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(xué)應(yīng)對氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地，北京 100044；2.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；3.北京智創(chuàng)環(huán)綠科技有限公司，北京 100083)

在規(guī)?；B(yǎng)殖場運(yùn)行過程中可能會(huì)產(chǎn)生諸多環(huán)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(diǎn)，特別是在養(yǎng)殖場的禽舍、運(yùn)動(dòng)場、儲(chǔ)糞間等都會(huì)產(chǎn)生含硫化氫、氨、酸類、醇類、酯類和有機(jī)硫類等[1]物質(zhì)的惡臭氣體，對人畜健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。

現(xiàn)有的規(guī)模化養(yǎng)殖場惡臭氣體處理技術(shù)包括通過飼料改良減少糞污排放的源頭防治技術(shù)、飼養(yǎng)階段通風(fēng)清污的過程控制技術(shù)以及采用生物處理技術(shù)、吸收及吸附或菌劑噴淋除臭技術(shù)等末端控制技術(shù)[2]。其中，生物處理技術(shù)和菌劑噴淋除臭技術(shù)因具有除臭效果好、運(yùn)行成本低和管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在規(guī)?；B(yǎng)殖場惡臭氣體處理中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

目前，對于規(guī)?；B(yǎng)殖場惡臭氣體綜合處理工藝選擇和工程應(yīng)用方面的研究較少，特別是針對養(yǎng)殖場不同功能區(qū)惡臭氣體控制技術(shù)的選擇依據(jù)不足。因此，本文以北京市某規(guī)?；B(yǎng)殖場為研究對象，針對該養(yǎng)殖場不同功能區(qū)惡臭氣體產(chǎn)生的特點(diǎn)和排放特性，分別進(jìn)行了不同控制技術(shù)的選擇研究，并針對養(yǎng)殖場典型功能區(qū)儲(chǔ)糞間和運(yùn)動(dòng)場產(chǎn)生的惡臭氣體，研究了組合式生物除臭工程和復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行效果。

1 養(yǎng)殖場不同功能區(qū)惡臭氣體的排放特性與控制技術(shù)選擇

某規(guī)模化養(yǎng)殖場位于北京市海淀區(qū)蘇家坨鎮(zhèn)，養(yǎng)殖規(guī)模為牛存欄量600頭及以上，糞污的年產(chǎn)生量和處理量為3 000 t。該養(yǎng)殖場產(chǎn)生惡臭氣體的功能區(qū)包括儲(chǔ)糞間、運(yùn)動(dòng)場、擠奶間、糞污處理設(shè)施處和肥料施用處。以氨和硫化氫為監(jiān)測指標(biāo)，對該養(yǎng)殖場不同功能區(qū)產(chǎn)生的惡臭氣體濃度進(jìn)行了監(jiān)測(尚未建設(shè)除臭工程)，其監(jiān)測結(jié)果見表1。

由表1可知，該養(yǎng)殖場不同功能區(qū)產(chǎn)生的氨和硫化氫濃度存在一定的差異，同一功能區(qū)產(chǎn)生的各種惡臭氣體的濃度隨時(shí)間變化有所不同，這主要是由于不同功能區(qū)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(yǎng)殖場不同功能區(qū)產(chǎn)生的惡臭氣體濃度(mg/m3)

基于該養(yǎng)殖場不同功能區(qū)惡臭氣體的產(chǎn)生量、產(chǎn)生濃度和產(chǎn)生特性，以及各種處理技術(shù)應(yīng)用范圍的差異，對不同功能區(qū)惡臭氣體的控制技術(shù)進(jìn)行了選擇。對于惡臭氣體濃度相對高的區(qū)域，包括儲(chǔ)糞間和糞污處理設(shè)施處，其惡臭氣體濃度變化大，組成成分較為復(fù)雜，包含氨、硫化氫、有機(jī)硫化物、揮發(fā)性胺和VFAs等多種物質(zhì)，且氣體便于收集，收集后宜采用組合式生物處理技術(shù)進(jìn)行處理。組合式生物處理技術(shù)兼具生物洗滌和生物過濾的優(yōu)點(diǎn)，可在不同分區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(yǎng)殖場惡臭氣體濃度高、易于實(shí)現(xiàn)集中收集的相對封閉區(qū)域的惡臭氣體處理。

對于養(yǎng)殖場開放式空間，包括運(yùn)動(dòng)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(zhì)主要來源于糞尿中未降解蛋白質(zhì)和易發(fā)酵碳水化合物，厭氧條件下產(chǎn)生的惡臭物質(zhì)遠(yuǎn)大于好氧條件下[4]，而運(yùn)動(dòng)場通風(fēng)良好，惡臭氣體的產(chǎn)生較為分散，其濃度和負(fù)荷均較低且波動(dòng)大，由于為開放式空間，不易集中收集，宜采用復(fù)合菌劑霧化噴淋技術(shù)進(jìn)行處理。復(fù)合菌劑霧化噴淋后的噴淋液中含有大量的自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物，特別是亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)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(fù)合菌劑霧化噴淋技術(shù)具有對惡臭氣體處理效果好、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，利于實(shí)現(xiàn)分散式惡臭氣體的控制。

2 養(yǎng)殖場典型功能區(qū)惡臭氣體處理工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行效果

本文選擇該養(yǎng)殖場典型功能區(qū)——儲(chǔ)糞間和運(yùn)動(dòng)場產(chǎn)生的惡臭氣體為研究對象，分別采用組合式生物技術(shù)和復(fù)合菌劑霧化噴淋技術(shù)對其進(jìn)行處理，并研究了這兩處典型功能區(qū)惡臭氣體處理工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行效果。

2.1 組合式生物除臭工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行效果

2.1.1 組合式生物除臭工程的設(shè)計(jì)

(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(shè)備的安裝，12月開始調(diào)試并運(yùn)行，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為10 000 m3/h，其主要由惡臭集中密閉收集系統(tǒng)和組合式生物除臭設(shè)備構(gòu)成。惡臭氣體集中密閉收集系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)糞間、吸風(fēng)口、風(fēng)管、高壓風(fēng)機(jī)，其中儲(chǔ)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(shè)備由土建基礎(chǔ)和設(shè)備組件組成，其中設(shè)備組件包括進(jìn)氣閥門、穿孔布?xì)獍?、填料及支撐系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、儀表監(jiān)測系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和管路系統(tǒng)。

(2) 工程工藝流程：儲(chǔ)糞間產(chǎn)生的惡臭氣體經(jīng)惡臭集中密閉收集系統(tǒng)收集后，在風(fēng)機(jī)的作用下通過風(fēng)管、進(jìn)氣閥門、穿孔布?xì)獍鍙牡撞窟M(jìn)入組合式生物除臭設(shè)備；惡臭氣體進(jìn)入生物洗滌區(qū)后，一部分轉(zhuǎn)移進(jìn)入液相通過微生物的代謝作用實(shí)現(xiàn)污染物的降解，另外一部分進(jìn)入生物過濾區(qū)利用填料上附著的高效微生物降解生物洗滌區(qū)未去除的惡臭物質(zhì)，凈化后經(jīng)排風(fēng)管排入大氣[8]。生物洗滌區(qū)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(diào)節(jié)溫度的作用，降低了惡臭氣體的進(jìn)氣負(fù)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(yùn)行初期，以實(shí)驗(yàn)室增殖培養(yǎng)的硫桿菌、假單胞菌、芽孢菌、氨氧化細(xì)菌和亞硝酸氧化菌作為基礎(chǔ)菌種，運(yùn)行時(shí)采用氣液逆流操作，通過直接通氣循環(huán)掛膜法掛膜并對微生物進(jìn)行馴化。營養(yǎng)液中除含有基礎(chǔ)菌種外，還有微生物必需的營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)泵由儲(chǔ)液槽傳輸至生物洗滌區(qū)頂部和生物過濾區(qū)頂部進(jìn)行噴淋加濕，并從設(shè)備底部回流至儲(chǔ)液槽。組合式生物除臭設(shè)備示意圖見圖2。

圖2 組合式生物除臭設(shè)備示意圖Fig.2 Schematic diagram of combined biological deodorization reactor1.進(jìn)氣口;2.生物洗滌區(qū)曝氣主管;3.生物洗滌區(qū)噴淋管;4.生物洗滌區(qū)填料;5.曝氣液位計(jì);6.生物洗滌區(qū)噴淋裝置;7.排水口;8.儲(chǔ)液槽;9.儲(chǔ)液槽pH傳感器;10.儲(chǔ)液槽液位計(jì);11.生物過濾區(qū)pH傳感器;12.生物過濾區(qū)溫度-濕度傳感器;13.生物過濾區(qū)填料;14.生物過濾區(qū)噴淋管;15.生物過濾區(qū)噴淋裝置;16.生物過濾區(qū)布?xì)獍?17.排氣口

(3) 工程關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)：組合式生物除臭工程主要由惡臭集中密閉收集系統(tǒng)和組合式生物除臭設(shè)備構(gòu)成。①惡臭集中密閉收集系統(tǒng)：儲(chǔ)糞間四周為磚混結(jié)構(gòu)，頂部采用具有較強(qiáng)抗腐蝕、抗老化性能的輕型骨架覆面加蓋結(jié)構(gòu)，輕型骨架采用304不銹鋼材質(zhì)，覆面蓋板為PC耐力板；儲(chǔ)糞間容積為2 000 m3，每小時(shí)換氣5次[9-11]，風(fēng)管采用厚度為5 mm的玻璃鋼風(fēng)管。②組合式生物除臭設(shè)備：組合式生物除臭設(shè)備主體結(jié)構(gòu)由玻璃鋼制成，內(nèi)部件均由玻璃鋼、PVC等耐酸防腐材料構(gòu)成，板厚大于10 mm；生物過濾區(qū)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(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，組合式生物除臭設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表2 惡臭集中密閉收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 組合式生物除臭設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1.2 組合式生物除臭工程的運(yùn)行效果

該養(yǎng)殖場儲(chǔ)糞間的氨濃度及其波動(dòng)程度均大于硫化氫，因此將氨作為主要監(jiān)測指標(biāo)，硫化氫作為輔助監(jiān)測指標(biāo)。該養(yǎng)殖場儲(chǔ)糞間的硫化氫進(jìn)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(dá)到《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—93)(排氣筒高度為15 m)的要求。

在組合式生物除臭設(shè)備運(yùn)行210 d內(nèi)，對該養(yǎng)殖場儲(chǔ)糞間進(jìn)、出氣中氨的濃度及其去除率的變化進(jìn)行了監(jiān)測，其監(jiān)測結(jié)果見圖3。

圖3 組合式生物除臭設(shè)備對儲(chǔ)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(shè)備運(yùn)行的前24 d為啟動(dòng)階段，氨的去除率不穩(wěn)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(yīng)反應(yīng)器中的環(huán)境，氨的去除主要是由于微生物營養(yǎng)液的吸收與填料的吸附作用；在該設(shè)備運(yùn)行的第25～210 d，菌種得到馴化，設(shè)備的處理效果趨于穩(wěn)定，氨的去除率為89.2%～94.1%。

組合式生物除臭設(shè)備運(yùn)行過程中，由于氣溫或操作條件發(fā)生變化，有時(shí)會(huì)使儲(chǔ)糞間逸散的惡臭氣體濃度發(fā)生變化，從而形成進(jìn)氣負(fù)荷沖擊，但出氣中氨濃度始終低于3.17 mg/m3，達(dá)到《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—93)(排氣筒高度為15 m)的要求，可見進(jìn)氣負(fù)荷的波動(dòng)對其運(yùn)行效果造成的影響較小，說明該設(shè)備具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。

2.2 復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行效果

2.2.1 復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭工程的設(shè)計(jì)

(1) 工程概況：霧化噴淋區(qū)域?yàn)轲B(yǎng)殖場運(yùn)動(dòng)場，東西長40 m，南北長25 m，設(shè)計(jì)噴淋面積為1 000 m2，噴淋管路和噴頭沿運(yùn)動(dòng)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(gè)除臭區(qū)域。該復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭工程建設(shè)于2016年8月下旬，9月完成全部設(shè)備的安裝并進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭設(shè)備包括高壓柱塞泵、PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)、霧化噴嘴、管閥、過濾器、液位計(jì)、管路系統(tǒng)等組件。

(2) 工程工藝流程：復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭設(shè)備是利用自動(dòng)配比泵將稀釋的復(fù)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(gè)噴頭，以5～10 μm的微霧粒子噴射和擴(kuò)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(jìn)行氣液傳質(zhì)，然后被吸收、降解，達(dá)到凈化的目的。微生物菌劑為實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出的復(fù)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(fù)合菌劑霧化噴淋除臭工程的工藝流程詳見圖4。

圖4 復(fù)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)：復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭設(shè)備日運(yùn)行12 h，每小時(shí)工作30 min,復(fù)合微生物菌劑與水的混合比例為1∶40。該復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.2 復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭工程的運(yùn)行效果

該養(yǎng)殖場運(yùn)動(dòng)場的氨濃度及波動(dòng)程度均大于硫化氫，因此將氨作為主要監(jiān)測指標(biāo)，硫化氫作為輔助監(jiān)測指標(biāo)。噴淋前該養(yǎng)殖場運(yùn)動(dòng)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(dá)到《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—93)中二級排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在2016年9月26日到2017年6月復(fù)合菌劑霧化噴淋設(shè)備運(yùn)行的252 d內(nèi)，對該養(yǎng)殖場運(yùn)動(dòng)場噴淋前后氨的濃度及其去除率的變化進(jìn)行了監(jiān)測，其監(jiān)測結(jié)果見圖5。

圖5 復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭設(shè)備對運(yùn)動(dòng)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(fù)合菌劑霧化噴淋除臭設(shè)備對該養(yǎng)殖場運(yùn)動(dòng)場散發(fā)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(fēng)速以及運(yùn)動(dòng)場的狀況有關(guān)；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(dá)到《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—93)中一級排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 工程運(yùn)行成本分析

2.3.1 組合式生物除臭工程的運(yùn)行成本分析

組合式生物除臭工程的運(yùn)行費(fèi)用主要包括電費(fèi)、水費(fèi)，該組合式生物除臭設(shè)備全天24 h間歇運(yùn)行，其中風(fēng)機(jī)、洗滌泵、回流泵每小時(shí)工作30 min，噴淋泵每小時(shí)工作5 min，洗滌泵水量補(bǔ)給按流量的5%計(jì)，則該設(shè)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(xì)見表5。

表5 組合式生物除臭工程的運(yùn)行成本分析

2.3.2 復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭工程的運(yùn)行成本分析

復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭工程的運(yùn)行費(fèi)用主要包括電費(fèi)、水費(fèi)、復(fù)合菌劑費(fèi)，復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭設(shè)備日運(yùn)行12 h，每小時(shí)工作30 min，該設(shè)備每日運(yùn)行期間處理惡臭氣體的綜合成本為9.95元/h，具體明細(xì)見表6。

表6 復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭工程運(yùn)行成本分析

3 結(jié) 論

(1) 針對規(guī)模化養(yǎng)殖場，對于產(chǎn)生濃度相對較高、濃度變化大且組成較為復(fù)雜的封閉區(qū)域，包括儲(chǔ)糞間和糞污處理設(shè)施處產(chǎn)生的惡臭氣體，宜收集后采用組合式生物技術(shù)進(jìn)行處理；對于產(chǎn)生濃度低、不易集中收集的開放式空間，包括運(yùn)動(dòng)場、擠奶間和肥料施用處的惡臭氣體，宜采用復(fù)合菌劑霧化噴淋技術(shù)進(jìn)行處理。

(2) 組合式生物除臭工程對該養(yǎng)殖場儲(chǔ)糞間產(chǎn)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(dá)到《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—93)(排氣筒高度為15 m)的要求。

(3) 復(fù)合菌劑霧化噴淋除臭工程對該養(yǎng)殖場運(yùn)動(dòng)場散發(fā)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(dá)到《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—93)中一級排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(4) 組合式生物技術(shù)和復(fù)合菌劑霧化噴淋技術(shù)具有工藝流程短、能耗小、運(yùn)行成本低、自動(dòng)化程度高、惡臭物質(zhì)處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，能有效控制養(yǎng)殖場惡臭氣體的污染和排放。