摘要：本文叙述了生物反硝化有两种不同用途，餐饮业有非常多的垃圾，暂存场堆积大量的垃圾引发大气环境恶臭甚至导致周围环境污染。所以采用一种生物反硝化装置处理法与普通生物净化进行对比，妥善处理餐厨恶臭气体。利用硝化作用和反硝化作用去除有机废水和高含量硝酸盐废水中的氮，来减少排入河流的氮污染和富营养化问题，已是环境学家的共识。
关键词：反硝化法；危害；有机恶臭气体
一、餐厨垃圾产生恶臭气体的危害
餐厨垃圾产生的恶臭气体主要包括VOCs和NH3、H2S等无机物。随着我国经济与社会的快速发展，环境问题日益严峻，VOCs的排放对空气质量产生了严重影响，特别是全国各地日益增多的雾霾天气，给生活、社会发展带来很大负面影响。对流层中臭氧（O3）和二次有机气溶胶（SOA）挥发性有机化合物的结合不仅在大气光化学烟雾的反应过程中占主导地位，而且大气化学反应产物是细颗粒的重要组分，从而造成光化学烟雾、O3浓度升高、雾霾天气次数增加等一系列环境问题硫化氢具有明显的臭鸡蛋气味，不仅给人的感觉器官以刺激，而且会损害人体呼吸系统和中枢系统，直接危害人体健康，同时也是造成酸雨的主要原因之一。NH3对大气质量会产生直接的影响，一部分排放到空气中后形成酸雨，一部分水解后以酸盐的形式在土壤或地表及地下水中沉积，造成严重的大气、土壤、水体的污染。
二、反硝化法降解有机恶臭气体（VOCs）的研究
采用生物法处理垃圾挥发出来的恶臭气体，以有机恶臭气体作为碳源，投加硝酸钠作为氮源，从VOCs逸散量、VOCs去除率、COD变化情况，温度和流量对反硝化的影响，考察反硝化生物法降解恶臭气体的高效性。
1.材料与方法
（1）实验装置
本实验设置了普通生物反应器和反硝化生物反应器两组对比实验，实验装置如图2.1。
图2.1
试验装置（如图2.1）由1个垃圾桶、1个真空泵、2个有机玻璃柱组成，采用真空泵不停的抽取垃圾挥发出来的气体。两组反应器均采用直径15ｃM，高度100ｃM的有机玻璃柱，有效体积皆为8L，生物反硝化装置作为实验组，投加硝酸钠提供反硝化的电子受体；普通生物净化装置作为对照组，反应器内不投加硝酸钠，恶臭气体采用真空泵抽的方式自下而上通过反应器。主要设备及参数如表2－1所示。
表2-1
（2）运行方式
定期替换垃圾桶中的垃圾，保证垃圾挥发出来气体浓度在稳定的范围内。从真空泵抽出来的恶臭气体分为两股气流，一股气流从柱子的底端导入生物反硝化装置，另一股气流从柱子的底端导入普通生物净化装置。为保证垃圾挥发出来的气体浓度，将实验装置放在25°C恒温室中。恶臭气体由装置底部进入，净化后的气体从反应器顶部排出。试验装置采用连续抽气的方式，进气流量为0.5L/min，营养元素通过定时投加营养液进行控制。
（3）实验内容
①恶臭气体在通过两组装置后恶臭强度的变化。
②改变恶臭气体进气浓度（26.4mg.m-3、29.5mg.m-3、30.6mg.m-3、42.7mg.m-3、45.4mg.m-3、47.5mg.m-3、49.4mg.m-3、58.4mg.m-3、67.3mg.m-3、69.2mg.m-3、78.8mg.m-3、89.9mg.m-3、96.3mg.m-3、99.5mg.m-3、102.7mg.m-3、116.9mg.m-3、126.4mg.m-3、139.5mg.m-3、151.5mg.m-3、160.9mg.m-3、173.1mg.m-3、174.7mg.m-3、180.9mg.m-3、184.3mg.m-3、186.8mg.m-3、190.7mg.m-3、192.8mg.m-3、194.4mg.m-3、200.8mg.m-3、），检测不同进气浓度下生物反硝化装置和普通生物净化装置的出气浓度。
③进气浓度在100mg.m-3左右，考察在一段时间里两组装置中的COD变化情况。
④为考察装置在不同运行条件下的可靠性，改变恶臭气体的温度以改变进气VOCs浓度，选取4个（15°C、20°C、25°C、30°C）进气浓度条件下进行实验。检测VOCs进气和出气浓度值，并计算出VOCs的去除率。
⑤为考察装置在不同运行条件下的可靠性，改变恶臭气体的通气气量以改变生物处理装置的进气速率，选取6个（100ml/min、200ml/min、300ml/min、400ml/min、500L/min、600ml/min）进气流量条件下进行实验。检测VOCs进气和出气浓度值，并计算出VOCs的去除率。
（4）营养液
本实验以有机恶臭气体为碳源和电子供体，以硝态氮或亚硝态氮为氮源和电子受体，并加入Mg、Ca、P等常量营养元素和Fe、Mo、Co等微量营养元素。本实验所用营养液事先由蒸馏水和分析纯化学药剂配制而成，定时定量向反应器中投加配置好的营养液。各营养组分的浓度如表2－2。
表2-2
（5）分析项目及方法
①水质指标的分析项目和检测方法水质分析方法参考国家环保总局《水和废水检测方法》，具体分析项目和分析方法见表2－3。
表2-3
表2-4
②VOC逸散量的检测VOC逸散量采用PGM－7340VOC检测仪。
③污泥的测定污泥浓度（MLSS）采用重量法测定。
2结果与讨论
（1）反硝化法处理恶臭气体污泥训化过程
为了使活性污泥具有处理恶臭气体特定的能力，而且微生物的种类和处理有机物的能力影响到整个装置的效果，因此需要对活性污泥进行驯化。让驯化后的微生物能够具有较强的有机物处理能力，增强整个处理系统的处理效率，驯化就是要能适应新环境的微生物生存下来，难适应的遭到淘汰，最终达到要求的微生物驯化培养基中的营养液如图2.2。
图2.2
在驯化试验期间，PH值在6.8和7.0之间浮动，由于恶臭气体大部分被吸附使得驯化第一天（100mg.m-3左右）去除率很高，2到4天去除率下降，第五天开始回升。在第6天增大进气浓度（150mg.m-3左右），去除率又开始下降，从第9天开始到15天去除率持续的上升，第16天增大进气浓度（200mg.m-3左右），之后恶臭气体出气浓度趋于稳定，证明驯化结束。
（2）恶臭强度的变化
本实验一次性投加硝酸钠，在驯化完成后，取30L的餐饮垃圾，通过真空泵抽的方式，在25°C的恒温室中，以0.5L/min分别通入两组反应器。表2－5为恶臭气体处理前后强度变化情况。
表2-5
由表2－5可知：处理前，恶臭气体的恶臭强度等级为5级，不可忍耐的剧臭。处理后，两组装置恶臭强度等级为2级，气味弱。
（3）恶臭气体生物净化的性能参数
净化效率是表示生物反应器净化性能的参数，净化效率，即去除率，表示废气的净化程度，数学表达式为：
式中：η一净化效率；C1一气体入口浓度，mg.m-3；C2一气体出口浓度，mg.m-3。
（4）生物反硝化装置与普通生物净化装置出气效果的对比
在控制通气流量为0.5L/min，室内温度为25°C的实验条件下，通过每天添加垃圾的量，改变进气的浓度。图2.3－2.4分别描述了进气浓度从20.3mg.m-3左右增加到200.8mg.m-3左右时，生物反硝化装置与普通生物净化装置的出气浓度和去除率的变化情况。
图2.3
图2.4
从图2.3－2.4可以看出，在各个进气浓度下，生物反硝化装置与普通生物净化装置都能获得较稳定的净化效果，并且两组反应器的出气浓度均随着恶臭进气浓度的增加而增大，去除率均随进气浓度的升高而减小。但反硝化系统比普通系统获得更好的恶臭气体净化效果，从整体上看，生物反硝化装置比普通生物净化装置的出气浓度小，去除率也高于普通生物净化装置。
当进气浓度在20.3mg.m-3－200.8mg.m-3之间变化时，两组生物反应器出气浓度随进气浓度增加而缓慢增加，并且普通生物净化装置的出气浓度增加速率大于生物反硝化装置。其中进气浓度在20.3mg.m-3￣102.7mg.m-3之间时，生物反硝化装置与普通生物净化装置的出气浓度差别不显著，两组反应器均能获得较好的净化效果，去除率在90%以上，出气浓度均低于9.4mg.m-3，满足《大气污染物综合排放标准》规定的新污染源最高允许排放浓度40mg.m-3。进气浓度从102.7mg.m-3增加到186.8mg.m-3时，反硝化系统仍可以达标排放，出气从8.2mg.m-3增加到29.2mg.m-3，去除率保持在84%以上，而普通生物净化装置的出气浓度从9.2mg.m-3增加到34.2mg.m-3，去除率保持在81%以上，但去除率降低幅度较大。当进气浓度继续升高，从190.7mg.m-3增加到200.8mg.m-3时，两组反应器出气均超标，生物反硝化装置出气浓度从40.5mg.m-3上升到59.3mg.m-3。普通生物净化装置出气浓度从43.1mg.m-3上升至67.8mg.m-3。两组系统去除率大幅度降低，也都超出国家排放标准。普通生物净化装置出气浓度明显大于生物反硝化装置，并且两组反应器出气浓度差值随进气浓度的升高而増大，同时生物反硝化装置和普通生物净化装置的去除率较为稳定，但生物反硝化装置的去除率明显大于普通生物净化装置。
经过计算在进气浓度在20.3mg.m-3--200.8mg.m-3之间变化的30天，整个生物反硝化装置去除率为85.96%，普通生物净化装置去除率为84.15%。
（5）生物反硝化装置与普通生物净化装置COD的对比
在恶臭气体净化过程中，生物反应器中同时进行了恶臭气体从气相到液相的转移和转移到液相的恶臭气体被微生物降解去除，恶臭气体在液相中的积累影响了微生物的代谢活动和反应器的净化性能。
驯化后，在控制通气流量为0.5L/min，室内温度为25°C的实验条件下，恶臭气体的出气浓度控制在100mg.m-3左右。在17天的运行下，比较了生物反硝化装置与普通生物净化装置的COD的变化。
图2.5
从图2.5整体上来看，生物反硝化装置中的COD低于普通生物净化装置，说明生物反硝化装置中溶解的有机物的浓度低于普通生物净化装置，进入反硝化反应器中的恶臭气体能被更好降解去除，系统中保持动态平衡。相较于普通生物净化装置，恶臭气体在进入生物反硝化装置后能更好的被生物降解去除。由于恶臭气体的浓度不能非常精确的控制，导致每天进入装置中的有机物的量不同，所以每天COD的进入量也不同，但是通过对比发现生物反硝化装置中的COD—直低于普通生物净化装置。生物反硝化装置中有机物大部分被氧化成CO2和H2O，少部分作为碳源被反硝化利用。本实验中，以有机恶臭气体为唯一碳源，COD主要反映了液相中恶臭气体的浓度，COD越高表明恶臭气体在液相中的溶解度越高，那么气相中恶臭气体的质量浓度也就越高，COD决定了出气浓度的大小，同时出气浓度也能够间接的反映液相中VOCs的浓度。
（6）不同温度下生物反硝化装置对VOCs的去除效果
在四个不同实验温度下，稳定运行时恶臭气体的进气浓度分别为：15°C时约为130mg.m-3，20°C时约为141mg.m-3，25°C时约为156mg.m-3，30°C时约为187mg.m-3。反石肖化生物处理装置运行阶段VOCs去除率变化情况见图2.6。
图2.6
从图2.6可见，在不同温度下，VOCs的去除率明显不同，温度增高，去除率下降或者升高。温度增高，可能是垃圾挥发出的有机物种类和数量都増加。15°C垃圾温度较低时，恶臭废气中小分子挥发性有机物较多，多数易于微生物代谢利用，但是系统中微生物的活性不高，微生物体内酶的活性和细胞合成受到影响，因此微生物不能较顺利地利用有机物进行新陈代谢，微生物对有机物的吸收率就会降低。而提高垃圾温度后，25°C达到了微生物适宜生长的温度条件，系统对恶臭气体的处理效果提高较明显，说明生物活性达到较高状态，所以此温度条件下，系统己经适合对恶臭气体的生物降解。30°C废气中分子量较大的挥发性有机物比例增大，部分物质难以被微生物快速降解，导致出气VOCs浓度增加。
（7）不同流量下生物反硝化装置对VOCs的去除效果
选取6桶垃圾，垃圾的量基本相同，使得挥发出来的VOCs的浓度基本相同。在不同的流量下，检测有机恶臭气体的进出气，并计算去除率。
图2.7
从图2.7整体上来看，不同进气流量下，随着反硝化生物处理装置进气流量的增大，出气VOCs去除率呈先增大后减小的趋势，在300ml/min时去除率达到最大。在提高进气流量初期，去除率增幅较小，而当进气流量大于300ml/min时，VOCs去除率快速降低。随着运行时间的增加，去除率都出现了降低。可能是溶解氧过高，使得反硝化的速率降低，部分由反硝化去除的恶臭气体没有被去除。
实验验证了生物处理装置的进气流量是影响装置VOCs去除效率的重要影响因素，进气流量太大时，装置内反硝化反应受到抑制，部分VOCs无法被微生物快速代谢去除，当进气流量太小时，对装置内活性污泥液体的扰动太小，微生物无法到达装置上层，相当于减小了装置高度和接触反应时间，当这两种情况出现都会导致处理效果变差。
三、结论
本章设置了生物反硝化装置和普通生物净化装置的两组实验，以恶臭气体为处理对象，通过分析有机恶臭气体进气浓度在20.3mg.m-3—200.8mg.m-3之间变化时，两组反应器的出气浓度；比较两组反应器中COD的变化情况，分析了反硝化法和普通生物法对有机恶臭气体的净化性能；并研宂了不同温度和流量下生物反硝化装置中恶臭气体去除率的情况。主要结论有以下几点：
（1）生物反硝化装置对有机恶臭气体具有更好的净化效果。当有机恶臭气体浓度在20.3mg.m-3—200.8mg.m-3之间变化时，反硝化反应器和普通反应器的出气浓度均随着恶臭气体进气浓度的升高而增大，而生物反硝化装置的出气浓度均低于普通生物净化装置，生物反硝化装置获得更高的去除率，尤其是在恶臭气体进气浓度较高时，两者间的差别更显著。有机恶臭气体进气浓度不超过102.7mg.m-3时，反硝化反应器和普通反应器的去除率都保持在90%以上，出气从8.2mg.m-3增加到29.2mg.m-3，生物反硝化装置去除率保持在84%以上，而普通生物净化装置的出气浓度从9.2mg.m-3增加到34.2mg.m-3，去除率保持在81%以上，但去除率降低幅度较大；当进气浓度继续升高，从190.7mg.m-3增加到200.8mg.m-3时，生物反硝化装置去除率从78.6%降低到70.4%，普通生物净化装置去除率从77.3%P牵低到66.1%。
（2）提高恶臭气体的温度，30°C进气浓度随之增大，生物反硝化装置对于有机恶臭气体的去除率降低。去除率降低的原因可能是恶臭气体在高温度下，废气中含有更多的分子量较高的难降解VOCs。15°C垃圾温度较低时，废气中小分子挥发性有机物较多，多数易于微生物代谢利用，但是微生物的活性不高，微生物体内酶的活性和细胞合成受到影响。25°C垃圾挥发出来的恶臭气体，生物反硝化装置处理效果最好。
（3）生物反硝化装置具有更好的去除能力。生物反硝化装置中的COD低于普通生物净化装置。在装置连续17天的观察下，生物反硝化装置和普通生物净化装置中COD均有较大的波动。进入反应器中的恶臭气体能被及时降解去除，系统中保持动态平衡。生物反硝化装置中的COD均低于普通生物净化装置中的COD。
（4）恶臭气体流量从100ml/min增加到600ml/min时，生物反硝化装置对恶臭气体的去除率在300ml/min时最高。可能是溶解氧过高，使得反硝化的速率的降低，使得部分由反硝化去除的恶臭气体，没有被去除，进气流量太大时，装置内反硝化反应受到抑制，部分有机恶臭气体无法被微生物快速代谢去除，当进气流量太小时，装置内活性污泥液体的扰动太小，微生物无法到达装置上层，相当于减小了装置高度和接触反应时间，当这两种情况出现都会导致处理效果变差。
四、建议
针对垃圾挥发出来的恶臭气味问题，本文采用反硝化法处理恶臭气体，并从降解的有效性、影响因素和恶臭气体物质反应前后量、种类变化的角度，探讨反硝化法降解恶臭气体的机理，取得了一定的成果。但由于时间、实验条件的限制，还有一些重要问题的研宄不够深入或尚未涉及到，今后可以深入研宄：
（1）反硝化处理恶臭气体过程中由于设备原因，没有在更低的温度条件下进行试验，在以后设备条件许可时可继续探讨。
（2）与传统恶臭气体的处理方法相比，本试验的降解效果略有提高，如何降低溶解氧使得反硝化进行的更充分，需要进一步的探讨。
（3）垃圾的种类特别多，本试验仅仅对餐厨垃圾产生的恶臭气体进行了研究，以后可对其他垃圾处理产生的恶臭气体进一步研宄。
（4）建立净化恶臭气体的数学模型，为恶臭气体生物净化技术的工程应用提供设计依据。
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论文作者:康雪华
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
标签：恶臭论文; 装置论文; 浓度论文; 气体论文; 生物论文; 微生物论文; 反应器论文; 《基层建设》2019年第12期论文;