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生物除臭生物滴滤塔和生物滤池和生物洗涤塔优劣势对比

作者:河南东福环保科技 发布时间:2022-10-14 10:00:17点击:15182 网址:www.hadongfu.com

信息摘要:

生物除臭生物滴滤塔和生物滤池和生物洗涤塔优劣势对比与传统的生物滤池或生物滴滤池相比,生物洗涤塔具有明显的优势,即可以在更紧凑的工艺单元中生产和维持大量的微生物生物量,同时还能保持非常高的底物利用率。生物洗涤器技术的发展带来了废气生物处理技术的重大进步,即去除了难以降解的工业和市政废水处理过程中产生的臭味复合物。

生物除臭生物滴滤塔和生物滤池和生物洗涤塔优劣势对比

1.2 生物除臭工艺原理

生物除臭流程具有共性,分为3个阶段:(1)恶臭物质的溶解,恶臭成分由气相转移至液相;(2)恶臭物质从水溶液中转移至微生物(细菌与真菌)细胞,液膜中的恶臭物质在浓度差的推动下扩散到生物膜内,被微生物捕获并吸收,恶臭物质给微生物提供生长所必需的碳源和能源;(3)恶臭物质通过微生物的新陈代谢活动,降解转化为如CO2、H2O、硫酸盐和硝酸盐等无臭的物质。

1.3 生物除臭工艺类型

广泛采用的有生物洗涤塔(Bioscrubber)、生物滤池(Biofilter)和生物滴滤池(Biotrickling filter),近年来已经研究出新技术,包括膜生物反应器、真菌生物滤池、物化-生物组合技术、两相分配生物反应器等[12,17,18]。鉴于畜禽粪污的特性,这里只是综述常规生物除臭技术。

1)生物滤池。生物滤池法是早的除臭生物方法[14],也是至今文献报道多的一种(占总的40%)[10],生物滤池已用于处理工业和市政废气流中的各种有机和无机污染物。生物滤池的应用旨在去除废水处理设施、堆肥操作和多种工业产生的臭气(氨、硫化氢、硫醇、二硫化物等)。生物滤池的重要特征是不使用流动液相,这有利于处理难溶于水的污染物。填料即过滤材料必须尽量满足:佳的微生物环境,比表面积大,结构完整性,高的保水性,高的孔隙率和低的堆积密度。生物过滤中常用的介质是泥炭、土壤、堆肥以及木屑等。应用木屑或树皮于生物过滤的研究表明,与堆肥或泥炭相比,木质过滤材料的性能不令人满意,原因是它们的pH缓冲能力低,比表面积低和营养成分低。所以,木屑一般不单独用于生物过滤,而是被广泛用作泥炭或堆肥活性层的支撑材料[19]。已知堆肥等有机材料中存在生物膜生长必不可少的各种养分,然而,以堆肥为基质的生物过滤在较长时间之后其内在的营养资源逐渐被利用至枯竭,所以必须补充微生物生长所必需的营养物,或者以固体颗粒的形式插入滤床中,或者以更常见的水溶液形式提供,为微生物提供水分和养分[19,20]。

不同的微生物,其活性在特定的pH范围内有效,一般pH值为4.0~8.0,在该范围以上或以下都有损于其活性。pH值可通过用含pH缓冲液的营养液进行床面灌溉来控制[21]。氧气水平在生物过滤性能中起着至关重要的作用,因为生物滤池中使用的微生物代谢是需氧的,其需要5%~15%的氧气,但过高的氧浓度并不能改善生物滤池的性能。有氧温度微生物分为3种温度类别:20℃以下(嗜酸性微生物生长佳);20~40℃(中温微生物);45℃以上(嗜热生物)。为了实现生物滤池的更大清除能力,可通过在滤床上喷水,建议大载水率约为20 L/(m2·h),或间接通过将流入的污染空气加湿至95%~99%饱和度[22]。在生物过滤器运行的初阶段,所有过滤床中的气压降通常较低。通常,压降随着气体流速的增加而近似线性地增加。在给定的气体流速下,压降随着生物膜质量的增加和粒径的减小而增加,尤其是对于小于1 mm的粒径。经过几个月的运行期后,可能有必要从滤床中去除多余的生物质。合成床材料通常有助于将压降保持在低于天然有机物的压降水平,且也不容易产生不均匀的流量分布和窜流。有研究证实,常规生物滤池中使用天然有机载体并补充填充剂,可减缓压降的增加,并可优化流动特性。作为这类助剂有木屑、珍珠岩或vermiculite[23],也有使用切碎的PE或PVC的报道[24]。

生物滤池又分为开放式与和封闭式(图1[12])。开放式滤池处理后的气体直接排向大气,封闭式滤池处理后的气体经排气筒排放。实践证明开放式滤池的结构部件容易受到日晒夜露的损坏,需2~3年更换1次。

生物滤池的主要优点是投资和运行成本低,没有二次废物流,低压降以及适用于处理大量低浓度臭气[19,22]。生物滤池的缺点是难以控制水分和pH值,处理高浓度污染物时效率低,混合污染物将影响降解速率,床层材料需要定期更换,颗粒物易导致堵床[22]。

2)生物滴滤池。由于难以从生物滤池中有效地去除例如H2S和某些有机化合物等污染物,因此出现了称为生物滴滤池或滴滤生物滤池的更复杂过滤设备。生物滴滤池的主体部分为一层或多层填料的填料床,填料表面附有培养的生物膜,该床不断地用含有必需营养素的水溶液进行灌溉,这些营养素是微生物附在生物膜上生长所必需的。液相的营养液于塔上而下被均匀地喷洒在填料层之上,后由塔底排出循环利用。其除臭工艺流程为:臭气通过填料床并被包围生物膜的水膜吸收(或溶解于其中),然后在生物膜内发生生物降解。处理后的气体由塔顶释放,代谢产物随废液排出(图2[17])。由于游离液相的存在,因此,生物滴滤池能更有效地处理生物滤池难以处理的那些物质/类型。

微生物是生物处理过程的引擎。需氧的异养微生物利用碳氢化合物作为碳和能源的来源。在脱除H2S或氨的情况下,主要的降解物是自养生物。通常,污染物是能源,大气中的二氧化碳被用作生长的碳源。在生物降解二甲基硫或二甲基二硫的情况下,必须同时使用自养微生物和异养微生物。

图1 生物滤池(Biofilter)基本构造与工艺

图1 生物滤池(Biofilter)基本构造与工艺   下载原图


注:a.开放型;b.封闭型。

在生物膜生长过程中,由于传质限制,其暴露于基质的那一层将变得无活性,而活跃的一级降解菌仅占生物膜中复杂生态群落的一小部分。二级降解者是以代谢产物或生物聚合物为食的,或以初级降解物为食的捕食者,可能包括细菌、酵母菌和其他真菌、藻类以及原生动物、轮虫、线虫、蝇幼虫等高等生物[25]。包括生物在内的二级降解者非常重要,因为它们参与降低生物量的积累速率,并循环利用必需的无机养分,并可用于控制生物量的增长。

滤床是影响生物滴滤效率的重要因素,因为它提供了生物膜附着以及气液接触所需的表面。床料通常使用无规则倾倒塑料填料,或规整塑料填料,或开孔合成泡沫。与生物过滤器类似,也使用熔岩、轮胎衍生的橡胶颗粒(TDRP)、玻璃珠或陶瓷以及有机材料(例如木屑)。水相再循环为微生物培养提供了湿度、矿物质营养和控制基本操作参数的方法。同样,液相的成分也会影响生物滴滤过程的效率。通常,滴流液连续不断地富集含有氮、磷、钾和微量元素等基本矿物质营养素。详细的养分需求取决于许多因素,包括:污染物的种类、污染物的浓度以及生物反应器的总体运行策略。大多数污染物在生物膜中被生物降解。然而,一些污染物也被悬浮在循环液中的微生物生物降解。剩余的污染物以及生物质和一些代谢产物可以通过液体吹扫除去。由于氧气在水中的溶解度较低,生物滴滤池的性能可能会受到氧气向生物膜中的质量转移的限制。如果氧气的渗透深度小于污染物的渗透深度,则会导致氧气限制,从而导致在靠近基底的生物膜的较深部分形成厌氧层。

生物反应器床的填充材料要满足的要求如下:大比表面积,高孔隙率,高化学稳定性和结构强度,低重量,适合细菌附着和生长的表面以及低成本。熔岩经常被用作填充材料[26],其主要优点是大比表面结合了多孔结构,可促进生物膜的固定。牛骨复合陶瓷(CBP)珠粒具有相似的特性。然而,这种材料的缺点是孔隙率低和比重大。尽管使用时间有限,但由于木屑可促进微生物定植,且成本低廉,因此被视为生物滴滤池中无机包装材料的竞争替代品[27]。塑料床材料由于其稳定性,低成本和高孔隙率而在许多实验室研究和大型反应器中得到了成功使用。与生物滤池中的应用类似,生物滴滤池对于基于活性炭的填料的吸附特性很感兴趣。但生物滴滤池中使用的部分活性炭可能会被生物膜覆盖,这会有助于降低填料的吸收能力。为了充分利用活性炭的吸附潜力,建议在生物滴滤池之前将其置于辅助设备单元中。

图2 生物洗涤塔(Bioscrubber)和生物滴滤池(Biotrickling filter)基本构造

图2 生物洗涤塔(Bioscrubber)和生物滴滤池(Biotrickling filter)基本构造   下载原图


生物滴滤池比生物滤池通常更有效,特别是对于难以降解的化合物或产生酸性副产物的化合物(例如H2S)的处理。生物滴滤过滤器的结构也可以比生物过滤器复杂,从而减少了占地面积,在改造工厂时更容易安装生物滴滤器。生物滴滤的主要缺点是由于必须将气态污染物溶解在水相中而引起气体转移问题。生物滴滤过滤器适用于亨利系数为1或更小的臭气[28]。对于某些污染物,可通过在营养液中添加表面活性剂来提高溶解速度[29]。生物滴滤的另一个具体问题是在载体表面上的生物膜随着进展逐渐减少了滤床的空余容积,并可能导致压降过大。在端情况下,生物膜的发育会导致滤床完全堵塞[30]。

生物滴滤可使用气相和液相的并流或逆流进行。文献中,并没有明确的共识这两个系统中哪个更好,因为,交叉流(cross-flow)系统被Martel等[31]测试过。Kraakman等[32]表明,在传质受限的系统中,流向不影响工艺效率。

3)生物洗涤塔。Singh等[33]将生物洗涤塔分为2种类型,即“固定膜”和“悬浮生长”生物洗涤塔,Barbusinski等[10]将前一种“固定膜”类型归为生物滴滤池,而生物洗涤塔即是“悬浮生长”生物洗涤塔,如图2所示。生物洗涤塔中臭气化合物的去除主要涉及以下物理和生化原理:(1)吸收:臭气化合物从气相转移到水相,污染物的传质强度取决于接触表面积,接触时间和扩散系数。(2)生物降解或生物转化:生物反应器中存在的活性微生物(异或自养)转化水相中包含的污染物,异养微生物为细胞生长需要从机碳源获取能量和碳。自养生物从空气中的二氧化碳获取碳,硫化物氧化成硫酸盐或硫元素为细胞生长和呼吸提供细胞能量[33]。通过将生物反应器中的废水再循环到吸收器单元的顶部,确保对高可溶性污染物进行有效的气体清洁。

现有的大多数生物洗涤塔都是为去除单一污染物而设计的。为了提高去除效率或提高处理污染物混合物的操作灵活性,已考虑进行各种设计修改,例如吸附剂淤浆生物洗涤塔,缺氧生物洗涤塔,两液相生物洗涤塔,空运生物洗涤塔,喷雾矩生物洗涤塔或两阶段生物洗涤塔[19]。为了去除难以降解的含硫气味化合物,选择微生物至关重要。据报道,小球藻(Chlorobium limicola)的固定化细胞会在自养反应中将H2S转化为硫元素,异养的黄单胞菌(Xanthomonas species)能从气流中去除H2S。已报道了的硫杆菌属(Thiobacillus)和抗菌素(Hyphomicrobium)的某些菌株可以有效降解含硫化合物[34]。

表1 废气生物处理的常用技术特点比较     下载原表

表1 废气生物处理的常用技术特点比较

注:根据Rybarczyk等[5]和Wysocka等[11]的研究整合而成。

生物洗涤器技术提供了操作稳定性,并有效控制参数,例如pH和营养物用量,相对较低的气压降和较小的空间需求。与生物滴滤相比,避免了因生长物质而造成的堵塞,可以处理大流量和高浓度的臭气。此外,由于通过洗涤去除反应产物,反应器中产生的有毒副产物浓度可保持在较低水平。生物洗涤塔的缺点是,液体废物可能产生过多的污泥以及生长慢的微生物被洗出(详见表1)。此外,由于气体污染物在吸收单元中的停留时间短,因此生物洗涤不适用于水溶性较小的化合物。生物洗涤器的应用对于亨利系数为0.01的污染物可能比较节省成本。吸收器单元提供了有利于污染物从气相传质到水性介质的气液接触。实践证明,填充塔式和喷雾塔式吸收器适合生物洗涤,因为其他吸收器中较低水溶性污染物的去除效率不高。与pH相似,温度对于微生物活性也非常重要。在25~35℃的温度范围内,反硝化硫杆菌的硫化物氧化效率更高,但如果低于16℃时硫化效率显著降低。在生物反应器中的悬浮生物质对不连续供给底物非常敏感。如果将生物反应器的运行中断几天以上,建议继续添加底物,以保持较高的微生物活性。通过向生物反应器中鼓入空气,使溶解氧浓度达到1~2 mg/L,这是足够的生物活性的另一个先决条件。

与传统的生物滤池或生物滴滤池相比,生物洗涤塔具有明显的优势,即可以在更紧凑的工艺单元中生产和维持大量的微生物生物量,同时还能保持非常高的底物利用率。生物洗涤器技术的发展带来了废气生物处理技术的重大进步,即去除了难以降解的工业和市政废水处理过程中产生的臭味复合物。


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