 mg/kg，可能是由于隨著氨氣的通入，與氨氣轉化相關的微生物活性增加，此時生物濾池內微生物對氨氮的轉化是主導過程. 對比3種填料中氨氮含量的變化趨勢可以發現，S3的氨氮含量在前3 d明顯低于S1、S2，說明S3填料對氨氣的吸收作用最好；S3的氨氮含量在第8天到達峰值時，僅為7.25 mg/kg，明顯低于S1、S2，可能是因為S3中微生物群落對氨氮的轉化效率更高，微生物物種優勢更明顯[38].

圖3 不同腐熟程度填料中氨氮含量的變化Fig.3 Changes of ammonia nitrogen in different maturity fillers

2.2.2硝態氮含量變化

在生物濾池處理過程中，填料中的氨氮會經過硝化細菌的轉化作用轉化為硝態氮. 由圖4可見，S1、S2、S3的硝態氮含量分別由起始的0.76、0.63、0.43 mg/kg增至第20天的7.87、7.10、6.98 mg/kg. S1、S2、S3的硝態氮含量整體上均呈增加趨勢，主要是因為發酵過程中硝化細菌的轉化作用將氨氮轉化為硝態氮[39]. 3種填料中，S3的硝態氮含量始終低于S1、S2，說明S3中可能存在較多的反硝化細菌，將硝態氮轉化為氮氣釋放[40]. 14～16 d內，3種填料中硝態氮含量均有小幅下降，而后繼續增加，可能是由于此時反硝化細菌群落有所增加，消耗掉部分硝態氮所致.

圖4 不同腐熟程度填料硝態氮含量的變化Fig.4 Changes of nitrate nitrogen in different maturity fillers

2.2.3亞硝態氮含量變化

氨氣經過生物濾池吸附后，以氨氮形式存在于填料中. 經過硝化細菌的硝化作用，氨氮不僅可以轉化為硝態氮，還會轉化為亞硝態氮. 不同腐熟程度填料中亞硝態氮含量的變化如圖5所示. S1、S2、S3的亞硝態氮含量在前2 d基本保持不變，可能是由于對應時間內氨氮的含量變化呈直線上升趨勢(見圖3)，是氨氣的吸附作用占主導，微生物的硝化作用不明顯. 由圖5可見，S1、S2、S3的亞硝態氮含量整體呈上升趨勢，第20天達到最大值，分別為0.55、0.46、0.63 mg/kg. S3中亞硝態氮含量在前8 d明顯低于S1、S2，第8天后三者持平，可能是因為通入惡臭氣體的中后期，S3中將氨氮轉化為亞硝態氮的微生物數量有所增加.

圖5 不同腐熟程度填料亞硝態氮含量的變化Fig.5 Changes of nitrite nitrogen in with different maturity fillers

2.2.4硫酸鹽含量變化

3種填料中硫酸鹽的平均含量在前4 d變化不顯著，4～12 d內呈上升趨勢，之后開始下降. S1在第14天達到最大值，為35.00 mg/kg，S2、S3在第12天達到最大值，分別為40.74和45.35 mg/kg. 硫化氫氣體的去除率在4種惡臭氣體中最低(見圖2)，之前也有研究[41]表明，硫酸鹽還原細菌可以產生硫化氫氣體，因此硫酸鹽含量的降低可能是因為發酵后期硫酸鹽還原細菌的增加，將部分硫酸鹽還原成硫化氫. 4～12 d內硫酸鹽含量增加，可能是填料中的脫硫菌將硫化氫和甲硫醇吸附降解為硫酸鹽；后期硫酸鹽含量又出現降低趨勢，可能是因為持續通入惡臭氣體馴化了填料中與硫酸鹽降解有關的微生物.

圖6 不同腐熟程度填料硫酸鹽含量的變化Fig.6 Changes in sulfate content of different maturity fillers

2.3 成品肥填料中微生物群落變化

2.3.1成品肥填料中細菌DGGE圖譜分析

由于成品肥填料對惡臭氣體的去除效果最好，因此對成品肥填料除臭過程中的樣品進行微生物測試. 通過變性梯度凝膠電泳技術能將片段分離成長度相同而堿基組成不同的DNA序列. 每一泳道中條帶的數量代表菌落的多樣性，條帶的亮度強弱代表細菌數量的多少[42]. 由成品肥填料作為生物濾池填料時細菌的DGGE圖譜(見圖7)可以看出，12條泳道中明顯分離的條帶有20條，條帶a、d、f、i、k、m等是每個泳道共有的，說明這幾種微生物是此填料進化過程中共有的優勢種群. 其中，d、f、i、k條帶亮度明顯，且隨著時間的變化其亮度變化較小，說明這幾種微生物在填料中占比較大、菌群結構穩定，受惡臭氣體影響較小[43]. b、c、e、s、t條帶前期未出現，在19 d后的3條泳道中均可見到，說明這3種細菌可能是經過惡臭氣體馴化后保留下來的優勢物種，惡臭氣體的通入有利于其生存.

注：d1、d3、d5、d7、d9、d11、d13、d15、d17、d19、d21、d23分別代表惡臭氣體通入后第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23天的填料樣品. 下同. 圖7 成品肥填料細菌DGGE圖譜Fig.7 DGGE profile of bacteria communities in finished compost

條帶b、c、e均為通入惡臭氣體第19天時出現的新條帶，與此同時f、i條帶亮度逐漸減弱，說明惡臭氣體通入后期微生物種群結構變化明顯，可能是因為惡臭氣體的不斷通入，導致部分微生物難以生存，同時部分微生物得到外界條件馴化后適應惡臭氣體環境成為優勢種群[44-45]. 惡臭氣體停止通入后，第21、23天泳道中條帶數目和種類出現明顯變化，部分條帶消失，且新增條帶較多，說明生物濾池運行過程中的優勢微生物種與惡臭氣體通入有關.

2.3.2細菌多樣性結果分析

細菌的豐度(S)、多樣性指數(H)、均勻度(E)在不同樣品的不同泳道之間存在差異，由此可判斷樣品中微生物群落結構特征[46]，由表1可見，第15天細菌的豐度明顯大于其他時間，結合硝態氮含量的降低分析結果來看，可能是因為氣體通入第15天時，硝化細菌種類最多. 均勻度反映群落中不同物種分布的均勻程度，數值越接近1表明其分布越均勻[47]. 該研究中12組樣品的均勻度差別不明顯，且均大于0.996，表明填料的細菌群落結構穩定. 停止惡臭氣體通入后，第23天時微生物樣品中的豐度降至13，多樣性指數也明顯減小，為2.556，說明生物濾池運行過程中降解惡臭氣體的除臭微生物發揮了主要作用.

表1 成品肥填料中 DGGE 條帶豐度、多樣性指數和均勻度

2.3.3生物濾池填料細菌聚類分析和主成分分析

為了比較3種填料的微生物群落相似性，對DGGE譜圖進行UPGMA層次聚類分析，結果如圖8所示. 按照相似程度劃分，所有樣品的細菌群落可以分為3組：① 7、9、11、13、15 d的細菌群落能較好地聚成一類，記為A組，可代表惡臭氣體處理中期的細菌群落組成，其最大同源系數為71%. ② 1、3、5、17、19、21 d的細菌群落聚成一類，記為B組，可代表前期和后期的細菌群落組成，最大同源系數為67%，說明成品肥填料中細菌群落的相似性較高，即隨著惡臭氣體的通入，微生物群落的變化較小. ③23 d的細菌群落單獨聚成一類，記為C組，代表末期細菌群落組成. 此外，1和17 d的細菌群落的最大同源系數為90%，遠大于所有細菌群落的最大同源系數(53%)，說明隨著惡臭氣體通入時間的變化，成品肥填料中細菌群落又重新穩定，成品肥填料整體的生物穩定性較好，適合作為生物濾池的填料.

圖8 細菌DGGE圖譜的聚類分析結果Fig.8 Cluster analysis for DGGE profile of bacteria

注：樣品間距離代表其相似性，空間上相聚越近的變量，其正相關程度越高.圖9 細菌PCA分析結果Fig.9 PCA analysis diagram of bacteria

由圖9可見，主成分1和主成分2的樣品差異性累積貢獻率分別達54.50%和68.73%，是不同樣品間相似性差異的主要來源. 由于d23為惡臭氣體停止通入后的樣品，所以與其他樣品距離較遠，說明惡臭氣體停止通入后填料中微生物的組成存在顯著差異. d15與其他樣品的距離也較遠，是因為d15中細菌的豐度和多樣性指數均大于其他樣品(見表1)，填料的硝態氮含量等理化性質在此時發生變化. d1和d19距離較近，說明這兩個樣品在主成分上具有較大的相似性，二者分別是惡臭氣體通入開始和通入結束時的樣品，這表明成品肥填料的細菌群落結構較穩定.

2.3.4生物濾池填料細菌優勢群落分析

成品肥填料條帶的序列與NCBI數據庫的比對結果如表2所示. 由表2可見，條帶a、b、c、d、e、f、g、h、i、k、l、m、n、o、p、q、r、t的序列對比相似度均在97%以上. 細菌群落絲狀菌屬(Kineothrix)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、魏斯氏屬(Weissella)、乳桿菌屬(Lactobacillus)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、根瘤菌屬(Rhizobium)為優勢菌群，在生物濾池運行過程中一直存在. 絲狀菌屬(Kineothrix)耐酸、耐干燥、耐缺氧、比表面積大，且對氣態污染物有良好的吸附性能[48]，這些特點增強了填料中微生物對甲苯和硫化氫的吸附能力. 芽孢桿菌屬(Bacillus)在好氧或兼性厭氧條件下會降解硫化氫氣體，且在有氧條件下也可以利用氨氮、硝態氮和亞硝態氮，此外還能表現出有效的反硝化性能，是填料理化性質變化的主要因素[49-50]. 乳桿菌屬(Lactobacillus)對去除氨氣和硫化氫也有較好的作用[51]. 棒狀桿菌屬(Corynebacterium)和根瘤菌屬(Rhizobium)分別對烴類與含氧類惡臭氣體有較好的去除作用[52-53]. j條帶對應的紫硫菌屬(Allochromatium)是醌氧化還原酶的主要來源，主要作用是催化硫化物的氧化，在硫化氫、甲硫醇、硫酸鹽的轉化中起主要作用[54].

表2 條帶序列的測定結果

12個樣品中的細菌分屬于7個屬，結果如圖10所示. 在剛通入惡臭氣體第1天的填料中，絲狀菌屬(Kineothrix)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、魏斯氏屬(Weissella)為優勢菌屬，相對豐度分別為26.9%、16.1%、18.0%. 在20 d的惡臭氣體通入過程中，優勢菌屬相對豐度變化較小，說明成品肥填料中優勢細菌群落穩定. 惡臭氣體停止通入后，第21、23天樣品中再次出現紫硫菌屬(Allochromatium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)，且第23天樣品中絲狀菌屬(Kineothrix)相對豐度降至15.8%，孢桿菌屬(Bacillus)、魏斯氏屬(Weissella)相對豐度分別增至20.9%、22.3%，與1～19 d樣品的細菌群落存在差別. 不同時間樣品間細菌優勢菌屬的變化表明，惡臭氣體通入期間填料較穩定，停止通入后細菌群落發生明顯變化，說明生物濾池運行過程中的優勢物種與惡臭氣體的通入有關，這與已有研究結果[55]相符.

圖10 不同處理下屬水平上細菌群落組成Fig.10 Composition of bacteria community at genus level under different treatments

3 結論

a) 成品肥(S3)填料對惡臭氣體氨氣、硫化氫、甲苯、甲硫醇的去除率最高，二次發酵7 d(S1)與20 d(S2)填料對惡臭氣體的去除率較低. 相比于其他氣體，3種生物濾池填料對甲硫醇的去除率最高，對硫化氫的去除率最低.

b) S1、S2、S3填料中氨氮與硫酸鹽含量均呈先增后降的趨勢，硝態氮、亞硝態氮含量均呈上升趨勢，填料S3的理化性質變化與微生物群落變化趨勢一致.

c) 成品肥填料經惡臭氣體馴化后，以絲狀菌屬(Kineothrix)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、魏斯氏屬(Weissella)為優勢菌屬. S3中微生物種群穩定，已形成馴化后的穩定生物群落，且其優勢物種具有去除惡臭氣體的功能.

d) S1、S2、S3作為生物濾池填料時的惡臭氣體去除率、理化性質、微生物群落變化評估結果顯示，S3對惡臭氣體的處理效果最好、理化性質穩定，并含有除臭功能微生物，可優選為生活垃圾堆肥處理過程中的除臭生物濾池填料.