劉建偉，田洪鈺，張波，高柳堂，陳雪威，徐嵩

(1.北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；2.北京鈞躍環(huán)境科技有限公司，北京 100083)

餐廚垃圾具有高有機(jī)成分、高油脂和高含水率等特點(diǎn)，在其處理過程中較易產(chǎn)生惡臭污染[1-4]。作為一種資源化效果較好的處理技術(shù)，好氧發(fā)酵技術(shù)在餐廚垃圾處理中應(yīng)用較為廣泛。然而，餐廚垃圾好氧發(fā)酵過程產(chǎn)生的惡臭氣體成分較為復(fù)雜，其中硫化氫、氨和甲硫醇是我國《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14553—93)中規(guī)定的限制排放的惡臭污染物[5-7]。生物過濾技術(shù)因具有處理效率高、無二次污染和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于惡臭氣體的處理[8-9]。然而，采用常規(guī)生物過濾技術(shù)處理餐廚垃圾惡臭氣體，效果往往不佳，并可能存在各種物質(zhì)之間的相互抑制[10-11]。

北京市通州區(qū)某餐廚垃圾處理站四周被居民樓環(huán)繞，距離其西南側(cè)的居民小區(qū)僅有50 m。針對該餐廚垃圾處理站不同功能區(qū)惡臭氣體的產(chǎn)生量和組成特點(diǎn)，本文采用組合式生物處理工藝除臭，分析工程運(yùn)行效果以及投資、運(yùn)行費(fèi)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

惡臭氣體，來源于餐廚垃圾處理站卸料區(qū)、預(yù)處理區(qū)、好氧發(fā)酵區(qū)和出料緩存區(qū)等功能區(qū)，其組成和濃度見表1；氫氧化鈉、氯化鈉、三氯化鐵、濃硫酸、硫酸鎘、磷酸二氫鉀、磷酸氫二銨、硫酸鎂、硫化鈉、乙酸鋅、乙酸鈉、硫酸鐵銨、酒石酸鉀鈉、氫氧化鉀、碘化鉀、二氯化汞等均為分析純。

表1 不同功能區(qū)惡臭氣體組成和濃度Table 1 Composition and concentration of odorous gases in different functional areas (mg/m3)

QC-2B型氣體采樣器；EL-104型電子天平；SPEKOL 2000紫外可見分光光度計(jì)；PHS-3C精密pH計(jì)；PCWJ-SF-20超純水機(jī)。

1.2 除臭工藝流程

針對該餐廚垃圾處理站不同功能區(qū)惡臭氣體的產(chǎn)生量和組成特點(diǎn)，本除臭工程采用組合式生物處理工藝，工藝流程見圖1。

惡臭氣體經(jīng)過收集單元和輸送單元進(jìn)行收集與輸送，經(jīng)預(yù)處理單元進(jìn)行降溫和降塵后進(jìn)入組合式生物除臭單元，在組合分區(qū)內(nèi)不同微生物菌群的作用下發(fā)生生物降解而去除[8]。

圖1 組合式除臭系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Schematic diagram of odor combined deodorization system

1.3 分析方法

硫化氫采用亞甲基藍(lán)分光光度法測定，氨采用納氏試劑分光光度法(GB)測定。pH值采用精密酸度計(jì)測定，填料濕含量的分析采用重量法測定。

2 組合式生物除臭系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)各區(qū)域除臭空間容積和換氣次數(shù)以及有機(jī)組分好氧發(fā)酵工藝通風(fēng)量，本工程卸料區(qū)、預(yù)處理區(qū)、好氧發(fā)酵區(qū)和出料緩存區(qū)產(chǎn)生的惡臭氣體處理量見表2。

表2 除臭氣量

總除臭氣量為4 705 m3/h，考慮到漏風(fēng)系數(shù)等因素，設(shè)計(jì)除臭風(fēng)量為5 000 m3/h?？紤]到車間內(nèi)工作人員工作和人員進(jìn)出，換氣次數(shù)取較大值(15次/h)。組合式生物除臭工程的設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 組合式生物除臭系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

該生物除臭系統(tǒng)包括收集單元、輸送單元、預(yù)處理單元和組合式生物除臭單元，采用一體化處理設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 收集單元

該系統(tǒng)針對餐廚垃圾卸料、預(yù)處理、好氧發(fā)酵和出料過程產(chǎn)生的惡臭氣體進(jìn)行收集。卸料區(qū)、預(yù)處理區(qū)、好氧發(fā)酵區(qū)和出料緩存區(qū)空間相對密封，選擇在其上方設(shè)置吸風(fēng)口，從源頭收集惡臭氣體并控制其逸散。

2.2 輸送單元

經(jīng)收集單元收集的惡臭氣體在風(fēng)機(jī)作用下，通過管道依次進(jìn)入預(yù)處理單元和組合式生物除臭單元。本工程選擇的風(fēng)機(jī)為低噪聲離心風(fēng)機(jī)，考慮到收集過程的阻力損失、一定的風(fēng)量余量和風(fēng)閥調(diào)節(jié)的需要，所選風(fēng)機(jī)為4-72-4A型離心風(fēng)機(jī)，全壓1 320～2 014 Pa，風(fēng)量4 012～7 419 m3/h，功率5.5 kW，滿足工程總除臭風(fēng)量和壓力的要求。

2.3 預(yù)處理單元

預(yù)處理單元設(shè)置在組合式生物除臭單元前端，即為生物預(yù)洗區(qū)，其作用是去除惡臭氣體中粉塵，對氣體進(jìn)行降溫，同時去除部分易溶解的惡臭成分，并將惡臭氣體加濕，可降低惡臭氣體負(fù)荷波動帶來的影響。預(yù)處理單元采用懸浮曝氣工藝，預(yù)處理單元內(nèi)裝填直徑為5 cm的空心塑料小球填料，填料裝填高度為40 cm，懸浮液接種高效微生物菌劑。預(yù)處理單元設(shè)計(jì)尺寸為300 mm×200 mm×50 mm。

2.4 組合式生物除臭單元

組合式生物除臭單元基于所產(chǎn)生的惡臭氣體組成復(fù)雜、濃度變化大等特征，在生物填料區(qū)內(nèi)進(jìn)行合理分區(qū)，分為真菌反應(yīng)區(qū)和細(xì)菌反應(yīng)區(qū)，由于真菌反應(yīng)區(qū)和細(xì)菌反應(yīng)區(qū)中控制不同的工藝條件，分別接種和附著生長真菌和細(xì)菌。惡臭氣體首先進(jìn)入組合式生物除臭單元底部的布?xì)庀到y(tǒng)，均勻布?xì)夂?，以升流式通過兩個反應(yīng)區(qū)的填料層，利用兩反應(yīng)區(qū)中填料層附著生長的真菌和細(xì)菌微生物進(jìn)行生物降解，凈化后的氣體排放。

組合式生物除臭單元的真菌和細(xì)菌反應(yīng)區(qū)分別填充通透性和傳質(zhì)效果較好的輕質(zhì)聚氨酯和陶粒填料，為除臭微生物的生長和代謝提供載體。兩個反應(yīng)區(qū)的設(shè)計(jì)尺寸均為300 cm，填料填充高度為250 cm，有效填充體積為15 m3，填料支撐采用剛度和強(qiáng)度較好的玻璃鋼格柵板。組合式生物除臭單元的頂部設(shè)置噴淋系統(tǒng)，定期噴淋營養(yǎng)液(噴淋頻率為3次/周，每次噴淋時間為15 min)，營養(yǎng)液循環(huán)使用，以保持填料適度濕潤，同時為微生物生長與代謝提供適宜環(huán)境。填料濕度和循環(huán)液酸堿度均通過自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和控制，配備兩臺耐腐蝕噴淋泵，流量為6 m3/h，揚(yáng)程為25 m，功率為1 kW。

3 工程運(yùn)行效果

生物除臭工程于2017年6月建設(shè)，2017年8月開始啟動，2017年9月達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。

以兩種主要惡臭物質(zhì)氨和硫化氫為對象，考察了組合式生物除臭設(shè)備在140 d的運(yùn)行時間內(nèi)，氨和硫化氫的進(jìn)、出氣濃度及去除率，結(jié)果分別見圖2和圖3。

圖2 氨進(jìn)、出氣濃度及去除率Fig.2 Inlet and outlet concentration and removal efficiency for ammonia

由圖2可知，氨的進(jìn)氣濃度在5.6～45.7 mg/m3之間，在工程運(yùn)行的前22 d，氨的去除率相對較低(70.1%～96.5%)，這主要是由于在掛膜初期，反應(yīng)器內(nèi)脫氮菌生長緩慢，并且沒有適應(yīng)環(huán)境，氨的去除主要是依靠填料上脫氮菌的吸附和生物降解作用及營養(yǎng)液的吸收作用[12-14]。隨著脫氮微生物的大量繁殖，其微生物降解作用增強(qiáng)，氨的去除逐漸升高隨后趨于穩(wěn)定，到第50 d后，氨的去除率穩(wěn)定在99%以上，出氣濃度為0～0.22 mg/m3，達(dá)到北京市《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn) 》(DB 11/501—2017)規(guī)定的排放要求。

圖3 硫化氫進(jìn)、出氣濃度及去除率Fig.3 Inlet and outlet concentration and removal efficiency for sulfide hydrogen

由圖3可知，硫化氫的進(jìn)氣濃度在3.2～22.1 mg/m3之間，在工程運(yùn)行前期(0～22 d)，硫化氫的去除率相對較低(47.8%～94.2%)，這主要是由于在掛膜初期，系統(tǒng)內(nèi)脫硫菌生長緩慢，且暫無適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境。隨著生物降解作用的不斷增強(qiáng)，硫化氫的去除逐漸升高并且趨于穩(wěn)定，第50 d后，硫化氫的去除率大部分時間均保持在98%以上，出氣濃度為0～0.19 mg/m3，達(dá)到北京市《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn) 》(DB 11/501—2017)規(guī)定的排放要求。

值得注意的是，在工程運(yùn)行期間，氨和硫化氫進(jìn)氣濃度變化較大，但氨和硫化氫的去除效果并未因此受到明顯影響，去除效率較為穩(wěn)定。雖然氨氧化細(xì)菌和硫氧化細(xì)菌為兩類生長、代謝條件和降解特性完全不同的微生物，但由于組合式生物除臭單元內(nèi)進(jìn)行了合理的分區(qū)，使兩類微生物分別生長和分布于兩類不同反應(yīng)區(qū)，并發(fā)揮高效降解作用。硫化氫和氨的去除可能基于物理、化學(xué)和生物降解的協(xié)同作用，在一定濃度范圍內(nèi)，氨可作為氮源被脫硫菌所利用，同時由于氨的高水溶性，氨還可能會溶解于循環(huán)液中，并與其中的硫化氫等酸性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)而去除[15]。

4 工程投資和運(yùn)行費(fèi)用

該除臭工程的投資和運(yùn)行費(fèi)用見表4。

表4 工程投資和運(yùn)行費(fèi)用Table 4 Project investment and operating costs of the project

由表4可知，該除臭工程的總投資為63.21萬元，包括設(shè)備工程、電氣工程、土建工程及其他費(fèi)用。運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、水費(fèi)和維護(hù)費(fèi)用，合計(jì)每年5.30萬元，折合整體除臭工程的運(yùn)行成本為0.001 21元/m3氣體。可見本除臭工程投資和運(yùn)行費(fèi)用均較低，同時無需化學(xué)藥劑的額外投加，無二次污染物產(chǎn)生，維護(hù)和運(yùn)行管理方便。

5 結(jié)論

(1)北京市某餐廚垃圾處理站惡臭氣體處理工程采用組合式生物除臭技術(shù)，包括氣體收集、輸送、預(yù)處理和組合式生物除臭單元，工程設(shè)計(jì)風(fēng)量為 5 000 m3/h。

(2)該工程能夠高效去除餐廚處理過程產(chǎn)生的惡臭氣體。當(dāng)氨和硫化氫進(jìn)氣濃度分別為5.6～45.7 mg/m3和3.2～22.1 mg/m3時，其去除效率分別達(dá)99%和98%，出氣濃度分別為0～0.22 mg/m3和0～0.19 mg/m3，達(dá)到北京市《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn) 》(DB 11/501—2017)規(guī)定的排放濃度要求。

(3)該工程投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，無需化學(xué)藥劑的額外投加，而且無二次污染產(chǎn)生，工程維護(hù)和運(yùn)行管理方便。